描述

之前...

2017 年，我做了一個名為“人工生命”的項目，該項目使用 8x8 獨角獸矩陣來顯示人工生命形式的網(wǎng)格，這些生命形式會相互繁殖和戰(zhàn)斗。

2022 年，我將項目更新為Artificial Life HD——它使用了 16x16 Unicorn 矩陣以及增強代碼、錯誤修復(fù)和一些額外功能。

因此，我們將在 2023 年與 64x32 LED 面板兼容，并通過人工生命 2 進行大量額外的錯誤修復(fù)、增強/添加功能和優(yōu)化！

讓我們開始吧。

安裝

這可以與Unicorn HAT 、Unicorn HAT HD或大型 LED 面板一起使用。

它還內(nèi)置了一個Unicorn HAT 模擬器，因此它可以在沒有 LED 硬件的情況下運行。

從我的 GitHub克隆 repo 代碼：

git clone https://github.com/LordofBone/Artificial_Life --recurse-submodules

然后運行：

pip install -r requirements.txt

然后到這里安裝 Unicorn HAT 。

對于此處的Unicorn HAT HD 安裝。

最后，這里是 LED 面板安裝。

通過我在 RPi OS Bullseye 64 位上找到的 LED 面板安裝，我發(fā)現(xiàn)我還必須安裝 Pillow 并更改 python 的調(diào)度權(quán)限：

pip install Pillow
sudo setcap 'cap_sys_nice=eip' /usr/bin/python3.9

然后可以運行模擬：

python artifical_life.py

默認情況下，這應(yīng)該會啟動一個 16x16 的模擬獨角獸帽子。這與模擬的其他參數(shù)一起可以配置。

您可以通過設(shè)置來設(shè)置模擬 HAT 的自定義大小：

hat_model = "CUSTOM"
unicorn_simulator = True
hat_simulator_or_panel_size = x, y

盡管應(yīng)該注意模擬器中存在一個錯誤，該錯誤不允許 x 和 y 值彼此不同。

如果您安裝了 Unicorn HAT，您可以更改參數(shù)：

hat_model = "HD"

對于 Unicorn HD：

hat_model = "HD"

獨角獸帽子迷你：

hat_model = "MINI"

LED面板：

hat_model = "PANEL"

Unicorn HAT 很可能需要以超級用戶身份運行模擬：

sudo python artificial_life.py

這些也都可以通過 args 傳遞——查看所有可用的 args（下面也提供完整的 args 列表）：

python artificial_life.py -h

增強/優(yōu)化

保持像素沉著：

我完全重新設(shè)計了將生命體寫入屏幕/面板/獨角獸 HAT 的方式——之前的工作方式是：

• 邏輯循環(huán)運行
• 每個循環(huán)在顯示器上寫入一個實體位置以及 RGB 值
• 在循環(huán)結(jié)束時，顯示器立即寫出并顯示所有寫入的位置和 RGB 值

當事情運行順利時，它工作得很好；但是循環(huán)開始運行緩慢的運動，即任何低于每秒 10 幀的運動，顯示將變得難以看到每個單獨實體的實際情況，因為整個屏幕會立即改變。

現(xiàn)在有一個完全不同的子模塊與主程序一起檢出：Pixel Composer 。

注意：使用 Pixel Composer 更改值時請小心，它可能會導(dǎo)致閃光，尤其是在非常明亮的 LED 面板上。

這由現(xiàn)在被寫入包含它們的位置和顏色的“世界空間”字典的實體起作用（現(xiàn)在保存為 R、G、B 的浮點值而不是 0-255），然后將其復(fù)制到“渲染平面”中' 在 Pixel Composer 中，然后異步運行以將渲染平面中當前的內(nèi)容顯示到幀緩沖區(qū)，然后將其寫出到屏幕。

從本質(zhì)上講，這意味著不必等待整個過程循環(huán)完成才顯示出來，每個生命形式的位置將在顯示上同時移動，同時它們在所有生命形式的循環(huán)中移動——即使整個循環(huán)需要 10 秒來處理所有事情，您仍然能夠清楚地看到生命形式的每一個動作，而不是每一個都同時移動。

最重要的是，這還允許一些很酷的額外效果，例如運動模糊、照明和背景著色器，例如雨效果和其他類似的時髦東西。

還有全屏著色器——我無意中發(fā)現(xiàn)它允許通過傳遞一個數(shù)字來顯示各種很酷的圖案：

class FullScreenPatternShader(ConfigurableShaderSuper):

    def __init__(self, count_number=0, count_number_max=32, count_number_step_up=1, count_number_step_down=1,
                 addition_shader=True, invert_count=True, shader_colour=(0.5, 0.5, 0.5)):
        super().__init__(count_number, count_number_max, count_number_step_up, count_number_step_down, addition_shader,
                         invert_count, shader_colour)

    # found this accidentally; I am not entirely sure how this works, but changing the max number that can be stepped
    # to will result in various cool effects as well as plus/minus stepping and whether the stepping will reset
    # when maxed or count back the other way
    def run_shader(self, pixel):
        if self.addition_shader:
            self.number_count_step_plus()
        else:
            self.number_count_step_minus()

        pixel_alpha = (self.count_number / self.count_number_max) * self.max_float
        shaded_colour = self.blend_colour_alpha(pixel, self.shader_colour, pixel_alpha)

        return shaded_colour

通過更改count_number_max變量和 shader_colour，可以從看起來像惡魔城游戲背景的靜止列中制作出各種很酷的圖案，或者可以產(chǎn)生看起來像雨等的移動圖案。

還有支柱：

還如前所述 - 它現(xiàn)在使用浮點數(shù)來表示顏色，這基本上允許進行 HDR 渲染；例如光照著色器；僅限于計算 0-255 范圍內(nèi)的照明效果效果不佳。在此處和此處詳細了解為什么會發(fā)生這種情況。我想我的實現(xiàn)與正確的實現(xiàn)相比有很大的缺陷和簡單，但它至少允許更好的顏色/照明模型。

這些浮點值被色調(diào)映射到 0-1 范圍內(nèi)，并最終從浮點變?yōu)?RGB，以最終輸出到屏幕/LED。這給了它一些非常漂亮的顏色，并允許單獨設(shè)置亮度 - 總的來說它看起來更漂亮。

所有這些設(shè)置都可以修改并添加到 artificial_life.py 代碼本身，覆蓋 rasterizer.py 文件中的類

現(xiàn)在可以按下 Shift + F 來暫停和取消暫停渲染，而邏輯在后臺繼續(xù)進行。

Shift + G 還將在模擬期間啟用/禁用重力。

Thanos 捕捉現(xiàn)在通過 Shift + T 激活，這是一種隨機移除棋盤上 50% 生命形式的快速方法。

未來的迭代將添加更多命令。

它是作為一個單獨的子模塊制作的，因為我認為這對其他項目很有幫助，所以我可能會在某個時候為此單獨寫一篇文章，進一步詳細說明和修改，以使其更容易集成到其他項目中。

有一種方法可以繞過 Pixel Composer，通過將 -ff 參數(shù)傳遞到 artificial_life.py 主代碼或進入配置/參數(shù)并設(shè)置：

fixed_function = True

這將運行得更快，但看起來不那么漂亮。一旦它們被處理，它將立即保持生命形式的運動——然而，不必等待所有生命形式循環(huán)處理。

現(xiàn)在還可以通過按 Shift + S 顯示當前統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這也將顯示當前模擬的開始時間。

即使在 8x8 Unicorn HAT 上，原始 AL 代碼也可能變得非常緩慢和滯后，通過一系列優(yōu)化，我能夠添加功能并使其即使在 16x16 板上運行也更加流暢。現(xiàn)在已經(jīng)進行了進一步的優(yōu)化，以允許在 64x32 板上更快地運行并具有新功能。

一個主要的優(yōu)化是改變碰撞/生成代碼的工作方式，以前這是通過以下方式工作的：

• 檢測到與另一個生命形式/顯示器邊緣的碰撞
• 隨機選擇的新方向
• 檢查這個新的碰撞方向
• 重復(fù)直到找到新的無碰撞方向或嘗試所有方向

這行得通，但它意味著處理可能會在一個生命形式上保留相當長的一段時間，因為所有主要方向都被搜索以尋找一個可以移動到的自由位置。當生命體聚集在一個角落里都在尋找周圍的無碰撞區(qū)域時，這會導(dǎo)致一些延遲。這也類似于尋找新的位置來產(chǎn)生新的生命體。

所以我改變了它，以便將碰撞重新檢查推送到循環(huán)的下一次迭代。這樣一來，無論生命形式如何聚集，它都不必在每個循環(huán)中檢查它周圍的所有方向，這會導(dǎo)致速度減慢，因為每個生命形式都會在屏幕上的所有生命形式的循環(huán)中占用處理時間。

所以現(xiàn)在它像這樣工作：

• 基于當前運動的碰撞檢查
• 如果空閑位置，移動到那個位置
• 如果不是空閑位置，選擇一個新的方向，下次循環(huán)到達這個生命體時將處理，并繼續(xù)處理隊列中的下一個生命體

這意味著循環(huán)將繼續(xù)并且其他生命形式將被處理，從而很好地加快速度并導(dǎo)致更平滑的運動，同時還保持生命形式碰撞和彈開屏幕/其他物體邊緣的能力。反彈功能在功能上是相同的，而且運行速度更快。涼爽的。

此外，我還使 DNA 混沌代碼更加高效，以便在繁殖另一種生命形式時，來自任何一種生命形式的 DNA 仍然是父生命形式的混合體，但希望運行速度更快的代碼，從而減少非常繁忙區(qū)域的滯后。

我還嘗試將盡可能多的代碼移動到一個函數(shù)“進程”中，以嘗試避免函數(shù)調(diào)用的時間損失——我相信函數(shù)調(diào)用可以加起來，并且在這樣的程序中，任何時候都可以進行生命形式處理越快越好——雖然我對這件事可能是錯的，但到目前為止，連同其他優(yōu)化，這讓事情運行得更好；特別是對于 64x32 板，它可以完全填充 2048 種生命形式，所有這些都需要處理。

我還刪除了允許生命形式相互堆疊的設(shè)置（因此每個像素有多個生命形式），因為這既昂貴又緩慢，但如果我能找到更優(yōu)化的方法，我可能會返回此功能。

Minecraft 模式也已被刪除，因為 MC 似乎不再與 Raspberry Pi OS 打包在一起，即便如此，該功能仍需要大量工作和改進，這是未來將要研究的內(nèi)容。

我還添加了：

• 可開采資源，在棋盤上被視為紅色方塊，包含大量可以開采的“資源”，從中開采的生命體可以保留資源并用它們建造城墻
• 可以由生命形式建造的墻將保持靜止，除非足夠強大的生命形式將它們擊倒并獲得資源，這些墻也需要資源來建造；這樣生命形式就可以推倒墻壁并從收集到的資源中建造新的墻壁。如果它們不夠堅固，它們會從墻上彈開
• 添加了額外的動量和彈跳力，因此當重力打開并且生命形式從某物上反彈時，動量將被考慮在內(nèi)，動量也會從一種生命形式轉(zhuǎn)移到另一種
• 此外，我還對生命形式在嘗試改變方向之前可以移動多遠進行了一些更改，以確保它們可以在棋盤空間內(nèi)移動，而不是僅僅不斷地從墻上彈開，因為它們移動變量的時間設(shè)置得太高了
• 輻射，影響生命形式的生存時間以及繁殖時隨機 DNA 變化的機會
• 生命形式繁殖的能力，然后等待它們周圍的自由空間，所以你可以讓一個人在沒有空間的情況下產(chǎn)生新的生命形式，但是當有自由空間時，產(chǎn)生后代；這也適用于墻體建筑
• 現(xiàn)在有一個 BaseEntity 類，生命形式、資源和墻壁用作超類；這意味著將來當我向模擬中添加更多東西時，我可以使用這個超類并在子類中必要時覆蓋它
• 如上所述，添加了鍵盤命令，例如能夠引起 Thanos Snap 和隨機擦除棋盤上 50% 的生命形式（由于 Pixel Composer，還具有很酷的淡入淡出效果）。還有能力提??高/降低輻射、啟用/禁用重力、凍結(jié)渲染和顯示當前統(tǒng)計數(shù)據(jù)
• 有一個重試功能，以便當所有生命形式都過期時模擬重新啟動 - 我現(xiàn)在添加了一個會話開始日期時間戳，可以在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中看到。因此，您可以將模擬打開一段時間然后再回來，查看當前會話持續(xù)了多長時間以及它是否仍然是您開始的原始會話
• 在我嘗試保存/加載模擬的當前狀態(tài)的那一刻，代碼中有一些 WIP 的東西，但事實證明這很耗時才能正常工作；這很可能會添加到下一個版本中，但請隨時查看現(xiàn)有代碼
• 一種記憶系統(tǒng)，生命形式將在其中繁殖/挖掘/贏得戰(zhàn)斗并記住發(fā)生的位置并嘗試返回到該點。如果在該位置發(fā)生另一個事件，它將在該點的記憶數(shù)量上加 1，如果沒有發(fā)生，它將在該點的記憶數(shù)量上減 1。他們總會回到記憶最積極的那個點。這是為了給生命體一些更有趣的運動行為。記憶也會傳遞給下一代生命體，除非他們‘叛逆’，然后他們從一個干凈的記憶開始；這與“健忘”一起由生命形式的 DNA 決定
• 還有一個'bad memories' dict 變量，目前未使用，但未來會有一個系統(tǒng)，生命形式將嘗試避開發(fā)生過不好事情的區(qū)域
• 將 HAT 控制器和 LED 面板控制器代碼從屏幕輸出代碼分離到單獨的模塊中——這是為了允許更多的模塊化添加額外的屏幕/LED 顯示器，而無需更改主代碼/Pixel Composer 中的任何內(nèi)容，并且只有一個在屏幕控制器中實例化不同類的小改動

新的輻射系統(tǒng)在模擬中增加了另一層，輻射設(shè)置可以通過 args 或通過 parameters.py 文件設(shè)置：

initial_dna_chaos_chance = 10
initial_radiation = 0
max_radiation = 90
change_of_base_radiation_chance = 0.001
radiation_dmg_multiplier = 1000
radiation_change = True

DNA 混沌變量設(shè)置在傳遞給生命形式后代時存在的 3 個 DNA 片段中隨機創(chuàng)建新 DNA 的幾率百分比。這現(xiàn)在也受到新輻射水平的影響，輻射越高，隨機 DNA 傳遞的機會就越高——基于這個初始數(shù)字和輻射水平的函數(shù)。

可以設(shè)置最大和初始輻射 - 如果輻射變化處于活動狀態(tài)，數(shù)字將在這兩個設(shè)置之間隨機選擇。在模擬過程中，可以分別使用 Shift+R 和 R 增加和減少最大輻射。

如果隨機更改輻射設(shè)置未打開，則這些鍵將調(diào)整當前輻射而不是最大值 - 在這兩種設(shè)置下，當前輻射將在曲線內(nèi)上下移動，根據(jù)當前水平給出一點點變化。

更改設(shè)置受更改機會變量的影響，在處理所有生命形式的每個循環(huán)中，輻射都會發(fā)生變化（保持在最大輻射變量設(shè)置范圍內(nèi)）的可能性百分比。

傷害倍數(shù)設(shè)置會影響輻射對生命形式造成的傷害程度；每次處理生命形式時，都會進行一次計算 - 沒有輻射，生命形式的生命有 1 次起飛。但是，對于輻射，可以進行以下計算：

self.time_to_live_count -= percentage(current_session.radiation * args.radiation_dmg_multi, 1)

其中當前輻射乘以輻射傷害乘數(shù)并用作正常 1 傷害的百分比。例如：100 * 1000 的輻射導(dǎo)致百分比為 100000，默認百分比為 1000 - 導(dǎo)致生命形式受到的傷害。

使用以下參數(shù)，可以在首次運行時在隨機位置生成許多墻和資源，以及可供生命形式開采的資源——為它們四處導(dǎo)航添加更多有趣的環(huán)境。

在這里你可以看到“采礦設(shè)施”，那里的生命形式群體記得采礦事件發(fā)生的地點，并試圖回到那個地方；所以你會看到他們成群結(jié)隊地坐在采礦資源周圍，看到其他一些人在建造圍墻周圍飛來飛去。

還有一個設(shè)置可以讓生命形式建造自己的墻以及一個倍增器——設(shè)置越高，生命形式建造墻的頻率就越高。

walls = 0
resources = 0
entities_build_walls = True
wall_chance_multiplier = 512

An模擬開始時生成的一些墻的示例：

還有一整套參數(shù)，可以編輯以更改模擬中的各種內(nèi)容，這些參數(shù)位于 config/parameters.py 下：

max_trait_number = 1000000
initial_lifeforms_count = 10
population_limit = 50
max_enemy_factor = 8
logging_level = 'INFO'
initial_dna_chaos_chance = 10
initial_radiation = 0
max_radiation = 90
change_of_base_radiation_chance = 0.001
radiation_dmg_multiplier = 1000
retries_on = False
led_brightness = 0.3
hat_model = "HD"
hat_simulator_or_panel_size = 8, 8
hat_buffer_refresh_rate = 60
refresh_logic_link = True
fixed_function = False
unicorn_simulator = False
radiation_change = True
gravity_on = False
trails_on = False
combine_mode = True
walls = 0
resources = 0
entities_build_walls = True
wall_chance_multiplier = 512

所有這些也可以通過將 args 傳遞給程序來設(shè)置：

-m MAX_NUM, --max-num MAX_NUM
Maximum number possible for any entity traits
-ilc LIFE_FORM_TOTAL, --initial-lifeforms-count LIFE_FORM_TOTAL
Number of lifeforms to start with
-s LOOP_SPEED, --refresh-rate LOOP_SPEED
The refresh rate for the buffer processing, also sets
a maximum speed for the main loop processing, if sync
is enabled (this is to prevent the display falling
behind the logic loop)
-p POP_LIMIT, --population-limit POP_LIMIT
Limit of the population at any one time
-me MAX_ENEMY_FACTOR, --max-enemy-factor MAX_ENEMY_FACTOR
Factor that calculates into the maximum breed
threshold of an entity
-dc DNA_CHAOS_CHANCE, --dna-chaos DNA_CHAOS_CHANCE
Percentage chance of random DNA upon breeding of
entities
-shs CUSTOM_SIZE_SIMULATOR [CUSTOM_SIZE_SIMULATOR ...], --simulator-hat-size CUSTOM_SIZE_SIMULATOR [CUSTOM_SIZE_SIMULATOR ...]
                        Size of the simulator HAT in pixels; to use pass in
                        '-shs 16 16' for 16x16 pixels (x and y)
-c, --combine-mode    Enables life forms to combine into bigger ones
-tr, --trails         Stops the HAT from being cleared, resulting in trails
of entities
-g, --gravity         Gravity enabled, still entities will fall to the floor
-rc, --radiation-change
Whether to adjust radiation levels across the
simulation or not
-w WALL_NUMBER, --walls WALL_NUMBER
Number of walls to randomly spawn that will block
entities
-rs RESOURCES_NUMBER, --resources RESOURCES_NUMBER
Number of resources to begin with that entities can
mine
-r RADIATION, --radiation RADIATION
Radiation enabled, will increase random mutation
chance and damage entities
-mr MAX_RADIATION, --max-radiation MAX_RADIATION
Maximum radiation level possible
-rm RADIATION_DMG_MULTI, --radiation-multi RADIATION_DMG_MULTI
Maximum radiation level possible
-rbc RADIATION_BASE_CHANGE_CHANCE, --radiation-base-change RADIATION_BASE_CHANGE_CHANCE
The percentage chance that the base radiation level
will change randomly.
-be, --building-entities
Whether lifeforms can build static blocks on the board
-wc WALL_CHANCE_MULTIPLIER, --wall-chance WALL_CHANCE_MULTIPLIER
Whether lifeforms can build static blocks on the board
-rt, --retry          Whether the loop will automatically restart upon the
expiry of all entities
-sim, --unicorn-hat-sim
Whether to use the Unicorn HAT simulator or not
-hm {SD,HD,MINI,PANEL,CUSTOM}, --hat-model {SD,HD,MINI,PANEL,CUSTOM}
What type of HAT the program is using. CUSTOM only
works with Unicorn HAT Simulator
-l {CRITICAL,ERROR,WARNING,INFO,DEBUG,NOTSET}, --log-level {CRITICAL,ERROR,WARNING,INFO,DEBUG,NOTSET}
Logging level
-sl, --sync-logic     Whether to sync the logic loop to the refresh rate of
the screen
-ff, --fixed-function
Whether to bypass pixel composer and use fixed
function for drawing (faster, less pretty)

允許完全自定義體驗和更輕松地分發(fā)代碼，而無需傳遞任何參數(shù)，同時還允許在必要時通過 args 快速命令行級別調(diào)整。

更有趣的運動

隨著新的記憶系統(tǒng)的到位導(dǎo)致生命形式返回“獎勵區(qū)域”，運動變得更加多樣化，而不僅僅是最終變成半可預(yù)測的結(jié)束狀態(tài)的隨機模式，生命形式現(xiàn)在移動并以真正出乎意料的方式重新安排自己方法。

撞墻

當開始模擬有墻的地方時，它可以真正改變生命形式的移動位置，并可以形成單獨的區(qū)域，在那里它們被隔離或必須在結(jié)構(gòu)周圍導(dǎo)航。

輻射 23

輻射系統(tǒng)為生命形式提供了另一個可選級別，因此現(xiàn)在隨著輻射影響 DNA 的傳遞以及每種生命形式的壽命，模擬比以前更難預(yù)測。

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