Formal semantics and automatic verification of hierarchical multimedia scenarios with interactive choices
Sémantique formelle et vérification automatique de scénarios hiérarchiques multimédia avec des choix interactifs
Résumé
Interactive multimedia deals with the computer-based design of scenarios consisting of multimediacontent that interacts with external actions and those of the performer (e.g., multimedialive-performance arts, interactive museum installations, and video games). The multimedia content is structured in a spatial and temporal order according to the author’s requirements. Therefore, thepotentially high complexity of these scenarios requires adequate specification languages for theircomplete description and verification.Interactive scores is a formalism which has been proposed as a model for composing and performing interactive multimedia scenarios. In addition, an inter-media sequencer, called I-SCORE, hasbeen developed following the Petri Net semantics proposed by this formalism. During the last years,I-SCORE has been used successfully for the composition and performance of live performances and interactive exhibitions. Nevertheless, these applications and emergent applications such as videogames and interactive museum installations, increasingly demand two features that the current stable version of I-SCORE as well as its underlying model do not support: (1) flexible control structures such as conditionals and loops; and (2) mechanisms for the automatic verification of scenarios.In this dissertation we present two formal models for composition and automatic verification of multimedia interactive scenarios with interactive choices, i.e., scenarios where the performer or thesystem can take decisions about their execution state with a certain degree of freedom defined bythe composer.In our first approach, we define a novel programming language called REACTIVEIS. This language extends the full capacity of temporal organization of interactive scenarios by allowing the composerto use a defined logical system for the specification of the starting and stopping conditions of temporal objects (TOs). REACTIVEIS programs are formally defined as tree-like structures representing the hierarchical aspect of interactive scenarios and whose nodes contain the conditions needed to startand stop the TOs. Moreover, we define an operational semantics based on labeled trees, containing in their nodes, the information about the start and stop times of each TO.We show that this operational semantics offers an intuitive yet precise description of the behavior of interactive scenarios.We also endowed REACTIVEIS with a declarative interpretation as formulas in Intuitionistic LinearLogic with Subexponentials (SELL). We shall show that such interpretation is adequate: derivations in the logic correspond to traces of the program and vice-versa. Hence, we can use all the meta-theory of Intuitionistic Linear Logic (ILL) to reason about interactive scenarios and develop tools for theverification and analysis of interactive scenarios.In our second approach, we present a Timed Automata (TA) based framework. In the proposed framework, we model interactive scenarios as a network of timed automata and extend them with interactive points (IPs) guarded by conditions, thus allowing for the specification of branching behaviors.Moreover, we take advantage of the mature and efficient tools for TA to simulate and automatically verify scenarios. In our framework, scenarios can be synthesized into a reconfigurable hardware in order to provide a low-latency and real-time execution by taking advantage of the physical parallelism,low-latency, and high-reliability of these devices. Furthermore, we implemented a tool to systematically construct bottom-up TA models from the composition environment of I-SCORE. Doing that, we provide a friendly and specialized environment for composing and automatic verification of interactive scenarios. Finally, we present an extension of interactive scenarios using Colored Petri Nets (CPNs) thataims to handle complex data, in particular, dynamic and static data audio streams. [...]
Notre propos est la conception assistée par ordinateur des scénarios comprenant des contenus multimédia qui interagissent avec les actions extérieures, notamment celles de l’interprète (e.g., spectacles vivants, installations muséales interactives et jeux vidéo). Le contenu multimédia est structuré dans un ordre spatial et temporel selon les exigences de l’auteur. Par conséquent, la complexité potentiellement élevée de ces scénarios nécessite des langages de spécification adéquats pour leur complète description et vérification.Partitions Interactives est un formalisme qui a été proposé comme un modèle pour la composition et l’exécution des scénarios multimédias interactifs. En outre, un séquenceur inter-médias, appelé ISCORE,a été élaboré à partir de la sémantique Petri net proposée par ce formalisme. Au cours des dernières années, I-SCORE a été utilisé avec succès pour la composition et l’exécution des spectacles et des expositions interactives. Néanmoins, ces applications et les applications émergentes telles queles jeux vidéo et les installations muséales interactives, de plus en plus exigent deux caractéristiques que la version stable actuelle de I-SCORE ainsi que son modèle sous-jacent ne supportent pas : (1)des structures de contrôle flexibles comme des conditionnelles et des boucles ; et (2) des mécanismes pour la vérification automatique de scénarios.Dans cette thèse, nous présentons deux modèles formels pour la composition et la vérification automatique de scénarios interactifs multimédia avec des choix interactifs, i.e., des scénarios où l’interprète ou le système peut prendre des décisions au sujet de leur état d’exécution avec un certain degré de liberté définie par le compositeur.Dans notre première approche, nous définissons un nouveau langage de programmation appelé REACTIVEIS dont les programmes sont définis comme des arbres représentant l’aspect hiérarchique des scénarios interactifs et dont les noeuds contiennent les conditions nécessaires pour démarrer et arrêter les objets temporels (TOS). En outre, nous définissons une sémantique opérationnelle basé sur des arbres marqués, contenant dans leurs noeuds, les informations sur le début et la fin de chaque TO. Nous définissons également une interprétation déclarative de REACTIVEIS comme formules de la logique linéaire intuitionniste avec sous exponentiels (SELL). Nous montrons que cette interprétation est adéquate : les dérivations dans la logique correspondent à des traces du programme et vice-versa.Dans notre deuxième approche, nous présentons un système basé sur des Automates Temporisés.Dans le système proposé, nous modélisons des scénarios interactifs comme un réseau d’automates temporisés et les étendons avec des points interactifs gardés par des conditions, permettant ainsi la spécification de comportements avec branchements. Par ailleurs, nous profitons des outils matures et efficaces pour simuler et vérifier automatiquement des scénarios modélisés comme des automates temporisés. Dans notre système, les scénarios peuvent être synthétisés dans un matériel reconfigurable afin de fournir une faible latence et l’exécution en temps réel.Dans cette thèse, nous explorons également une nouvelle façon de définir et mettre en oeuvre des scénarios interactifs, visant à un modèle plus dynamique en utilisant le langage réactif REACTIVEML.Enfin, nous présentons une extension des scénarios interactifs utilisant des réseaux de Petri colorés(CPN) qui vise à traiter des données complexes, en particulier, les données statiques et dynamiques de flux audio.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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