"Vizuális informatikai tantárgyak" oktatási tapasztalatai Berke József Pannon Agrártudományi Egyetem, Georgikon, Mezõgazdaságtudományi Kar, Szaktanácsadási, Továbbképzési és Informatikai Központ, Keszthely Gábor Dénes Fõiskola, Keszthelyi Konzultációs Központ E-mail: berke@georgikon.pate.hu Tel: (36) 83 312 334, Fax: (36) 83 314 334 Bevezetés Napjainkban a vizuális információk számítógépes használata, feldolgozása az egyetemek, fõiskolák informatikai tanterve mellett a középfokú és felsõfokú szakképzések szerves része is. A nyitott rendszerû távoktatás keretében tovább erõsödött ezen tantárgyak / digitális képfeldolgozás, számítógépes grafika, multimédia, számítógépes animáció, OCR, stb. / oktatása egyre növekvõ hallgatói létszám mellett. Az elõadásban ismertetjük a tananyagfejlesztés terén elért eredményeket, valamint a különbözõ oktatási szinteken (Ph.D. képzés, egyetemi képzés, fõiskolai képzés, alap-, közép- és felsõfokú szakképzés) eltérõ oktatási módszerekkel szerzett tapasztalatokat. 1. Tananyagok Az egyes oktatási szinteken a vizuális informatikai alapok elsajátítását zömmel, saját fejlesztésû interaktív oktatási tananyagok alkalmazásával valósítottuk meg. A tananyagok kifejlesztését számos pályázat segítette. Az 1. ábra összefoglalóan mutatja a kifejlesztett tananyagokat, alkalmazási területüket valamint a megvalósítás forrásait. Tananyag Alkalmazási terület Fejlesztés forrásai Számítógépes grafika I. Alapfokú képzések NYITSZAK, saját Számítógépes grafika II. Középfokú képzések NYITSZAK, saját Digitális képfeldolgozás és alkalmazásai Felsõfokú képzések / nappali és távoktatási / FEFA, AMFK, OTKA, saját 1. ábra 1
A tananyagok frissítése elengedhetetlen feladat, amelyet jól mutat az a tény is, hogy a felsõfokú oktatási anyag [1, 2, 4] /tankönyv + CD melléklet/ harmadik kiadása elõtt állunk. 1.1. A tananyagok felépítése - felsõfok A tananyag egy tankönyvbõl és egy hozzá tartozó interaktív CD-bõl áll [4] - 2. ábra, amely alapvetõen öt részre tagolódik: 1. Képfeldolgozás elméleti kérdései 2. Gyakorlati, alkalmazási példák 3. Gyakorló program az egyes fejezetek elsajátításához 4. Képgyûjtemény 5. Vizuális informatika jelentõsebb hazai cégeinek bemutatkozása, digitális fotókiállítás 2. ábra Az alapszintû, elméleti ismeretanyagot nyolc fejezetben foglaltuk össze, ezek a következõk / a tankönyvben és a CD-n is megtalálhatók - 3. ábra/: Bevezetés Az emberi látás Képfeldolgozás eszközei Digitális képalkotás Képjavítás Geometriai korrekció Szegmentálás Osztályozás Képkódolás és tömörítés 3. ábra A képfeldolgozás néhány alkalmazási területét találjuk a második részben - 4. ábra. Ezekben a fejezetekben általában elõször az adott alkalmazási terület jellegzetességeit emeltük ki és foglaltuk össze, majd néhány konkrét alkalmazás ismertetésével kíséreltük meg érzékeltetni a felmerülõ problémákat és a megoldási variációkat. Az alkalmazásokkal foglalkozó fejezetek / a tankönyvben és a CD-n is megtalálhatók /: Mezõgazdasági alkalmazások, Orvosi alkalmazások, Távérzékelés, 2
Digitális fényképezés, Ipari alkalmazások, Digitális videó, Irodai alkalmazások - optikai karakterfelismerés, Vizuális adatformátumok, Virtuális valóság - VRML, Bûn- és biztonságtechnikai alkalmazások. 4. ábra Az egyes fejezetek után ellenõrzõ kérdések találhatók, ráirányítva a figyelmet a fejezetekben található ismeretek súlyponti témáira, ezáltal is elõsegítve az önálló felkészülést. Az egyes elméleti fejezetek tárgyalása közben, a témakört érintõ, gyakorlati feladatok megoldása lehetséges, kimondottan a képfeldolgozás oktatására kifejlesztett programrendszer - 5. ábra - segítségével. A program 10 rögzített és közel 200 CD-n mellékelt képpel lehetõvé teszi a leggyakoribb, és a tankönyvben szereplõ képfeldolgozási funkciók kipróbálását. A képeket úgy válogattuk össze, hogy az egyes funkciók hatása eredményesen és szemléletesen jelenjen meg a hallgatók számára. Gyakorlati témakörök: 5. ábra Átszínezés Geometriai felbontás Egy- és kétképes mûveletek Osztályozás Újramintavételezés Geometriai korrekció Hisztogram Konvolúció Laplace operátor Sobel Medián Profil Színrendszerek Zajszûrés Digitalizálás A negyedik rész az alapvetõ képformátumok bemutatása mellett, szabadon használható mintaképek gyûjteménye a legkülönfélébb területekrõl: pl. légi- és mûholdfelvételek, fraktálok, természetképek, stb. A közel 200 szabadon felhasználható képgyûjtemény, 3
hasznos eszköze a gyakorlati feladatok elsajátításának és illeszkedik az ismertetett alkalmazási területekhez. A korábban vázoltak szemléltetésére a digitális képfeldolgozást világszínvonalon alkalmazó neves hazai cégek mutatkoznak be az ötödik részben, mint a 6. ábra Silicon Graphics - VRML /Virtual Reality Modelling Language/ bemutató - 6. ábra Falcon-Vision Kft. - Ipari képfeldolgozás Konica Vezérképviselet - Digitális kamerák Hexium Mûszaki Fejlesztõ Kft., - Digitalizáló kártyák. A tananyag kiegészül a további tájékozódást elõsegítõ irodalomjegyzékkel, tárgymutatóval és WWW címlistával. A tanári csomag a fentieken túl az alábbi kiegészítéseket is tartalmazza: Tantárgyi útmutató a hallgatók részére /digitális változat/ Tantárgyi útmutató az oktatók részére /digitális változat/ A tantárgy elméleti és gyakorlati témaköreit ellenõrzõ zárthelyi dolgozatok /2 db, kezelõprogrammal és jelszóval védve/ 15-15 példányban A tantárgy elméleti és gyakorlati témaköreit ellenõrzõ vizsgadolgozatok /1 db, kezelõprogrammal és jelszóval védve/ 10 példányban A tantárgy elõadásának fóliavázlata digitálisan A vizsga-, és zárthelyi dolgozatok megírását kezelõ program /Tanársegéd olvasóprogram 1.0/ 4
1.2. A tananyagok felépítése - alap-, és középfok A tananyag tankönyvbõl [3] - 7. ábra, és egy hozzá tartozó interaktív CD-bõl - 8. ábra áll, amely a gazdasági informatikus képzés alap-, vagy középfokának tananyagát is tartalmazza. 8. ábra 7. ábra A számítógépes grafika alapfokon három alapvetõ részre tagolódik: 9. ábra Az elsõ rész - 9. ábra - a számítógépes képfeldolgozás és grafika elméleti alapjait foglalja össze. Itt az olvasó áttekintést kap a digitális kép fogalmáról, jellemzõirõl, a digitális képalkotás folyamatáról, a képfeldolgozáshoz kapcsolódó hardver és szoftvereszközökrõl és az alapvetõ grafikai jellemzõkrõl. 5
A második részben a személyi számítógépes környezetben elterjedt grafikai programok alapvetõ jellemzõinek bemutatása történik, gyakorlati feladatok elvégzésével (az alábbi programok alapján): Microsoft Paint95 - Windows operációs rendszer esetén - 10. ábra - vagy ClarisWorks - Macintosh OS / Windows operációs rendszer esetén. 10. ábra A harmadik részben a számítógépes prezentáció fogalmi és gyakorlati bemutatása történik. Három, hazai- és világviszonylatban elterjedt prezentációk készítésére alkalmas programrendszer bemutatása mellett, a hallgatók találkozhatnak bemutatók létrehozásával és megjelenítésével, a prezentációkhoz szükséges állományok kezelésével valamint bemutatók kivitelezésének egyes szempontjaival is - 11. ábra. 11. ábra A számítógépes grafika középfokú modul - az alapfokú tananyagra épülve - szintén három részre tagolódik. Az elméleti rész további bõvítéseket tartalmaz, valamint kiegészítésre került a számítógépes grafika alapvetõ felhasználási területeinek bemutatásával. A gyakorlati részek példákkal és számos fogalommal került kiegészítésre. 2. Az oktatás A 12. ábra a korábban ismertetett oktatási anyagok alkalmazási lehetõségeit mutatja az egyes képzési formákhoz tartozóan tantárgyakra lebontva: 6
Tananyag megnevezése Tantárgyi alkalmazások Képzési forma Számítógépes grafika I. /Tankönyv + CD/ Számítógépes grafika alapjai Szakképzés Számítógépes grafika II. /Tankönyv + CD/ Számítógépes grafika Szakképzés Fõiskolai, egyetemi képzés Digitális képfeldolgozás és alkalmazásai /Tankönyv + CD/ Képfeldolgozás alapjai, Számítógépes animáció, Optikai karakterfelismerés, Multimédia alapjai, Képfeldolgozás a kutatásban, stb. Ph. D. képzés, Szakképzés, Fõiskolai, egyetemi képzések 12. ábra 2.1 Digitális képfeldolgozás és alkalmazásai tárgy A digitális képfeldolgozás és alkalmazásai tárgyat, több felsõfokú intézmény is oktatja hasonló tematika alapján. Az alábbiakban összefoglaltuk a két legnagyobb létszámban oktatott Intézményre vonatkozó alapvetõ adatokat - 13. ábra: Intézmény A tantárgy Képzésben Betöltött helye Oktatott létszám 1996-1999 között /fõ/ Óraszám elmélet+gyakorlat / óra / PATE Georgikon Kar PATE Georgikon Kar PATE Georgikon Kar Gábor Dénes Fõiskola Graduális képzés5005 + 5 Szakképzés10021 + 35 Ph. D. képzés105 + 5 Nyílt rendszerû képzés280021 + 7 13. ábra Mindkét intézményben legalább három éve folyik a tárgy oktatása hasonló tematika alapján. A korábbiakban ismertetett képfeldolgozás tankönyv és program mellett egy 7
részletes tantárgyi útmutató és házi feladatok formájában ellenõrzõ kérdések is segítették a hallgatók felkészülését [5, 6, 7]. A tantárgy több, korábban oktatott informatikai tárgyhoz is kapcsolódott, ezek: Matematika, Bevezetés a számítástechnikába Számítógépes grafika, Multimédia eszközök és multimédia szoftver, Kommunikációs eszközök. Annak érdekében, hogy országos szinten közel egységesen valósuljon meg az oktatás tanári egységcsomag készült, amely a tananyag vázlatszerû bemutatását is tartalmazta közel 300 fóliavázlaton. Ezen célt szolgálta az is, hogy az egyes konzultációs központokban a tantárgyat oktató kollégák részére tanári értekezleten került ismertetésre a tantárgy célkitûzése, oktatásának és számonkérésének gyakorlati kérdései [9]. A zárthelyi és vizsga feladatlapok 15 ill. 10 variációban 20-20 illetve 40 ellenõrzõ kérdést tartalmaztak tesztlap formájában. A kérdés adatbázis jelenleg több mint 700 tesztkérdést tartalmaz. A kérdésekhez képek, ábrák is csatolhatók, így gyakorlati jellegû problémák is megfogalmazhatók. A számonkéréshez tartozik egy gyakorlati képfeldolgozási feladat megoldása és bemutatása is. A digitális képfeldolgozás és alkalmazásai tantárgy távoktatási - 21 óra konzultáció és 7 óra gyakorlat- óraszáma a nappali tagozatos oktatásban egy 45 órás tantárgy óraszámának felel meg. Az alábbiakban ismertetünk egy gyakorlati feladatot, amelyet a hallgatóknak önállóan kell megoldaniuk: A gyakorlóprogram segítségével végezzük el a következõ feladatot! Osztályozás_Indít_Képforrás_Tesztkép_Kép9_Módszer_Tanítóval-legközelebbi szomszéd_ Jelöljünk ki egymás után négy pontot, és ezzel négy mintaterületet az input képen. Legyen az elsõ minta a folyó, a második a bal felsõ sarokban látható vöröses mezõgazdasági tábla, a harmadik a mellette lévõ élénkzöld tábla, a negyedik a barnás színû erdõs terület! Ezután: Végrehajt Vizsgáljuk meg az eredményt! Jelöljünk ki több mintát! Hasonlítsuk össze az eredményeket a box módszerrel! Változtassuk a távolságfüggvényt! 2.2 Számítógépes grafika tárgy A szakképzés alap és középfokán alkalmazott tananyag 1999-ben került elõször alkalmazásra. Az interaktív tananyag oktatása az elõzõ két szemeszterben megtörtént. A hallgatóság létszáma a keszthelyi Központban közel 150 fõ volt. Jelenleg több oktatási központ is az országban átvette a teljes I. modult, így széleskörû tapasztalatokról késõbb tudunk beszámolni. A tantárgy bevezetõ jellegû a témakörét tekintve. Tananyagának elsajátítása alapvetõ operációs rendszereket érintõ gyakorlati ismereteket valamint alapvetõ szövegszerkesztési és táblázatkezelési ismereteket igényel csupán. Annak érdekében, hogy egységesen valósuljon meg az oktatás, tanári egységcsomag készült. 8
A tananyag számonkérésére három lépcsõben javasolt az alap ill. középfoknál eltérõen: 1. Az elméleti alapismeretekbõl zárthelyi dolgozat, amely az elméleti témakör ismeretanyagából áll. 2. Önálló számítógépes rajz otthon (középfok: tanórán) történõ elkészítése és beadása elõre megadott szempontok alapján - a CD melléklet mintafeladatának megfelelõen. 3. Maximum 3-5 (középfok: 10-15, multimédia alapelemekkel) oldalas prezentáció önálló elkészítése és bemutatása, szabadon választott téma feldolgozásával - a CD melléklet mintafeladatának megfelelõen. A tanári oktatással, számonkéréssel és önálló feldolgozással kapcsolatos információk az oktatócsomag részét képezik. A tantárgy feldolgozása a 14. ábra alapján javasolt. Mindkét (alap-közép ill. felsõfok) oktatási anyag feldolgozását színesíti, amennyiben a hallgatókat megkérjük egy Interneten elérhetõ (http.//www.georgikon.pate.hu/visual.htm) szubjektív teszt kitöltésére, amely két tömörítõ eljárás pszichovizuális összehasonlítását teszi lehetõvé [10, 11]. Téma A tanítás-tanulás jellege óraszám Csoportos Egyéni gyakorlat tanulás Csoportos elmélet Egyéni gyakorlás Számítógépes képfeldolgozás alapjai 8 10 Grafikai programok alapvetõ jellemzõi 8 16 A számítógépes prezentáció alapjai 8 20 Összesen: 8 16 10 36 14. ábra 3. Tapasztalatok A hallgatók visszajelzéseit összegezve megállapítható, hogy azon hallgatók, akik rendszeresen dolgoznak vagy részt vesznek grafikai, képfeldolgozási vagy videotechnikai jellegû alkalmazásokban, fejlesztésekben kimondottan hasznosnak ítélték az elméleti megalapozást és az egyes eljárások gyakorlásának lehetõségét. Meglepõ volt, hogy ezen hallgatók száma több mint 15 %-a volt a teljes létszámnak. A csupán érdeklõdõ hallgatók elsõsorban az egyes alkalmazásokat - szakirányhoz illeszkedõen - tartották kiemelten fontosnak. Az elõadásokat és a gyakorlatot meglepõen magas számú (kitartó) hallgatóság látogatta. A hallgatóságnak egyes speciális képfeldolgozási eszközök alapszíntû használata (pl. szkenner, kamera) nem okozott különösebb problémát. Igényesebb eszközhasználati ismeretekkel azonban csak néhány hallgató rendelkezett. A kinyert képek elõfeldolgozása, javítása, információ kinyerése újdonság volt. Az alkalmazott 9
szoftverek gyakorlati használata nem okozott nehézséget az elméleti alapok elsajátítása után. Az oktatásban részt vevõ kollégák elismeréssel és örömmel nyilatkoztak a tantárgy felépítésérõl, tartalmáról és a segédletekrõl. A képfeldolgozási tananyag további megítélését mutatja, hogy évente 5-10 diplomadolgozat születik a témában intézményünkben. Az 1999. évi Országos Tudományos Diákköri Konferencián, egy a témával foglalkozó hallgató a Microsoft Magyarország különdíját kapta [8]. A tananyag alapján angol és francia egyetemi hallgatók ill. végzett mérnökök 1-3 hónapos szakmai gyakorlaton sikeresen sajátították el a képfeldolgozás alapjait. Irodalomjegyzék [ 1 ] ÁLLÓ, G - HEGEDÛS, GY. CS. - KELEMEN, D. - SZABÓ, J. (1989): A digitális képfeldolgozás alapproblémái. Mûszaki Tudományok, Az elektronika újabb eredményei. Akadémiai kiadó, Budapest. [ 2 ] BERKE, J.- HEGEDÛS, GY. CS. - KELEMEN, D. - SZABÓ, J. (1996): Digitális képfeldolgozás és alkalmazásai. Keszthelyi Akadémia Alapítvány, ISBN 963 04 7466 2. [ 3 ] BERKE, J. - VIRÁG, M. (1998): Számítógépes grafika és prezentáció, Keszthelyi Akadémia Alapítvány, Keszthely - Talentum Kft., Budapest, ISBN 963 03 4599 4. [ 4] BERKE, J. - HEGEDÛS, GY. CS. - KELEMEN, D. - SZABÓ, J. (1998): Digitális képfeldolgozás és alkalmazásai. Keszthelyi Akadémia Alapítvány - Pictron Kft., Keszthely, Budapest, ISBN 963 03 5116 1. [ 5 ] SZABÓ, J.- HEGEDÛS, GY. CS. - KELEMEN, D. - BODROGI, H. - BERKE, J. (1996): TANKÉP Számítógépes oktató, gyakorló és vizsgarendszer a képfeldolgozás tanításához. Informatika a felsõoktatásban 96-Networkshop 96 Konferencia kiadvány. Debreceni Universitas, 682-688. [ 6 ] SZABÓ, J. (1995): Vizsgáztatás multimédia eszközökkel, Multimédia alkalmazása az oktatásban, Keszthely, 82-85. [ 7 ] SZABÓ, J. BERKE, J. (1997): Képfeldolgozás oktatása távoktatási módszerrel a Gábor Dénes Fõiskolán, Magyar Képfeldolgozók és Alakfelismerõk Országos konferenciája (KEPAF Conference on Image Analysis and Pattern Recognition), Keszthely, 182-185. [ 8 ] HOFFMAN, P. (1999): Számítógépes faipari osztályozás digitális képfeldolgozás alkalmazásával. Gábor Dénes Fõiskola, Keszthelyi Konzultációs Központ, /OTDK dolgozat/. [ 9 ] BERKE, J. - SZABÓ, J. (1998): Digitális képfeldolgozást oktató interaktív tananyag fejlesztése és alkalmazása a felsõfokú képzésben. Agria-Media '98 Információtechnikai és Oktatástechnológiai Konferencia és Kiállítás, 1998. november 5.-7., Eger, 10. 10
[ 10 ] BERKE, J. (1999): Comparison and Application Possibilities of JPEG and Fractal-based Image Compressing Methods in the Development of Multimedia Based Material, IEEE Data Compression Conference - DCC '99, USA. [ 11 ] BERKE, J. KOCSIS, P. KOVÁCS, J. (1997): DCT és fraktál alapú képtömörítõ eljárások pszichovizuális összehasonlítása (Psychovisual Comparison of DCT and Fractal Based Image Compressing Methods), Magyar Képfeldolgozók és Alakfelismerõk Országos konferenciája (KEPAF Conference on Image Analysis and Pattern Recognition), Keszthely, 131-136. 11