Képfeldolgozási célú oktató-fejlesztõ rendszer Hegedüs Gy. Csaba PICTRON Számítás- és Videótechnikai Kft., 1114 Budapest Bartók Béla út 7. Tel: 186-9035, 186-8999 Fax: 186-8940 E-mail: pictron@odin.net Abstract. After a short summary about the general requirements, a brief description of the TULIP (Tutorial for Image Processing) educational system is presented. This is an existing ready-to-market product developed by PICTRON Ltd., that has many beneficial features but that has also strong limitations. In the second part of this presentation, a currently launched project is sketched, with its aims and expectations. In the CERVIP project, one of the basic ideas of the targeted image processing system is, that its behaviour and user interface can be configured for the concrete application. If the system is configured for educational purposes, the user can build up complex processes from the elementary functional units, can set interactively their parameters and can analyse the created system. Comparing with TULIP, this is a step ahead: not only the basic level operations, but the combined structures - in their entirety - can also be examined. This way, a skill of solving the real image processing problems can be gained more directly. Bevezetés A PICTRON Kft. fõ tevékenységi köre képfeldolgozási célú rendszerek fejlesztése, valamint - a szükséges speciális eszközökkel együtt - kulcsrakész rendszerek forgalmazása. A céget olyan szakemberek alapították, akik e területen 15 éves szakmai tapasztalattal rendelkeznek, s a magas színvonalú fejlesztés mellett kezdettõl fogva részt vettek e terület tudományos életében, a késõbbiekben pedig (a Budapesti Müszaki Egyetem Mérnöktovábbképzõ tagozatán) oktatásában is. A több éves oktatási tevékenységet mintegy törvényszerüen követte az elsõ olyan hazai fejlesztésü számítógépes oktatórendszer elkészítése, mellyel a képfeldolgozási ismereteket önállóan lehet elsajátítani. Jelen elõadás - az oktatórendszerekkel kapcsolatos elvárások megfogalmazása után - röviden ismerteti a TULIP (Tutorial for Digital Image Processing) rendszert. Az elõadás második része egy induló projekt fõbb célkitûzéseit ismerteti. A tervezett CERVIP (Configurable Environment for Robust Vision in Industrial Processes) rendszer legalapvetõbb tulajdonsága az, hogy mind a mûködése, mind pedig kezelése az adott feladathoz 'igazítható' (konfigurálható). Az oktatási célra konfigurált rendszerrel a felhasználó összetett folyamatokat építhet fel a beépített funkcionális elemek összekapcsolásával, s elemezheti az egyes paraméterek változtatásának teljes rendszerre gyakorolt hatását. Ezáltal az eddigieknél könnyebben sajátíthatja el a gyakorlati képfeldolgozási feladatok megoldásának készségét. Mit várunk a számítógépes oktatórendszerektõl? A tanítás-tanulás célja információátvitel: a rendszerezett ismeretek (tananyag) közlése, felfogása (dekódolása), megértése és megtanulása. E folyamat hatásossága adaptivitással (a
tanulóhoz való igazodással), valamint pozitív visszacsatolással (pl. számonkéréssel, teszteléssel) növelhetõ. Általánosságban, a számítógépre alapozott oktatórendszertõl a következõ feladatok megoldását várjuk el: a) szolgáljon információforrásként, b) közvetítsen ismereteket (azaz: legyen médium), c) ellenõrizzen, értékeljen, d) irányítsa a tanulási folyamatot, e) gondoskodjon gyakorlásról, gyakoroltatásról. 1992-ben, az elsõ hazai képfeldolgozási célú oktatórendszer fejlesztésének indításakor a felsoroltak közül csak az a), b) és e) pontbeli elvárások teljesítését tûztük ki célul. A következõ pontban röviden ismertetjük a sikeresen lezárult fejlesztés - azóta számos felsõoktatási intézményben használt - eredményét. TULIP képfeldolgozási célú oktatórendszer A többéves fejlesztés eredményeként létrejött rendszer fõbb jellemzõi a következõk: Ismeretanyaga: kb. 300 képernyõoldalon a képfeldolgozással kapcsolatos alapismeretek, a következõ témakörök szerinti csoportosításban: Az emberi látás A képfeldolgozás eszközei Digitális képalkotás Képjavítás Geometriai korrekció Szegmentálás Osztályozás Képkódolás és tömörítés Mozgókép Képhelyreállítás vetületekbõl (A szöveges ismeretanyagot magyarázó ábrák, valamint valódiszínes tónusos képek teszik érthetõbbé. A CorelDraw programmal készített vektoros rajzok igen kis helyet foglalnak, így a teljes rendszer 5 MByte-nál kevesebb helyet igényel.)
Ismeretközlés módja: a WinHelp rendszerprogramra épülõ (annak mûködését a Windows környezet nyújtotta lehetõségekkel módosító) kezelõprogrammal. Röviden összefoglalva: az ismeretanyaghoz tartalomjegyzék tartozik; az egyes oldalak közt elõre-hátra lehet lapozni; a kívánt oldalakhoz könyvjelzõt lehet rendelni és megjegyzéseket is lehet fûzni; a kulcsszavakhoz kiegészítõ magyarázat kérhetõ; az un. hipertext szervezés lehetõvé teszi a témakörök közti ugrásokat. Gyakorlás: a rendszer a következõ megnevezésû gyakorlatokat tartalmazza: Átszínezés Digitalizálási paraméterek Dithering Egyképes mûveletek Geometriai felbontás Geometriai korrekció Gradációs felbontás Hisztogram Kétképes mûveletek Konvolúció Laplace Medián
Osztályozás Profil Sobel Színrendszerek Ujramintavételezés Zajszûrés A gyakorlatok közös jellemzõje, hogy bemeneti képként.tif,.pcx illetve.mmp formátumú kép, tesztkép, a legutolsó mûvelet eredményképe, illetve - digitalizálókártyával rendelkezõ konfiguráción (ld. lejjebb) - a videojelforrásról digitalizált kép használható. A képek színesek ill. fekete-fehér, vagy akár vonalas ábrák egyaránt lehetnek. A mûveletek eredménye.tif illetve.pcx formátumban elmenthetõ. Gyakorlatok elérése: a gyakorlatok az ismeretanyag megfelelõ részénél közvetlenül indíthatók, de összefoglaló táblázatból, valamint külön programból is használhatóak. Eszközök: a szokványos eszközökön (IBM-PC VGA monitorral, Windows 3.x környezethez szükséges kiépítéssel) kívül opcionálisan video-digitalizáló kártya is használható. Ezzel a külsõ video-jelforrás (TV-kamera, képmagnetofon) által szolgáltatott analóg kép a
A TULIP rendszer hiányosságai számítógéppel kezelhetõ adatokká alakítható, s pl. a VGA monitor kijelölt ablakában közvetlenül és folyamatosan megjeleníthetõ. Használható pl. az ADDA cég AVER2000 típusú kártyája. A VGA megjelenítõ 640x480 képpontos geometriai felbontás mellett tetszõleges színfelbontású lehet - megfelelõ kártyával a képek megjelenítése valódiszínes. A hatékony mûködéshez legalább 386DX33MHz gépre van szükség, mely legalább 2MByte operatív memóriával rendelkezik. A TULIP oktatórendszer eredeti fejlesztési célkitûzései közt nem szerepelt az ellenõrzés, irányítás és értékelés. Igy a rendszer abban a értelemben nem interaktív, hogy a felhasználó egyéni képességei és teljesítménye nem befolyásolják a mûködését. Az ismeretanyag bõvítése mellett annak korszerûsítése is fontos lenne - a fejlesztés lezárása óta a módszerek, alkalmazási területek és eszközök egyaránt sokat fejlõdtek. A gyakorlatokkal kapcsolatos legjelentõsebb korlátot az egy-egy funkcióra koncentráló tárgyalásmód jelenti. Hiányzik az összetettség, ami a konstrukciós készség fejlesztését - s ezzel a gyakorlati problémák megoldását - segítené elõ. A következõ pontban vázolt projekt ebben az irányban jelent elõrelépést. CERVIP projekt A következõkben egy olyan nemzetközi projektrõl lesz szó, mely 1995 februárban indult, és amely jelenleg a rendszerterv és propotípus készítésének fázisában van. A CERVIP (Configurable Environment for Robust Vision in Industrial Processes) rendszer COPERNICUS támogatással készülõ, kifejezetten képfeldolgozási feladatok megoldására alkalmas szimulátor-debugger-alkalmazásgenerátor lesz. A rendszer Windows95 környezetben fog mûködni, kifejlesztése Visual C++ V2.0 nyelven történik. A fejlesztésben egy angol (Sheffield University, Dept. of Electronics and Electrical Engineering), két magyar (Pictron Kft. és ASK Kft.) és egy román (Megasys Srl.) partner vesz részt. A kifejlesztendõ rendszer három fõ célkitûzésnek kell, hogy megfeleljen: Mint fejlesztõeszköz, legyen alkalmas - funkcionális modulok kifejlesztésére, - összetett feladatokat megoldó célrendszerek felépítésére (a szerkezeti és mûködési jellemzõket rögzítõ MAKRO-k készítésével), - a teljes rendszer tesztelésére (mûködés, sebesség), - optimalizálásra, - felhasználói felület kialakítására. (A szokásos fejlesztõeszközök nem illeszkednek a képfeldolgozási feladatok sajátos adatszerkezeteihez és mûveleteihez - a CERVIP elsõsorban e téren jelent majd továbblépést. ) Mint ipari alkalmazás, - a kívánt felhasználói felülettel illeszkedjen az adott feladat jellegéhez, - biztosítsa - szükség esetén kiegészítõ hardver elemek felhasználásával -
a megfelelõ feldolgozási sebességet. (A fõ elõny abban jelentkezik, hogy a kívánt rendszer nagyon megbízható, sokszorosan tesztelt építõelemekbõl készülhet, a szokásosnál jóval kisebb fejlesztési ráfordítással. Az esetleges utólagos módosítások nem igényelnek aránytalanul nagy erõfeszítést.) Mint oktatási segédlet, tegye lehetõvé - a funkcionális egységekbõl való építkezést, - a felépített rendszer mûködésének elemzését, - összefüggések vizsgálatát (pl.: paraméterektõl való függés, bemenõ kép zajosságától való függés, algoritmusválasztás hatása), - eredmények dokumentálását. (Az oktatási segédlet a fejlesztõeszköz speciális, szûkített változata.) A célkitûzések értelmében a CERVIP nem kifejezetten oktatórendszernek készül, hiszen nemcsak a bevezetõben említett értékelési, ellenõrzési és irányítási funkciók hiányoznak belõle, de ismeretközlésben is csak a beépített funkcionális elemekre és a kezeléssel kapcsolatos rövid összefoglalókra szorítkozik. A TULIP rendszerhez képest azonban jelentõs elõnyökkel is rendelkezik: nyílt - azaz újabb elemekkel bõvíthetõ - és a gyakorlatban elõforduló problémák megoldását oktatja. Használata ezért elsõsorban azok számára hasznos, akik az alapfokú képfeldolgozási ismereteket már elsajátították, s továbblépésként konkrét szakterület feladatainak megoldásában akarnak tapasztalatot szerezni. Irodalom Brückner H. (1978): Számítógépek az oktatásban, számítógépes oktatás. KSH, Budapest, 1978. Hámori M. (1983): Tanulás és tanítás számítógéppel. Tankönyvkiadó, Budapest, 1983. Szücs P. (1986): Személyi számítógépek az oktatásban. OMIKK, Budapest, 1986. Álló G., Hegedüs Gy. Cs., Kelemen D., Szabó J. (1989): A digitális képfeldolgozás alapproblémái. Akadémiai kiadó, Budapest, 1989. Cs. Hegedüs (1993): CADI: Computer Assisted educational package for Digital Image Processing. In: Computer Analysis of Images and Patterns 5th International Conference, CAIP'93 (September 1993, Budapest, Hungary) Lecture Notes in Computer Science 719. Berlin Springer 1993, pp.770-774. Cs.Hegedüs (1994): Feasibility Study for Developing a Simulator of a Pipelined Image Processing Engine for Research and Real Time Industrial Applications. Final PHARE ACCORD Report, and University of Sheffield, Dept. of Electronic & Electrical Engineering, Electronic Systems Group Memorandum 94/1 (1994) P.Rockett (1994): CERVIP: A Configurable Environment for Robust Vision in Industrial Processes. #01263 COPERNICUS project. University of Sheffield, Dept of Electronic & Electrical Engineering, 17 October 1994