Modelagem e análise de cenários de Video Game

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1 Modelagem e análise de cenários de Video Game Autor: Guilherme Willian de Oliveira 1, Orientador: Stéphane Julia 1 1 Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Universidade Federal do Uberlândia (UFU) Uberlândia MG Brasil gwoliveira@gmail.com, stephane@facom.ufu.br Nível: Mestrado Ano de ingresso no programa: Agosto / 2009 Época esperada de conclusão: Julho / 2011 Etapa concluída: Defesa da proposta de dissertação Resumo. Os objetivos principais desta pesquisa são de criar um modelo formal para representar as ações de jogadores de video game usando as WorkFlow nets e de usar os resultados fornecidos pela lógica linear para a análise qualitativa e quantitativa dos modelos produzidos. A sessão 1 apresenta uma introdução ao assunto. A sessão 2 mostra a fundamentação teórica para o desenvolvimento deste trabalho. Na sessão 3 são descritos os trabalhos relacionados à pesquisa desenvolvida. As sessões 4 e 5 apresentam a metodologia e os resultados esperados, respectivamente. A sessão 6 finaliza este artigo com a apresentação do cronograma de atividades a serem realizadas até a conclusão da pesquisa. Palavras-Chave. Video Game, Game Design, Level Design, WorkFlow nets, Lógica linear, Redes de Petri temporizadas

2 1. Introdução e Motivação O processo de criação de um jogo de computador do ponto de vista clássico da indústria de video games é essencialmente decomposto em duas fases: Game Design e Level Design. O Game Design é tido como a fase que define a época, estilo, contexto, objetivos a serem alcançados, principal tipo de objetos envolvidos, assim como a percepção do jogo pelos utilizadores. O Level Design consiste na definição de um espaço virtual, a criação de quebra-cabeças, a definição das principais ações e um conjunto de objetos utilizados para completar dados objetivos. A teoria das Redes de Petri foi proposta em 1962 por Carl Adam Petri, em sua tese de doutorado Kommunikation mit Automaten, na Universidade de Bonn na Alemanha. Natkin e Vega [Natkin et al. 2004] foram os primeiros a utilizar as redes de Petri para modelar a ordenação de sequências de ação em video games. A abordagem proposta no trabalho deles permite descrever em particular a estrutura lógica das missões de jogos. A vantagem de usar redes de Petri (PN) é que elas podem ser representadas tanto por diagramas visuais quanto por modelos matemáticos, dependendo da complexidade do sistema estudado e do contexto de aplicação [Peterson 1981]. Aalst afirma em [van der Aalst 1998] que existem várias razões para usar redes de Petri na modelagem de processos de workflow, as quais são: existência de uma semântica formal, natureza gráfica, poder de expressividade, existência de propriedades, técnicas de análise, etc... Aalst e Hee em [van der Aalst and van Hee 2002] acrescentam que o uso de tal formalismo tem uma série de vantagens importantes, como o fato de forçar uma definição precisa dos processos de negócios, alem de verificar que características como ambiguidade, incerteza e contradições são prevenidas em contraste com a maioria das técnicas de diagramação informais. A lógica linear foi proposta em 1987 por Girard em [Girard 1987]. Segundo [Girard 1995], a lógica linear não é uma lógica alternativa e sim uma extensão da lógica clássica, introduzindo a esta novos conectivos. De acordo com [Lincoln 1992], desde que a lógica linear foi introduzida por Girard, vários resultados têm sido obtidos e cada vez mais os cientistas da computação têm reconhecido a lógica linear como uma lógica expressiva, poderosa e com profundas ligações com os conceitos da ciência da computação, evidenciados principalmente, pela natural codificação de modelos computacionais como as redes de Petri e as máquinas de Turing, entre outros. A proposta deste trabalho é formalizar o processo de definição dos sequenciamento de ações em video games utilizando as WorkFlow net como modelo de especificação, e permitindo assim a verificação de boas propriedades. Em particular, resultados de análise baseados em cálculo de sequente da lógica linear poderão ser aproveitados para evitar a construção de grafos de marcações, os quais geram grandes números de estados discretos tanto nos processos de analise qualitativa quanto de analise quantitativa (grafos de classes). 2. Fundamentacao Téorica 2.1. WorkFlow nets Uma rede de Petri que modela um processo de workflow é uma WorkFlow net [van der Aalst and van Hee 2002], [van der Aalst 1998]. Uma WorkFlow net satisfaz as seguintes propriedades [van der Aalst 1998]: Tem apenas um lugar de início (denominado Start) e apenas um lugar de término (denominado End ), sendo estes dois lugares tratados como lugares especiais; o lugar Start tem apenas arcos de saída e o lugar End apenas arcos de entrada.

3 Uma ficha em Start representa um caso que precisa ser tratado e uma ficha em End representa um caso que já foi tratado. Toda transição T e lugar P deve estar em um caminho que se encontra entre o lugar Start e o lugar End. Soundness e um critério de verificação de correção definido para WorkFlow nets. Em particular uma WorkFlow net é sound se, e somente se, as três condições a seguir são satisfeitas: Para cada ficha colocada no lugar de início, uma (e apenas uma) ficha aparecerá no lugar de término. Quando uma ficha aparece no lugar de término, todos os outros lugares estão vazios, considerando o caso em questão. Considerando uma tarefa associada à uma transição, é possível evoluir da marcação inicial até uma marcação que sensibiliza tal transição, ou seja, não deve haver nenhuma transição morta na WorkFlow net Lógica Linear Lógica Linear versus Lógica Clássica Na lógica clássica, as proposições podem assumir valores verdadeiro (true) ou falso (false). Entretanto, na lógica linear, as proposições são tratadas como recursos que podem ser produzidos ou consumidos. A principal diferença da lógica linear em relação à lógica clássica é a inexistência das regras do enfraquecimento e da contração [Pradin-Chezalviel et al. 1999]. De acordo com a regra do enfraquecimento [Gochet and Gribomont 1990], se A B então (A C) B, o que não é válido na lógica linear, uma vez que o recurso C não pode ser produzido e consumido a qualquer momento sem ter nenhuma interferência no sistema. Pela regra da contração [Gochet and Gribomont 1990], se (A A) B então A B, o que também não é válido na lógica linear pois, uma vez que as proposições representam recursos, a necessidade de consumo de dois recursos para produção de outro não pode ser substituída pela necessidade de apenas um desses recursos Tradução de uma rede de Petri em fórmulas da Lógica Linear A tradução de uma rede de Petri em regras da lógica linear é mostrada em [Pradin-Chezalviel et al. 1999], de forma de que uma fórmula lógica e associada a cada marcação e a cada transição Arvores de prova canônica Na lógica linear, uma prova é o resultado de aplicações de regras válidas através de inferências sucessivas. Um sequente linear é válido se existe uma prova sintática a partir de regras válidas da lógica linear. De acordo com [Girault 1997] há equivalência entre o conjunto de marcações acessíveis de uma rede de Petri e a prova de sequentes da lógica linear. Uma vez que na lógica linear os átomos são produzidos e consumidos, podemos calcular as datas de produção e consumo de cada átomo presente em uma arvore de prova, associando a cada um destes um par (D P, D C ), onde D P e D C representam, respectivamente, a data de produção e consumo do átomo. O processo de construção de arvores de prova canônica com cálculo de datas e mostrado em [Riviere et al. 2001].

4 3. Trabalhos Relacionados A literatura traz poucos trabalhos correlatos, dentre eles destacam-se: Game Design Perspectives [Onder 2002]. Este trabalho descreve o uso de diagramas do tipo story-beat para modelagem dos cenários do video game. Game Architecture and Design: A New Edition [Rollings and Morris 2003]. Este livro sugere o uso de matrizes de interação de tokens para a concepção de video games. Developer s Guide to Computer Game Design [Lewinski 1999]. Este livro descreve o uso de fluxogramas para mostrar como cada missão se conecta com a próxima. Automatic feature extraction for autonomous general game playing agents [Kaiser 2007]. Este trabalho demonstra a utilização da linguagem formal GDL (Game Description Language) para a definição de jogos. A new methodology for spatiotemporal game design [Natkin et al. 2004]. Este artigo representa o ponto de partida do trabalho proposto sendo que o mesmo é pioneiro no uso de Redes de Petri para modelagem de video games. Qualitative analysis of workflow nets using linear logic: soundness verification [Passos and Julia 2009]. Este trabalho demonstra a utilização da lógica linear para comprovar a propriedade soundness em uma WorkFlow net. 4. Metodologia e Estado da Pesquisa A metodologia proposta consiste em estabelecer a execução das seguintes tarefas: 1. Definir modelos de cenários de jogo usando as WorkFlow nets, em particular para o game design e o level design. 2. Utilizar técnicas baseadas na lógica linear para verificação da propriedade de soundness em jogos e para o cálculo de datas simbólicas de realização de missões em video games. 3. Realizar um estudo de caso, baseado em um jogo conhecido, colocando em prática as técnicas de modelagem e analise propostas. Como o principal objetivo da elaboração de um modelo de workflow para jogos é possibilitar a análise qualitativa e quantitativa do modelo, detalhamos abaixo como o trabalho de análise será realizado. A análise qualitativa do modelo diz respeito à prova do critério de verificação de correção definido para WorkFlow nets, denominado Soundness descrito na sessão 2.1. Para verificar tal propriedade será utilizado o trabalho apresentado em [Passos and Julia 2009] sobre a construção de árvores de provas da lógica linear. A análise quantitativa tem por objetivo determinar datas simbólicas para realização de atividades e, consequentemente, conseguir estimar datas de início e fim que correspondem a missões especificas do jogo. A análise quantitativa será realizada através da construção de árvores de prova canônica da lógica linear quando o modelo é temporizado (WorkFlow nets temporizadas). Um jogo respeitara a seguinte estrutura hierárquica: Nível 1: Jogo, Nível 2: Níveis do jogo, Nível 3: Quest dos diversos níveis de jogo, Nível 4: Transações executadas dentro das quests. Sendo cada item modelado por uma WorkFlow net onde cada transição é representada por um item diretamente abaixo na estrutura hierárquica, ou seja, um nível é modelado por uma WorkFlow net onde cada uma de suas transições é representada por uma Quest. As transações representam o nivel atômico da estrutura do jogo e serão representadas por simples transições das WorkFlow nets.

5 Um exemplo de quest simplificada do jogo Silent Hill é apresentada na figura 1. Tal WorkFlow net representa as diversas transações a serem realizadas dentro de uma mesma quest. Em particular, O jogador representado pela ficha no lugar P 0 deverá para completar a quest encontrar o primeiro mapa no carro, pegar o caminho para a cidade, lutar contra o monstro, após vencer a luta o jogador tem a possibilidade de executar as atividades, encontrar o segundo mapa sendo esta opcional, e encontrar a chave, após ter em mãos a chave devera encontrar o apartamento e abrir a porta afim de ir para o próximo nível. Eventos cíclicos de repetição de nível e/ou quest, como por exemplo perder a luta conta o monstro, levando a morte do jogador e reiniciando o nível, são descartados na construção do modelo, pois não geram benefícios para a analise. Eventos opcionais geram múltiplos caminhos na rede, possibilitando eventuais erros de modelagem: por exemplo, na figura 1 caso a ligação tracejada não estivesse presente, será detectado pelo cálculo do sequente da lógica linear uma WorkFlow net que não verifica a propriedade de soundness. De fato, caso o disparo da transição T 6 acontecer, no final da execução da WorkFlow net, uma ficha se encontrará no lugar de término P 8 e uma outra no lugar P 5, o que não verifica a propriedade de soundness das WorkFlow nets. Figura 1. Primeira Quest do Nível 1 do jogo Silent Hill 5. Resultados Esperados Com este trabalho espera-se introduzir o uso de modelos formais na criação de video games, proporcionando maior confiabilidade no design de jogos, podendo prever possíveis falhas, como travamento de missões ou missões inatingível, alem de mensurar os tempos de jogabilidade das diversas quests. 6. Cronograma do Trabalho até a Defesa O cronograma de atividades, mostrado na Tabela 1, é composto das seguintes etapas: Etapa 1 - Termino das disciplinas do Programa de Mestrado em Ciência da Computação. Etapa 2 - Estudo de artigos e livros para fundamentação teórica. Apresentação ao orientador dos resultados obtidos por meio de seminários, com a finalidade de verificar a viabilidade das propostas encontradas. Etapa 3 - Entendimento e redação das fundamentações teóricas necessárias para o desenvolvimento da pesquisa.

6 Ano Mês Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5 Etapa 6 Etapa Novembro Dezembro Janeiro Fevereiro Março 2011 Abril Maio Junho Julho Tabela 1. Cronograma de atividades Etapa 4 - Formalização e análise do modelo do jogo utilizando as teorias previamente citadas e avaliação dos resultados obtidos (estudo de caso). Etapa 5 - Elaboração de artigos para submissão em congressos científicos e periódicos, a fim de verificar a viabilidade e confiabilidade da proposta. Etapa 6 - Elaboração e revisão da dissertação. Etapa 7 - Defesa da dissertação. Referências Girard, J.-Y. (1987). Linear logic. Theor. Comput. Sci., 50: Girault, F. (1997). A logic for Petri nets, volume 31. Eddition Hermes. Gochet, P. and Gribomont, P. (1990). Logique: méthodes pour l informatique fondamentale, volume 1. Hermès. Kaiser, D. M. (2007). Automatic feature extraction for autonomous general game playing agents. In AAMAS 07: Proceedings of the 6th international joint conference on Autonomous agents and multiagent systems, pages 1 7, New York, NY, USA. ACM. Lewinski, J. S. (1999). Developer s Guide to Computer Game Design. Wordware Publishing Inc., Plano, TX, USA. Natkin, S., Vega, L., De, C., and Cnam, R. I. (2004). A new methodology for spatiotemporal game design. In Proceedings of CGAIDE, pages Onder, B. (2002). Game Design Perspectives, chapter Writing the adventure game, pages Charles River Media Game Development Series. Charles River Media. Passos, L. M. S. and Julia, S. (2009). Qualitative analysis of workflow nets using linear logic: soundness verification. In SMC 09: Proceedings of the 2009 IEEE international conference on Systems, Man and Cybernetics, pages , Piscataway, NJ, USA. IEEE Press. Peterson, J. L. (1981). Petri Net Theory and the Modeling of Systems. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. Pradin-Chezalviel, B., Valette, R., and Kunzle, L. A. (1999). Scenario durations characterization of t-timed petri nets using linear logic. In Proceedings of the The 8th International Workshop on Petri Nets and Performance Models, pages 208, Washington, DC, USA. IEEE Computer Society. Riviere, N., Valette, R., Pradin-Chezalviel, B., and Ups, I. A.. (2001). Reachability and temporal conflicts in t-time petri nets. In Proceedings of the 9th international Workshop on Petri Nets and Performance Models (PNPM 01), pages 229, Washington, DC, USA. IEEE Computer Society.

7 Rollings, A. and Morris, D. (2003). Game Architecture and Design: A New Edition. New Riders Games. van der Aalst, W. M. P. (1998). The application of petri nets to workflow management. Journal of CPetri Net ircuits, Systems, and Computers, 8(1): van der Aalst, W. M. P. and van Hee, K. (2002). Workflow Management: Models, Methods, and Systems. MIT Press.