Python 程式設計

第 5 章    小烏龜繪圖模組

∗ Turtle 繪圖模組

▸ 烏龜繪圖 (Turtle graphics) 是 Logo 程式語言中的一個向量繪圖技術，開發於 1960 年代， 非常適合初學者學習，目前大多數的程式語言都有此套件

▸ 烏龜繪圖的機制：想像有一隻烏龜，可以依使用者的指令到處遊走，牠的尾巴就像畫筆一般，如果放下就會將行走軌跡畫下來， 尾巴如果提起，就不會畫軌跡

▸ Turtle 模組利用 python3-tk 套件來繪圖，安裝：

✶ Ubuntu：$ sudo apt install python3-tk
✶ Windows：預設已安裝

(1) Turtle 程式範例

∗ 繪圖座標系統：

coordinate

∗ 小烏龜畫圖形

ch5/myTurtle.py (首先建立 python/ch5 目錄)

import turtle

# Create screen and turtle objects
screen = turtle.Screen()
screen.setup(500, 400)
myTurtle = turtle.Turtle()

# Move the turtle
myTurtle.forward(150)
myTurtle.left(90)
myTurtle.forward(75)

# Exit
screen.exitonclick()

myTurtle

▸ 第 1 行：匯入 turtle 模組，本範例使用 turtle 模組裡的 Screen() 及 Turtle() 兩個方法

▸ 第 4 行：利用 turtle 模組裡的 Screen() 方法產生一個螢幕物件， 並將其指派給變數 screen

✶ Python 模組方法的使用方式是利用 <module>.<method>() 的點號語法， 例如本範例中的 turtle.Screen()

▸ 第 5 行：利用 screen 物件的 setup() 方法來設定螢幕的寬度與高度 (本例中，寬高分別是 500 與 400 像素)

▸ 第 6 行：利用 turtle 模組裡的 Turtle() 方法產生烏龜物件， 並指派給 myTurtle 變數

▸ 第 9 行：利用 myTurtle 物件的 forward() 方法讓小烏龜向前走 150 像素距離

✶ 註：烏龜物件產生時，預設方向為面向東方

▸ 第 10 行：利用 myTurtle 物件的 left() 方法讓小烏龜左轉 90 度

▸ 第 11 行：向前走 75 像素距離

▸ 第 14 行：利用 screen 物件的 exitonclick() 方法在使用者點擊螢幕時結束程式

▸ 注意：不可將檔案命名為 turtle.py， 否則會和內建的 turtle 模組名稱衝突

∗ 其他 screen 與 turtle 物件方法

▸ 設定螢幕背景顏色

screen.bgcolor('lightBlue')    # 淡藍色
screen.bgcolor('#add8e6')

▸ 設定畫筆顏色

myTurtle.color('blue')    # 藍色

▸ 設定畫一個封閉幾何圖形的外框及底色，例如藍框紅底、半徑為 30 的圓：

myTurtle.color('blue', 'red')
myTurtle.begin_fill()
myTurtle.circle(30)
myTurtle.end_fill()

▸ 設定畫筆尺寸

myTurtle.pensize(3)    # 3 像素寬

▸ 提筆與落筆

myTurtle.penup()      # 提筆
myTurtle.pendown()    # 落筆

▸ 走到某個位置

myTurtle.goto([120, 150])    # 走到 (120, 150) 位置，位置資料為串列
myTurtle.goto(120, 150)      # 位置參數為兩筆資料

▸ 練習 5-1

∗ Tk 顏色名稱與數值

▸ http://www.tcl.tk/man/tcl8.4/TkCmd/colors.htm

▸ 練習 5-2

∗ 像電腦科學家一樣的思考，回答以下問題：

▸ 小烏龜產生時是面向東方，經過許多轉彎後，如果所有轉彎的角度加起來是 360 的倍數，請問小烏龜面向何方？

▸ 如果要畫一個封閉的幾何圖形，總共需要轉幾度？

(2) For 迴圈

∗ 利用小烏龜繪製一個方框

▸ 規劃行走模式：向前走 → 左轉 → 向前走 → 左轉 → 向前走 → 左轉 → 向前走，程式如下：

ch5/drawSquare.py
import turtle

# Create screen and turtle objects
screen = turtle.Screen()
screen.setup(500, 500)
myTurtle = turtle.Turtle()

# Move the turtle: draw a square
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)
myTurtle.forward(100)

# Exit
screen.exitonclick()
drawSquare

▸ 以上程式其實頗為繁瑣，繪製四邊形需要 7 個指令，如果要繪製八邊形就要 15 個指令， 如此程式不僅變得更長，看起來更是雜亂，試想，如果要繪製 100 邊形，光複製近 200 行程式指令就手軟了

▸ 解決方案：重複的程式只要寫一次，然後自動重複執行許多次

✶ 此種功能稱為「迴圈」(Iteration, Loop)，Python 語言有 for 與 while 兩種迴圈指令，都屬於複合指令 (Compound statement)

∗ 複合指令

▸ Python 有一些指令可以包含其他指令，稱為複合指令 (Compound statement)，例如 for, while, if, else, elif, def, class 等

▸ 以 for 複合指令為例，其功能是重複執行一群指令，語法如下：

for <variable> in <sequence>:
    <body>
✶ <variable>：迴圈變數 (Loop variable)，在每次迴圈執行時會循序取用一個值
✶ in：在 ... 之中
✶ <sequence>：一個序列，內含許多值，例如 Python 的串列 [1, 2, 3, 4]，以中括號包住 4 個整數值
✶ <body>：複合指令的本體，是每次迴圈要執行的一群指令

▸ 複合指令的結尾要有冒號

▸ 複合指令的本體需縮排一層，每層縮排為 4 個空格 (不要使用定位鍵來縮排)

▸ Python 的縮排非常重要，縮排錯誤可能會造成程式執行錯誤，或執行結果錯誤。 縮排強迫程式設計師必須將程式結構化，以提升閱讀性 (Readability)，此與其他語言非常不同

✶ 例如以下兩段程式結果是不同的：
for num in [1, 2, 3, 4]:
    print(num)
print('End')


for num in [1, 2, 3, 4]:
    print(num)
    print('End')
# 第一段程式的 print('End') 指令不屬於 for 指令的本體，因此僅會執行一次； 第二段程式的 print('End') 指令屬於本體，因此會執行 4 次

▸ 不受縮排限制來對齊指令

✶ 某些指令較長，需要額外對齊較整潔，可以利用括號包住，就可以不受縮排的限制，例如：
overtime = (overtimeMorning +
            overtimeAfternoon +
            overtimeEvening +
            overtimeNight)

∗ 迴圈 (Iteration)

▸ 電腦程式的一項重要功能就是能夠重複執行某些指令，這樣的重複功能稱為迴圈

▸ 例如：我們想邀請一些朋友來參加我們的派對，打算寄給每一個人一封電子信件，每封信內容相同，但抬頭不同， 可利用以下迴圈程式印出個別訊息：

ch5/party.py
for name in ['張三', '李四', '王五', '趙六']:
    print(f'Hi {name}，歡迎參加我們在星期六所舉辦的派對')
✶ 第 1 行 for name in ['張三', '李四', '王五', '趙六']：
# ['張三', '李四', '王五', '趙六'] 是Python 的串列， for 迴圈每次循序取出串列裡的一個項目，並且指派給迴圈變數 name：
# 第 1 個迴圈 name 的值是 張三
# 第 2 個迴圈 name 的值是 李四
# 第 3 個迴圈 name 的值是 王五
# 第 4 個迴圈 name 的值是 趙六
✶ 第 2 行印出訊息：此指令是 for 複合指令的本體，因此縮排 4 個空格
✶ 每次迴圈執行完畢，程式都會檢查是否還有資料要取用，如果有，就繼續迴圈，如果沒有 (這是迴圈結束條件)，就停止迴圈
✶ 執行結果：
Hi 張三，歡迎參加我們在星期六所舉辦的派對
Hi 李四，歡迎參加我們在星期六所舉辦的派對
Hi 王五，歡迎參加我們在星期六所舉辦的派對
Hi 趙六，歡迎參加我們在星期六所舉辦的派對

∗ For 迴圈的執行流程

▸ 電腦程式在執行時，會決定下一個要執行指令是那一個指令，這樣的控制稱為控制流程 (Control flow) 或者執行流程 (Execution flow)

▸ 程式由上往下循序執行，這種型態稱為循序控制流程 (Sequential control flow)

▸ For 指令是重複控制流程 (Repetitive control flow)，如下圖所示：

controlFlow
✶ 首先判斷是否序列裡的所有項目都已輪過
✶ 若是，結束迴圈
✶ 若否，將序列裡下一個項目指派給迴圈變數
✶ 執行迴圈本體程式

∗ 利用 for 迴圈簡化小烏龜繪製方框程式

▸ 利用小烏龜畫一個方框，相同的事要重複 4 次：「向前走，轉 90 度」

▸ 先前畫方框的程式共有 8 行，現在改為 for 迴圈，程式僅有 3 行：

ch5/drawSquare2.py (Modify drawSquare.py)
...

# Move the turtle: draw a square
for i in [1, 2, 3, 4]:
    myTurtle.forward(100)
    myTurtle.left(90)

...
✶ for i in [1, 2, 3, 4]：建立一個循序使用串列裡的元素的迴圈， 迴圈每次會取用一個項目，因此會執行 4 次：
圈數 變數 i 的值 執行程式
1 1 
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)
2 2 
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)
3 3 
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)
4 4 
myTurtle.forward(100)
myTurtle.left(90)

▸ 由於迴圈變數在本體中並未用到，只是用來當計數器，因此序列的內容也就不重要，只要串列裡成員的數量為 4 即可， 因此下列兩種迴圈都有相同效果：

for i in ['a', 'b', 'c', 'd']:    # 循序取串列裡的元素
    myTurtle.forward(100)
    myTurtle.left(90)

for i in 'abcd':                  # 循序取字串裡的字元
    myTurtle.forward(100)
    myTurtle.left(90)

∗ 像個電腦科學家一樣的思考

▸ 其實少寫幾行程式並非迴圈的主要貢獻，迴圈讓我們學到程式的一個重要功能：重複執行相同的指令

▸ 迴圈在程式中是很常見的結構，可用此結構解決許多問題

▸ 試試看，每次迴圈給不同的畫筆顏色：

ch5/colorSquare.py
import turtle

# Create screen and turtle objects
screen = turtle.Screen()
screen.setup(500, 500)
myTurtle = turtle.Turtle()

# Move the turtle: draw a square
for color in ['red', 'blue', 'green', 'orange']:
    myTurtle.color(color)
    myTurtle.forward(100)
    myTurtle.left(90)

# Exit
screen.exitonclick()
colorSquare

▸ 練習 5-3

(3) Range 函式

∗ 產生數字序列

▸ 先前的 for 迴圈範例使用 [1, 2, 3, 4] 數字串列， 針對此，Python 提供了一個簡單的內建函式 range()，用來產生數字序列 (並非「串列」)，語法如下：

✶ range(<stop>)：產生 0 ~ <stop>-1 的數字串列 (從 0 開始，總共 <stop> 個數字)
# 例如：range(6) → 0, 1, 2, 3, 4, 5
✶ range(<start>, <stop>)：產生 <start>, <start>+1, ..., <stop>-1 的數字串列 (從 <start> 開始， 總共 <stop>-<start> 個數字)
# 例如：range(4, 10) → 4, 5, 6, 7, 8, 9
✶ range(<start>, <stop>, <step>)：產生 <start>, <start>+<step>, ... 的數字串列
# 例如：range(4, 10, 2) → 4, 6, 8

▸ 注意：range() 函式所產生的序列可直接提供 for 迴圈使用， 但如果要真的產生串列，則必須使用 list(range(...)) 方式，例如：

numList = range(2, 8)
print(numList)    # range(2, 8)
numList = list(range(2, 8))
print(numList)    # [2, 3, 4, 5, 6, 7]
✶ range() 函式回覆的是 range 類別，而非 list 類別，不用 list 類別主要理由就是效能：range 類別在記憶體裡只存三筆資料： start, stop, step， 而不是儲存整個串列，如此，不僅不浪費記憶體，速度也快多了

∗ 小烏龜畫方框迴圈程式改用 range() 函式：

ch5/drawSquare2.py
...

# Move the turtle: draw a square
for i in range(4):
  myTurtle.forward(100)
  myTurtle.left(90)

...

(4) 其他 Turtle 方法

▸ 既然小烏龜模組可以繪製幾何圖形，我們應該更深入了其解繪圖功能

∗ forward() 及 left() 方法可以有負值參數

▸ 例如：

myTurtle.forward(-100)    # 後退 100
myTurtle.left(-30)        # 右轉 30 度

▸ 也有 backward() 及 right() 方法可用

myTurtle.backward(-100)    # 前進 100
myTurtle.right(-100)       # 左轉 100 度

▸ 因為圓為 360 度，因此 myTurtle.right(100) 等於 myTurtle.left(260)

∗ 小烏龜可以有自己的形狀 (shape)

▸ Turtle 模組提供以下形狀： arrow, blank, circle, classic, square, triangle, turtle

▸ 例如設定為烏龜形狀： myTurtle.shape('turtle')

∗ 小烏龜行走的速度 (Speed) 可以調整

▸ 速度範圍：1 ~ 10 (最慢 ~ 最快)，0 則是最快 (沒有動畫)

▸ 設定速度：myTurtle.speed(8)

∗ 小烏龜可以蓋章：

myTurtle.stamp()

∗ 範例：畫螺旋形及星形

spiral

ch5/spiral.py
import turtle                   # 匯入小烏龜模組

screen = turtle.Screen()        # 產生一個螢幕
screen.setup(500, 400)          # 設定螢幕寬高
screen.bgcolor('lightgreen')    # 設定螢幕背景

myTurtle = turtle.Turtle()      # 產生一個小烏龜物件
myTurtle.color('blue')          # 設定烏龜顏色
myTurtle.shape('turtle')        # 設定烏龜形狀

myTurtle.penup()                # 提筆
for step in range(5, 60, 2):    # 迴圈：從 5 開始，每次跳 2 步，直到 60
    myTurtle.stamp()            # 蓋章
    myTurtle.forward(step)      # 向前 step 步
    myTurtle.right(24)          # 右轉 24 度

screen.exitonclick()            # 使用者點擊螢幕時結束程式

star

ch5/star.py
import turtle

screen = turtle.Screen()
screen.setup(400, 300)

myTurtle = turtle.Turtle()
myTurtle.color('red', 'yellow')    # 多邊形外框紅色，內部區域黃色
myTurtle.speed(10)                 # 設定速度
myTurtle.backward(100)             # 後退 100 (讓圖形置中)

myTurtle.begin_fill()    # 開始填色
for i in range(36): 
    myTurtle.forward(200)
    myTurtle.left(170)
myTurtle.end_fill()      # 結束填色

screen.exitonclick()

∗ 常用小烏龜物件方法彙整

方法參數說明
forward(<x>)distance向前走一段距離 <x>
backward(<x>)distance向後走一段距離 <x>
right(<a>)angle順時針旋轉角度 <a>
left(<a>)angle逆時針旋轉角度 <a>
up(), penup()提筆
down(), pendown()落筆
color(<c>)color name設定筆的顏色 <c>
pensize(<s>)size設定筆的尺寸 <s>
fillcolor(<c>)color name設定填滿多邊形的顏色 <c>
heading()回覆目前的方向
setheading(<a>)angle設定目前方向為 <a> 角度
position()回覆目前的位置
goto(<x>, <y>)
goto([<x>, <y>])		x, y前往 (<x>, <y>) 位置
speed(<s>)speed設定速度 <s> (0 ~ 10)
begin_fill()多邊形開始填色
end_fill()多邊形結束填色
circle(<r>)radius畫一個圓，半徑為 <r>
write(<s>)string在目前位置寫文字 <s>
dot()在目前位置留下一個點記號
stamp()在目前位置留下一個烏龜形狀記號
shape(<s>)shap name設定烏龜形狀 <s>
('arrow', 'turtle', 'circle', 'square', 'triangle', 'classic')

▸ 完整資料請參考： https://docs.python.org/3/library/turtle.html

▸ 練習 5-4, 5-5