Modelagem e Análise de Vídeo Games baseadas em WorkFlow nets e Grafos de Estado Franciny Medeiros Barreto

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1 Modelagem e Análise de Vídeo Games baseadas em WorkFlow nets e Grafos de Estado Franiny Medeiros Barreto Universidade Federal de Uberlândia Fauldade de Comutação Programa de Pós-Graduação em Ciênia da Comutação Uberlândia 2015

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3 Franiny Medeiros Barreto Modelagem e Análise de Vídeo Games baseadas em WorkFlow nets e Grafos de Estado Dissertação de mestrado aresentada ao Programa de Pós-graduação da Fauldade de Comutação da Universidade Federal de Uberlândia omo arte dos requisitos ara a obtenção do título de Mestre em Ciênia da Comutação. Área de onentração: Engenharia de Software Orientador: Dr. Stéhane Julia Uberlândia 2015

4 Dados Internaionais de Catalogação na Publiação (CIP) Sistema de Biblioteas da UFU, MG, Brasil. B273m 2015 Barreto, Franiny Medeiros, Modelagem e análise de vídeo games baseadas em WorkFlow nets e Grafos de Estado / Franiny Medeiros Barreto f. : il. Orientador: Stéhane Julia. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Uberlândia, Programa de Pós-Graduação em Ciênia da Comutação. Inlui bibliografia. 1. Comutação - Teses. 2. Redes de Petri - Teses. 3. Vídeo games - Teses. 4. Workflow - Teses. I. Julia, Stéhane. II. Universidade Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Ciênia da Comutação. III. Título. CDU: 681.3

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6 Dedio este trabalho à minha mãe que muitas vezes desistiu de seus sonhos ara que eu udesse realizar os meus.

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8 Agradeimentos Agradeço a minha família, que é a minha fortaleza. Agradeço a minha mãe, Fátima, e aos meus irmãos, Amaro, Vitor e Hugo, or todo amor e arinho que semre me deram e elo aoio inondiional. Agradeço as minhas unhadas, Raísa e Isabel, or toda ajuda e aoio em todos os momentos. A todos os meus amigos que fizeram o meu aminho muito mais feliz. Em eseial agradeço a Emília, Bruno, Walter, Myllene, Maria Cristina, Joslaine, Reslley e Joye ela amizade, elo arinho, ela aiênia e ela omreensão que semre tiveram omigo. Agradeço a Natália, Hanailly, Selma, Prisilla e Hiago elo omanheirismo de semre. A todos os rofessores que ontribuíram ara a minha formação, que me aoiaram e me estimularam a hegar até aqui. Ao funionário da seretaria do rograma de ósgraduação em Ciênia da Comutação da UFU, Erisvaldo, elo rofissionalismo e or semre ter me ajudado quando reisei. Agradeço ao rofessor Stéhane Julia elo rofissionalismo, ela aiênia e omreensão, elos ensinamentos, ela onfiança e orientação dados a mim ao longo desta esquisa. Agradeço rinialmente a Deus, or tudo que tem feito e faz or mim, or ter sido o meu refúgio nos momentos mais difíeis e or me ermitir desfrutar de Tua alegria. Que toda honra e toda glória seja dada a Ti, Senhor!

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10 Amei e odiei as alavras, esero tê-las usado bem. (A menina que roubava livros - Markus Zusak)

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12 Resumo Este trabalho aresenta um método ara a modelagem e análise qualitativa de enários de vídeos games baseado em WorkFlow nets e grafos de estado ara ajudar no roesso de riação de vídeo games. Em geral, um jogo ossui um onjunto de atividades que devem ser exeutadas ara alançar um determinado objetivo do jogo, assim omo um mundo virtual onde essas atividades são exeutadas. Para modelar tais atividades são utilizadas as WorkFlow-nets (redes de Petri que modelam roessos de negóio). O mundo virtual é desrito através de um maa toológio omosto or várias áreas do jogo onetadas. As áreas do mundo virtual onde o jogador se enontrará durante o jogo são formalmente reresentadas or um tio de rede de Petri denominado grafo de estado. Um meanismo de omuniação, também baseado nas redes de Petri, é aresentado e tem omo objetivo mostrar as interações que existem entre o modelo de atividades e o modelo do maa toológio. A análise qualitativa é realizada onsiderando o modelo global (modelo de atividades + modelo do maa toológio). O método roosto ara análise é derivado do algoritmo de verifiação da roriedade soundness. Este método ermite em artiular a verifiação da onsistênia de um enário de vídeo games em termos de jogabilidade. A ferramenta CPN Tools é utilizada ara a reresentação gráfia dos modelos e ara a realização da análise. A vantagem da abordagem roosta or este trabalho é a formalização do fluxo de atividades existente em um vídeo game e do mundo virtual or meio de um mesmo formalismo. A riação de um meanismo de omuniação é imortante ara que os dois modelos trabalhem juntos simulando o omortamento do jogo. Assim, é ossível que seja realizada uma análise global do jogo a fim de verifiar a onsistênia tanto das atividades quanto do mundo virtual. O fato de trabalhar om o CPN Tools ermite que seja realizada a análise do esaço de estado automatiamente or meio das funionalidades de análise da ferramenta. Com o CPN Tools também é ossível reresentar grafiamente os modelos de modo simles e laro usando reursos da modelagem hierárquia.

13 Palavras-have: redes de Petri, vídeo games, WorkFlow nets, grafos de estado, redes de Petri Coloridas, CPN Tools.

14 Abstrat This work resents a method for the modeling and qualitative analysis of video games senarios based on WorkFlow nets and state grahs for aiding in the design roess of video games. In general, a game has a set of ativities that must be erformed to reah a ertain goal of the game, as well as a virtual world where these ativities are erformed. To model these ativities, WorkFlow-nets (Petri nets reresenting workflow roesses) are used. The virtual world is desribed through a toologial ma omosed of several onneted areas. The areas of the virtual world the layer will enounter during his evolution in the game are formally reresented by a kind of Petri net alled state grah. A ommuniation mehanism, also based on Petri nets, is resented and aims to show the interations that exist between the ativity model and the toologial ma. The qualitative analysis will be erformed at a global model level (ativity model + toologial ma). The method roosed for the analysis is based on an algorithm used to verify the soundness roerty of roesses. This method will allow in artiular the verifiation of the onsisteny of video game senarios in gamelay terms. The CPN Tools is used for grahial reresentation of the models and to erform qualitative analysis. The advantage of the roosed aroah in this work is the formalization of the existing ativity flow in a video game and of the virtual world through a same formalism. The reation of a ommuniation mehanism is imortant in order for both models to work together and be able to simulate the game s behavior. Thus, a global analysis of the game an be erformed to hek the onsisteny of the ativities and of the virtual world. The fat of working with the CPN Tools allows to erform automatially the state sae analysis through the analysis funtionalities of the tool. With the CPN Tools is also ossible to reresent grahially the models in a simly and learly way using hierarhial modeling resoures. Keywords: Petri nets, video games, WorkFlow nets, state grahs, Colored Petri nets,

15 CPN Tools.

16 Lista de ilustrações Figura 1 Rede de Petri Figura 2 Modelo em rede de Petri de uma linha de montagem Figura 3 Comortamento da rede de Petri Figura 4 WorkFlow net ara o roesso de edidos relaionados a danos de arros. 34 Figura 5 Construções básias ara o roteamento de tarefas Figura 6 Exemlo de uma rede de Petri estendida Figura 7 Exemlo de um grafo de estado não marado Figura 8 Exemlo de um grafo de estado marado om aenas uma fiha Figura 9 Exemlo de uma rede de Petri Colorida Figura 10 Exemlo de uma rede de Petri Colorida om fusion laes Figura 11 Modelo lógio do rimeiro nível de Silent Hill II Figura 12 Maa arial do rimeiro nível de Silent Hill II Figura 13 Grafo de estado do maa toológio de Silent Hill II Figura 14 Condição assoiada om o maa toológio Figura 15 Maa toológio do rimeiro nível de Silent Hill II om as ondições assoiadas Figura 16 Comuniação entre o modelo lógio e o modelo toológio Figura 17 Versão em rede de Petri Colorida do modelo lógio do rimeiro nível de Silent Hill II Figura 18 Versão em rede de Petri olorida do modelo do maa toológio de Silent Hill II Figura 19 Comuniação entre o modelo lógio e o modelo toológio usando o oneito de fusion laes Figura 20 Comuniação omleta entre os modelos do rimeiro nível de Silent Hill II Figura 21 Modelo ara análise Figura 22 Estatístias deois de aliar a análise do state sae Figura 23 Resultados da análise da roriedade limitabilidade

17 Figura 24 Resultados da análise da roriedade vivaidade Figura 25 Modelo do nível modifiado Figura 26 Resultados da análise da roriedade vivaidade aós a modifiação do modelo do nível Figura 27 Maa toológio do jogo Dream:sae Figura 28 Reresentação do maa toológio do jogo Dream:sae or meio de um grafo de estado om ondições de ativação Figura 29 Modelo lógio do nível Figura 30 Modelo global do nível Figura 31 Modelo lógio do nível Figura 32 Modelo global do nível Figura 33 Modelo lógio do nível Figura 34 Modelo global do nível Figura 35 Modelo lógio do nível Figura 36 Modelo global do nível Figura 37 Modelo lógio do nível Figura 38 Modelo global do nível Figura 39 Modelo global do nível 1 modifiado ara análise Figura 40 Dados de análise roduzidos aós aliar a análise do state sae ara o nível Figura 41 Dados da análise da roriedade boundedness do nível Figura 42 Instânias da roriedade liveness do nível Figura 43 Modelo global modifiado ara análise do nível Figura 44 Dados de análise roduzidos aós aliar a análise do state sae ara o nível Figura 45 Dados da análise da roriedade boundedness do nível Figura 46 Instânias da roriedade liveness do nível Figura 47 Modelo global modifiado ara análise do nível Figura 48 Dados de análise aós aliar a análise do state sae ara o nível Figura 49 Dados da análise da roriedade boundedness do nível Figura 50 Instânias da roriedade liveness do nível Figura 51 Modelo global modifiado ara análise do nível Figura 52 Dados de análise aós aliar a análise do state sae ara o nível Figura 53 Dados da análise da roriedade boundedness do nível Figura 54 Instânias da roriedade liveness do nível Figura 55 Modelo global modifiado ara análise do nível Figura 56 Dados de análise aós aliar a análise do state sae ara o nível Figura 57 Dados da análise da roriedade boundedness do nível Figura 58 Instânias da roriedade liveness do nível

18 Sumário 1 INTRODUÇÃO Contribuições Organização da Dissertação REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Considerações Finais FUNDAMENTOS TEÓRICOS Redes de Petri Proriedades das redes de Petri WorkFlow nets Proessos Roteamento Soundness Algoritmo de verifiação da roriedade soundness Grafos de estado CPN Tools Considerações Finais PROPOSTA Modelo Lógio Modelo Toológio Modelo de omuniação Modelagem utilizando o oneito de fusion laes Modelo lógio ara o CPN Tools Modelo Toológio ara o CPN Tools Meanismo de Comuniação ara o CPN Tools Método ara a análise

19 4.6 Considerações finais ESTUDO DE CASO Dream:sae Reresentação do Maa Toológio Reresentação dos Níveis Nível Nível Nível Nível Nível Análise Análise do nível Análise do nível Analise do nível Analise do nível Análise do nível Considerações Finais CONCLUSÃO Trabalhos Futuros Contribuições em Produção Bibliográfia Referênias

20 17 Caítulo 1 Introdução Um vídeo game é uma síntese de ódigo, imagens, músia e animação que se reúnem em forma de entretenimento. A riação de vídeo games difere da riação de software lássio or ausa da fase de ré-rodução e devido ao uso extensivo e integração de reursos multimídias. Além disso, a riação de vídeo games envolve algumas atividades que não neessariamente existem quando se onsidera o roesso de desenvolvimento de software tradiional. Algumas dessas atividades são denominadas de game design e level design. De aordo om (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004), o game design é uma tarefa difíil que ombina roessos ténios e artístios. A fase de game design define os riniais asetos relaionados ao universo do jogo omo, or exemlo, éoa e estilo, objetivo a ser alançado, entre outros. Já na fase de level desing, são definidas as riniais ações e os objetos do jogo (GAL et al., 2002). Um jogo reisa ser interativo, entreter e dar liberdade ontrolada ara o jogador (BATES, 2001). (ROLLINGS; MORRIS, 2003) afirmam que é reiso riar uma, ou mais, séries de desafios asualmente ligados em um ambiente simulado. É imortante roor desafios que não sejam nem fáeis e nem difíeis demais de resolver. Além disso, é de fundamental imortânia garantir que a exeriênia do jogo leve a uma suessão de metas dentro de um razo razoável. Cumrir todas essas exigênias não é uma tarefa meramente trivial, omo exemlifia (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004) om o roblema da have: dois quartos A e B são onetados or uma orta tranada. O avatar do jogador está loalizado no quarto A e sua tarefa é entrar no quarto B, e o quarto B está tranado. Para realizar a tarefa, o jogador deve então destranar a orta om a ajuda de uma have. No entanto, a have que destrana a orta está loalizada no quarto B. Assim, o jogador nuna oderá abrir a orta e entrar no quarto B. Este é um exemlo trivial. Entretanto, em um jogo real, diferentes tarefas odem mudar a toologia do esaço virtual de uma forma bastante omlexa (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004). Consequentemente, revenir erros similares a este se torna um grande roblema. Ao longo dos anos, os vídeo games evoluíram e se tornaram ada vez mais omlexos.

21 18 Caítulo 1. Introdução De aordo om (HORROCKS, 1999), a linguagem natural não é uma ferramenta fáil ara roduzir grandes eseifiações. Por essa razão, novos oneitos e ferramentas reisam ser enontrados ara surir os desafios do desenvolvimento de jogos (HORROCKS, 1999). Em softwares e sistemas de engenharia é omum onstruir diagramas e gráfios ara eseifiar visualmente onjuntos de requisitos. Alguns trabalhos têm aresentado o uso de diagramas UML, ara mostrar omo os diferentes objetos em um jogo irão interagir de aordo om algumas ações que serão exeutadas elo jogador ((ANG; RAO, 2004) e (RUCKER, 2003), or exemlo). De aordo om (OLIVEIRA; JULIA; PASSOS, 2011), diagramas UML são interessantes a medida que roduzem uma estrutura de exeução do jogo. No entanto, eles não aresentam em uma maneira exlíita os ossíveis enários que existem em uma missão ou nível de jogo. Métodos formais têm sido utilizados na modelagem de jogos omo aresentado em (ARAÚJO; ROQUE, 2009), (THOMAS; YESSAD; LABAT, 2011), (OLIVEIRA; JULIA; PASSOS, 2011), (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004), entre outros. Em (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004), or exemlo, um novo tio de rede de Petri denominado rede de transações é aresentado. Uma rede de transações ermite modelar transações lógias e temorais enquanto um maa toológio do jogo é modelado or um tio de grafo, hamado hier-grafo. Neste tio de grafo, as arestas são riadas dinamiamente. Meanismos de omuniação entre os dois modelos tentam estabeleer a influênia que um modelo tem sobre o outro. Porém, a análise formal é aliada aenas na rede de transações (reresentada or uma rede de Petri). Assim, a validação de enários de jogos não ode ser formalmente realizada usando ferramentas de análise de redes de Petri, devido à semântia oeraional das redes de transação e dos hier-grafos não serem as mesmas. Já em (OLIVEIRA; JULIA; PASSOS, 2011), uma nova abordagem baseada em Work- Flow nets (AALST; HEE, 2004) foi roosta ara eseifiar os enários existentes em um nível de jogo. Nessa abordagem, o álulo do sequente da lógia linear foi usado ara rovar a orretude de um tio de ritério hamado soundness, usado ara validar os ossíveis enários que um jogador ode exeutar em uma missão de um jogo. No entanto, o trabalho de (OLIVEIRA; JULIA; PASSOS, 2011) onsidera aenas os modelos baseados nas atividades do jogador, e ignora or omleto a visão de maa toológio do jogo. Neste trabalho, as redes de Petri serão exloradas ara modelar as atividades existentes em um nível de jogo, bem omo o maa toológio orresondente do mundo virtual do jogo. Meanismos de omuniação serão adiionados ara estabeleer, através do formalismo das redes de Petri, as influênias existentes entre o modelo de atividades do nível e o modelo do maa toológio. Com isso, será obtido um modelo global omosto elo modelo de atividades e elo modelo do maa toológio, que oderá então ser analisado onsiderando ertas imortantes roriedades. Em artiular, essas roriedades irão mostrar se será ossível aessar todas as áreas de um mundo virtual e exeutar todas as

22 1.1. Contribuições 19 atividades lanejadas em um nível de jogo, evitando assim roblemas de inonsistênia nos enários de jogos. Um dos ontos imortantes ara a exeução rátia deste trabalho será a utilização da ferramenta CPN Tools. O CPN Tools é um onjunto de ferramentas funionais ara a maniulação de modelos em redes de Petri Coloridas. Em artiular, om o CPN Tools será ossível reresentar grafiamente os modelos de atividades de um nível de jogo, o modelo que reresentará o maa toológio e o meanismo de omuniação entre esses dois modelos de forma simles e lara. Além disso, será ossível realizar a análise do modelo global obtido or meio de funionalidades de análise disoníveis no CPN Tools. 1.1 Contribuições Este trabalho aresenta as seguintes ontribuições: definição de um modelo baseado nas WorkFlow nets ara a formalização de enários de vídeo games. Tal modelo tem or objetivo exressar o fluxo de atividades existentes em um nível de jogo. Definição de um modelo baseado nos grafos de estado (um tio artiular de redes de Petri) ara a formalização da noção de maa toológio de um jogo. Tal modelo tem or objetivo a reresentação do mundo virtual do jogo. A formalização do maa toológio, or meio de um grafo de estado, onsistirá da reresentação das regiões do mundo virtual e da reresentação das ondições neessárias ara se ter aesso a essas regiões. Definição de um meanismo de omuniação ara eseifiar as interações existentes entre o modelo de atividades e o modelo do maa toológio. A reresentação de um meanismo de omuniação, também or meio das redes de Petri, exressa de forma direta a relação existente entre os modelos, ermitindo assim que ambos modelos ossam ser tratados omo um únio modelo global que reresenta um nível de jogo. Análise qualitativa de enários de vídeo games utilizando as boas roriedade das redes de Petri. A definição de um modelo global que envolve tanto o modelo de atividades de um nível de jogo quanto o modelo de maa toológio, em um únio formalismo, ermite que seja realizada uma análise global do nível de jogo. A análise onsistirá da verifiação de ertas roriedades imortantes, que garantirá a onsistênia de enários de vídeo games. 1.2 Organização da Dissertação Esta dissertação está dividida em seis aítulos que são organizados omo segue.

23 20 Caítulo 1. Introdução No aítulo 2 são aresentados fundamentos, relaionados a vídeo games, que são imortantes ara o onheimento do roesso de riação de vídeo games. Além disso, neste aítulo, também são aresentados vários trabalhos que ontribuem ara o roesso de riação de jogos no ontexto de métodos formais, eseifiamente através do uso das redes de Petri. O aítulo 3 aresenta os fundamentos teórios neessários ara o entendimento da abordagem roosta. A seção 3.1 aresenta as definições de redes de Petri e de suas riniais roriedades. A seção 3.2 aresenta os oneitos relaionados às WorkFlow nets, tais omo a definição de uma WorkFlow net, o oneito de roesso e roteamento e um ritério imortante de orretude hamado soundness. A seção 3.3 aresenta a definição das redes de Petri de tio grafo de estado. A seção 3.4 aresenta os oneitos relaionados ao CPN Tools. E na seção 3.5 que são aresentas as onsiderações finais do aítulo 3. O aítulo 4 aresenta a abordagem roosta neste trabalho. Em artiular, a seção 4.1 aresenta o método roosto ara a modelagem das atividades de um nível de jogo. Na seção 4.2 é aresentado o método roosto ara a modelagem da noção de maa toológio de jogo. A seção 4.3 aresenta a riação de um meanismo de omuniação ara reresentar o relaionamento entre o modelo de atividades e o modelo do maa toológio. A riação deste meanismo de omuniação or meio das redes de Petri Coloridas é aresentada na seção 4.4. A seção 4.5 aresenta o método roosto ara a análise do modelo global de nível obtido om a onstrução dos modelos de atividade e de maa toológio. E, or último, a seção 4.6 trás as onsiderações finais do aítulo 4. O aítulo 5, or sua vez, aresenta um estudo de aso aliado ao jogo Dream:sae ara ilustrar a abordagem roosta neste trabalho. A seção 5.1 aresenta a eseifiação do jogo Dream:sae. A seção 5.2 aresenta a reresentação do modelo toológio do jogo. A seção 5.3 aresenta os modelos de atividades relaionados a ada nível do jogo, bem omo o modelo global obtido (modelo de atividades + maa toológio) de ada nível do jogo. A análise de ada nível do jogo é aresentada na seção 5.4, e as onsiderações finais a reseito do aítulo 5 são aresentadas na seção 5.5. Por fim, o aítulo 6 aresenta a onlusão deste trabalho e as ersetivas de trabalhos futuros.

24 21 Caítulo 2 Revisão Bibliográfia Um dos maiores desafios de um rojeto de jogo é forneer onteúdo que seja agradável ao úblio. O únio aseto original de um jogo, que aree seará-lo do desenvolvimento de software tradiional é a exigênia ara que ele seja divertido (LEWIS; WHITEHEAD, 2011). Enontrar tal requisito não é meramente trivial. Diferentemente de outros aliativos, os vídeo games roorionam desafios únios que resultam de várias disilinas que omõe o desenvolvimento de jogos. (CLAYPOOL; CLAYPOOL, 2005) afirmam que ara gereniar os grandes rojetos de jogos, a indústria de jogos usa uma mistura de ténias e oneitos emrestados de áreas omo o desenvolvimento de softwares, a indústria do inema e onheimento sobre jogos tradiionais. Um jogo é um sistema fehado e formal que, subjetivamente, reresenta um subonjunto da realidade (CRAWFORD, 1982). O termo fehado diz reseito ao fato do jogo ossuir um universo rório e formal, em artiular regras e leis que direionam o jogador ao objetivo rinial. Já ara (KANODE CHRISTOPHER M. E HADDAD, 2009), um vídeo game é uma síntese de ódigo, imagens, músia e atuação que se reúnem em forma de entretenimento. Em geral, aliações de jogos diferem de softwares tradiionais ela fase de ré-rodução e or meio do uso e integração de reursos multimídias (KANODE CHRISTOPHER M. E HADDAD, 2009). Essa fase de ré-rodução é um tio de oleta de requisitos e riação de rotótios do jogo. O desenvolvimento desses jogos, do onto de vista lássio da indústria de vídeo games, é omosto de duas etaas riniais denominadas game design e level design (GAL et al., 2002). A etaa de game design ode ser definida omo sendo a fase que desreve os asetos riniais do universo de um jogo, determinando ada detalhe de omo o jogo irá funionar (GAL et al., 2002). Éoa, estilo, ontexto, objetivo a ser alançado, omo o usuário irá ontrolar o jogo, entre outros asetos são definidos nessa fase. Em outras alavras, a natureza do jogo é determinada nesta fase. Os omonentes riniais da fase de game design (GAL et al., 2002) são: Contexto do jogo: éoa, estilo, referênias histórias ou místias.

25 22 Caítulo 2. Revisão Bibliográfia Cenário global: toologia, gráfios de navegação, ersonagens riniais, natureza e hierarquia dos níveis. Priniais araterístias do jogo que o torna únio. Os riníios de jogabilidade: modalidades, objetivos, regras e esolhas estratégias riniais. Imagens e sons. Priníios de ergonomia: interfae, arendizagem de jogo, oções omo salvar ou reiniiar o jogo, entre outros. Classes dos objetos no jogo. Na etaa de level design, todos os diferentes omonentes do jogo se unem. A desrição de omo o jogador irá interagir om os objetos do jogo, a desrição das missões, os objetivos a alançar e o nível de exeução dessas tarefas omõe o level design. Geralmente, nessa etaa, os roblemas existentes do jogo se tornam mais aarentes (ROUSE; RYBCZYK, 2001). Em geral, um jogo ossui um ou mais níveis (levels). Um nível de jogo onsiste de um esaço virtual, quebra-abeças, ações riniais e de um onjunto de objetos que irão interagir ara o objetivo ser alançado. Cada nível tem que ser signifiativo e tem de manter a oerênia om o tema e a meta entral do jogo. Dessa forma, é reiso levar em onsideração a lógia de sequeniamento das ações relativas aos objetos do jogo, o osiionamento desses objetos no universo do jogo, bem omo as limitações do mundo virtual. Essas duas etaas do roesso de riação de jogos, game e level design, são fundamentais ara o suesso do rojeto. Asetos imortantes e deisivos ara a história do jogo são elaborados e desritos nessas fases. Em geral, os jogos eletrônios estão surreendendo seus úblios ada vez mais or meio de novas tenologias e disilinas utilizadas em seu desenvolvimento. Geralmente, o ambiente e a narrativa que muitos jogos aresentam têm a aaidade de submergir o jogador e motivá-lo a umrir todas as tarefas roostas elo jogo. Em artiular, todo jogo deve ossuir uma narrativa que move o jogador. Uma narrativa é uma sequênia ordenada de eventos. Um evento é um elemento atômio da história ou alguma oisa signifiante que oorre (COLLÉ; CHAMPAGNAT; PRIGENT, 2005). Além da narrativa, o ambiente também tem grande influênia sob a motivação do jogador. O ambiente ajuda a roorionar a sensação de realidade em um jogo e é araterizado ela resença de enários. Um enário é um onjunto de sequênias ordenadas de eventos (COLLÉ; CHAMPAGNAT; PRIGENT, 2005). Os enários estão relaionados om o gênero do

26 23 jogo e, indeendente desse gênero, todo jogo ossui um enário, or mais simles que seja. Em termos de game design, o enário é a desrição lássia de uma sequênia de ações das riniais fases do jogo e omo oorre a navegação entre essas fases. Já em level design, os enários orresondem ao osiionamento dos objetos em relação às missões do jogo. Isso induz uma sequênia de ações arialmente ordenadas que o jogador deve exeutar ara hegar ao final de um determinado nível do jogo (GAL et al., 2002). Quanto ao gênero, é ossível enontrar várias lassifiações de jogos de aordo om vários ritérios roostos ela literatura. (ROLLINGS; MORRIS, 2003) desrevem uma lassifiação baseada no foo rinial do jogo: Jogos de ação: leva o jogador a aertar o mais ráido ossível uma sequênia de botões. Exemlo: jogos de luta omo Street Fighter. Jogos de aventura: o jogador é um herói de um enário omlexo. Esse gênero é um dos mais relaionados om o enário audiovisual lássio. Exemlo: Metal Gear Solid II. Jogos de estratégia: tem omo araterístia deisões omlexas que devem ser tomadas elo jogador em um universo olítio, eonômio ou militar. Exemlo: R.U.S.E. Jogos de simulação: levam o jogador a exeritar um esorte ou oerar algum disositivo físio simulado. Exemlo: Pro Evolution Soer. Jogos de quebra-abeça: o objetivo é resolver um difíil desafio analítio. Exemlo: Heavy Rain. Jogos de desobertas: onsiste em desobrir uma história e resolver enigmas inororados nos jogos. Jogos de desobertas são equivalentes a doumentários no amo audiovisual. Exemlo: o jogo Versalhes leva o jogador a desobrir a vida do Rei Luiz XIV através de um jogo de enigmas. Jogos de RPG (Role Playing Games): é uma mistura dos jogos de ação, aventura e estratégia. Exemlo: Final Fantasy e Legend of Zelda. (COLLÉ; CHAMPAGNAT; PRIGENT, 2005) afirmam que os editores de vídeo games tendem a riar mais e mais jogos baseados em enários, ara fazê-los mais atrativos. Dessa forma, os rojetos de jogos se tornam então mais omlexos. A Engenharia de Software se faz indisensável ara ajudar a surir os desafios de desenvolvimento, melhorando a gerênia de rojeto, diminuindo os risos e garantindo o suesso futuro da indústria de jogos (KANODE CHRISTOPHER M. E HADDAD, 2009).

27 24 Caítulo 2. Revisão Bibliográfia Um dos maiores roblemas do desenvolvimento de jogos enontrado or (KANODE CHRISTOPHER M. E HADDAD, 2009) é a utilização de metodologias de riação obres, fazendo om que rojetos não sejam finalizados no temo estimado e om ustos elevados. Isto oorre devido ao gereniamento errôneo das atividades na fase de ré-rodução do jogo (rototiagem, engenharia de requisitos, estimativas, et.). (LEWIS; WHITEHEAD, 2011) itam que as maiores falhas de desenvolvimento de jogos se enontram na etaa de levantamento de requisitos. A rinial forma existente atualmente ara eseifiar oneitos de jogabilidade é or meio do uso da linguagem natural (NEIL, 2012). A ludologia (o estudo dos jogos em geral, artiularmente dos vídeo games) aonta a neessidade de riar modelos ara eseifiar os meanismos dos jogos, ois a falta deste onheimento tem sido um dos grandes roblemas do tradiional rojeto de jogos (REYNO; CUBEL, 2009). Uma abordagem utilizada ara modelagem de jogos é a de métodos formais. Os métodos formais são ténias matemátias, frequentemente suortadas or ferramentas ara desenvolvimento de sistemas de software e hardware. Métodos formais usam modelos matemátios ara análise e verifiação em ertas artes do ilo de vida de um rograma (WOODCOCK et al., 2009). Os modelos formais são rigorosamente definidos e não ontém eseifiações ambíguas (LEWIS; WHITEHEAD, 2011). Por meio de modelos formais, é ossível que o rojetista exlore o rojeto do jogo usando ténias manuais ou automátias ara simular as assagens entre os níveis do jogo e verifiar ertas roriedades eseradas. Além disso, a modelagem or meio de modelos formais é barata, rooriona uma maneira ráida de onheimento do rojeto do que a rodução de um rotótio e oferee a oortunidade de refinar o rojeto antes de ter oorrido os testes de jogo (LEWIS; WHITEHEAD, 2011). (KINIRY; ZIMMERMAN, 2011) areditam que a integração entre métodos formais e desenvolvimento de jogos ode ausar efeitos ositivos ara essas duas áreas de estudo. No ontexto de métodos formais, as redes de Petri têm se destaado no que diz reseito ao desenvolvimento de rojetos de jogos. Por serem onsideradas omo uma ferramenta gráfia e matemátia ara a modelagem e análise de sistema a eventos disretos, artiulamente aliável a muitos sistemas, as redes de Petri onstituem uma abordagem interessante a ser aliada a rojetos de jogos (SYUFAGI; HARIADI; PURNOMO, 2013). As redes de Petri, vistas omo uma simles ferramenta gráfia, são exressivas e de fáil entendimento, além de roorionar ténias de modelagem, simulação e verifiação (ARAÚJO; ROQUE, 2009). Alguns trabalhos já onsideram as redes de Petri omo uma ferramenta efiiente ara modelagem e análise de sistemas de jogos. (ARAÚJO; ROQUE, 2009) ilustram om um estudo de aso omo as redes de Petri odem ser utilizadas om ertas vantagens em relação a outras linguagens de modelagem. Em (ARAÚJO; ROQUE, 2009) diagramas baseados em redes de Petri foram utilizados ara reresentar as ossíveis ações dos jogadores em relação aos objetivos do jogo. Assim,

28 25 o fluxo do jogo ode ser maeado e simulado elas redes de Petri. A notação gráfia das redes de Petri é simles e ode ser utilizada ara modelar jogos omlexos. Além disso, a estrutura matemátia das redes de Petri ermite que os sistemas modelados sejam formalmente analisados. Também a simulação dos omortamentos de jogo oferee a ossibilidade de detetar roblemas ainda na fase de rojeto do jogo (ARAÚJO; ROQUE, 2009). Em (THOMAS; YESSAD; LABAT, 2011) é aresentada a reresentação do fluxo de jogo utilizando redes de Petri. Para verifiar o aminho de arendizagem de um jogador, é reiso rastrear todas as ações ara analisar e diagnostiar a aquisição do onheimento do jogador. Para tanto, (THOMAS; YESSAD; LABAT, 2011) desenvolveram uma abordagem baseada em redes de Petri ara modelar o omortamento exato do jogador e aomanhar o seu rogresso no jogo. Assim, a rede riada reresenta um aminho ideal ara arendizagem e as transições da rede reresentam as ações realizadas elo jogador. O aminho de arendizagem é analisado então ela verifiação de disaro efetivo das transições da rede de Petri. Para omletar este método, os autores utilizaram a noção de ontologia ara tentar exliar os erros de arendizagem. Em (OLIVEIRA; JULIA; PASSOS, 2011) e (OLIVEIRA, 2012), é aresentada uma nova abordagem baseada em um tio artiular de redes de Petri, denominado WorkFlow net, ara eseifiar enários existentes em um jogo. Nesta abordagem, uma WorkFlow net reresenta o fluxo de atividades que deve ser exeutado elo jogador a fim de alançar um objetivo eseífio no jogo, sem onsiderar os reursos neessários ara tal. Esse fluxo de atividades é assoiado à noção de quest, ou seja, uma missão que o jogador deve exeutar. Em termos de modelo, ada quest é um subroesso de uma WorkFlow net maior. A integração de diversas quests formam uma rede de quests e é or meio dela que o resultado omleto da análise será estabeleido. Como ada quest é um subroesso, aso aonteça alguma mudança em uma quest já estudada, um novo estudo das boas roriedades será feito aenas ara a quest que sofreu alteração (OLIVEIRA, 2012). Além disso, os autores realizaram uma análise qualitativa or meio de árvores de rova da lógia linear. Em (OLIVEIRA; JULIA; PASSOS, 2011) a tradução dos modelos em redes de Petri ara árvores da lógia linear, tem o objetivo de rovar a roriedade soundness da rede que orresonde a onsistênia do enário modelado do onto de vista do jogo. A lógia linear também foi utilizada ara análise de jogos em (LEWIS; WHITEHEAD, 2011). Os autores exliam que o interesse de usar a lógia linear ara análise de um enário é a ossibilidade de exressar ações e reursos do jogo sem reter informações inúteis. Na lógia linear, os ersonagens e reursos são reresentados or átomos. Enquanto que as relações imliativas são usadas ara rojetar eventos. Esse método rooriona a verifiação de roriedades de enários de jogos que odem ser validadas antes da exeução dos jogos. As lasses de roriedades riniais itadas em (LEWIS; WHITEHEAD, 2011) são: jogabilidade (verifia se o urso do jogo está orreto) e relevânia do enário

29 26 Caítulo 2. Revisão Bibliográfia (verifia se o jogo é interessante). Aós exressar os enários utilizando fragmentos da lógia linear, o modelo é traduzido ara um modelo em rede de Petri. Esse modelo ermite gerar então as ossíveis narrativas ara um dado enário. Em (LEE; CHO, 2012) é aresentado um meanismo ara gerar enrendo de quest onsistindo na reresentação de eventos baseados em redes de Petri. Um enredo de quest é uma sequênia de eventos ara alançar um objetivo eseífio. E um evento onsiste de ações que devem ser exeutadas. As rede de Petri são então utilizadas ara reresentar um evento do jogo. Na rede, um lugar reresenta uma ré-ondição ara uma ação ou o armazenamento do resultado de uma ação. Os aros reresentam relaionamentos asuais entre uma ação e sua ré-ondição. As transições reresentam as ações do jogador e as fihas reresentam o estado de uma ação em um evento. O gerador de enredo baseado em redes de Petri, roosto em (LEE; CHO, 2012), foi então exerimentado em uma lataforma de jogo omerial. De aordo om os autores, além de ser aliável, o método roosto rooriona um método baseado em roteiro mais formal. Segundo (LEE; CHO, 2012), as redes de Petri ajudaram a identifiar elementos assivos (tais omo as ondições) e elementos ativos (tais omo as ações) da história, failitou a reresentação de eventos indeendentes, assim omo a reresentação de restrições e a sinronização dos eventos. Uma nova abordagem ara o roesso de rojeto de jogos que envolve a modelagem de relações esaço-temorais foi roosta or (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004). A metodologia aresentada or (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004) ara ombinar as relações esaiais e temorais utiliza os oneito de redes de Petri e hier-grafos. Hier-grafos são generalizações de grafos. Seus nós (vérties) são onetados or hierarestas que são definidas omo um ar ordenado de subonjuntos disjuntos de vérties. Sendo assim, uma hier-aresta ode onetar vários nós. De aordo om (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004), as hier-arestas ossuem mais ossibilidades de aresentar relaionamentos esaiais do que as arestas de grafos omuns, que só odem onetar dois nós. Os hier-grafos são utilizados então ara reresentar a toologia do mundo virtual. Já as redes de Petri modelam as transações lógias e temorais relaionadas ao jogo. Cada modelo reresenta um onjunto de atividades que ode ser exeutado elo jogador em determinado momento do jogo. Para unir essas duas estruturas, (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004) utilizaram onexões que tratam de substituir uma hier-aresta do hier-grafo ela árvore de alançabilidade da rede de Petri. A ada vez que as tarefas são realizadas, os lugares do maa toológio são liberados e as hier-arestas substituídas. Embora o trabalho de (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004) aborde o aseto esaçotemoral do jogo, o uso de dois formalismos (rede de Petri e hier-grafo) inviabiliza um estudo global do modelo de jogo. Para verifiar a orretude do jogo, é neessário então analisar os modelos searadamente de aordo om seus formalismos.

30 2.1. Considerações Finais Considerações Finais Este aítulo aresentou fundamentos relaionados a vídeo games, omo game e level design. Tais fundamentos fazem arte do roesso de desenvolvimento de vídeo games e são imortantes ara o entendimento deste roesso. Eseialistas afirmam que é reiso utilizar diferentes métodos que auxiliem no roesso de riação de jogos ara que se ossa atender as exigênias ada vez maiores do merado de vídeo games. Várias ontribuições foram aresentadas ara o roesso de desenvolvimento de jogos no ontexto de métodos formais, eseifiamente em redes de Petri. Os métodos aresentados roõe a utilização das redes de Petri omo ferramenta ara auxiliar na reresentação do fluxo de atividades de jogos. A reresentação do fluxo de atividades ou de eventos que oorrem em um jogo, desreve rinialmente as ações que o jogador deve realizar ara alançar a meta do jogo. Com as redes de Petri, é ossível reresentar formalmente tal fluxo de atividades e também rastrear as ações do jogador durante o jogo, aso seja neessário. A grande maioria dos métodos roostos ignora omletamente a reresentação do mundo virtual do jogo que é tão imortante quanto o fluxo das atividades. O mundo virtual diz reseito ao ambiente em que o jogador exeutará as atividades. A roosta aresentada or (NATKIN; VEGA; GRÜNVOGEL, 2004) ara a reresentação do mundo virtual utiliza um formalismo diferente do que é roosto ara a reresentação do fluxo de atividades. O uso de formalismos diferentes imossibilita a análise global do jogo sendo neessário então realizar uma análise eseífia ara ada formalismo. A análise global de um jogo onsiste da análise do fluxo de atividades do jogo e a análise do ambiente onde as atividades serão exeutadas. Dessa forma, é ossível identifiar roblemas que odem levar o jogo ao fraasso, omo or exemlo, inonsistênias no sequeniamento das atividades ou na distribuição de objetos a serem enontrados no mundo virtual. No método roosto or este trabalho, tanto o fluxo de atividades quanto a reresentação do mundo virtual serão reresentados or meio do mesmo formalismo, as redes de Petri. Os modelos serão riados searadamente e um meanismo de omuniação (também baseado em redes de Petri) será utilizado ara desrever as influênias que um modelo tem sobre o outro. Isso ossibilitará que a análise global seja realizada, isso a fim de detetar ossíveis inonsistênias tanto nas atividades roostas quanto no ambiente toológio.

31 28 Caítulo 2. Revisão Bibliográfia

32 29 Caítulo 3 Fundamentos Teórios Este aítulo tem omo objetivo introduzir oneitos relaionados om redes de Petri, WorkFlow nets, grafos de estado e CPN Tools que serão neessários ara o entendimento deste trabalho. Sendo assim, as seções 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4 trazem os oneitos sobre as redes de Petri, WorkFlow nets, grafos de estado e CPN Tools, resetivamente. E or fim, a seção 3.5 aresenta as onsiderações finais sobre o aítulo. 3.1 Redes de Petri A teoria iniial das redes de Petri foi roosta em 1962 or Carl Adam Petri. Aesar de ser onsiderada uma teoria relativamente jovem, a teoria se adata bem a um grande número de aliações em que as noções de eventos e de evoluções simultâneas são imortantes (CARDOSO; VALETTE, 1997). Redes de Petri são onsideradas omo uma ferramenta gráfia e matemátia de reresentação formal que ermite modelagem, análise e ontrole de sistemas a eventos disretos que omortam atividades aralelas, onorrentes e assínronas (MURATA, 1989). Uma rede de Petri é um grafo biartido e direionado om dois tios de nós hamados de lugares e transições. Os nós são onetados or meio de aros direionados. Conexões entre dois nós do mesmo tio não são ermitidas. Dessa forma, os elementos básios que ermitem a definição das redes de Petri são: Lugar: em uma rede de Petri um lugar é reresentado or um írulo. Um lugar ode ser interretado omo uma ondição, um estado arial, um roedimento, a existênia de um reurso, et.. Transição: uma transição é reresentada grafiamente or uma barra ou retângulo. São assoiadas as transições eventos que oorrem em um sistema. Fiha: a fiha é reresentada or um onto em um lugar. É um indiador signifiando que a ondição assoiada ao lugar é verifiada, omo or exemlo, um reurso

33 30 Caítulo 3. Fundamentos Teórios disonível em um erto roesso. A figura 1 ilustra um exemlo de uma rede de Petri e seus elementos básios. P1 T1 P2 Fiha Transição Lugar Figura 1 Rede de Petri. Formalmente, as redes de Petri são definidas da seguinte forma ((CARDOSO; VA- LETTE, 1997) e (MURATA, 1989)): Definição 1 (Rede de Petri) Uma rede de Petri é uma quádrula R = <P, T, Pré, Pós> onde: P: é um onjunto finito de lugares; T: é um onjunto finito de transições; Pré: é uma relação que define os aros que ligam os lugares às transições; Pós: é uma relação que define os aros que ligam as transições aos lugares. Um lugar é hamado lugar de entrada de uma transição t, se existe um aro direionado de ara t. Por exemlo, na figura 1 o lugar P1 é lugar de entrada da transição T1. Já um lugar é hamado lugar de saída de uma transição se existe um aro direionado de t ara. Ainda na figura 1, o lugar P2 é um lugar de saída de T1. Em uma rede de Petri, a oorrênia de um evento no sistema é reresentada elo disaro da transição ao qual este evento está assoiado. Uma transição t só ode ser disarada se em ada lugar de entrada de t existe elo menos uma fiha. A fiha india se a ondição assoiada ao lugar está ou não satisfeita. O disaro de uma transição, segundo (CARDOSO; VALETTE, 1997), onsiste de: (1) retirar as fihas dos lugares de entrada e (2) deositar fihas em ada lugar de saída. Retirar as fihas de um lugar india que esta ondição não é mais verdadeira aós a oorrênia do evento. Por outro lado, ao deositar fihas em um lugar india que esta atividade está sendo exeutada aós a oorrênia do evento. Deste modo, no momento em que um evento oorre, a rede assa de um estado disreto ara outro, alterando sua maração. Assim, o omortamento dinâmio do sistema é traduzido elo omortamento da rede de Petri. Um exemlo de funionamento de um sistema or meio das redes de Petri ode ser visto na figura 2. A figura 2 ilustra um modelo em rede de Petri que reresenta algumas

34 3.1. Redes de Petri 31 tarefas em uma linha de montagem. Neste modelo, os lugares reresentam os reursos e os estágios do roesso, enquanto que as transições reresentam os eventos. O modelo reresenta um aote que reisa ser montado e enviado ara outro setor. Para montar o aote é reiso ter disonível arafusos, oras e a máquina, que são reresentados no modelo elos lugares Parafusos, Poras e Máquina. As fihas nesses lugares indiam a disonibilidade desses reursos. Aós a montagem do aote, ele ode ser enviado ao róximo setor, o deósito. Uma vez enviado ao deósito, a máquina fia disonível ara a montagem de outro aote. Máquina Parafusos Montar aote Paote Enviar aote Deósito Poras Figura 2 Modelo em rede de Petri de uma linha de montagem. A transição Montar aote estará ata ara ser disarada quando existir elo menos uma fiha no lugar Parafusos, uma no lugar Poras e uma no lugar Máquina (figura 3(a)). Aós o disaro da transição Montar aote, uma fiha é adiionada no lugar Paote, que india a montagem do onjunto. Uma vez om o aote ronto, este ode ser enviado ao deósito (figura 3(b)). Este evento é reresentado ela transição Enviar aote. Aós o disaro desta transição, uma fiha é adiionada no lugar Deósito e outra é adiionada no lugar Máquina, indiando que este reurso está novamente disonível (figura 3()). É imortante notar que as interretações dos lugares e fihas são bastante variadas. Podem reresentar entidades abstratas, omo ondições, e também entidades físias omo um deósito (omo no exemlo da figura 2). Dessa forma, as redes de Petri ermitem uma visão sintétia do sistema a ser modelado e autoriza roedimentos de análise (CARDOSO; VALETTE, 1997). Uma revisão omleta sobre as redes de Petri ode ser enontrada em (MURATA, 1989) e (CARDOSO; VALETTE, 1997).

35 32 Caítulo 3. Fundamentos Teórios Máquina Parafusos Montar aote Paote Enviar aote Deósito Poras ((a)) Montar aote. Máquina Parafusos Montar aote Paote Enviar aote Deósito Poras ((b)) Enviar aote ao deósito. Máquina Parafusos Montar aote Paote Enviar aote Deósito Poras (()) Paote enviado. Figura 3 Comortamento da rede de Petri Proriedades das redes de Petri Redes de Petri não se resumem aenas a uma ferramenta que ermite a modelagem de roblemas que tenham atividades onorrentes, elas são utilizadas ara desrever e analisar um sistema (RENÉ; HASSANE, 2010). Para tal, foi desenvolvida uma série de

36 3.2. WorkFlow nets 33 métodos que ermitem a análise de várias roriedades de sistemas a eventos disretos ((MURATA, 1989) e (PETERSON, 1981)). A dinâmia de um sistema desrito or uma rede de Petri é dada ela evolução das marações. De aordo om o onjunto de marações aessíveis a artir da maração iniial, são definidas algumas roriedades. Essas roriedades são definidas em (MURATA, 1989) omo: alançabilidade, limitabilidade, vivaidade e reiniiabilidade. Esse onjunto de roriedades é onheido na literatura omo boas roriedades. Alançabilidade: essa roriedade india a ossibilidade de alançar uma determinada maração. Uma maração é dita alançável se existe uma sequênia finita de disaro de transições que onduza a ela a artir da maração iniial. Essa roriedade garante que ertos estados serão alançados ou não. Limitabilidade (Boundedness): uma rede de Petri é dita limitada se em ada lugar da rede, o número total de fihas nuna exederá a um inteiro ositivo k. Neste aso, a rede é dita k-limitada. Se a rede for limitada ao inteiro 1, então diz-se que ela é binária. Vivaidade (Liveness): uma rede de Petri é dita viva se todas as suas transições são vivas. Uma transição T é dita viva se ara ada maração alançável da rede, existe uma sequênia de disaro S que sensibiliza T. Dessa forma, uma rede de Petri viva é uma rede onde todas as suas transições são disaráveis. Essa roriedade garante que o sistema é livre de deadlok. Reiniiabilidade: uma rede é dita reiniiável se é semre ossível voltar ara a maração iniial através de uma sequênia de disaros, seja qual for a maração onsiderada. 3.2 WorkFlow nets Uma rede de Petri que modela um roesso de negóio é hamada de WorkFlow net (WF-net) ((AALST, 1998) e (AALST; HEE, 2004)). Uma WF-net net satisfaz os seguintes requisitos (AALST, 1998): Uma WF-net tem aenas um lugar de iníio (i) e aenas um lugar de fim (o). Esses dois lugares são tratados omo lugares eseiais. O lugar i tem aenas aros de saída e o lugar o tem aenas aros de entrada. Uma fiha em i reresenta um aso que reisa ser tratado. Uma fiha em o reresenta um aso que já foi tratado. Em uma WF-net ada tarefa (transição) e ondição (lugar) deve estar em um aminho que se enontra entre o lugar de iníio (i) e o lugar de término (o).

37 34 Caítulo 3. Fundamentos Teórios Proessos Um roesso eseifia quais tarefas reisam ser exeutadas e em qual ordem exeutálas. Modelar um roesso de negóio em termos de uma WF-net é bem direto: as tarefas são modeladas or transições, ondições são modeladas or lugares e os asos são modelados elas fihas (AALST, 1998). Para ilustrar o maeamento de um roesso or uma WF-net, onsidera-se o exemlo aresentado em (AALST, 1997) que trata do roessamento de edidos relaionados a danos de arros. As tarefas neessárias ara roessar um edido são: verifiar seguro, ontatar garagem, agar danos e enviar arta. As tarefas verifiar seguro e ontatar garagem determinam se o edido é justifiado. Essas tarefas odem ser exeutadas em qualquer ordem. Se o edido é justifiado, então o dano é ago (tarefa agar danos). Caso ontrário, uma arta de rejeição é enviada ao requerente (tarefa enviar arta). A figura 4 ilustra a WF-net que reresenta este roesso. i fork 1 2 verifiar seguro ontatar garagem 3 4 join 5 agar danos enviar arta Figura 4 WorkFlow net ara o roesso de edidos relaionados a danos de arros. o

38 3.2. WorkFlow nets Roteamento A ordem em que tarefas são exeutadas varia de aso ara aso. Pelo roteiro de um aso ao longo de uma série de tarefas, é ossível determinar quais tarefas reisam ser exeutadas e em qual ordem (AALST; HEE, 2004). Quatro onstruções básias são onsideradas ara o roteamento de tarefas: Sequenial (figura 5(a)): refere-se a exeução sequenial quando as tarefas reisam ser exeutadas uma aós a outra. Quando uma tarefa reisa ser exeutada aós a outra, têm-se então uma deendênia entre essas tarefas. Paralela (figura 5(b)): quando mais de uma tarefa ode ser exeutada simultaneamente ou em qualquer ordem. Ambas tarefas odem ser exeutadas sem que uma interfira no resultado da outra. Condiional (figura 5()): quando ode existir uma esolha entre duas ou mais tarefas. Iterativa (figura 5(d)): quando é neessário reetir uma mesma tarefa ou uma sequênia de tarefas várias vezes. 2 tarefa tarefa 1 tarefa tarefa 1 tarefa tarefa 3 5 ((a)) Sequenial. ((b)) Paralela. tarefa 1 2 tarefa 3 1 tarefa 1 tarefa tarefa 2 3 tarefa 4 tarefa 3 (()) Condiional. ((d)) Iterativa. Figura 5 Construções básias ara o roteamento de tarefas. Na figura 4 as tarefas verifiar seguro e ontatar garagem são um exemlo de roteamento aralelo. Já as tarefas agar danos e enviar arta omõe um roteamento ondiional.

39 36 Caítulo 3. Fundamentos Teórios Soundness Soundness é um ritério de orretude definido ara as WorkFlow nets. Uma WorkFlow net é dita sound se, e somente se, os seguintes requisitos forem satisfeitos ((AALST; HEE, 2004) e (AALST, 1998)): 1. Para ada fiha oloada no lugar de iníio i, uma, e aenas uma, fiha deve aareer no lugar de término o. 2. Quando uma fiha aaree no lugar o, todos os outros lugares estão vazios ara o aso em questão. 3. Para ada transição (tarefa), é ossível evoluir da maração iniial ara uma maração onde essa transição é sensibilizada, ou seja, em uma WorkFlow net não deve haver transição morta. A roriedade soundness está relaionada om a dinâmia das WorkFlow nets. O rimeiro requisito signifia que todo aso será omletado aós um eríodo de temo. O segundo requisito signifia que uma vez que um aso é omletado, nenhuma referênia a ele ermaneerá no roesso. Já o tereiro requisito afirma que todas as tarefas em uma WF-net odem ser, a riníio, exeutadas. A roriedade soundness é um ritério imortante a ser satisfeito quando se trata de roessos de negóios. No ontexto das WF-nets, a rova desse ritério está relaionada om a análise qualitativa. Em (AALST; HEE, 2004), alguns métodos ara rovar a roriedade soundness são aresentados. Um desses métodos em eseífio será disutido na seção seguinte Algoritmo de verifiação da roriedade soundness Em (AALST, 1998) e (AALST; HOFSTEDE, 2000), um método foi roosto ara a verifiação da roriedade soundness de uma WorkFlow net. Este método traduz a roriedade soundness através de duas roriedades bem onheidas: liveness e boundedness (AALST; HEE, 2004). Dado uma WorkFlow net PN = (P,T,F), deve-se deidir se PN é sound. Para tanto, define-se uma rede estendida P N = (P, T, F ). P N é uma rede de Petri obtida adiionandose uma transição extra t *. A transição t * oneta o lugar de término (o) ao lugar de iníio (i). A figura 6 ilustra a relação entre PN e P N. Para uma WorkFlow-net arbitrária PN e sua orresondente rede de Petri estendida P N, o seguinte teorema (AALST, 1997) ode ser rovado. Teorema 1 (Soundness) Uma WF-net é dita sound se, e somente se, (P N, i) é viva (live) e limitada (boundedness).

40 3.3. Grafos de estado 37 i PN o t* Figura 6 Exemlo de uma rede de Petri estendida. A rova deste teorema ode ser enontrada em (AALST, 1997) e (AALST, 1996). Dessa forma, a verifiação da roriedade soundness em uma WF-net, resume-se em verifiar se a rede de Petri estendida P N é viva e limitada. Isso signifia que ferramentas de análise baseadas em redes de Petri odem ser utilizadas ara definir o ritério soundness da rede ((AALST, 1996), (AALST, 1997) e (AALST, 1998)). 3.3 Grafos de estado Uma rede de Petri não marada é um grafo de estado se, e somente se, ada transição tiver exatamente um aro de entrada e um aro de saída (RENÉ; HASSANE, 2010), omo ilustrado na figura 7. Figura 7 Exemlo de um grafo de estado não marado. Uma rede de Petri marada onheida omo grafo de estado, será equivalente a um grafo de estado no sentido lássio (reresentando um autômato que está em aenas um estado or vez) se, e somente se, ontém exatamente uma fiha loalizada em um dos lugares da rede. Na figura 8 é aresentado um exemlo de um grafo de estado om uma fiha. Em um grafo de estado, o eso de todos os aros é igual a 1 (RENÉ; HASSANE, 2010).

41 38 Caítulo 3. Fundamentos Teórios Figura 8 Exemlo de um grafo de estado marado om aenas uma fiha. 3.4 CPN Tools As redes de Petri Coloridas são uma linguagem de modelagem gráfia que ombina as redes de Petri e as linguagens de rogramação funional (MILNER; HARPER; TOFTE, 1990). Uma das razões ara a riação das redes de Petri Coloridas é o fato de que as redes de Petri (não oloridas) tendem a ser muito grandes ara lidar. Outra razão é o fato de que as fihas geralmente reresentam objetos ou reursos em um sistema modelado (AALST, 1992). Esses objetos odem ter atributos, os quais não são failmente reresentados or um fiha simles de uma rede de Petri que não identifia as fihas de um mesmo lugar. Foi então que (JENSEN, 1981) definiu o que hoje se onhee or redes de Petri Coloridas, ou CP-nets (Colored Petri Nets). Nas redes de Petri Coloridas, as fihas ossuem valores que são onheidos omo ores. Essas ores não signifiam aenas ores ou adrões, elas odem reresentar tios de dados omlexos (JENSEN; KRISTENSEN, 2009). Dessa forma, as redes de Petri Coloridas são rojetadas ara reduzir o tamanho do modelo, ermitindo a individualização de fihas (usando as ores que lhe são atribuídas). Assim, diferentes roessos ou reursos odem ser reresentados na mesma estrutura gráfia. A aliação rátia da modelagem e análise das redes de Petri Coloridas deende fortemente da existênia de ferramentas omutaionais que ofereçam suorte à riação e maniulação de tais modelos. CPN Tools é uma ferramenta adequada ara edição, simulação e ara análise do estado de esaço (state sae) dos modelos de redes de Petri Coloridas (JENSEN, 1998). Nos modelos de redes de Petri Coloridas (CP-nets), ada lugar da rede tem um tio assoiado. Esse tio determina qual tio de dado o lugar ode ter. Por exemlo, a figura 9 ilustra um exemlo de um modelo CP-net. O lugar 2 tem um tio de dado inteiro (INT) assoiado a ele. Já o lugar 1 tem um tio de dado omosto elo roduto artesiano de dois onjuntos de dados: INT (inteiro) e DATA (dados). Durante a exeução de uma CP-net, ada lugar oderá onter um número determinado de fihas. Cada fiha arrega um valor de dado que ertene ao tio assoiado ao lugar. Por exemlo, o valor da fiha que está em 1 na figura 9 é:

42 3.4. CPN Tools 39 1`(1,"exemlo") 1 INTxDATA (i,d) t1 i 2 INT Figura 9 Exemlo de uma rede de Petri Colorida. 1 (1, exemlo ). O oefiiente 1 na frente da fiha signifia que há exatamente uma fiha que arrega esse valor. Da mesma forma, oderia haver mais fihas em 1 om valores diferentes. Os valores das fihas são hamados de ores. Os tios de dados são hamados de olor sets. As ores odem reresentar tios de dados omlexos, omo or exemlo, um registro onde um dos amos é do tio real, outro uma adeia de arateres e um tereiro omo uma lista de inteiros. As ações em uma CP-net são reresentadas or meio das transições. Em uma transição, os aros de entrada indiam que a transição ode remover fihas do lugar orresondente ao aro, enquanto que os aros de saída indiam que a transição ode adiionar fihas aos lugares orresondentes. O número exato de fihas e seus valores de dados são indiados ela exressão do aro (loalizada ao lado do aro). Por exemlo, na figura 9, a transição t1 tem um aro de entrada e um aro de saída. A exressão do aro de entrada ossui duas variáveis livres: i do tio inteiro, e d do tio data. Assim, t1 só oderá ser sensibilizada se houver ao menos uma fiha que ontenha valores do tio INT xdata. Para o exemlo da figura 9, durante a exeução, as variáveis i e d ossuem os seguintes valores: i = 1 d = exemlo. O CPN Tools ermite estruturar os modelos CP-net em módulos. O oneito de módulos em CP-nets é baseado em um meanismo de estruturação hierárquia. A ideia básia da hierarquia or trás das CP-nets é ermitir a onstrução de um amlo modelo ombinando um número de equenas redes de Petri Coloridas em um únio modelo (JENSEN; KRISTENSEN, 2009). A hierarquia das redes de Petri Coloridas ofereem um oneito onheido omo fusion laes (lugares de fusão). Esse oneito ermite eseifiar um onjunto de lugares que são onsiderados idêntios (JENSEN, 1998). Isto signifia que todos esses lugares

43 40 Caítulo 3. Fundamentos Teórios reresentam um únio lugar oneitual, ainda que sejam desenhados omo vários lugares individuais. Esses lugares são hamados de fusion laes, e um onjunto de fusion laes é hamado de fusion set (onjunto de fusão). Qualquer oisa que aontee a um lugar do onjunto de fusão, também aontee aos outros lugares do onjunto. Assim, se uma fiha for adiionada/onsumida de um dos lugares, uma fiha idêntia também será adiionada/onsumida em todos os outros lugares do onjunto de fusão. Na ferramenta CPN Tools, os fusion laes são riados usando o reurso de hierarquia que a ferramenta oferee. Ao definir um fusion lae, uma etiqueta é adiionada ao lugar. A etiqueta define o nome do onjunto de fusão ao qual o lugar ertene. 1 1`mEaoteAE,V1)++ 2`mEaoteBE,V2)++ 1`mEaoteCE,V3) PRODUTOxID r1 PRODUTO m,n) VerifiarV aote m,n) m,n) Fila2 Reeber Fila PRODUTOxID 2 PRODUTOxID r2 PRODUTO m,n) Enviar m,n) Fila1 Consumir m,n) Fila PRODUTOxID Figura 10 Exemlo de uma rede de Petri Colorida om fusion laes. O exemlo da figura 10 reresenta um roedimento onde aotes são verifiados e enviados ara uma outra entidade. Aós verifiados, os aotes são então oloados em uma fila de esera ara serem entregues. Ao serem reebidos, esses aotes são então onsumidos. A fila de esera é reresentada elos lugares Fila1 e Fila2. Assim, esses dois lugares são então definidos omo fusion laes e marados om a etiqueta Fila, que reresenta o onjunto de fusão a que esses lugares ertenem. Quando todos os membros de um onjunto de fusão ertenem a mesma arte ou ágina (no ontexto de CPN Tools) da CP-net, e tem aenas uma instânia, os fusion laes são nada mais que um meanismo onveniente ara evitar vários ruzamentos de aros (JENSEN; KRISTENSEN, 2009). Dessa forma, é ossível simlifiar a estrutura gráfia da rede sem mudar o seu signifiado.

44 3.5. Considerações Finais Considerações Finais Este aítulo aresentou os fundamentos teórios neessários ara o entendimento deste trabalho. Primeiramente, foi aresentado o oneito geral de redes de Petri e suas roriedades. Em seguida, foi aresentado um tio eseial de rede de Petri, as Work- Flow nets. As redes do tio grafos de estado também foram aresentadas. Os oneitos relaionados ao CPN Tools foram também desritos neste aítulo.

45 42 Caítulo 3. Fundamentos Teórios

46 43 Caítulo 4 Proosta Este aítulo tem or objetivo aresentar omo o fluxo de atividades e a noção de maa toológio de jogos odem ser reresentados or meio das redes de Petri. Os modelos são riados searadamente, entretanto, ara exressar as influênias que um modelo tem sobre o outro, um meanismo de omuniação, também baseado em redes de Petri, é utilizado. Dessa forma, é ossível realizar uma análise global a fim de verifiar ertas roriedades que garantem o bom funionamento do jogo. O jogo Silent Hill II é utilizado ara demonstrar o método roosto neste aítulo. Silent Hill II é um jogo de aventura/terror que omeça em uma idade deserta. O jogador assume o ael de James, um ersonagem que não ossui objetivos muito laros no omeço do jogo. James reebe uma estranha arta de sua esosa hamando-o ara se enontrarem em Silent Hill. No entanto, a esosa de James está morta a três anos. Inentivado elo mistério da arta, James retorna a Silent Hill. Para alançar o objetivo do jogo, o jogador deve exlorar o ambiente, lutar ontra inimigos, oletar objetos e resolver enigmas. Neste aítulo, a seção 4.1 aresenta a roosta ara a modelagem das atividades de um nível de jogo (modelo lógio). A seção 4.2 aresenta a roosta ara a modelagem do maa toológio (modelo toológio). Já a seção 4.3, aresenta um meanismo de omuniação riado ara reresentar o relaionamento entre o modelo de atividades e o modelo toológio. A seção 4.4, aresenta a eseifiação deste meanismo de omuniação or meio das redes de Petri Coloridas; em artiular esta seção aresenta o uso de fusion laes bem omo as vantagens deste oneito ara a abordagem roosta. O método roosto ara a análise do nível do jogo é aresentado na seção 4.5. Por fim, a seção 4.6 aresenta as onsiderações finais deste aítulo. 4.1 Modelo Lógio Para a reresentação do modelo lógio, é reiso onsiderar o oneito de nível (level). O uso do termo nível em vídeo games tem sido emregado há muito temo e, de modo

47 44 Caítulo 4. Proosta geral, ode ser abordado de duas formas. A rimeira assoia o termo nível à difiuldade da fase do jogo. Já a segunda, assoia nível a uma determinada etaa do jogo. Neste trabalho, é utilizada a segunda forma de abordagem. Assim, um nível é tido omo uma arte do jogo. A maioria dos jogos ode ser estruturada em um gruo de níveis. Um nível ode ser visto omo um gruo de tarefas (atividades). Todo jogo ossui um objetivo geral que o jogador reisa alançar om o intuito de vener. Em artiular, ada nível tem um objetivo eseífio assoiado. Para alançar esse objetivo é neessário que o jogador exeute uma determinada sequênia de tarefas. Essas tarefas devem ser exeutadas elo jogador sequenialmente ou simultaneamente. Além disso, algumas tarefas são obrigatórias e outras oionais. Quando todas as tarefas do nível são exeutadas, o objetivo do nível é alançado e o jogador ode então assar de um nível ara outro. Uma vez que um jogo é omosto or vários níveis e um nível é omosto or uma sequênia de atividades, as WorkFlow nets são adequadas ara a modelagem de níveis de jogos. Uma WorkFlow net modela um roesso de negóio. De fato, um nível de jogo é similar à estrutura lássia de um roesso de negóio, ois ambos ossuem um omeço e um objetivo final que será alançado aós a exeução de várias atividades. Assim, a estrutura de uma WorkFlow net torna ossível a modelagem de níveis de vídeo games. Para ilustrar esta abordagem, o rimeiro nível do jogo Silent Hill II é utilizado. Para omletar o rimeiro nível de Silent Hill II, o jogador reisa exeutar a seguinte sequênia de atividades: Enontrar o maa de Silent Hill no estaionamento da lataforma de observação. Matar a riatura e egar o rádio no túnel. Enontrar o bilhete no trailer. Enontrar um segundo maa no Neely s Bar. Enontrar a have em um adáver na rua Martin. Ir até o aartamento Wood Side. Aós exeutar essas atividades, o jogador omleta o rimeiro nível do jogo e oderá assar ara o róximo nível. A figura 11 reresenta o modelo lógio do rimeiro nível de Silent Hill II. Na WorkFlow net, que reresenta o fluxo de atividades, as transições reresentam as atividades do nível enquanto que os lugares da rede reresentam as ondições. O lugar iniial da rede reresenta o omeço do jogo e o lugar final reresenta o fim do nível. Portanto, na rede da figura 11 o lugar P0 reresenta o omeço do rimeiro nível e o lugar P10 reresenta o objetivo que deve ser alançado ara finalizar o rimeiro nível. A fiha no lugar P0 reresenta o jogador.

48 4.1. Modelo Lógio 45 Figura 11 Modelo lógio do rimeiro nível de Silent Hill II. A rimeira tarefa do nível é Enontrar maa de Silent Hill. As transições Fork e Join reresentam o iníio e o fim de uma rotina aralela, resetivamente. Fazem arte dessa rotina as atividades Pegar rádio e Matar riatura. As atividades Enontrar bilhete, Enontrar maa no bar, Enontrar have e Ir ao aartamento são atividades que ertenem a uma rotina sequenial, ortanto devem ser exeutadas uma aós a outra. A atividade Ir ao aartamento é a última atividade do rimeiro nível. Aós omletar todas as atividades, o jogador se enontrará no lugar P10, o que signifia que o objetivo do rimeiro nível foi alançado e que o jogador oderá assar ara o nível seguinte.

49 46 Caítulo 4. Proosta 4.2 Modelo Toológio A estrutura toológia de um jogo onsiste da desrição das regiões que omõe o maa do jogo. Em outras alavras, a estrutura toológia é a reresentação do mundo virtual. Em um jogo, ada atividade é exeutada elo jogador em alguma região eseífia do maa toológio. Assim, a desrição das roriedades do mundo virtual bem omo a evolução do jogador dentro deste mundo são indisensáveis ara o roesso de riação de jogos. O maa toológio de um jogo é omosto or várias regiões (áreas). Essas regiões odem ser entendidas omo um onjunto de lugares que o jogador oderá aessar omo, or exemlo, o entro de uma idade ou o interior de uma asa. O jogador oderá ir de uma área ara outra livremente ou satisfazendo algum tio de ondição eseífia, deendendo dos objetivos do jogo. A figura 12 ilustra um exemlo de maa de jogo om suas resetivas regiões. O maa em questão ertene ao jogo Silent Hill II. Figura 12 Maa arial do rimeiro nível de Silent Hill II. Os números irulados na figura 12, reresentam subonjuntos eseiais do mundo virtual onde o jogador deve exeutar tarefas eseífias. Essas regiões são fixas, ou seja, não mudam durante a evolução do jogo. O nome de ada uma das regiões do maa da figura 12 é dado a seguir: 1. Plataforma de observação. 2. Floresta. 3. Igreja. 4. Quintal. 5. Túnel.

50 4.2. Modelo Toológio Trailer. 7. Bar. 8. Rua Martin. 9. Aartamento. Para reresentar o maa toológio de um jogo, é utilizado uma rede de Petri do tio grafo de estado. No grafo de estado, uma área eseífia do maa é modelada or um lugar eseífio. As fronteiras entre as áreas são reresentadas or transições simles. A loalização do jogador é reresentada or uma fiha em um lugar eseífio da rede. A orientação do aro reresenta em qual direção o jogador ode ir entre duas áreas adjaentes. A figura 13 ilustra a reresentação do maa toológio do jogo Silent Hill II or meio de um grafo de estado. As regiões ilustradas na figura 12, são reresentadas no grafo de estado da figura 13 or lugares om os mesmos nomes. Iniialmente, o jogador está loalizado na Plataforma de observação. Assim, uma fiha nesse lugar reresenta a loalização atual do jogador no omeço do jogo. De aordo om a evolução do jogo, o jogador mudará sua loalização. Entretanto, no omeço o jogador não ode aessar todas as áreas onetadas. Para assar de uma área ara outra é reiso reseitar algumas ondições (requisitos), que deenderão de alguma atividade assoiada ao modelo lógio do nível. No maa toológio, essas ondições, na maioria dos asos, orresonderão a um objeto neessário ara assar de uma área ara a outra, omo uma have or exemlo. Por outro lado, algumas ondições orresonderão simlesmente à realização de uma tarefa que o jogador deverá exeutar e não neessariamente à rodução de algum item eseífio do jogo. Uma maneira de reresentar formalmente essas ondições, ode ser or meio de um reurso a ser roduzido, omo aresentado na figura 14, onde o disaro da transição T32 reresentará a rodução do reurso orresondente. O lugar C1 marado reresentará então uma ondição válida neessária ara habilitar a transição T0, que orresonde à liberação da assagem ara a área Floresta. A figura 15 ilustra o maa toológio do rimeiro nível de Silent Hill II om as suas resetivas ondições. Para o jogador assar da área Plataforma de observação (área 1) ara Floresta (área 2), or exemlo, o jogador reisa enontrar o maa de Silent Hill. Essa é a rimeira atividade do jogo que, aós realizada, ativará a ondição assoiada om o lugar C1, liberando assim a assagem entre a área Plataforma de observação e a área Floresta, omo indiado na figura 15. Em artiular, o disaro da transição T32 orresonderá ao fim da atividade orresondente Enontrar o maa de Silent Hill. Uma vez om o maa, o jogador oderá assar da área 1 ara a área 2. Deois disso, as únias áreas que o jogador oderá aessar são Plataforma de observação, Floresta, Igreja, Quintal e Túnel.

51 48 Caítulo 4. Proosta Figura 13 Grafo de estado do maa toológio de Silent Hill II. Figura 14 Condição assoiada om o maa toológio. Para aessar as outras áreas o jogador reisa satisfazer as ondições orresondentes. Por exemlo, ara entrar na área Aartamento o jogador reisará enontrar uma have. Uma vez om a have, o jogador terá satisfeito a ondição e onsequentemente o aesso a

52 4.2. Modelo Toológio 49 Figura 15 Maa toológio do rimeiro nível de Silent Hill II om as ondições assoiadas. área Aartamento será liberado. Aós satisfazer uma ondição, ela não será mais um obstáulo ara a assagem do jogador e ele oderá ir e vir livremente entre as áreas liberadas. Uma vez que a assagem entre áreas adjaentes é liberada, ela ontinuará aberta até que o nível seja omletado. Isso signifia que quando uma ondição é satisfeita (uma fiha roduzida no lugar da ondição), o lugar orresondente à ondição ontinuará marado o temo todo.

53 50 Caítulo 4. Proosta 4.3 Modelo de omuniação Em sistemas de engenharia é omum trabalhar om dois modelos que se omuniam or meio de mensagens sínronas e assínronas. Por exemlo, em (ANDREU; PASCAL; VALETTE, 1996), a análise e monitoramento de um roesso reator é baseado em dois modelos que se omuniam. Um modelo reresenta os ossíveis omortamentos do reator (modelo de um equiamento físio), enquanto que o outro modelo define a reeita (modelo lógio) aliado ao reator ara roduzir um roduto eseífio. As vantagens em trabalhar om dois modelos distintos que se omuniam é que o modelo de um roesso (omo uma nova reeita or exemlo) ode ser redefinido sem alterar o modelo do sistema físio. O mesmo vale ara o outro lado, é ossível alterar o modelo do sistema físio sem alterar o modelo lógio. Esse mesmo riníio ode ser aliado no ontexto de vídeo games. Dado uma WorkFlow net que define o nível de um jogo e um grafo de estado que reresenta o maa toológio orresondente, é ossível identifiar as influênias que um modelo tem sobre o outro. No jogo Silent Hill II, o avatar James só ode realizar uma tarefa se ele estiver na área aroriada. Sendo assim, uma transição no modelo de nível estará habilitada aenas se o jogador estiver loalizado em um lugar eseífio do grafo de estado (uma área eseífia do maa toológio). Por outro lado, uma ondição será ativada no modelo toológio, aenas se um erto item é roduzido aós omletar uma atividade eseífia desrita no modelo lógio. Dessa forma, é ossível definir um meanismo de omuniação entre os dois modelos. No jogo Silent Hill II, a ondição ara o jogador deixar a área Plataforma de observação é ter o maa de Silent Hill. E ara enontrar o maa de Silent Hill o jogador reisa estar loalizado na área Plataforma de observação. Essa situação é desrita na figura 16. Figura 16 Comuniação entre o modelo lógio e o modelo toológio. A figura 16 aresenta um modo formal ara eseifiar o meanismo de omuniação entre o modelo lógio e o modelo toológio. No lado esquerdo da figura está reresentado um fragmento do modelo lógio. Do lado direito da figura está reresentado arte do maa toológio. A transição Enontrar maa de Silent Hill é habilitada se existir uma fiha no lugar P0 e uma fiha no lugar Plataforma de observação. Deois de disarar a transição, são roduzidas três fihas. Uma fiha retorna ara o lugar Plataforma de observação, outra é roduzida em P1 (ontinuação do modelo lógio) e outra em C1 (ondição ara

54 4.4. Modelagem utilizando o oneito de fusion laes 51 a liberação da área Floresta). Esse roedimento ara relaionar os dois modelos ode ser visto omo um tio de meanismo de omuniação. A vantagem de se utilizar dois modelos distintos é que o modelo lógio ode ser alterado sem que o modelo toológio também o seja. O mesmo vale ara o modelo toológio; é ossível redefini-lo sem que o modelo lógio sofra alterações. Uma vez que existe modelos distintos ara exressar as atividades e ara exressar o maa do mundo virtual, é ossível simular então o funionamento do jogo. Assim, o ael do meanismo de omuniação é fazer om que os dois modelos trabalhem juntos, a fim de verifiar o omortamento do jogo. É or meio da verifiação do omortamento do jogo que os roblemas odem ser enontrados e orrigidos ainda na fase de rojeto ou antes da riação de um rotótio, or exemlo. 4.4 Modelagem utilizando o oneito de fusion laes Para manter os dois modelos distintos (elo menos visualmente), uma abordagem interessante é usar o oneito de fusion laes (lugares de fusão) roosto elo CPN Tools. Os usuários do CPN Tools trabalham diretamente om a reresentação gráfia de modelos em redes de Petri Coloridas (CP-net). Sendo assim, é reiso adatar o modelo lógio e o modelo toológio do jogo ara o CPN Tools, ara oder adatar o oneito de fusion laes Modelo lógio ara o CPN Tools Em uma rede de Petri ordinária, as fihas são indistinguíveis, enquanto que nas CPnets são assoiados valores (ores) as fihas. Em artiular, ada lugar de um modelo CP-net reisa ter um tio assoiado a ele, denominado olor set. Para adatar o modelo lógio do jogo ara o CPN Tools sem alterar a semântia do modelo, o mesmo olor set é assoiado a todos os lugares do modelo; layer reresenta o valor assoiado à fiha que reresenta o jogador no modelo da figura 17. O modelo ilustrado na figura 17 é a versão em rede de Petri Colorida do modelo lógio, que foi aresentado na figura 11. A variável assoiada aos aros do modelo, ertene ao mesmo tio e ode reeber fihas da mesma or. Por exemlo, antes de disarar a transição Enontrar maa de Silent Hill, a variável assoiada ao aro de entrada da transição reebe o valor da fiha loalizada em P0. Deois de disarar a transição, o valor da fiha é transferido ara a variável assoiada ao aro de saída da transição, e uma nova fiha om o mesmo valor é roduzida em P1.

55 52 Caítulo 4. Proosta 1`layer P0 Enontrarimaaidei SilentiHill P1 Fork P2 P3 Pegarioiradio Mataririatura P4 P5 Join P6 Eontraribilhete P7 Enontrarimaainoibar P8 Eontrarihave P9 Iriaoiaartamento P10 Figura 17 Versão em rede de Petri Colorida do modelo lógio do rimeiro nível de Silent Hill II Modelo Toológio ara o CPN Tools Assim omo o modelo lógio, o modelo do maa toológio também é adatado ara a ferramenta CPN Tools. A versão em rede de Petri Colorida do maa toológio é reresentada na figura 18, e equivale ao modelo aresentado na figura 15. Para difereniar os lugares que reresentam as áreas do maa dos lugares que reresentam as ondições, foram usados dois olor sets diferentes. O tio é assoiado aos lugares que reresentam as áreas do maa, e o tio (bem omo uma nova variável do mesmo tio) é assoiado aos lugares que reresentam as ondições existentes no maa toológio.

56 4.4. Modelagem utilizando o oneito de fusion laes 53 C1 Plataformanden observaao 1`layer Floresta Igreja C2 C3 Trailer Bar C7 C6 C9 Quintal Tunel C8 C4 RuanMartin C15 C5 Aartamento C18 C11 C12 C13 C14 Figura 18 Versão em rede de Petri olorida do modelo do maa toológio de Silent Hill II Meanismo de Comuniação ara o CPN Tools Os fusion laes são utilizados ara reresentar o meanismo de omuniação entre o modelo lógio e o modelo toológio, e odem ser vistos na figura 19. O meanismo aresentado na figura 19 é equivalente ao aresentado na figura 16. No entanto, tal meanismo utiliza o oneito de fusion laes disonível no CPN Tools. A maração que india um fusion lae é denominada fusion tag. A fusion tag é reresentada or um retângulo azul, na figura 19. Deois do disaro da transição Enontrar maa de Silent Hill, uma fiha é roduzida no lugar 1 do modelo lógio. Uma mesma fiha é então reroduzida automatiamente no lugar orresondente C1 do modelo toológio. Os lugares 1 e C1 estão marados om a etiqueta Maa enontrado, o que signifia que esses lugares ertenem ao mesmo onjunto de fusão. O exemlo da figura 19, ilustra aenas a rimeira atividade do rimeiro nível de Silent

57 54 Caítulo 4. Proosta 1`layer P0 1`layer lataformadded observaao PlataformaDdeDobervaao EnontrarDmaaD ded SilentDHill 1 MaaDenontrado C1 MaaDenontrado PlataformaDdeD observaao PlataformaDdeDobervaao 1`layer P1 Floresta Figura 19 Comuniação entre o modelo lógio e o modelo toológio usando o oneito de fusion laes. Hill II. A omuniação omleta entre o modelo lógio e o modelo toológio do rimeiro nível de Silent Hill II, utilizando o oneito de fusion laes, ode ser vista na figura 20. 4`layer Ph 4`layer Enontrarnmaa densilentnhill lataformanden observaao Plataformandenobservaao 4 Maanenontrado 4`layer Plataformanden observaao Plataformandenobservaao C4 Maanenontrado o_f f_o Floresta P4 f f tuneln4 Tunel P5 P_ Pegarnonradio Fork Join PH PJ P6 Pw Enontrarnbilhete Enontrarnmaan nonbar Matarnriatura 5 Radionenriatura trailer Trailer H Bilhetenenontrado bar Bar 44 tuneln5 Tunel Maanbarnenontrado t_ Trailer Trailer _t C5 Radionenriatura b_t C6 Bilhetenenontrado _b t_b Bar by_b Bar CH Bilhetenenontrado b_ CJ b_by Bilhetenenontrado C9 _by Igreja Quintal C45 by_ Chavenenontrada Ck Tunel Tunel m_by by_m Maanbarnenontrado C46 Maanbarnenontrado m_ RuanMartin MartinnStD Radionenriatura C4h Chavenenontrada by_tr tr_by by_w m_b b_m C44 Maanbarnenontrado m_tr b_w t_by tr_m by_t C_ Maanbarnenontrado _m C4w m_w Chavenenontrada Aartamento RuanMartin Cw Chavenenontrada _w Pk ruanmartin tr_w RuanMartin Enontrarnhave 4w Chavenenontrada C4_ Chavenenontrada P9 Irnaonaartamento aartamento4 RuanMartin P4h Figura 20 Comuniação omleta entre os modelos do rimeiro nível de Silent Hill II.

58 4.5. Método ara a análise 55 O uso dos fusion laes nesta abordagem age omo uma onveniênia de desenho que ermite evitar vários ruzamentos de aros, simlifiando a estrutura gráfia da rede sem alterar seu signifiado. Dessa forma, os dois modelos distintos que se omuniam são grafiamente melhor reresentados usando o CPN Tools. O CPN Tools ossibilita imlementar ada modelo searadamente e eventualmente modifiá-los, omo aontee no aso dos modelos que usam formas de omuniações assínronas (omuniação através de lugares de omuniação sem a neessidade de usar a fusão de transições). Além disso, é ossível utilizar as funionalidades ofereidas elo CPN Tools ara verifiar ertas roriedades, que garantem o bom funionamento do jogo. 4.5 Método ara a análise O modelo global do jogo onsiste de um únio modelo que é omosto elo modelo que reresenta a estrutura lógia do jogo, modelo que reresenta a estrutura toológia e o meanismo de omuniação entre os dois modelos (fusion laes). A artir de um modelo global, é ossível analisar o jogo do onto de vista de algumas roriedades imortantes que garantem o bom funionamento do jogo. Assim, o objetivo da análise dos modelos em redes de Petri de um vídeo game é garantir a onsistênia das atividades do jogo, bem omo a boa onstrução do mundo toológio. O método ara a análise roosto or esta abordagem é derivado do método aresentado em (AALST, 1997) sobre verifiação da roriedade soundness das Workflow nets. No aso deste trabalho, o modelo global não é mais uma WorkFlow net, mas o oneito da roriedade soundness ainda ode ser aliado ara em artiular verifiar que todas as atividades do modelo lógio oderão ser realizadas elo jogador. O método de verifiação da roriedade soundness, roõe riar uma rede de Petri estendida P N, obtida adiionando uma transição extra t * que oneta os lugares finais do modelo ao lugares de iníio do mesmo modelo. Se a rede P N é limitada (binária) e viva, de aordo om as definições dessas roriedades, então o modelo orresondente PN é onsiderado sound. Para verifiar se o modelo estendido P N é vivo e limitado, é ossível utilizar ferramentas de análise baseadas em redes de Petri, forneidas or algumas funionalidades disoníveis no CPN Tools. O CPN Tools fornee duas abordagens ara análise: simulação e esaço de estado (state sae). No método roosto or este trabalho, os modelos são analisados or meio da funionalidade state sae. A ideia básia or trás do state sae é alular todos os estados alançáveis a artir da maração iniial de um modelo em rede de Petri, e reresentá-los omo um grafo, onde os nós reresentam os estados alançáveis e os aros reresentam os ossíveis disaros de transição. Algumas roriedades são então verifiadas om base em omonentes fortemente onexas do grafo obtido. Para ilustrar o método de análise roosto, o modelo global obtido do rimeiro nível

59 56 Caítulo 4. Proosta do jogo Silent Hill II foi utilizado. O modelo ara análise é ilustrado na figura 21. y`layer Ay Ty P` Enontrarmaa desilenthill lataformade observaao Plataformadeobservaao y Maaenontrado Plataformade observaao Plataformadeobservaao Cy Maaenontrado o_f f_o Floresta Py f f Fork Igreja tunely Tunel P_ PS Pegaroradio Pw PH Matarriatura tunel_ Tunel t_ Trailer Trailer _t C_ Radioeriatura b_t Cw Bilheteenontrado _b t_b Bar by_b Bar CJ b_ Ck b_by Bilheteenontrado _by Quintal by_ t_by C8 Tunel Tunel by_t m_by by_m Maabarenontrado m_ RuaMartin RuaMartin CS Maabarenontrado _m CyH m_w Aartamento Aartamento CH Chaveenontrada _w Bilheteenontrado C9 Chaveenontrada Tw Join PJ Enontrarbilhete _ Radioeriatura trailer Trailer J Radioeriatura Cy` Chaveenontrada by_tr tr_by by_w m_b b_m Cyy Pk Bilheteenontrado bar Bar Maabarenontrado Cy_ m_tr tr_m Enontrarmaa nobar yy Maabarenontrado Chaveenontrada b_w Cyw Maabarenontrado ruamartin P8 RuaMartin tr_w Enontrarhave yh Chaveenontrada CyS Chaveenontrada P9 Iraoaartamento aartamentoy Py` Aartamento T_ A_ Figura 21 Modelo ara análise. O lado esquerdo da figura reresenta o modelo lógio, onde todas as atividades do nível são reresentadas. O lado direito da figura reresenta o modelo toológio om todas as áreas do maa do jogo. Para realizar uma análise global de ambos modelos e suas interações, foi riado um lugar de iníio omum denominado A1 e um lugar final denominado A2. No modelo da figura 21, a transição T1 é uma bifuração que roduz uma fiha no lugar P0 (lugar de iníio do modelo lógio) e uma fiha no lugar Plataforma de observação (o lugar que reresenta a área do maa onde o jogador está iniialmente). A transição T2 é uma junção que tem o roósito de onsumir as fihas que (no aso sound) devem estar no lugar final do modelo lógio, no lugar que reresenta a área do maa onde o jogador deve estar ao finalizar o nível, e nos lugares de ondição marados que são usados ara liberar as assagens entre as diversas áreas do maa. A transição T3 irá or fim

60 4.5. Método ara a análise 57 reiniiar o modelo, transformando-o assim em um modelo ílio ara que seja realizada a verifiação da roriedade soundness, no ontexto de vídeo games, onsiderando as roriedades lássias das redes de Petri (vivaidade e limitabilidade). A funionalidade da análise state sae disonível no CPN Tools, alula o grafo das marações alançáveis automatiamente e gera um relatório ontendo as informações da análise. A figura 22 aresenta a rimeira arte do relatório gerado aós a análise do modelo da figura 21. Statistis State Sae Nodes: 59 Ars: 149 Ses: 0 Status: Full S Grah Nodes: 1 Ars: 0 Ses: 0 Figura 22 Estatístias deois de aliar a análise do state sae. A figura 22 trás as informações estatístias obtidas aós aliar a análise state sae. Em artiular, SCC-grah (Strongly Conneted Comonents - Comonentes fortemente onexas) india que existe um omonente fortemente onexo no grafo de alançabilidade obtido aós a exeução da análise. A segunda arte do relatório roduzido elo CPN Tools ontém informações sobre a roriedade limitabilidade (boundedness) da rede. A figura 23 india que o número máximo de fihas que um lugar no modelo estendido ode ter é um. Em outras alavras, a análise mostrou que não há duliação de fihas no modelo global. De aordo om a definição da roriedade limitabilidade, definida no aítulo 3, o modelo global analisado é 1-limitado. A última arte do relatório estatístio gerado elo CPN Tools, india as instânias da roriedade vivaidade (liveness) da rede. A figura 24 mostra que todas as transições do modelo da figura 21 são vivas. Como aresentado nas figuras 23 e 24, o modelo estendido da figura 21 é dito vivo e 1-limitado. Portanto, o modelo não estendido (aresentado na figura 20) é sound). Se baseando no onto de vista do jogo, o modelo ser sound signifia que todas as atividades do nível odem ser exeutadas e todas as áreas do maa toológio odem ser eventualmente aessadas elo jogador. Isso garante a onsistênia das atividades do nível de jogo, bem omo a boa onstrução do maa toológio. A abordagem aresentada neste aítulo também identifia modelos que ossuem inonsistênias. Por exemlo, no rimeiro nível de Silent Hill II o jogador reisa enontrar uma have ara ter aesso a área Aartamento. Essa have ode ser enontrada em um

61 58 Caítulo 4. Proosta Boundedness Proerties Best Integer Bounds Uer Lower Silent_Hill'A Silent_Hill'A Silent_Hill'Aartamento Silent_Hill'Bar Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'C Silent_Hill'Floresta Silent_Hill'Igreja Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill'P Silent_Hill 'Plataforma_de_observaao Silent_Hill'Quintal Silent_Hill'Rua_Martin Silent_Hill'Trailer Silent_Hill'Tunel Silent_Hill'aartamento Silent_Hill'bar Silent_Hill' Silent_Hill' Silent_Hill' Silent_Hill' Silent_Hill' Silent_Hill 'lataforma_de_observaao Silent_Hill'rua_martin Silent_Hill'trailer Silent_Hill'tunel_ Silent_Hill'tunel_ Figura 23 Resultados da análise da roriedade limitabilidade. Home Proerties Home Markings All Liveness Proerties Dead Markings None Dead Transition Instanes None Live Transition Instanes All Figura 24 Resultados da análise da roriedade vivaidade. adáver que está loalizado na área Rua Martin. Uma vez om a have o jogador oderá aessar a área Aartamento. Se em vez de enontrar a have no adáver na área Rua Martin o rojetista oloasse

62 4.6. Considerações finais 59 a have na área Aartamento, seria imossível o jogador exeutar a atividade Enontrar have e, onsequentemente, não oderia onluir o rimeiro nível do jogo. Para ilustrar essa situação, o modelo de atividades do rimeiro nível de Silent Hill II foi modifiado. A transição Enontrar have tem agora os lugares P8 e Aartamento1 omo lugares de entrada. Isso signifia que ara exeutar a atividade Eontrar have é reiso que o jogador esteja loalizado na área Aartamento. A figura 25 aresenta a arte do modelo de atividades que foi modifiada. De fato, essa modifiação no modelo de atividades do rimeiro nível de Silent Hill II gera inonsistênia no enário do jogo. Para entrar no aartamento o jogador deve rimeiro enontrar a have ara destranar a orta que dá aesso a esta área, mas omo a have se enontra dentro do aartamento o jogador nuna oderá egar a have e, onsequentemente, nuna oderá aessar a área Aartamento. Figura 25 Modelo do nível modifiado. Uma vez que o modelo de atividades sofreu alteração, o modelo global modifiado (similar ao modelo aresentado na figura 21) ode ser submetido a análise. As informações da roriedade vivaidade (figura 26) indiam que as transições Enontrar have e Ir ao aartamento são agora transições mortas, ou seja, elas não odem ser sensibilizadas. A artir deste resultado é ossível deduzir que a have que o jogador reisa enontrar deve ser loalizada em outra área do maa ara que o nível ossa ser onluído. 4.6 Considerações finais Este aítulo aresentou uma abordagem baseada em redes de Petri ara o roesso de riação de vídeo games. Esta abordagem envolve os enários de um nível de jogo, que orresondem as diversas atividades que o jogador reisa exeutar, bem omo a noção de maa toológio, onde são reresentadas as diversas áreas do mundo virtual nas quais

63 60 Caítulo 4. Proosta Liveness Proerties Dead Markings None Dead Transition Instanes Silent_Hill'Ir_ao_aartamento 1 Silent_Hill'Enontrar_have 1 Silent_Hill'T1 1 Silent_Hill'T2 1 Silent_Hill'T3 1 Silent_Hill'b_w 1 Silent_Hill'by_w 1 Silent_Hill'_w 1 Silent_Hill'm_w 1 Silent_Hill'tr_w 1 Figura 26 Resultados da análise da roriedade vivaidade aós a modifiação do modelo do nível. o jogador efetuará as atividades revistas. O rimeiro nível do jogo Silent Hill II foi utilizado ara ilustrar a abordagem roosta. Para a reresentação das atividades foi utilizado uma rede de Petri do tio WorkFlow net. Já ara reresentar o maa toológio do jogo, foi utilizado um tio de rede de Petri denominado grafo de estado. Um meanismo de omuniação foi então roosto ara reresentar as influênias que um modelo tem sobre o outro. As redes de Petri Coloridas foram utilizadas ara eseifiar tal meanismo de omuniação. Em artiular, o oneito de fusion laes, roosto ela ferramenta CPN Tools, foi usado ara manter os dois modelos visualmente distintos. Para verifiar a orretude do modelo, um algoritmo baseado na análise do esaço de estado é automatiamente imlementado or algumas das funionalidades existentes no CPN Tools. O rinial roósito da análise é verifiar se todas as atividades do modelo de nível odem ser exeutadas e se todas as áreas do mundo virtual odem ser aessadas elo jogador. O uso de uma uma ferramenta omo o CPN Tools ermitiu a imlementação rátia da abordagem roosta, tornando ossível a modelagem e a simulação dos modelos riados. Sendo assim, este aítulo aresentou uma abordagem ara a modelagem e verifiação formal de vídeo games.

64 61 Caítulo 5 Estudo de Caso Este aítulo tem or objetivo aresentar a abordagem roosta no aítulo 4 or meio de um estudo de aso aliado ao jogo Dream:sae (SPEEDBUMP, 2012). 5.1 Dream:sae Dream:sae é um jogo baseado em uma narrativa heia de mistérios e enigmas. O jogador ontrola o ersonagem Wilson, um aiente em oma à beira da morte que é dada a oortunidade de exlorar suas memórias e desobrir a verdade sobre um mistério que o erseguiu or toda a vida. Para ajudar a reuerar os fragmentos da memória de Wilson, o jogador reebe um diário que ontém um esquema do maa do ambiente e um esaço ara anotações sobre ada lugar. Essas anotações são adquiridas no deorrer do jogo, de aordo om a exeução das tarefas. O jogo Dream:sae, segue uma narrativa linear que leva o jogador a exlorar o ambiente, oletar itens e exeutar uma série de atividades ara resolver o enigma da história. Para mostrar a abordagem roosta neste trabalho, o Dream:sae foi dividido em ino níveis. Cada nível ossui uma sequênia diferente de atividades que deve ser exeutada ara alançar um determinado objetivo. Já a reresentação do maa toológio é omum ara todos os níveis. No entanto, as áreas do maa são liberadas de aordo om a exeução das atividades. Assim, no rimeiro nível do jogo, ouas áreas odem ser aessadas elo jogador. Já no último nível, o jogador oderá aessar todas as áreas, uma vez que já tenha exeutado todas as atividades e, onsequentemente, satisfeito todas as ondições ara liberação das áreas. A ideia básia do Dream:sae é oletar várias informações ara desvendar o mistério que envolve a história. Para isso, é reiso exlorar as regiões do mundo virtual. O jogador deve visitar então ertos lugares e oletar informações diferentes a ada nível do jogo.

65 62 Caítulo 5. Estudo de aso 5.2 Reresentação do Maa Toológio O ambiente do jogo Dream:sae é o subonsiente do ersonagem Wilson. O diário que o jogador tem aesso trás o maa que ontém as áreas deste ambiente. São nessas áreas que as atividades do jogo devem ser exeutadas. A figura 27 ilustra o maa que é aresentado ao jogador Figura 27 Maa toológio do jogo Dream:sae. Os números irulados na figura 27 reresentam as regiões do maa onde as atividades são exeutadas: 1. Bastion Falls. 2. Ponte oberta. 3. Casa do ai da Amélia. 4. Cabana. 5. Igreja. 6. Túnel. 7. Aeródromo. 8. Rio. 9. Lago O maa da figura 27 ossui oua funionalidade. Por exemlo, ele não mostra onde o jogador está e ainda oulta algumas áreas do ambiente onde o jogador deverá exeutar