Documentation du projet "Jeu de la vie" réalisé pour Centre Sciences en 2019

Introduction:

Cadre

L'organisme CentreSciences met en place une exposition sur l'informatique visant à faire comprendre quelques principes qui sous-tendent “l'intelligence artificielle”. Trois réalisations ont été faites par Labomedia : le Jeu de la vie, le Casque de réalité virtuelle et l'installation Captcha.

Qu'est-ce que le jeu de la vie ?

D'après Wikipedia :

Le jeu de la vie est un automate cellulaire imaginé par John Horton Conway en 1970 et qui est probablement le plus connu de tous les automates cellulaires. Le jeu de la vie n’est pas un jeu, puisqu'il ne nécessite aucun joueur. Il s’agit d’un automate cellulaire, un modèle où chaque état conduit mécaniquement à l’état suivant à partir de règles pré-établies.

Le « jeu » se déroule sur une grille à deux dimensions, théoriquement infinie (mais de longueur et de largeur finies et plus ou moins grandes dans la pratique), dont les cases — qu’on appelle des « cellules », par analogie avec les cellules vivantes — peuvent prendre deux états distincts : « vivante » ou « morte ».

À chaque étape, l’évolution d’une cellule est entièrement déterminée par l’état de ses huit voisines de la façon suivante :

  • Une cellule morte possédant exactement trois voisines vivantes devient vivante (elle naît).
  • Une cellule vivante possédant deux ou trois voisines vivantes le reste, sinon elle meurt.

La configuration de départ détermine entièrement l'évolution future. Il existe des formes remarquables qui donnent naissance à des évolutions particulières: on a par exemple des formes périodiques qui vont faire alterner deux configurations.

Cahier des charges

Dans le cadre d'une exposition, il était nécessaire d'imaginer un dispositif interactif que les visiteurs pourraient manipuler. On s'est donc orienté vers une installation composée d'un plateau de jeu permettant de matérialiser la configuration initiale et un écran qui montrerait l'évolution. Cette évolution serait activée par l'appui sur un bouton ce qui laisse le temps au visiteur d'observer les figures générées et même d'anticiper la génération suivante. Le tout devait être assez compact et transportable.

Réalisation

Les choix techniques ont été les suivants:
la contrainte d'encombrement réduit et de puissance de calcul suffisant a conduit au choix d'une micro-ordinateur pour la partie unité de traitement.
L'écran choisi a une taille de 1920 par 1080 pixels; c'est un écran qui s'interface au micro-ordinateur en HDMI.


Il était initialement question de pions qui se poseraient dans les trous du plateau de jeu. Le choix s'est porté sur des capteurs de pression (Force Sensing Resistance) pour la détection des pions.


Un bouton pour amorcer le jeu et le faire et évoluer et un bouton pour revenir à la configuration initiale ont été ajoutés sur les GPIO du micro-ordinateur.
Enfin, un bouton marche/arrêt du jeu a été intégré. Il est nécessaire d'effectuer un arrêt du micro-ordinateur pour éviter une corruption de la carte SD.

Montage des capteurs dans le plateau de jeu:

Écran d'accueil:

Une étape:

Matériel

Un plateau de jeu dont un carré de 4×4 trous sont évidés de façon à laisser s'enfoncer des billes

16 capteurs FSR pour la détection des billes: Fournisseur Pololu, dimensions 0,2 pouces de diamètre (ce qui correspond à 0,5 cm de diamètre)
https://www.pololu.com/product/1695
Deux boutons d'interaction: démarrage et avance du jeu, retour à zéro

Un bouton marche/arrêt
Une RaspberryPi pour la gestion des événements et l'affichage
https://www.kubii.fr/les-cartes-raspberry-pi/1628-raspberry-pi-3-modele-b-1-gb-kubii-640522710850.html
Un écran Waveshare 1920×1080 pixels: https://www.waveshare.com/15.6inch-HDMI-LCD-H-with-case.htm

Logiciel

Un code python pour la prise en compte des billes et l'affichage du jeu de la vie OS Raspbian version Buster (10.4 (?)) Modifications de l'OS:
-prise en compte du bouton marche/arrêt par un démon
-lancement du programme Jeu de la vie au démarrage de l'OS
Sauvegarde du système complet sur une carte SD de secours: procédure
-copie de la carte SD d'origine
-copie sur une autre carte SD
Liste exhaustive du matériel:

écran Waveshare:
https://www.waveshare.com/15.6inch-HDMI-LCD-H-with-case.htm

capteurs de pression:

Photos
Codes
Le code a été écrit en python et utilise la bibliothèque pygame. Il s'agit de l'adaptation du code de Trevor Appleton, que l'on peut trouver détaillé ici:
http://trevorappleton.blogspot.com/2013/07/python-game-of-life.html

 import pygame, sys
 from pygame.locals import *
 import random
 import RPi.GPIO as GPIO
 from time import sleep
 
 GPIOCasesInit = {17:(9,4), 27:(10,4), 22:(11,4), 5:(12,4), 6:(9,5), 13:(10,5), 19:(11,5), 26:(12,5), 18:(9,6), 24:(10,6),   23:(11,6), 25:(12,6), 12:(9,7), 16:(10,7), 20:(11,7), 21:(12,7)}
 # vérification du nombre de capteurs définis
 assert len(GPIOCasesInit)==16
 assert len(set(GPIOCasesInit.values()))==16
 GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# les broches sur lesquelles se trouvent les capteurs, ainsi que les broches 14 et 15, sont configurées en entrée.
# Par défaut, les broches des capteurs sont à l'état bas (niveau électrique 0V)
# Les broches 14 et 15 (sur lesquelles sont câblés des boutons) sont au niveau électrique haut par défaut
 for n in GPIOCasesInit: 
     GPIO.setup(n, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
     GPIO.setup(14, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
     GPIO.setup(15, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
 # les broches 14 et 15 détecteront un front descendant 
 GPIO.add_event_detect(14, GPIO.FALLING)
 GPIO.add_event_detect(15, GPIO.FALLING)
 #nombre d'images par seconde
 FPS = 10
 
 ###configure la taille de la grille
 WINDOWWIDTH = 1920
 WINDOWHEIGHT = 1080
 CELLSIZE = 40
 
 #les dimensions de la grille sont-elles des multiples du nombre de cellules
 assert WINDOWWIDTH % CELLSIZE == 0, "la largeur des cellules doit être un multiple de la taille des cellules"
 assert WINDOWHEIGHT % CELLSIZE == 0, "la hauteur des cellules doit être un multiple de la taille des cellules"
 
 #Determine le nombre de cellules sur l'axe vertical et l'axe horizontal\\
 CELLWIDTH = WINDOWWIDTH / CELLSIZE # nombre de cellules en largeur
 CELLHEIGHT = WINDOWHEIGHT / CELLSIZE # nombre de cellules en hauteur
 
 # fabrication des couleurs
 BLACK =    (0,  0,  0)
 WHITE =    (255,255,255)
 DARKGRAY = (40, 40, 40)
 GREEN =    (50,255,100)
 RED =  (255, 0, 100)
 
 BoxExample = {1:(3,10), 2:(15,10), 3:(2,11), 4:(4,11), 5:(10,11), 6:(14,11), 7:(16,11), 8:(3,12), 9:(9,12), 10:(10,12),  11:(11,12), 12:(14,12), 13:(16,12), 14:(15,13), 15:(4,16), 16:(9,16), 17:(10,16), 18:(14,16), 19:(16,16), 20:(17,16), 21:(5,17), 22:(8,17), 23:(11,17), 24:(14,17), 25:(15,17), 26:(17,17), 27:(3,18), 28:(4,18), 29:(5,18), 30:(9,18), 31:(11,18), 32:(10,19), 33:(25,17),34:(25,18),35:(26,18)}
 
 def text_objects(text, font): 
     textSurface = font.render(text, True, DARKGRAY)
     return textSurface, textSurface.get_rect() 
 
 def afficheInit(text, x, y):
     largeText = pygame.font.Font('freesansbold.ttf',75)
     TextSurf, TextRect = text_objects(text, largeText)
     TextRect.center = (x,y)
     DISPLAYSURF.blit(TextSurf, TextRect)
     pygame.display.update()
 
 #Dessin de la grille
 def drawGrid():
     for x in range(0, WINDOWWIDTH, CELLSIZE): # trace des lignes verticales
         pygame.draw.line(DISPLAYSURF, DARKGRAY, (x,0),(x,WINDOWHEIGHT))
     for y in range (0, WINDOWHEIGHT, CELLSIZE): # trace des lignes horizontales
         pygame.draw.line(DISPLAYSURF, DARKGRAY, (0,y), (WINDOWWIDTH, y))
 
 
 def drawGridExample():
     for n in BoxExample:
     	pygame.draw.rect(DISPLAYSURF, RED, (BoxExample[n][0]*CELLSIZE, BoxExample[n][1]*CELLSIZE, CELLSIZE, CELLSIZE))
 
 #Colore en vert les cellules vivantes et en blancs les "non-vivantes"
 def colourGrid(item, lifeDict):
     x = item[0]
     y = item[1]
     y = y * CELLSIZE # transforme le tableau de dimension de la grille
     x = x * CELLSIZE # transforme le tableau de dimension de la grille
     if lifeDict[item] == 0:
         pygame.draw.rect(DISPLAYSURF, WHITE, (x, y, CELLSIZE, CELLSIZE))
     if lifeDict[item] == 1:
         pygame.draw.rect(DISPLAYSURF, GREEN, (x, y, CELLSIZE, CELLSIZE))
     return lifeDict[item]\\
 
 #Creation un dictionnaire de l'ensemble des cellules
 #Toutes les cellules sont "mortes" (valeur 0)
 def blankGrid():
     gridDict = {}
     #Creation d un dictionnaire pour toutes les cellules de la grille
     for y in range (CELLHEIGHT):
         for x in range (CELLWIDTH):
             gridDict[x,y] = 0 #Toutes les cellules sont "mortes" 
     return gridDict 
 
 def startingGridInit(lifeDict, GPIOCasesInit):
     for ncapt in GPIOCasesInit:
 		if(GPIO.input(ncapt)!=0):
     			lifeDict[GPIOCasesInit[ncapt]] = 1
     return lifeDict 
 
 #Calcul du nombre de voisins vivants autour de chaque cellule
 def getNeighbours(item,lifeDict):
     neighbours = 0
     for x in range (-1,2):
         for y in range (-1,2):
             checkCell = (item[0]+x,item[1]+y)
             if checkCell[0] < CELLWIDTH  and checkCell[0] >=0:
                 if checkCell [1] < CELLHEIGHT and checkCell[1]>= 0:
                     if lifeDict[checkCell] == 1:
                         if x == 0 and y == 0: # la cellule centrale n'est pas prise en compte
                             neighbours += 0
                         else:
                             neighbours += 1
     return neighbours
      #Calcul de la nouvelle génération par appel à la fonction 'tick'
 def tick(lifeDict):
     newTick = {}
     for item in lifeDict:
         #Obtention du nombre de voisins pour cet élément
         numberNeighbours = getNeighbours(item, lifeDict)
         if lifeDict[item] == 1: # Pour les cellules encore vivantes
             if numberNeighbours < 2: # mort par sous-population
                 newTick[item] = 0
             elif numberNeighbours > 3: #mort par surpopulation
                 newTick[item] = 0
             else:\\
                 newTick[item] = 1 # ne rien faire (cellule vivante)
         elif lifeDict[item] == 0:
             if numberNeighbours == 3: # naissance d'une cellule
                 newTick[item] = 1
             else:
                 newTick[item] = 0 # ne rien faire (cellule morte)
     return newTick
 
 #fonction princpale
 def main():
     etat=0
     FLAG_PUSH = 0
     pygame.init()
     global DISPLAYSURF
     FPSCLOCK = pygame.time.Clock()
     DISPLAYSURF = pygame.display.set_mode((WINDOWWIDTH,WINDOWHEIGHT), pygame.FULLSCREEN)
     pygame.display.set_caption('Game of Life')
     DISPLAYSURF.fill(WHITE)
 
     lifeDict = blankGrid() #Creation un dictionnaire de cellules, initialisation a zero
 
     #Coloration des cellules vivantes
     for item in lifeDict:
         colourGrid(item, lifeDict)
     drawGrid()
     pygame.display.update()
     while True: #main game loop
        	for event in pygame.event.get():
         	if event.type == QUIT:
                 	pygame.quit()
                 	sys.exit()
                 #Indispensable: prévoir de pouvoir quitter le mode plein écran 
 		if event.type == pygame.KEYUP:
 			DISPLAYSURF = pygame.display.set_mode((WINDOWWIDTH,WINDOWHEIGHT), pygame.RESIZABLE)
 	cs14=GPIO.input(14)
 	cs15=GPIO.input(15)
 	if ps14!=cs14:	
 		print('ps14', ps14)
 		print('cs14', cs14)
 	if(etat==0):
 		afficheInit('Disposez les pions sur le plateau', WINDOWWIDTH/2, WINDOWHEIGHT/2-300)
 		afficheInit('et appuyez sur SUIVANT', WINDOWWIDTH/2, (WINDOWHEIGHT/2-200))	
 		afficheInit('Quelques exemples:', WINDOWWIDTH/2, WINDOWHEIGHT/2-100)
 		drawGridExample()
 		pygame.display.update()
 	#passage a etat suivant
 		if(ps14==1 and  cs14==0):
 			doit_demarrer=False
 			nb_viv=0
 			for elem in GPIOCasesInit:
 				if(GPIO.input(elem)):
					doit_demarrer = True
					nb_viv+=1
					print(GPIOCasesInit[elem])
			print('nb_viv', nb_viv)
			if doit_demarrer:					
				etat=1
				lifeDict = startingGridInit(lifeDict, GPIOCasesInit)
		else:
			etat=0
	elif(etat==1):
		if(ps15==1 and cs15==0):
			etat=0
			lifeDict=blankGrid()
		if(ps14==1 and cs14==0):
        #Calcul de l'état suivant
			nb_viv=0
			lifeDict = tick(lifeDict)
			print('suite')
			for item in lifeDict:
				if(lifeDict[item]):
					nb_viv=nb_viv+1
			print(nb_viv)
			if(nb_viv==0):
				print('vide')
				etat=0
        #Colours the live cells, blanks the dead
        	for item in lifeDict:
            		colourGrid(item, lifeDict)
		drawGrid()
        	pygame.display.update() 
	ps14=cs14
	ps15=cs15
	sleep(0.1) 
        #FPSCLOCK.tick(FPS)
 
if __name__=='__main__':
    main()

Schéma électrique pour les FSR
Schéma d'intégration
Schéma de câblage sur la Raspberry

Retour d'expérience

Il semble qu'il ne soit pas nécessaire de protéger la carte SD d'une extinction intempestive, au moins pour plusieurs cycles d'extinction/allumage.

Par précaution, il faut réaliser un clone (une image disque) de la carte finale, comportant non seulement une copie du système mais aussi de tous les réglages et des codes.

Ce clone servira à graver une nouvelles carte SD si celle employée ne fonctionne plus.

FSR:

Tests effectués en mesurant la valeur de la résistance selon la pression exercée :

De 1 je passe à des valeurs plus ou moins pertinentes selon le poids. Difficile sous les 20mm de diamètre de dépasser le seuil des 50 kohms soit un poids de 20 grammes (plexi ou bois) Avec une bille inox de 30mm (110gr), la résistance chute à 4/5 k ohms ; mais elles sont trop facilement volées et très chères. Les billes vertes type calot de 25mm pourraient être un compromis comme les cylindres de pvc denses : test concluant pour un cylindre de 26mm hauteur 50mm poids 45gr résistance mesurée 20kohms.

Il y a quelques incertitudes sur les mesures car faute d’ajustement précis du diamètre d’emboîtements, les objets peuvent toucher les bords, réduisant de fait le poids exercé sur la FSR (et donc la résistance au courant augmente)

Je modifie le plan de la manip avec un entraxe de 30mm et des trous de 27 de diamètre ; la profondeur des inserts sera de 20mm au moins

Le mieux pour simuler la pression du doigt c’est une « goutte d’eau », pieds autocollants antidérapant en forme de demi-hémisphère sur les cylindres

Modifications en vue de la version 2: Il s'avère que la détection par les FSR n'est pas assez robuste. Il faut souvent un appui supplémentaire sur les billes de la part de l'utilisateur. Le mieux serait d'utiliser un contact mécanique du type contacteur ou interrupteur

  • jeu_de_la_vie.txt
  • Dernière modification: 2019/10/21 11:44
  • par Camille