Structured interactive scores : from a structural description of a multimedia scenario to a real-time capable implementation with formal semantics

par Mauricio Toro-Bermudez

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Myriam Desainte-Catherine et de Camilo Rueda.

Le président du jury était Jean-Philippe Domenger.

Le jury était composé de David Janin, Arshia Cont.

Les rapporteurs étaient Gérard Assayag, Jean-Michel Couvreur.

  • Titre traduit

    Partitions interactives structurées


  • Résumé

    La plupart des scénarios multimédia interactifs sont basés sur des spécifications informelles, il n'est donc pas possible de vérifier formellement des propriétés de ces systèmes. Nous préconisons la nécessité d'un modèle général et formel. Partitions interactives est un formalisme pour décrire des scénarios multimédia interactifs. Nous proposons une nouvelle sémantique pour les partitions interactives basée sur les structures d'événements temporisés. Avec une telle sémantique, nous pouvons spécifier des propriétés pour le système, en particulier, des propriétés sur les traces, qui sont difficiles à préciser avec la programmation par contraintes. Nous présentons également une sémantique opérationnelle des partitions interactives basée sur le calcul non-déterministe, temporisé, concurrent, par contraintes (ntcc) et nous rapportons la sémantique operationelle à la semantique en structures d'événements temporisés. Avec la sémantique opérationnelle, nous pouvons décrire formellement le comportement d'un scenario dont les durées des objets temporels peuvent être des intervalles d'entiers arbitraires. La sémantique opérationnelle est obtenue à partir de la sémantique en structures d'événements temporisés de la partition interactive. Pour fournir une telle traduction, nous avons d'abord défini la forme normale d'une structure d'événements temporisés, dans laquel les événements liés avec une durée zéro sont regroupés en un seul. Nous avons également défini la notion de structures d'événements temporisés répartissables, de telle sorte que son graphe de contraintes peut être expédié en se fondant uniquementsur la propagation locale. Nous croyons que la sémantique opérationnelle basée sur ntcc offre certains avantages par rapport à la sémantique des partitions interactives basée sur des réseaux de Petri; par exemple, les durées des objets temporels peuvent être des intervalles d'entiers arbitraires, tandis que dans la plupart des modèles de partitions interactives, les intervalles ne peut être utilisés que pour représenterles relations telles que l'égalité et les inégalités. Nos modèles ntcc de partitions interactives sont exécutés en utilisant Ntccrt, un interprète temps réel pour ntcc. Nos modèles peuvent également être vérifiés automatiquement en utilisant ntccMC, un vérificateur pour ntcc, de temps borné, basée sur les automates finis, que nous introduisons dans cette thèse. En utilisant ntccMC, nous pouvons vérifier des propriétés de logique de temps linéaire avec des contrantes (CLTL). Dans cette thèse, nous introduisons deux extensions du formalisme de partitions interactives:(1) l'une pour gérer le traitement audio en utilisant le langage de programmation français Faustet (2) l'autre pour traiter des condition et des branchements, permettant de spécifier des choix et des boucles. Pour la première extension, nous présentons une sémantique basée sur les structures d'événements temporisés et des idées sur la façon de définir une sémantique opérationnelle. Pour la deuxième extension, nous présentons une mise en oeuvre et la comparaison des résultats du jitter relative moyenne d'une implémentation d'un arpège base sur l'algorithme de Karplus-Strong par rapport aux implémentations existants écrits dans Pure Data. Nous définissons aussi un format de sauvegarde XML pour les partitions interactives et pour la extension avec branchement conditionnel. Un format de sauvegarde est crucial pour assurer la persistance des partitions.


  • Résumé

    Technology has shaped the way on which we compose and produce music. Notably, the invention of microphones and computers pushed the development of new music styles in the 20th century. In fact, several artistic domains have been benefiting from such technology developments ; for instance, Experimental music, non-linear multimedia, Electroacoustic music, and interactive multimedia. In this dissertation, we focus on interactive multimedia.Interactive multimedia deals with the design of scenarios where multimedia content and interactive events are handled by computer programs. Examples of such scenarios are multimedia art installations, interactive museum exhibitions, some Electroacoustic music pieces, and some Experimental music pieces. Unfortunately, most interactive multimedia scenarios are based on informal specifications, thus it is not possible to formally verify properties of such systems. We advocate the need of a general and formal model. Interactive scores is a formalism to describe interactive multimedia scenarios. We propose new semantics for interactive scores based on timed eventstructures. With such a semantics, we can specify properties for the system, in particular, properties about traces, which are difficult to specify as constraints. In fact, constraints are an important part of the semantic model of interactive scores because the formalism is based on temporal constraints among the objects of the scenario. We also present an operational semantics of interactive scores based on the non-deterministic timed concurrent constraint (ntcc) calculus and we relate such a semantics to the timed event structures semantics. With the operational semantics, we formally describe the behavior of a score whose temporal object durations can be arbitrary integer intervals. The operational semantics is obtained from the timed event structures semantics of the score. To provide such a translation, we first define the normal form of a timed event structure in which events related with zero-duration delays are collapsed into a single one. We also define the notion of dispatchable timed event structures. Event structures such that its constraint graph can be dispatched by relying only on local propagation.We believe that operational semantics in ntcc offers some advantages over existing Petri nets semantics for interactive scores; for instance, the duration of the temporal objects can be arbitrary integer intervals, whereas inprevious models of interactive scores, such durations can only be intervals to represent equalities and inequalities. In this dissertation, we also introduce two extensions of the formalism of interactive scores : (1) one to handle audio processing using the Fast AUdio Stream (Faust) languageand (2) another one to handle conditional branching, allowing designers to specify choices and loops. For the first extension, we present a timed event structures semantics and ideas on how to define operational semantics. For the second extension, we present an implementation and results comparing the average relative jitter of an implementation ofan arpeggio based on Karplus-Strong with respect to existing implementations of Karplus written in Pure Data. We also define a XML file format for interactive scores and for the conditional branching extension. A file format is crucial to assure the persistence of the scores. Ntcc models of interactive scores are executed using Ntccrt, a real-time capable interpreter for ntcc. They can also be verified automatically using ntccMC, a bounded-time automata based model checker for ntcc which we introduce in this dissertation. Using ntccMC, we can verify properties expressed on constraint linear-time logic. Ntcc has been used in the past, not only for multimedia interaction models, but alsofor system biology, security protocols and robots.


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