20 - Turtle

Ouverture hors programme. Le module turtle n’est pas au programme de NSI, mais il permet de voir immédiatement ce que fait un programme : chaque instruction trace un trait. C’est un excellent moyen de s’entraîner aux boucles, aux fonctions et aux variables. Il est fourni avec Python : rien à installer. Les programmes de cette page s’exécutent dans Thonny (ou tout autre éditeur Python installé sur l’ordinateur), pas dans le navigateur.

Le principe : une tortue qui tient un crayon

Le module turtle affiche une fenêtre au centre de laquelle se trouve une tortue, représentée par une petite flèche. La tortue tient un crayon : quand elle avance, elle laisse un trait derrière elle. On la pilote avec des instructions simples : avancer de 100 pas, tourner de 90 degrés vers la gauche, lever le crayon…

Le principe : une tortue qui tient un crayon (suite)

Le premier programme fait avancer la tortue, la fait tourner, puis avancer encore :

import turtle

t = turtle.Turtle()   # création d'une tortue, rangée dans la variable t

t.forward(100)        # avancer de 100 pas
t.left(90)            # tourner de 90 degrés vers la gauche
t.forward(50)         # avancer de 50 pas

turtle.done()         # garder la fenêtre ouverte

Le principe : une tortue qui tient un crayon (suite)

Trois lignes méritent une explication.

Le principe : une tortue qui tient un crayon (suite)

• import turtle charge le module, comme import random charge les fonctions de hasard.
• t = turtle.Turtle() crée une tortue et la range dans la variable t. Ensuite, on lui donne des ordres avec un point : t.forward(100) se lit « tortue t, avance de 100 ». C’est la même écriture que notes.append(12) pour une liste : une méthode appliquée à un objet.
• turtle.done() laisse la fenêtre ouverte à la fin du programme, jusqu’à ce qu’on la ferme. Sans cette ligne, selon l’éditeur, la fenêtre peut se fermer dès que le dessin est fini.

Question. Au départ, dans quelle direction la tortue regarde-t-elle ?

Le repère de la fenêtre

Chaque point de la fenêtre a deux coordonnées (x, y), comme en mathématiques. La tortue part du centre de la fenêtre, le point (0, 0). L’axe des x va vers la droite, l’axe des y vers le haut. Les directions se mesurent en degrés : 0 vers la droite, 90 vers le haut, 180 vers la gauche et 270 vers le bas.

Le repère de la fenêtre (suite)

Le repère de la fenêtre (suite)

Le point rouge a pour coordonnées (220, 180) : il se trouve 220 pas à droite du centre et 180 pas au-dessus.

Un pas vaut un pixel de l’écran. La taille de la fenêtre dépend de l’écran ; l’instruction turtle.setup(700, 600) la fixe à 700 pixels de large sur 600 de haut. Les points visibles ont alors des coordonnées comprises entre -350 et 350 pour x, entre -300 et 300 pour y.

Le repère de la fenêtre (suite)

Le repère de la fenêtre (suite)

Question. La tortue part de (0, 0) en regardant vers la droite. Où se trouve-t-elle après t.forward(100), t.left(90), t.forward(50) ? Dans quelle direction regarde-t-elle ?

Répéter avec une boucle : le carré

Pour tracer un carré de côté 100, la tortue doit faire quatre fois la même chose : avancer de 100, puis tourner de 90 degrés. Écrire huit lignes serait fastidieux ; une boucle for répète le bloc :

Répéter avec une boucle : le carré (suite)

import turtle

t = turtle.Turtle()

for i in range(4):
    t.forward(100)
    t.left(90)

turtle.done()

Répéter avec une boucle : le carré (suite)

Le tableau suit la tortue à la fin de chaque tour de boucle.

Répéter avec une boucle : le carré (suite)

Après quatre tours, la tortue est revenue à son point de départ, dans sa direction de départ : elle a fait un tour complet sur elle-même, soit 4 × 90 = 360 degrés.

Question. Que dessine ce programme si l’on remplace t.left(90) par t.right(90) ?

Les polygones réguliers et l’angle de rotation

Un polygone régulier a tous ses côtés de même longueur et tous ses angles égaux : triangle équilatéral, carré, pentagone, hexagone… Pour en tracer un à n côtés, la tortue avance et tourne n fois. Mais de combien doit-elle tourner ?

À la fin du tracé, elle doit avoir fait exactement un tour complet, soit 360 degrés, en n rotations égales. Chaque rotation vaut donc 360 / n degrés. Ce n’est pas l’angle intérieur du polygone : c’est l’angle dont la tortue change de direction à chaque coin.

Les polygones réguliers et l’angle de rotation (suite)

Les polygones réguliers et l’angle de rotation (suite)

Pour un triangle équilatéral, la tortue tourne donc de 360 / 3 = 120 degrés, alors que les angles du triangle mesurent 60 degrés. C’est l’erreur la plus fréquente : avec left(60), la tortue trace la moitié d’un hexagone.

Les polygones réguliers et l’angle de rotation (suite)

On écrit une fonction qui trace n’importe quel polygone régulier, puis on l’appelle plusieurs fois :

import turtle


def polygone(t, n, cote):
    """La tortue t trace un polygone régulier à n côtés de longueur cote."""
    for i in range(n):
        t.forward(cote)
        t.left(360 / n)


t = turtle.Turtle()
polygone(t, 3, 120)   # triangle
polygone(t, 4, 100)   # carré
polygone(t, 6, 70)    # hexagone
polygone(t, 8, 55)    # octogone

turtle.done()

Les polygones réguliers et l’angle de rotation (suite)

Les polygones réguliers et l’angle de rotation (suite)

La tortue est passée en paramètre de la fonction : on pourrait ainsi faire dessiner le même polygone par plusieurs tortues différentes.

Question. Que faut-il écrire pour tracer un cercle approché ?

Lever le crayon et se déplacer

Pour dessiner plusieurs figures séparées, la tortue doit se déplacer sans tracer : on lève le crayon avec t.penup(), on se déplace, puis on le repose avec t.pendown().

Lever le crayon et se déplacer (suite)

import turtle


def carre(t, cote):
    """La tortue t trace un carré de côté cote."""
    for i in range(4):
        t.forward(cote)
        t.left(90)


t = turtle.Turtle()

for i in range(5):
    t.penup()
    t.goto(-250 + i * 110, 0)   # on se place sans tracer
    t.pendown()
    carre(t, 80)

turtle.done()

Lever le crayon et se déplacer (suite)

Lever le crayon et se déplacer (suite)

Le coin de départ du carré numéro i est au point d’abscisse -250 + i * 110 : -250 pour le premier, puis 110 pas de plus à chaque carré (80 pour le carré, 30 d’espace).

Question. Que dessine le programme si l’on oublie la ligne t.penup() ?

Couleurs, épaisseur et remplissage

La tortue peut changer de crayon et remplir des formes.

Couleurs, épaisseur et remplissage (suite)

Couleurs, épaisseur et remplissage (suite)

Les couleurs s’écrivent en anglais ("red", "green", "blue", "orange", "gold", "brown"…) ou en code hexadécimal, comme en CSS : "#2a9d8f".

Couleurs, épaisseur et remplissage (suite)

Le programme suivant dessine une maison avec deux fonctions, l’une pour un rectangle plein, l’autre pour un triangle plein :

import turtle


def rectangle(t, x, y, largeur, hauteur, couleur):
    """Trace un rectangle plein dont le coin inférieur gauche est en (x, y)."""
    t.penup()
    t.goto(x, y)
    t.setheading(0)
    t.pendown()
    t.color("black", couleur)
    t.begin_fill()
    for i in range(2):
        t.forward(largeur)
        t.left(90)
        t.forward(hauteur)
        t.left(90)
    t.end_fill()


def triangle(t, x, y, cote, couleur):
    """Trace un triangle équilatéral plein dont la base part de (x, y)."""
    t.penup()
    t.goto(x, y)
    t.setheading(0)
    t.pendown()
    t.color("black", couleur)
    t.begin_fill()
    for i in range(3):
        t.forward(cote)
        t.left(120)
    t.end_fill()


t = turtle.Turtle()
t.speed(0)
t.pensize(2)

rectangle(t, -100, -100, 200, 150, "wheat")     # les murs
triangle(t, -100, 50, 200, "firebrick")         # le toit
rectangle(t, -25, -100, 50, 80, "saddlebrown")  # la porte
rectangle(t, -80, -20, 40, 40, "lightblue")     # fenêtre de gauche
rectangle(t, 40, -20, 40, 40, "lightblue")      # fenêtre de droite

t.hideturtle()
turtle.done()

Couleurs, épaisseur et remplissage (suite)

Couleurs, épaisseur et remplissage (suite)

Chaque fonction commence par placer la tortue (penup, goto, setheading(0), pendown) : ainsi, elle dessine correctement quel que soit l’endroit où la tortue se trouvait avant l’appel. Ici, chaque figure ramène la tortue à la direction 0 (un rectangle tourne de 4 × 90 = 360 degrés, un triangle de 3 × 120 = 360 degrés) ; mais si l’on appelait rectangle après un t.left(30), le rectangle serait tracé de travers sans setheading(0).

Des variables qui changent : spirales et rosaces

Dans une boucle, la longueur ou l’angle peuvent changer à chaque tour. Le motif obtenu devient alors beaucoup plus riche.

Une spirale : la longueur augmente

import turtle

t = turtle.Turtle()
t.speed(0)

longueur = 5
for i in range(60):
    t.forward(longueur)
    t.left(90)
    longueur = longueur + 5

turtle.done()

Une spirale : la longueur augmente (suite)

Une spirale : la longueur augmente (suite)

Question. Quelles sont les longueurs des quatre premiers côtés tracés ?

Une spirale : la longueur augmente

En remplaçant t.left(90) par t.left(91), chaque coin est décalé d’un degré : la spirale se met à tourner sur elle-même. C’est un bon exercice d’essayer 89, 121 ou 144.

Une rosace : une figure répétée en tournant

Une rosace répète la même figure en faisant tourner la tortue un peu entre deux répétitions. Pour revenir au point de départ après un tour complet, on répète 36 fois avec une rotation de 360 / 36 = 10 degrés :

Une rosace : une figure répétée en tournant (suite)

import turtle


def carre(t, cote):
    for i in range(4):
        t.forward(cote)
        t.left(90)


t = turtle.Turtle()
t.speed(0)
couleurs = ["crimson", "darkorange", "gold", "seagreen", "royalblue", "purple"]

for i in range(36):
    t.color(couleurs[i % 6])   # on change de couleur à chaque carré
    carre(t, 120)
    t.left(10)

t.hideturtle()
turtle.done()

Une rosace : une figure répétée en tournant (suite)

Une rosace : une figure répétée en tournant (suite)

L’expression i % 6 donne le reste de la division de i par 6 : elle vaut successivement 0, 1, 2, 3, 4, 5, 0, 1… On parcourt ainsi la liste des six couleurs en boucle.

Le hasard : un ciel étoilé

Le module random fournit des nombres au hasard : random.randint(a, b) renvoie un entier au hasard compris entre a et b, bornes incluses, et random.choice(L) un élément de la liste L. Avec eux, chaque exécution produit un dessin différent.

Le hasard : un ciel étoilé (suite)

import random
import turtle

turtle.setup(700, 600)          # fenêtre de 700 sur 600
turtle.bgcolor("midnightblue")
t = turtle.Turtle()
t.hideturtle()
t.speed(0)
t.penup()

for i in range(80):
    x = random.randint(-330, 330)
    y = random.randint(-280, 280)
    taille = random.randint(2, 8)
    t.goto(x, y)
    t.dot(taille, random.choice(["white", "lightyellow", "lightblue"]))

turtle.done()

Le hasard : un ciel étoilé (suite)

Le hasard : un ciel étoilé (suite)

La tortue ne trace rien ici : le crayon reste levé, et seule dot dessine.

Dessiner vite

Même avec t.speed(0), un dessin de plusieurs milliers de traits est long, car la fenêtre est redessinée après chaque trait. On peut suspendre l’affichage, tracer tout le dessin, puis l’afficher d’un coup :

turtle.tracer(0)    # plus d'affichage pendant le tracé
# ... tout le dessin ...
turtle.update()     # affichage du résultat en une fois

C’est indispensable pour l’animation de la balle, plus bas : on déplace les objets, puis on affiche une seule fois l’image complète.

Réagir au clavier et à la souris

Jusqu’ici, le programme se déroule de la première à la dernière ligne, puis s’arrête. Avec les événements, c’est l’utilisateur qui décide de ce qui se passe : on écrit des fonctions, puis on demande à turtle de les appeler quand une touche est enfoncée ou qu’un clic a lieu. Cette façon de programmer, dite événementielle, est aussi celle de Tkinter et de Pygame.

Piloter la tortue avec les flèches

import turtle

ecran = turtle.Screen()       # la fenêtre
ecran.title("Flèches pour diriger, espace pour effacer")
t = turtle.Turtle()
t.shape("turtle")             # une vraie tortue au lieu de la flèche
t.pensize(3)


def avancer():
    t.forward(20)


def gauche():
    t.left(30)


def droite():
    t.right(30)


def effacer():
    t.clear()                 # efface les traits de la tortue


# Associer chaque touche à une fonction (sans parenthèses !)
ecran.onkey(avancer, "Up")
ecran.onkey(gauche, "Left")
ecran.onkey(droite, "Right")
ecran.onkey(effacer, "space")
ecran.listen()                # la fenêtre écoute le clavier

turtle.done()                 # attendre les événements

Piloter la tortue avec les flèches (suite)

Trois points sont essentiels.

Piloter la tortue avec les flèches (suite)

1. On écrit ecran.onkey(avancer, "Up") et non ecran.onkey(avancer(), "Up") : on donne à turtle le nom de la fonction, pour qu’il l’appelle plus tard, à chaque appui sur la flèche. Avec les parenthèses, la fonction serait appelée une seule fois, tout de suite, et la touche ne ferait plus rien.
2. ecran.listen() donne le clavier à la fenêtre ; sans cette ligne, les touches ne sont pas reçues.
3. turtle.done() est indispensable : c’est lui qui attend les événements et appelle les fonctions. Le programme ne s’arrête que lorsque l’on ferme la fenêtre.

Piloter la tortue avec les flèches (suite)

Les noms de touches les plus utiles sont "Up", "Down", "Left", "Right", "space", "Return" (Entrée), "Escape" et les lettres ("a", "b"…).

Question. On appuie trois fois sur la flèche du haut, une fois sur la flèche de gauche, puis deux fois sur la flèche du haut. Quelle longueur de trait la tortue a-t-elle tracée ?

Dessiner à la souris

ecran.onclick(f) appelle la fonction f à chaque clic, en lui donnant les coordonnées x et y du point cliqué. La fonction doit donc avoir deux paramètres.

Dessiner à la souris (suite)

import turtle

ecran = turtle.Screen()
ecran.title("Cliquer pour relier les points")
t = turtle.Turtle()
t.pensize(2)
t.color("darkgreen")


def relier(x, y):
    """Trace un segment jusqu'au point cliqué et y pose un point."""
    t.goto(x, y)
    t.dot(10, "orange")


ecran.onclick(relier)
turtle.done()

Dessiner à la souris (suite)

Une animation avec une minuterie

ecran.ontimer(f, 20) appelle la fonction f une seule fois, 20 millisecondes plus tard. Pour obtenir une animation, la fonction se reprogramme elle-même à la fin : elle sera rappelée 20 millisecondes après, et ainsi de suite, environ 50 fois par seconde.

Une animation avec une minuterie (suite)

import turtle

ecran = turtle.Screen()
ecran.setup(700, 600)
ecran.title("Balle qui rebondit")
turtle.tracer(0)

balle = turtle.Turtle()
balle.shape("circle")
balle.color("crimson")
balle.penup()

vx = 4     # vitesse horizontale, en pas par image
vy = 3     # vitesse verticale


def animer():
    global vx, vy
    x = balle.xcor() + vx
    y = balle.ycor() + vy
    if x > 330 or x < -330:   # bord gauche ou droit : on inverse vx
        vx = -vx
    if y > 280 or y < -280:   # bord haut ou bas : on inverse vy
        vy = -vy
    balle.goto(x, y)
    turtle.update()
    ecran.ontimer(animer, 20)  # rappel dans 20 millisecondes


animer()
turtle.done()

Une animation avec une minuterie (suite)

La fonction animer modifie les variables vx et vy, définies en dehors d’elle. Pour qu’elle modifie ces variables plutôt que d’en créer des nouvelles, il faut l’annoncer avec le mot-clé global. Sans cette ligne, Python considère vx et vy comme des variables propres à la fonction, et lève l’erreur UnboundLocalError dès le premier appel, à la ligne x = balle.xcor() + vx.

Question. La balle est en (328, 0) avec vx = 4. Que se passe-t-il à l’image suivante ?

Plusieurs tortues

Chaque appel à turtle.Turtle() crée une nouvelle tortue, avec sa propre position, sa couleur et son crayon. Le programme suivant organise une course entre quatre tortues, dont chacune avance d’une distance tirée au hasard à chaque tour :

Plusieurs tortues (suite)

import random
import turtle

turtle.tracer(0)
couleurs = ["crimson", "darkorange", "seagreen", "royalblue"]
noms = ["rouge", "orange", "verte", "bleue"]
tortues = []

for i in range(4):
    t = turtle.Turtle()
    t.shape("turtle")
    t.color(couleurs[i])
    t.penup()
    t.goto(-300, 90 - i * 60)   # une ligne de départ par tortue
    t.pendown()
    tortues.append(t)

arbitre = turtle.Turtle()       # tortue qui trace la ligne d'arrivée
arbitre.hideturtle()
arbitre.penup()
arbitre.goto(250, 130)
arbitre.pendown()
arbitre.goto(250, -130)

gagnante = -1
while gagnante == -1:
    for i in range(4):
        tortues[i].forward(random.randint(1, 10))
        if tortues[i].xcor() >= 250 and gagnante == -1:
            gagnante = i
    turtle.update()

arbitre.penup()
arbitre.goto(0, 160)
arbitre.write(f"La tortue {noms[gagnante]} gagne !", align="center",
              font=("Arial", 18, "bold"))
turtle.done()

Plusieurs tortues (suite)

Plusieurs tortues (suite)

Les tortues sont rangées dans une liste : tortues[i] désigne la tortue numéro i. La boucle while tourne tant qu’aucune tortue n’a franchi la ligne, c’est-à-dire tant que gagnante vaut -1.

Erreurs fréquentes

Erreurs fréquentes (suite)

Erreurs fréquentes (suite)

Pour aller plus loin

• Écrire une fonction etoile(t, cote) qui trace une étoile à cinq branches : la tortue avance et tourne de 144 degrés, cinq fois.
• Dessiner un damier de 8 × 8 cases en noir et blanc avec deux boucles imbriquées et la fonction carre.
• Faire un jeu « attrape la tortue » : une tortue se place au hasard, et un clic sur elle augmente le score (la méthode t.onclick(f) réagit aux clics sur la tortue elle-même).
• La documentation de turtle (en français) décrit toutes les instructions.

À retenir

1. import turtle, puis t = turtle.Turtle() crée une tortue ; on la pilote avec des méthodes : t.forward(100), t.left(90).
2. La tortue part du centre (0, 0) en regardant vers la droite ; l’axe des y va vers le haut.
3. Un polygone régulier à n côtés s’obtient avec une boucle de n tours et une rotation de 360 / n degrés.
4. penup() et pendown() lèvent et baissent le crayon ; goto(x, y) déplace la tortue directement.

À retenir (suite)

5. Une fonction qui dessine commence par placer la tortue, pour fonctionner quel que soit l’état laissé avant.
6. Une variable modifiée à chaque tour de boucle (longueur, angle, couleur) produit spirales et rosaces.
7. Avec onkey, onclick et ontimer, on donne à turtle le nom d’une fonction, qu’il appellera lui-même plus tard ; turtle.done() attend ces événements.
8. Ne jamais appeler son fichier turtle.py.

Résumé

Résumé (suite)