如何用Python编写视觉桌上冰球小游戏

介绍

规则如下：左手控制白色球拍；右手控制紫色球拍；球拍只能上下移动；红色圆形就是冰球；球碰撞到上下两侧的蓝色边框，和两侧的球拍就会反弹；如果球进入了黄色区域，游戏结束；下面的粉色计数板，记录左右两侧各击球多少次。

1. 文件配置

1.1 导入工具包

pip install opencv_python==4.2.0.34  # 安装opencv
pip install mediapipe  # 安装mediapipe
# pip install mediapipe --user  #有user报错的话试试这个
pip install cvzone  # 安装cvzone
 
# 导入工具包
import cv2
import cvzone
from cvzone.HandTrackingModule import HandDetector  # 导入手部检测模块

21个手部关键点坐标如下：

1.2 素材图片准备

开始之前，先准备球桌的图片，球的图片，球拍的图片。我是用PPT画的图，球和球拍的图片一定要保存成 .png 格式的。放在同一个文件夹中以备读取。

2. 手部关键点检测、素材导入

2.1 方法介绍

（1） cvzone.HandTrackingModule.HandDetector()手部关键点检测方法

参数：

mode： 默认为 False，将输入图像视为视频流。它将尝试在第一个输入图像中检测手，并在成功检测后进一步定位手的坐标。在随后的图像中，一旦检测到所有 maxHands 手并定位了相应的手的坐标，它就会跟踪这些坐标，而不会调用另一个检测，直到它失去对任何一只手的跟踪。这减少了延迟，非常适合处理视频帧。如果设置为 True，则在每个输入图像上运行手部检测，用于处理一批静态的、可能不相关的图像。

maxHands： 最多检测几只手，默认为 2

detectionCon： 手部检测模型的最小置信值（0-1之间），超过阈值则检测成功。默认为 0.5

minTrackingCon： 坐标跟踪模型的最小置信值 (0-1之间)，用于将手部坐标视为成功跟踪，不成功则在下一个输入图像上自动调用手部检测。将其设置为更高的值可以提高解决方案的稳健性，但代价是更高的延迟。如果 mode 为 True，则忽略这个参数，手部检测将在每个图像上运行。默认为 0.5

它的参数和返回值类似于官方函数 mediapipe.solutions.hands.Hands()

MULTI_HAND_LANDMARKS： 被检测/跟踪的手的集合，其中每只手被表示为21个手部地标的列表，每个地标由x, y, z组成。

MULTI_HANDEDNESS： 被检测/追踪的手是左手还是右手的集合。每只手由label(标签)和score(分数)组成。 label 是 'Left' 或 'Right' 值的字符串。 score 是预测左右手的估计概率。

（2）cvzone.HandTrackingModule.HandDetector.findHands() 找到手部关键点并绘图

参数：

img： 需要检测关键点的帧图像，格式为BGR

draw： 是否需要在原图像上绘制关键点及识别框

flipType： 图像是否需要翻转，当视频图像和我们自己不是镜像关系时，设为True就可以了

返回值：

hands： 检测到的手部信息，由0或1或2个字典组成的列表。如果检测到两只手就是由两个字典组成的列表。字典中包含：21个关键点坐标(x,y,z)，检测框左上坐标及其宽高，检测框中心点坐标，检测出是哪一只手。

img： 返回绘制了关键点及连线后的图像

（3）cv2.addWeighted()图像融合

将两张图像按一定比例融合在一起，需要两张图像的size和通道数相同

两张图像按一定比例融合： cv2.addWeighted(图像1, 权重1, 图像2, 权重2, 亮度偏置)

相当于 y = a x1 + b x2 + c，其中 a、b 代表权重，c 代表亮度上提亮多少

2.2 代码展示

首先 cv2.imread() 中的参数 cv2.IMREAD_UNCHANGED 是指用图片的原来格式打开，包含Alpha通道。即以不改变图片的方式打开，图片是彩色那么读进来就是彩色，图片是灰度图那么读进来就是灰度图，读进来的图片的shape如下：

该部分代码主要负责手部关键点检测，融合背景图像和视频帧图像

import cv2
import cvzone
from cvzone.HandTrackingModule import HandDetector  # 导入手部检测模块
 
#（1）捕获摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)  # 0代表电脑自带的摄像头
cap.set(3, 1280)  # 读入的图像的宽
cap.set(4, 720)   # 读入的图像的高
 
 
#（2）文件配置
# 导入所有需要对图片文件
imgDesk = cv2.imread('games/desk.jpg')  # 球桌的图片
imgBall = cv2.imread('games/ball.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球的图片
imgBlock1 = cv2.imread('games/block1', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球拍的图片
imgBlock2 = cv2.imread('games/block2', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球拍的图片
# 调整球桌图片的size
imgDesk = cv2.resize(imgDesk, dsize=(1280,720))
 
 
#（3）参数设置
# 接收手部关键点识别的方法，最小手部检测模块置信度0.8，最多检测2只手
detector = HandDetector(detectionCon=0.8, maxHands=2)
 
 
#（4）处理帧图像
while True:
 
    # 返回是否读取成功，以及读取后的帧图像
    success, img = cap.read()  # 每次执行读取一帧
    
    # 图片翻转呈镜像关系，1代表左右翻转，0代表上下翻转
    img = cv2.flip(img, flipCode=1)
    
    # 手部关键点检测，返回每个只手的信息和绘制后的图像
    hands, img = detector.findHands(img, flipType=False)  # 上面翻转过了这里就不用翻转了
 
    # 将球桌图片和视频帧图像融合在一起, 两张图的shape要相同
    # 给出每张图片的融合权重, 亮度偏置为0，这样就变成了半透明的显示形式
    img = cv2.addWeighted(img, 0.3, imgDesk, 0.7, 0)
 
    
    #（5）添加桌球的图片，将imgBall放在球桌img的指定坐标位置
    img = cvzone.overlayPNG(img, imgBall, (100,100))
    
    # 图像展示
    cv2.imshow('img', img)
    # 每帧滞留1ms后消失
    k = cv2.waitKey(1)
    # ESC键退出程序
    if k & 0XFF==27:
        break
 
# 释放视频资源
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

效果图如下：

3. 关键点处理、球拍移动

3.1 方法介绍

这部分主要完成两项工作，第一是左右手分别控制左侧和右侧的球拍，第二个是球以一定的速度移动。

（1）控制球拍

hand['bbox'] 中包含了手部检测框的左上角坐标和检测框的宽高，使用手掌中心点的 y 坐标来控制球拍的上下移动。由于两个球拍的shape是相同的，因此只要获取一个球拍的高度 h2 即可。使用掌心中点 y 坐标控制球拍中点的 y1 坐标，公式为：y1 = (y + h) // 2 - h2 // 2

接着使用 cvzone.overlayPNG() 就可以将球拍图片覆盖在原图片的指定区域，其中坐标参数是指覆盖区域的左上角坐标。固定横坐标，只上下移动。

（2）球移动

首先要规定球的移动速度 speedx, speedy = 10, 10 代表球每一帧沿x轴正方向移动10个像素，沿y轴正方向移动10个像素，那么球的初始合速度方向是沿图片的正右下角移动

如果球碰撞到了球桌的上下边框，就反弹。speedy = -speedy。代表x方向每帧移动的步长不变，y方向每帧移动的方向反转，即入射角等于出射角。

3.2 代码展示

在上述代码中补充

import cv2
import cvzone
import numpy as np
from cvzone.HandTrackingModule import HandDetector  # 导入手部检测模块
 
#（1）捕获摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)  # 0代表电脑自带的摄像头
cap.set(3, 1280)  # 读入的图像的宽
cap.set(4, 720)   # 读入的图像的高
 
 
#（2）文件配置
# 导入所有需要对图片文件
imgDesk = cv2.imread('games/desk.jpg')  # 球桌的图片
imgBall = cv2.imread('games/ball.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球的图片
imgBlock1 = cv2.imread('games/block1.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球拍的图片
imgBlock2 = cv2.imread('games/block2.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球拍的图片
# 调整球桌图片的size
imgDesk = cv2.resize(imgDesk, dsize=(1280,720))
# 调整球拍的size
imgBlock1 = cv2.resize(imgBlock1, dsize=(50,200))
imgBlock2 = cv2.resize(imgBlock2, dsize=(50,200))
 
 
#（3）参数设置
# 接收手部关键点识别的方法，最小手部检测模块置信度0.8，最多检测2只手
detector = HandDetector(detectionCon=0.8, maxHands=2)
 
# 球的默认位置
ballpos = [100, 100]
 
# 球的移动速度，每帧15个像素
speedx, speedy = 10, 10
 
 
#（4）处理帧图像
while True:
 
    # 返回是否读取成功，以及读取后的帧图像
    success, img = cap.read()  # 每次执行读取一帧
    
    # 图片翻转呈镜像关系，1代表左右翻转，0代表上下翻转
    img = cv2.flip(img, flipCode=1)
    
    # 手部关键点检测，返回每个只手的信息和绘制后的图像
    hands, img = detector.findHands(img, flipType=False)  # 上面翻转过了这里就不用翻转了
 
    # 将球桌图片和视频帧图像融合在一起, 两张图的shape要相同
    # 给出每张图片的融合权重, 亮度偏置为0，这样就变成了半透明的显示形式
    img = cv2.addWeighted(img, 0.4, imgDesk, 0.6, 0)
    
    
    #（5）处理手部关键点，如果检测到手了就进行下一步
    if hands:
        
        # 遍历每检测的2只手，获取每一只手的坐标
        for hand in hands:
            
            # 获取手部检测框的左上坐标xy，宽高wh
            x, y, w, h = hand['bbox']
            
            # 获取球拍的宽高
            h2, w1 = imgBlock1.shape[0:2]
            
            # 球拍的中心y坐标，随着掌心移动
            y1 = (y + h) // 2 - h2 // 2
 
            # 如果检测到了左手
            if hand['type'] == 'Left':
                
                # 左侧的球拍x轴固定,y坐标随左手掌间中点移动
                img = cvzone.overlayPNG(img, imgBlock1, (55,y1))
                
            # 如果检测到了右手
            if hand['type'] == 'Right':
                
                # 右侧的球拍x轴固定,y坐标随右手掌间中点移动
                img = cvzone.overlayPNG(img, imgBlock2, (1280-55,y1))
                      
    #（6）改变球的位置
    # 如果球的y坐标在超出了桌面的上或下边框范围，调整移动方向
    if ballpos[1] >= 600 or ballpos[1] <= 50:
        
        # y方向的速度调整为反方向，那么x方向和y方向的合速度方向调整了
        speedy = -speedy
 
    ballpos[0] = ballpos[0] + speedx  # 调整球的x坐标
    ballpos[1] = ballpos[1] + speedy  # 调整球的y坐标
 
    
    #（5）添加桌球的图片，将imgBall放在球桌img的指定坐标位置
    img = cvzone.overlayPNG(img, imgBall, ballpos)
    
    # 图像展示
    cv2.imshow('img', img)
    # 每帧滞留1ms后消失
    k = cv2.waitKey(1)
    # ESC键退出程序
    if k & 0XFF==27:
        break
 
# 释放视频资源
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

效果图如下：

4. 球拍击球、游戏完善

4.1 方法介绍

这一部分主要完成三项工作，第一是球拍击打到球，球需要反弹；第二是如果球进入黄色区域，游戏结束；第三是左右侧击球得分计数器。

（1）球拍击球

看到代码中的第（5）步，ballpos 代表球的左上角坐标(x,y)，100 < ballpos[0] < 100+w1 代表球到了球拍横坐标区域范围内部了，y1 < ballpos[1] < y1+h2 代表球的y坐标在球拍y坐标内部，这时表明击球成功，speedx = -speedx 只改变沿x轴的速度方向，不改变沿y轴的速度方向。

（2）球进黄区，游戏结束

if ballpos[0] < 50 or ballpos[0] > 1150，如果球图片的左上坐标的 x 坐标，在黄区边缘，整个程序退出。当然也可以做一个游戏结束界面，我之前的博文里也有介绍，我偷个懒不写了。

（3）计数器

首先定义个变量初始化记录左右侧的击球次数 score = [0, 0]，如果有一侧的球拍击中球，那么对应该侧计数加一。

4.2 代码展示

上面代码是掌心控制球拍，这里改成食指指尖控制球拍中点移动。

import cv2
import cvzone
from cvzone.HandTrackingModule import HandDetector  # 导入手部检测模块
 
#（1）捕获摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)  # 0代表电脑自带的摄像头
cap.set(3, 1280)  # 读入的图像的宽
cap.set(4, 720)   # 读入的图像的高
 
 
#（2）文件配置
# 导入所有需要对图片文件
imgDesk = cv2.imread('games/desk.jpg')  # 球桌的图片
imgBall = cv2.imread('games/ball.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球的图片
imgBlock1 = cv2.imread('games/block1.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球拍的图片
imgBlock2 = cv2.imread('games/block2.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)  # 球拍的图片
# 调整球桌图片的size
imgDesk = cv2.resize(imgDesk, dsize=(1280,720))
# 调整球拍的size
imgBlock1 = cv2.resize(imgBlock1, dsize=(50,200))
imgBlock2 = cv2.resize(imgBlock2, dsize=(50,200))
 
 
#（3）参数设置
# 接收手部关键点识别的方法，最小手部检测模块置信度0.8，最多检测2只手
detector = HandDetector(detectionCon=0.8, maxHands=2)
 
# 球的默认位置
ballpos = [100, 100]
 
# 球的移动速度，每帧15个像素
speedx, speedy = 10, 10
 
# 记录是否游戏结束
gameover = False
 
# 记录左右的击球数
score = [0, 0]
 
 
#（4）处理帧图像
while True:
 
    # 返回是否读取成功，以及读取后的帧图像
    success, img = cap.read()  # 每次执行读取一帧
    
    # 图片翻转呈镜像关系，1代表左右翻转，0代表上下翻转
    img = cv2.flip(img, flipCode=1)
    
    # 手部关键点检测，返回每个只手的信息和绘制后的图像
    hands, img = detector.findHands(img, flipType=False)  # 上面翻转过了这里就不用翻转了
 
    # 将球桌图片和视频帧图像融合在一起, 两张图的shape要相同
    # 给出每张图片的融合权重, 亮度偏置为0，这样就变成了半透明的显示形式
    img = cv2.addWeighted(img, 0.4, imgDesk, 0.6, 0)
    
    
    #（5）处理手部关键点，如果检测到手了就进行下一步
    if hands:
        
        # 遍历每检测的2只手，获取每一只手的坐标
        for hand in hands:
            
            # 获取食指坐标(x,y,z)
            x, y, z = hand['lmList'][8]
            
            # 获取球拍的宽高
            h2, w1 = imgBlock1.shape[0:2]
            
            # 球拍的中心y坐标，随着掌心移动
            y1 = y - h2 // 2
 
            # 如果检测到了左手
            if hand['type'] == 'Left':
                
                # 左侧的球拍x轴固定,y坐标随左手掌间中点移动
                img = cvzone.overlayPNG(img, imgBlock1, (100,y1))
                
                # 检查球是否被左球拍击中, 球的xy坐标是否在球拍xy坐标附近
                if 100 < ballpos[0] < 100+w1 and y1 < ballpos[1] < y1+h2:
                    
                    # 满足条件代表球拍击中了，改变球的移动方向
                    speedx = -speedx  # x方向设为反方向
                    
                    # 得分加一
                    score[0] += 1
                
                
            # 如果检测到了右手
            if hand['type'] == 'Right':
                
                # 右侧的球拍x轴固定,y坐标随右手掌间中点移动
                img = cvzone.overlayPNG(img, imgBlock2, (1150,y1))
                
                # 检查球是否被右球拍击中
                if 1050 < ballpos[0] < 1050+w1 and y1 < ballpos[1] < y1+h2:
                    
                    # 满足条件代表球拍击中了，改变球的移动方向
                    speedx = -speedx  # x方向设为反方向
                    
                    # 得分加一
                    score[1] += 1
 
 
    #（6）检查球是否没接到，那么游戏结束
    if ballpos[0] < 50 or ballpos[0] > 1150:
        gameover = True
    
    # 游戏结束，画面就不动了
    if gameover is True:
        break
     
    # 游戏没结束就接下去执行
    else:
         #（7）调整球的坐标
         # 如果球的y坐标在超出了桌面的上或下边框范围，调整移动方向
         if ballpos[1] >= 600 or ballpos[1] <= 50:
             
             # y方向的速度调整为反方向，那么x方向和y方向的合速度方向调整了
             speedy = -speedy
         
         # 每一整都调整xy坐标
         ballpos[0] = ballpos[0] + speedx  # 调整球的x坐标
         ballpos[1] = ballpos[1] + speedy  # 调整球的y坐标
    
         #（8）添加桌球的图片，将imgBall放在球桌img的指定坐标位置
         img = cvzone.overlayPNG(img, imgBall, ballpos)
    
    
    #（9）显示记分板
    cvzone.putTextRect(img, f'Left:{score[0]} and Right:{score[1]}', (400,710))
 
    #（10）图像展示
    cv2.imshow('img', img)
    # 每帧滞留1ms后消失
    k = cv2.waitKey(1)
    # ESC键退出程序
    if k & 0XFF==27:
        break
 
# 释放视频资源
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

效果图如下：