Python 基础绘图库-turtle 介绍

摘要

本文会介绍 Python 的基础图库 Turtle。Turtle 库可以帮助初学者更好的学习 Python。本文会介绍如何控制「海龟」在画布上进行移动与绘画，同时使用 Turtle 制作一个简单的游戏。

简介

Turtle 库是 Python 的基础绘图库。其主要是用于程序设计入门，是标准库之一，利用 turtle 可以制作很多复杂的绘图。总体来说，turtle 库可以帮助初学者对学习 Python 有兴趣。

Turtle 名称含义为「海龟」。我们想象一只海龟，位于显示器上窗体的正中心，在画布上游走，它游走的轨迹就形成了绘制的图形。海龟的运动是由程序控制的，它可以变换颜色，改变大小（宽度）等。

参考资料

• turtle — Turtle graphics，turtle 库的官方说明文档
• The Beginner's Guide to Python Turtle，一个非常好，非常全的 turtle 入门材料
• Python-Painting-Doraemon-Pikachu，利用 turtle 绘制哆啦A梦和皮卡丘
• turtle painting，利用 turtle 绘制一系列的内容（例如樱花树，爱心等）

 

Turtle 库简单使用

Turtle 是 Python 的一个内建的库，所以我们不需要进行安装。我们唯一需要做的就是将其导入到 Python 环境中。我们可以通过下面的命令来导入 turtle 库。

现在 turtle 已经在我们的环境中了。我们可以创建一个单独的窗口，在上面执行绘画的命令。首先我们初始化一个窗口。

除了上面初始化画布的方式之外，我们还可以使用 turtle.Screen() 来进行定制化。中间可以输入画布的大小等，如下所示：

接着我们初始化一个变量，这个就是来表示 turtle 的，我们可以控制他的移动。

现在我们已经有了窗口（可以认为是一个画布）和我们的海龟（可以认为是一支画笔）。我们可以使用我们的程序来控制海龟在画布上进行移动。这个海龟会有一些属性是可以改变的，例如大小，颜色，移动速度等。下面我们就会详细说明如何控制海龟的移动。

 

控制海龟移动的方向

我们首先学习如何控制海龟朝不同的方向进行移动。一共是有四个方向海龟可以移动，分别是：

• 前（Forward）
• 后（Backward）
• 左（Left）
• 右（Right）

其中 .forward 和 .backward 分别表示表示朝着面向，或是背面的方向移动。里面可以放参数，来控制移动的距离。.left 和 .right 表示转向，可以控制转向的角度。我们可以尝试一下下面的例子：

运行上面代码，我们的海龟会依次执行以下的动作（上面 speed 是控制海龟移动的速度的，这个稍后会有更加详细的介绍）：

1. 向前移动 100 个单位
2. 右转 90 度
3. 向前走 100 个单位
4. 左转 90 度
5. 前后走 100 个单位

最终会得到如下的效果：

上面的左转，右转，直行和后退都是可以化简的，如下所示：

我们可以在上面代码后面加入这一行，使得窗口不会马上关闭：

除了按照上面那样移动之外，我们还可以控制海龟直接到达指定的位置。我们可以把整个屏幕想象成一个二维坐标系，起始点就是原点，于是每一个点都有了坐标。

整个屏幕被分为了四个象限，海龟初始的地方是 (0,0)，我们称之为原点，或是 Home。我们可以使用 .goto 将海龟移动到屏幕的任意位置。下面是一个简单的例子。

我们直接将海龟移动到 (100, 100) 的位置，输入如下所示：

我们还可以使用下面的命令直接将海龟移动到起始位置，也就是 Home 的位置。

这个代码是与 t.goto(0,0) 是等价的。

 

绘制基础图形

上面我们已经知道了如何移动海龟。接下来我们尝试一下如何绘制出长方形。

上面的代码输出结果如下所示：

可以看到在绘制长方形的时候，每次转向是一样的。于是我们考虑可以通过 for 循环来绘制一个正方形。代码如下所示：

最终绘制出的结果如下所示：

上面我们绘制了一个长方形和一个正方形。可以尝试使用 .goto 的方式来绘制长方形和正方形。同时也可以尝试绘制三角形，或是其他形状。

 

绘制预设图像-圆与点

上面我们介绍了如何绘制类似「矩形」或是「三角形」这样的几何形状。但是假设现在要和我们绘制一个圆，如果要使用上面的方式，是会比较吃力的。所以在 turtle 中预设了一些形状，例如我们可以使用下面的命令来绘制圆，其中参数是控制圆的半径。

我们绘制了两个半径不同的圆，最终的效果如下所示：

我们可以使用 while 循环，来绘制一个嵌套的圆，同时需要注意，当半径为负数时，圆的朝向就是向下的，可以看一下下面的代码：

最终绘制的结果如下图所示：

除了绘制圆之外，我们还可以绘制点。这个是没有绘画过程的，是一瞬间完成的。

同样，我们也可以控制里面的参数来控制点的大小。到目前位置，我们了解了如何使用 turtle 来绘制简单的图形。下面我们会介绍如何自定义 turtle，例如自定义背景颜色，自定义画笔的大小等。

 

使用 turtle 显示文字

我们可以使用 write 来让 turtle 显示指定的文字。下面是一个简单的例子，这里 False 控制写字的时候 turtle 是否会移动到最后一笔的位置。

一般在写字的时候，我们习惯于把 turtle 给隐藏掉：

 

获得 turtle 的位置

当我们控制 turtle 移动之后，我们可以获取他们的位置。通过 turtle.pos() 来获取，如下所示：

使用 .pos，可以获取到 x 和 y 的坐标。

 

进一步自定义 Turtle 图像

这里其实可以分为两个部分，第一个部分是对于画布的自定义；第二个部分是对于画笔的自定义。

自定义画布颜色或图像

上面我们默认情况下画布都是白色的，这个颜色我们是可以自定义的。下面是自定义的方式。

我们也可以是使用指定的图像来作为背景，下面是自定义的方式：

 

修改画布标题

有些时候我们可以修改我们窗口的标题，更加定制化。例如下面我们将窗口标题修改为"My Title Program"。

最终修改的结果如下图所示：

 

修改 turtle 的大小

我们还可以增大和减少屏幕上 turtle 的大小。这个大小的改变是不会影响到最终画笔的粗细的，只是影响显示的大小而已。我们使用 .shapesize 来改变大小，主要会有以下的三个参数：

• Stretch length
• Stretch width
• Outline width

我们使用下面的参数来控制画笔的大小：

下面展示了不同的参数的效果，可以看到这里是不影响最终绘制线条的粗细的。

 

修改 turtle 的形状

在默认情况下画笔的形状不是一个 turtle（海龟），而只是一个三角形。但是我们可以将他的形状修改为 turtle 的形状，或是一些其他的形状。Turtle 库一共支持以下的几种形状：

• Square，正方形
• Arrow，箭头
• Circle，圆形
• Turtle，海龟的形状
• Triangle，三角形
• Classic，也是类似于箭头，他默认的形状

我们可以使用以下的命令来修改形状，下面是修改为 turtle：

最终实际的效果如下所示：

除了使用他默认的形状之外，我们还可以自定义形状。如下所示，我们自定义两个形状，并将其拼接在一起。其中第一个是一个箭头，第二个是一个三角形。

最终的效果如下所示：

我们甚至可以将一个图片，或是动图注册为 shape，下面是一个简单的例子：

 

修改 turtle 的速度

我们还可以自定义 turtle 移动的速度。我们可以加快或是减慢他移动的速度，使用 speed 来进行控制，下面是简单的说明：

我们需要注意一下这里速度的对应关系，不是数字越小速度越慢，他有自己的对应关系：

• 'fastest' :  0
• 'fast'    :  10
• 'normal'  :  6
• 'slow'    :  3
• 'slowest' :  1

速度快慢与参数的关系如上所示，就是会比较奇怪。

 

改变画笔的粗细

上面是改变了 turtle 的大小，不会改变最终线条的粗细。但是有的时候我们需要增加或是减少绘制的线条的粗细，我们可以使用 .pensize 来改变绘制的粗细。

.pensize 中的参数表示线条的粗细。数字越大，线条越粗。上面的代码表示第一个圆使用 5 倍粗细的线条进行绘制，第二个圆使用正常的线条进行绘制。最终的结果如下所示：

 

修改 turtle 和绘制线条的颜色

在默认情况下当我们打开画布的时候，turtle 是一个黑色的图像，并且绘制出的线条也是黑色的。但是根据我们的需求，我们可以进行下面两点定制化：

• 改变 turtle 的颜色，也就是改变他的填充颜色，也可以改变封闭图像里面的颜色       （change the fill color）。
• 改变线条的颜色，同时改变 turtle 的 outline，可以改变 turtle 走出的线条的颜色。

下面我们来看一下改变颜色的例子，我们进行如下的设置：

最终输出的效果如下所示：

我们也可以将上面修改颜色写在一起，如下所示：

其中，

• 第一个颜色是画线的颜色（the first color is for the pen）
• 第二个颜色是 turtle 的颜色（the second is for the fill）

 

在绘制的图形中进行填充

前面介绍的都是修改线条的颜色。除此之外，我们还可以修改里面填充的颜色。我们使用 .begin_fill 来告诉程序我们准备绘制一个封闭的图像，需要进行颜色的填充。使用 .end_fill 来告诉程序封闭的图像已经创建完毕，现在开始填充他。

在下面的代码中，我们创建了一个正方形，并在里面填充了蓝色，线条颜色为红色。我们还是首先使用 color 来设置颜色：

最终的效果如下所示：

 

通过一行代码设置样式

现在假设我们有如下的需求：

• 设置画笔颜色为紫色（Pen color: purple）
• 设置填充颜色为橘色（Fill color: orange）
• 设置画笔粗细为 10（Pen size: 10）
• 设置画笔速度为 9（Pen speed: 9）

如果按照我们上面讲的，我们的代码需要写成下面的样子：

最终的生成效果如下所示：

但是每次这么写会比较繁琐，我们可以将这些都写在一行里面。代码如下所示：

这里最终生成的效果是和上面一样。

 

将画笔抬起与放下

有的时候，我们想要让我们的 turtle 从屏幕上的一个点移动到另外的一个点，但是又先不要绘制任何东西。为了实现这个，我们可以使用 .penup()，这个非常类似与将画笔提起。如果我们想要让我们的 turtle 重新开始绘画，可以使用 .pendown()。

下面我们尝试一个简单的例子，让我们的 turtle 移动到 (100, 100) 的位置在开始绘制圆。

这里最终的效果如下所示：

 

多个 turtle 与 turtle 的克隆

有的时候我们需要在画布上有多个类似的 turtle。例如一个 turtle 可以表示一种颜色的画笔，画笔定义好了，只需要修改颜色，就可以使用 clone。如果直接想要多个，只需要直接初始化多个 turtle 即可。例如下面所示：

在下面的代码中，我们初始化了一个 turtle，接着对其进行克隆，并修改他的属性。

最终的效果如下所示，上面的圆是使用克隆的画笔绘制的，下面的圆是使用原始的画笔绘制的。

 

删除某一个 turtle 绘制的内容

我们可以删除某一个 turtle 绘制的内容。如下所示：

注意此时只是清除了绘制的内容，而此时 turtle 的位置是不会移动的。如果我们在一个画布中有多个 turtles，那由别的 turtle 绘制的内容是不会消失的。

 

重置某个 turtle

上面的 clear 只可以删除某个 turtle 当先绘制的内容，但是他的位置是不变的。这里我们使用 reset 可以将 turtle 的位置也回到 HOME 的位置，同时所有设置的参数都会变为默认的参数。同样的，这个也是对于某个 turtle 来说的。只能将指定 turtle 进行重置。

下面我们看一个例子，有两个 turtle，我们只重置其中的一个 turtle。

最终的效果如下所示，可以看到只有指定的 turtle 的进行了重置。

 

使用图片代替 Turtle 形状

前面我们讲过了如何自定义 Turtle，那部分更多的是在介绍自定义画笔属性（例如画笔的颜色，粗细等）。如果我们想要使用图片来作为画笔的形状呢。

• 我们使用 addshape 将图片加到画布中（一定要是 gif 格式的图片，我们可以先保存为 png，在修改后缀为 gif 也是可以的）；
• 使用 shape 来指定某一个画笔的形状；

下面的代码将两个画笔改变为指定「哆啦 A 梦」的形状：

最终的效果如下图所示：

 

自定义背景图片

我们也可以使用自定义的图片来作为背景图片，使用 bgpic 来更改背景图片。下面的代码，我们将背景替换为海滩的图片（同样，也是需要 gif 格式的图片）：

 

Turtle 制作海龟赛跑

我们把前面学到的所有关于 Turtle 的用起来，制作一个海龟赛跑的游戏。游戏主要是两只海龟，每位玩家随机一个数表示海龟移动的距离，最后看谁先移动到终点。

游戏环境设计

我们首先初始化海龟，给出他们的初始化位置（也就是对应的起点）：

上面我们两个 player 是使用了 clone，我们也可以直接定义两个，下面也使用 turtle.Turtle() 将那些初始化。接着我们给出各自对应的重点，终点使用圆来表示。起点和终点距离是 500：

在完成了这些之后，我们就可以看到如下的场景：

游戏功能设计

在绘制好了上面游戏的环境之后，我们就要设计主体的功能了，主要有以下的内容。

• 我们需要能够检查海龟是否到达了终点；
• 如果没有达到终点，需要让玩家继续玩；
• 在每一步中，会从 1-6 中随机选择一个数字，代表移动的距离；

上面是简单实现的操作的功能，最终的效果如下所示：

这个还是可以继续完善的，首先可以有一个随机数，决定谁先开始。其次可以制作一个显示比分的内容。然后可以有每次谁移动的，移动了多少的提示。