Model-based testing real-time and interactive music systems

par Clément Poncelet Sanchez

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Florent Jacquemard.

Soutenue le 10-11-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Sciences et Technologies de la Musique et du Son (laboratoire) .

Le jury était composé de Didier Lime, David Janin, Mariëlle Stoelinga, Alexandre Donze, Marc Aiguier, Carlos Agon, Jean-Louis Giavitto.

  • Titre traduit

    Tests de systèmes musicaux interactifs et temps réel basés sur modèles


  • Résumé

    Est-il possible de tester automatiquement le comportement temporisé des systèmes interactifs temps réel ? Ces travaux proposent une solution en fournissant un ensemble d’outils de test basé sur modèles pour Systèmes Musicaux Interactifs (SMI). Les SMIs doivent calculer et réagir pendant une performance musicale et ainsi accompagner les musiciens. Certains de ces SMIs peuvent être basés sur partition et doivent, dans ce cas, suivre à tout prix les contraintes temporelles imposées par le document haut-niveau appelé partition. En somme, pendant une performance, le système doit réagir en temps réel aux signaux audio venant des musiciens en suivant cette partition. Ceci demande au système une forte fiabilité temporelle et une robustesse face aux erreurs pouvant arriver en entrée du système. Hors, la vérification formelle de propriétés, comme la fiabilité temporelle avant l’exécution du système lors d’une performance, est insuffisamment traitée par la communauté de l’informatique musicale. Nous présentons dans cette thèse, la réalisation d’un ensemble d’outils de test basé sur modèles appliqué à un SMI. Il est à noter que ces outils de test ont été définis formellement dans le but de tester plus généralement le comportement temporelle des systèmes interactifs temps réel prenant en compte des évènements discrets et des durées définissables sur des échelles multiples. Pour ce résumé nous présentons rapidement l’état de l’art de nos travaux avant d’introduire la définition de notre modèle créé pour spécifier les aspects évènementiel («event-triggerred») et temporel («timed-driven») des SMIs. Ce modèle a la particularité d’être automatiquement construit depuis les conditions temporelles définies dans un document haut-niveau et peut être traduit vers un réseau d’Automates Temporisés (TA). Dans le cadre de la performance musique mixte électronique/instrumentale nous avons introduit une notion de durée multi-temps gérée par notre modèle et une génération de trace d’entrée musicalement pertinente par notre ensemble d’outils de test. Pour tester un SMI selon les différentes attentes de l’utilisateur, notre ensemble d’outils a été implémenté avec plusieurs options possibles. Parmi ces options, la possibilité de tester automatiquement, selon une approche différée ou temps réel, la conformité temporelle du SMI est proposée. En effet, l’approche différée utilise des outils de la gamme du logiciel Uppaal [44] pour générer une suite de traces d’entrées exhaustive et garantir la conformité temporelle du système testé. Il est également possible de tester une trace d’entrée particulière ou une version altérée («fuzzed») de la trace idéale définie par la partition. L’approche temps réel interprète quand-à elle directement le modèle comme des instructions de byte-code grâce à une machine virtuelle. Finalement, des expériences ont été conduites via une étude de cas sur le suiveur de partition Antescofo. Ces expériences ont permis de tester ce système et d’évaluer notre ensemble d’outils et ses différentes options. Ce cas d’étude applique nos outils de test sur Antescofo avec succès et a permit d’identifier des bogues parfois non triviaux dans ce SMI.


  • Résumé

    Can real-time interactive systems be automatically timed tested ? This work proposes an answer to this question by providing a formal model based testing framework for Interactive Music Systems (IMS). IMSs should musically perform computations during live performances, accompanying and acting like real musicians. They can be score-based, and in this case must follow at all cost the timed high-level requirement given beforehand, called score. During performance, the system must react in real-time to audio signals from musicians according to this score. Such goals imply strong needs of temporal reliability and robustness to unforeseen errors in input. Be able to formally check this robustness before execution is a problem insufficiently addressed by the computer music community. We present, in this document, the concrete application of a Model-Based Testing (MBT) framework to a state-of-the-art IMS. The framework was defined on purpose of testing real-time interactive systems in general. We formally define the model in which our method is based. This model is automatically constructed from the high-level requirements and can be translated into a network of time automata. The mixed music environment implies the management of a multi-timed context and the generation of musically relevant input data through the testing framework. Therefore, this framework is both time-based, permitting durations related to different time units, and event-driven, following the musician events given in input. In order to test the IMS against the user’s requirements, multiple options are provided by our framework. Among these options, two approaches, offline and online, are possible to assess the system timed conformance fully automatically, from the requirement to the verdict. The offline approach, using the model-checker Uppaal, can generate a covering input suite and guarantee the system time reliability, or only check its behavior for a specific or fuzzed input sequence. The online approach, directly interprets the model as byte-code instructions thanks to a virtual machine. Finally, we perform experiments on a real-case study: the score follower Antescofo. These experiments test the system with a benchmark of scores and a real mixed-score given as input requirements in our framework. The results permit to compare the different options and scenarios in order to evaluate the framework. The application of our fully automatic framework to real mixed scores used in concerts have permitted to identify bugs in the target IMS.


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