基于Java的俄罗斯方块的设计和实现-毕业论文
本科生毕业论文(设计)
基于Java的俄罗斯方块的设计与实现
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指导教师
2013年5月30日
摘要
俄罗斯方块作为一款风靡全球的多样化终端游戏，经久不衰。俄罗斯方块简单的基本游戏规则是旋转、移动，游戏自动随机输出7种形状的方块，经旋转后可形成28种形状，方块堆叠在一起，排列成完整的一行或多行消除得分，积分达到一定程度会自动提升级别。该游戏上手简单、老少皆宜、家喻户晓。
本论文在详尽分析传统俄罗斯实现的基本原理、基本规则基础上，更深一步地研究俄罗斯方块的创新模式，在经典模式基础上开发出等级可变的模式，以及进一步开发出颜色可变的模式，如随意改变界面的背景色、前景色等，本文对以上功能给出了实现流程、详尽描述、和部分源代码。
论文阐述了该游戏的历史、开发此游戏的意义和环境并根据软件工程的相关知识，进行系统的需求分析、概要设计、详细设计与实现、调试运行进行描述。
此设计是在Microsoft Windows XP系统下，以Java为开发语言，在MyEclipse开发平台上进行游戏的设计与实现。
关键词：游戏；俄罗斯方块；错误！未找到引用源。软件工程；MyEclipse错误！未找到引用源。
Abstract
Tetris is a popular global diversification of terminal enduring game.Simple basic rules of the game is rotating, moving, automatic random output of 7 kinds of shape square game. It forms 28 kinds of shape, after rotating cube stacked together, forming complete one or more lines to eliminate score. Its level automatically rises with the score. The game is easy for young and old, has become a household name.
This paper not only give the detailed analysis of the traditional Tetris which based on the basic principle and simple rules but also develop the color variable model, such as random change the background color and foreground color and so on. Further more, in this paper, the above functions are given the implementation process, the detailed description, and some source code.
The paper expounds the history of the game, develops the meaning of the game and the environment of design. According to the relevant knowledge of software engineering, the author reports the demand analysis, outline design, detailed design, planning and execution of the test. This design is under Microsoft Windows XP system, based on Java development language, the MyEclipse development platforms to carry on the design and implementation of the game.
Key Words: Game, Tetris, Software engineering, MyEclipse
目录
1 引言 (1)
2 系统的需求分析 (2)
2.1系统需求 (2)
2.2接口控制 (3)
3 系统的概要设计 (4)
3.1软件运行和开发工具 (4)
3.2系统功能设计 (4)
3.2.1 手工处理业务的基本流程 (4)
3.2.2 基本流程的功能模块 (5)
4 系统的详细设计与实现 (8)
4.1游戏主界面显示模块 (8)
4.2画布、方块显示模块 (9)
4.2.1 背景画布模块设计 (10)
4.2.2 预览方块模块设计 (11)
4.2.3 方块移动、旋转设计 (14)
4.3控制面板模块 (18)
4.3.1 菜单栏模块设计 (18)
4.3.2 控制面板按钮设计 (20)
5 系统的调试运行 (21)
5.1测试的意义及注意事项 (21)
5.2游戏代码、算法的测试 (21)
5.3游戏界面菜单选项的功能测试 (22)
5.4按键事件的功能测试 (24)
5.5方块堆砌与消行测试 (25)
5.6测试结果分析 (26)
6 结论 (27)
参考文献 (28)
致谢 (29)
1 引言
俄罗斯方块的影响已毋庸置疑, 当今世界的电脑、手机到处都有俄罗斯方块的踪迹，同时它更是每个游戏平台的必备游戏，相关的复制品不胜枚举。这个最早由莫斯科的数学家亚力克西·帕杰诺夫(Alexey Pajituov)所设计的作品,被公认为有史以来最畅销的经典游戏,至今魅力不减当年。亚力克西·帕杰诺夫曾在俄罗斯科学研究院电脑中心工作, 当时他在Eletronica 60的旧型俄罗斯主机上进行开发工作, 这种机器不支持图形界面, 和PC也不兼容。他尝试将一种传统的拼图游戏Pentomino 改写成电脑游戏。Pentomino 一共有十二种形状, 各以七个方块组合而成。帕杰诺夫试着写了一个程序, 旋转并移动这十二种不同形状的方块, 让它们拼成一大块。后来几经修改，发展成我们现在所熟悉的经典模式。俄罗斯方块曾经引起的轰动和制造的经济价值可以说是游戏史上无可比拟的。它看似简单但却变化无穷，令人爱不释手。
俄罗斯方块游戏是随计算机的发展而发展，并不断推陈出各种新演变出的类似游戏, 深受广大玩家喜爱。游戏模式有的简单、有的复杂, 但其根本原理是都是对随机出现的方块进行组合, 来训练玩家的反应能力、逻辑思维能力。游戏软件, 大多数人都视其为神妙莫测, 高不可及的东西。一般来说，游戏软件也确实具有很高的技术难度, 随着开发工具和软件开发方法学的不断发展, 自己动手开发游戏也并非难事。俄罗斯方块游戏可以上说是一种古老而又有趣的游戏。游戏软件不计其数, 网上也有很多关于游戏实现的复杂算法和设计, 其难度让一般初学者望而却步。本文利用数组作为方块的数据结构，用颜色变化作为方块下落和移动的标识，提出一种用Java语言实现游戏的简易方法,在经典模式的基础上实现等级可变，颜色可变等功能，初学者可仿此开发类似游戏, 并了解游戏软件的设计与开发过程。
俄罗斯方块游戏以其益智、简单又不乏挑战、创意独特的游戏模式，吸引了众多游戏爱好者，而且老少皆宜。当今社会里，人们的工作压力随着生活节奏的快速提高而逐渐繁重，随之减少的是可以自由支配的休息时间，人们迫切地需要一种既简单又节省时间的快速休闲方式。无可争议，它是永恒的娱乐经典，且它的代码简单，界面简洁，从最初发行时的单个游戏机到现在便捷的安装到电脑、手机、MP4、电子词典、商务通、IPAD、ITOUCH等便携设备，俄罗斯方块风靡世界，经久不衰。本次课题研究可以说是对游戏开发的一次尝试，无论从技术还是社会意义上看都是很有价值的。
2 系统的需求分析
对系统的需求分析就是用户和开发人员在“系统必须做什么”这个问题上实现相互理解，达到共识，从而形成双方认可的软件产品的需求规格。这样有利于提高软件开发过程中的能见度，便于对软件开发过程的控制与管理，便于采用工程化的模式开发软件，从而达到提高软件的质量，为开发人员、维护人员、管理人员之间的交流、协作提供便捷。作为工作成果的原始依据，系统的需求分析可以向潜在用户传递软件功能、性能的需求，使其能够判断该软件是否符合自己的需求。
2.1 系统需求
系统随机产生7中不同形状的方块，旋转后有28种状态。方块自由下落，玩家通过键盘控制方块的移动和旋转，把方块摆放在适当的位置。如果方块落下时，有被方块填满的整行，则该行可消去。每消去一行，玩家得分增加10分，每满100分，玩家等级增加一级。若由存在空格的方块填满整个窗口，则游戏宣告失败。游戏功能需求如下：
游戏界面需求：设计良好的游戏界面可以让玩家充分感受到游戏带来的娱乐性，游戏的默认背景色是深绿色，主界面方块默认用橘黄色，预显方块颜色默认为淡紫色。背景色、前景色对比鲜明，以达到让玩家眼前一亮的感觉，并能在游戏达到高等级状态，方块下落速度渐高的情况下使玩家能够清楚的分辨出下落方块的形状，增加游戏的刺激性。
游戏形状需求：用数组作为存储方块28种状态的数据结构，即长条形、Z字形、反Z形、田字形、7字形、反7形、T字型一共7种形状的向4个方向的旋转变形，各个方块要能实现它的任意变形，可设为顺时针变形或逆时针变形，一般为逆时针变形。方块的可否翻转需要加以判断，以防止其翻转越界。
键盘处理事件需求：方块下落时，可通过键盘方向键（上键、下键、左键、右键）或字母键I、K、J、L对下落方块进行向上（旋转变形）、向下（加速下落）、向左移动、向右移动。
鼠标处理事件需求：通过点击菜单栏中相应的菜单项或控制面板内的按钮，可以实现游戏的开始、结束、暂停、继续、提高等级、降低等级，预显方块形状的显示，分数、等级的显示，以及游戏帮助、颜色变换等功能。
显示需求：当方块填满一行时可以消行，剩余未填满的行逐次向下移动并统计分数。当达到一定分数的时候，会增加相应的等级。当方块充满主界面的每一行，方块不能再下落时，提示“Game Over”的字样。
非功能性需求：本系统非功能性需求包括游戏主界面左上角显示图标需求、窗口尺寸可调整性需求、游戏运行时主界面弹出位置居中需求等。
2.2 接口控制
本游戏通过键盘和鼠标进行操作，在Windows的操作系统下，利用键盘的按键对方块进行移动、变形，要使用到键盘的接口事件。游戏使用鼠标对游戏进行全程控制，如游戏的开始、暂停、继续、查看游戏帮助、更改界面颜色、更改游戏等级等，通过对鼠标单击、按键添加监听事件，编辑相应代码来实现相应功能。
3 系统的概要设计
3.1 软件运行和开发工具
操作系统：Microsoft Windows XP Professional Service Pack 3
内存：2G
硬盘：320G
CPU：赛扬2.8
交互工具：键盘、鼠标
显示器：VGA显示器
JDK版本：jdk1.6.0.02
Eclipse版本：MyEclipse 8.5 SDK-3.4-win32
3.2 系统功能设计
3.2.1 手工处理业务的基本流程
本游戏的设计以娱乐为初衷，以益智为目的，在综合研究以往俄罗斯方块经典游戏功能的基础上推陈出新，加之新的功能，赋以新的生机和活力。图3-1为游戏基本流程图具体阐述游戏的基本流程。
运行说明：
1>运行程序，点击右侧控制面板内的“开始”或“控制”菜单内的“开始”按钮开始游戏。
2>使用上、下、左、右键或I、K、J、L键控制方块的变形、下落、向左和向右移动。
3>方块满行消除，分数自动增加，分数每满100等级自动增加一级。
4>等级增加、方块下落速度增加，按右侧控制面板或“游戏”菜单内的“提高等级”、“降低等级”按钮，来手动改变游戏等级。也可点击“颜色”菜单内的选项，更改前景色、背景色。
5>按右侧控制面板或“控制”菜单内的“暂停”可以控制游戏暂停，然后按“继续”可以控制游戏继续上次游戏。按“停止”按钮，游戏会彻底停止正在进行的当局游戏，再按“开始”或“控制”菜单内的“重新开始”会开始新游戏。
6>当方块占满整个窗口，不能再有新方块下落时，游戏会弹出“Game Over”的对话框提示游戏结束。
玩家操作方块
初始化方块
是否到达底部
否
是否满行是
玩家更改前景色、背景色、等级等
玩家积分增加
是积分达到100
玩家等级增加
是
是否到达顶部
是
暂停、继续、停止、重新开始
结束
开始
否
否
显示Game Over 游戏结束
图3-1 游戏基本流程图
3.2.2 基本流程的功能模块
本系统基于游戏的各项功能来设计游戏的各个功能模块。图3-2为本游戏的系统功能模块示意图，如图所示，本游戏主要有两大模块：游戏界面区，游戏控制区。游戏界
面区分显示玩家可选操作、显示玩家操作结果两个部分。游戏控制区分更改颜色、开始、暂停、继续、停止、重新开始、提高等级、降低等级、退出等功能模块。
俄罗斯方块游戏
游戏界面区
游戏控制区显示玩家可选操作显示玩家操作结果
开始
暂停、继续
提高等级
更改颜色
降低等级
退出
停止
重新开始
图3-2 系统功能模块示意图
图3-3为游戏界面区模块设计示意图，如图所示，游戏界面区模块可细分为闯进新游戏界面、处理玩家操作、显示玩家操作结果三个功能模块。
游戏界面区
创建新游戏界面
处理玩家操作显示玩家操作结果
图3-3 界面模块示意图
图2-4为游戏控制区设计示意图，如图所示，游戏控制区模块分为开始、暂停、继续、初始游戏级别设置、初始颜色设置、退出等功能模块。
游戏控制区
开始
暂停
初始级别设置
退出
初始颜色设置图3-4 控制区模块示意图
4 系统的详细设计与实现
Java是一种纯面向对象（Object-Oriented）的程序语言，它的诸多优点在此就不作详细论述了。从面向对象的观念出发，本程序主要可分为以下几个模块：
●游戏主界面显示模块
●方块及数据显示模块
●方块移动控制模块
●游戏界面颜色控制模块
●游戏进度、等级控制模块
分析对象的技巧在于它的功能的扩展性及维护效率。试想，如果因为外部环境或者用户需求的变化需要对程序进行功能扩展或者维护，就要对代码作大幅度的更动甚至重写，这样就失去了面向对象的优势，所以在本程序分析时将独立性高的模块作为一个对象，以提高程序的可扩展性和可维护性。以下该游戏中类的设计：
ControlMainGame类：继承自JFrame类，作为游戏的主类，负责对游戏的主体全局进行控制，连接与指挥各个类的枢纽。
ControlPanel类：继承自JPanel类，作为操作面板类，负责安放主游戏窗口，积分板，级别控制按钮等窗口用以控制游戏进程。
ChangeBlockColor类：继承自JPanel类，ChangeBlockColor线程类动态改变画布类的方格颜色，画布类通过检查方格颜色来体现ChangeBlockColor方块的移动情况与消去状况。
BlockPaint类：方格类，组成方块的基本元素，主要表达方式为颜色。
BlockOperation类：继承自Thread类，作为操控方块的类，控制方块的移动，下落以及变形。
4.1 游戏主界面显示模块
一个优秀的软件系统不仅体现在核心的功能的多样性和强大上，如果使用者所面对的是枯燥的、陈旧的界面的话，那么这个的软件系统是不成功的，所以好的、精美的界面设计是极为重要的环节。为玩家设计制作布局合理、视觉效果良好的界面的重要性就不言而喻了。
游戏主界面采用Swing组件开发，并且向其注册监听器，以实现各种控制功能，综合游戏窗体的设计，其上至少需要注册三个监听器，分别是动作监听器(ActionListener)、键盘监听器(KeyListener)、选项监听器(ItemListener)。
根据初步设计，可以确定客户端上所要用到的Swing组件对象有JFrame对象、JPanel对象，JLabel对象、JButton对象、JMenuBar对象、JMenu对象、JMenuItem对象、JTextField对象、JTextArea对象、JDialog对象等，至少十个Swing组件对象。下图4-1为游戏主界面截图。
图4-1 游戏主界面截图
本游戏主界面设计的初始颜色搭配基于对比鲜明的原则，默认背景色为深绿色，左上角设置俄罗斯方块图标，得分初始值为0，等级初始值为1，最高分记录初始值为0。游戏主窗体尺寸设置为（520，580），方块移动范围窗格由一个20行、12列的二维数组控制，且左上角图标设置为方块图案，起标识作用。
4.2 画布、方块显示模块
本游戏中将画布底色默认设计成深绿色，在方块下落过程中，根据颜色的变化识别下落的方块。
4.2.1 背景画布模块设计
该游戏的主背景画布是一个20行、12列的二维数组，方块显示是由相应颜色变化来标识，主窗体用颜色填充后可形成呈现出来背景样式和方块。本游戏用继承自JPanel的ChangeBlockColor类控制背景画布的显示，用rows代表画布的行数，cols 代表画布的列数，行数和列数决定着画布拥有方格的数目。背景画布实现代码如下：/*
ChangeBlockColor 类
画布类的构造函数
rows int, 画布的行数
cols int, 画布的列数
行数和列数决定着画布拥有方格的数目
*/
class ChangeBlockColor extends JPanel
{
private Color backColor = new Color(0,51,0) , frontColor = new Color(255,153,0);
private int rows, cols, score = 0, scoreForLevelUpdate = 0;
private BlockPaint[][] boxes;
private int boxWidth, boxHeight;
public ChangeBlockColor(int rows, int cols)
{
this.rows = rows;
this.cols = cols;
boxes = new BlockPaint[rows][cols];
for (int i = 0; i < boxes.length; i++)
{
for (int j = 0; j < boxes[i].length; j++)
{
boxes[i][j] = new BlockPaint(false);//
}
}
}
//画布类的构造函数
public ChangeBlockColor(int rows, int cols,
Color backColor, Color frontColor)
{
this(rows, cols);
this.backColor = backColor;//背景色
this.frontColor = frontColor;//前景色
}
//覆盖JComponent类的函数，画组件
// g 图形设备环境
public void paintComponent(Graphics g)
{
super.paintComponent(g);
g.setColor(frontColor);
for (int i = 0; i < boxes.length; i++)
{
for (int j = 0; j < boxes[i].length; j++)
{
g.setColor(boxes[i][j].isColorBox() ? frontColor : backColor);
g.fill3DRect(j * boxWidth, i * boxHeight,
boxWidth, boxHeight, true);
}
}
}
4.2.2 预览方块模块设计
方块和数据信息是游戏中最基本的功能模块。ShowBeforePanel这个类提供方块预显图形，blockkindnum用来控制随机产生的方块编号，blockstatusnum用来控制方块的四种旋转状态。定义一个4x4方阵，共16个小格。用“0”和“1”来表示每个方格是绘制新颜色还是保留底色。
每得到一个新方块，都是随机从七种形态的方块中选取一种。游戏定义了一个变量，代表新方块的模型。比如定义int型数组STYLE代表28中方块类型，7行4列，每个元素代表其中一种方块。即0<=blockkindnum<=6，0= Java语言包中的Math类提供了一个生成随机数的方法random()，调用这个方法会产生一个在0-1之间的双精度浮点数。所以每次要得到新方块时，只需调用一次这个方法，得到一个0-1的双精度浮点数，然后用该数乘以7，之后强转成整型，即可得到1—7的整数，用来控制行。用该数乘以4，之后强转成整型，即可得到1—4的整数，用来控制列。 由此可以组合出多种图形定义然后用代码实现下列功能： 1>每次执行首先为随机数产生不同的初值。 style=BlockOperation.STYLES[(int)(Math.random()*7)][(int) (Math.random() * 4)]; STYLES的下标长条形T形反Z形Z形7形反7形方块形 随机数 图4-2 随机产生方块图 2>随机选取一个图形，图3-1随机产生方块图具体描述用生成的随机数控制产生 的图形。 3>当前图形在其4*4网格中的位置信息。 绘制4行4列的方块预显方格，随机生成预显示的方块样式。本游戏用二维数组存储方块的28种样式。 public final static int[][] STYLES = {//分别对应对7种模型的28种状态 {0x0f00, 0x4444, 0x0f00, 0x4444}, // 长条型的四种状态 {0x04e0, 0x0464, 0x00e4, 0x04c4}, // 'T'型的四种状态 {0x4620, 0x6c00, 0x4620, 0x6c00}, // 反'Z'型的四种状态 {0x2640, 0xc600, 0x2640, 0xc600}, // 'Z'型的四种状态 {0x6220, 0x1700, 0x2230, 0x0740}, // '7'型的四种状态 {0x6440, 0x0e20, 0x44c0, 0x8e00}, // 反'7'型的四种状态 {0x0660, 0x0660, 0x0660, 0x0660}, // 方块的四种状态}; 以下为与数组相对应的方块样式截图。 ● 长条型的四种状态 图4-3 长条型状态截图 ● 'T'型的四种状态 图4-4 T 型状态截图 ● 反'Z'型的四种状态 图4-5 反Z 型状态截图 ● 'Z'型的四种状态 图4-6 Z 型状态截图 ● '7'型的四种状态 图4-7 7型状态截图 ● 反'7'型的四种状态 图4-8 反7型状态截图 ● 方块的四种状态 图4-9 方块状态截图 4.2.3 方块移动、旋转设计 方块的翻转与移动比较容易实现，方块移动只需要改变方块的横坐标或纵坐标，然后重新绘制方块即可。方块翻转也只需要改变背景数组的值，重新绘制方块即可。 本游戏方块下落时，进行动态绘制，实现Cloneable 接口, 以指示 Object.clone() 方法可以合法地对该类实例进行按字段复制。方块的操作类BlockOperation 继承Thread 类，重写run()方法，以实现方块的动态正确下落。当然，在线程中要判定方块是处于moving 状态还是pausing 状态。 public void run() { //moving 判定方块是否在动态下落 while (moving) { try { //betweenleveltime指示相邻等级之间相差时间 sleep(betweenleveltime * (ControlMainGame.maxlevel - level + flatgene)); } catch (InterruptedException ie) { ie.printStackTrace(); } //pausing判定游戏是否处于暂停状态 if (!pausing) moving = (moveTo(y + 1, x) && moving); //moving是在等待的100毫秒间，moving没被改变 }} 当然，在游戏中还要判定方块移动的边界问题，比如，一个方块在它左边正好差一个格子的空间才能够翻转，但是它的右边恰好有一个格子的空间，这种情况，如果方块不能够翻转，就不方便用户操作，如果能够翻转，就会发生越界，将已经存在的方块挤占掉。要想实现翻转又不发生越界，那么，就应该在方块翻转后把它往右边移动一个格子，然后再绘制方块，这样，方块就不会挤占掉其它已经固定住的方块了，以下解决越界问题。 1>方块翻转判定 在两种情况可能发生越界，一种是方块落下去固定住以后，第二种是周围的空间不允许它进行翻转。 第一种情况只需要参考方块落下去后不能够再移动的判定即可。 对于第二种情况，在每次方块翻转前，必须首先计算出方块周围的空间，如果空间允许则翻转。否则，不能翻转。 因为七种方块是不规则的，每种方块要求的翻转空间都是不一样的，甚至是在它的不同翻转状态下，所要求的翻转空间也是不一样的，首先想到的自然就是为每一种方块，方块的每一种状态都写一个判定条件，但是这样做未免过于麻烦。 根据观察，不难发现，七种形态的方块，长条形的方块如果以横条的形态下落，则只要能够下落，就能翻转，如果以竖条的形态下落，那么它翻转后所处的位置必须要有4x1个格子的空间才能够翻转。对于田字形的方块，只有能够继续下坠，就一定能够翻转，所以田字型的方块只要没有落下，就一直能够翻转。而其它五种形态的方块，又有一个共同点，就是它们都有两种翻转状态横向占三个格子的空间，竖直方向占两个空间，另外两种翻转状态横向占两个格子的空间，竖直方向占三个格子空间，如果他们是以横向占三个格子的状态下落，那么只要能下落，就一定能够翻转，如果是以横向两个格子的状态下落，那么在翻转后，周围必须要有3x2个格子的空间。 所以，方块翻转的判定，要分三种情况，第一种情况是方块落下去后不能翻转；第二种情况是对竖直状态出现的长条形的方块进行翻转判定；第三种情况是对除长条形和田字形之外的其它五种以横向占两个格子的状态出现的方块进行翻转判定。 何种情况下方块能够翻转的问题解决了，接下来，我们就应该解决方块翻转后所处的位置的问题了，因为只有事先知道方块翻转后所处的位置，才能够对那个位置的空间范围进行判定，判定它是否能够容纳方块。 可以确定的是，无论方块怎么翻转，都处在方块数组中，也就是说方块必定是在游戏地图中某一4x4个格子的空间范围内。 方块数组在游戏主界面中的坐标是确定的，不确定的是方块翻转后到底处在方块数组的哪个位置，为了解决这个问题，我们可以限定方块在方块数组中的存储原则是靠左、靠上，这样，无论翻转怎么翻转，方块数组中第一行和第一列都是有方块的，这样也就确定了方块在方块数组中的位置，也就可以得知方块翻转后在游戏地图中的位置了。 假定方块数组的横纵坐标是x和y，那么，这个位置就是，长条形的方块翻转后所处的那一行是游戏地图的第y行，所占的列是第x到x+3列，长条形和田字形以外的五种方块翻转后的所占的行数是游戏地图的第y和第y+1行，所占的列是第x到x+2列。 所以，如果以上空间有空格子，方块就能够翻转。 2>翻转越界纠正 只要方块翻转后所处的空间足够，方块就能够翻转，但是，如果方块翻转后所处的空间不足够，而在它的另一边却有足够的空间呢？ 方块在边界处时，翻转后不仅可能翻出地图外，还可能发生数组越界，当然，只需要将地图数组定义得大一些，就能够避免数组越界错误，对于方块越界，如果在它的另一边有足够空间，那么，就应该把方块往另一个方向移动适当的单位，纠正方块越界错误。如图4-10方块翻转流程图所示，方块翻转需要经三次判定：是否已经下落到底部、翻转后是否有足够空间、翻转后是否越界。