CC BY
231
УДК 004.053+002.6:37.016 ББК 30в6+74.560
Мокрый В.Ю.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБУЧЕНИЯ АЛГОРИТМАМ СЖАТИЯ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ПРИМЕРЕ АЛГОРИТМА JPEG
Mokriy V.Y.
COMPETENCE DEVELOPMENT OF MASTERS OF “PEDAGOGICAL EDUCATION” (INFORMATICS) BY MEANS OF THE MODULE “COMPRESSION OF GRAPHICAL INFORMATION”
Ключевые слова: последовательность обучения, алгоритмы сжатия графической информации, алгоритм JPEG, MATLAB, компетенции, ФГОС ВПО.
Key words: the sequence of training, algorithms of compression of the graphic information, algorithm JPEG, MATLAB, the competence, FGOS VPO.
Аннотация
В статье приводится описание последовательности обучения сжатию графической информации на примере алгоритма JPEG для магистров, обучающихся по направлению «Педагогическое образование» (профиль «Информатика и информационные технологии в образовании»). Исследуются различные варианты проектирования содержания для различных категорий студентов.
Abstract
The article explains the sequence of training to compression of the graphic information on an example of algorithm JPEG for the masters trained in a direction "Pedagogical education " (a profile «Computer science and information technology in formation») is resulted. Various variants of designing of the maintenance for various categories of students are investigated.
В результате анализа имеющихся материалов, направлений научных исследований, содержания образовательных стандартов был сделан вывод об актуальности изучения алгоритмов сжатия данных студентами педагогических вузов [3] и необходимости разработки модуля «Алгоритмы сжатия мультимедиаданных».
Проанализировав требования ФГОС ВПО магистров направления «Педагогическое образование» (профиль «Информатика»), можно определить последовательность изложения материала, круг изучаемых вопросов и выделить компетенции, формированию которых будет способствовать изучение алгоритмов сжатия данных.
Раздел «Алгоритмы сжатия графической информации» является одним из ключевых компонентов модуля «Алгоритмы сжатия мультимедиаданных». Рассматриваются стандарты JPEG и JPEG-2000, алгоритмы фрактального кодирования. Стандарт JPEG является одним из самых применяемых на практике при сжатии графики. Подробно изучаются этапы сжатия с использованием стандарта JPEG. Приведем последовательность изучения алгоритма JPEG:
Рисунок 1 - Последовательность изложения материала
Определив последовательность изложения материала и взаимосвязь основных понятий раздела, приведем темы занятий и круг рассматриваемых вопросов.
1. Обзор алгоритма сжатия 1РЕО. Подготавливается база для дальнейшего изучения материала - необходимо напомнить цель сжатия данных, привести классификацию алгоритмов сжатия информации (в том числе алгоритмов сжатия графики), объяснить, почему для рассмотрения был выбран именно стандарт 1РЕО, продемонстрировать примеры применения алгоритма, его плюсы и минусы.
2. Преобразование цветовых пространств. Здесь важно рассмотреть цветовые модели и цветовые пространства, выделить наиболее распространенные из них, указать цветовые преобразования, которые используются в сжатии изображений. Изучение данной темы должно способствовать формированию у студентов представления о том, как происходит формирование изображения и подготовка к следующему шагу - выполнению преобразований.
3. Использование гистограмм для оценки изображений. Анализ гистограмм позволяет оценить, за счет чего возможно осуществить сжатие изображения. Необходимо привести гистограммы различных изображений, математические характеристики гистограммы (среднее значение, медиана, стандартное отклонение) и показать на различных примерах, каким образом осуществлять анализ гистограммы изображения, какие выводы можно сделать.
4. Ключевые преобразования: субдискретизация, дискретное косинусное
преобразование и квантование коэффициентов. Здесь нужно объяснить ключевые принципы внесения потерь в изображение, какие преобразования необходимо выполнить перед кодированием. Таблицы квантования предусмотрены стандартом, как для компонент светимости, так и для хроматических компонент.
5. Кодирование по алгоритму 1РЕО и оценки результативности сжатия. Важно показать, каким образом происходит преобразование полученного на предыдущем шаге набора коэффициентов в одномерный массив (зигзаг-сканирование), какие алгоритмы чаще всего применяются для кодирования (алгоритм Хаффмана и арифметическое кодирование). Как и на предыдущем шаге, используются таблицы для кодирования полученных коэффициентов. Не менее важным вопросом является декодирование изображения и оценка потерь, внесенных в изображение при сжатии с помощью
отношения PSNR (пиковое отношение сигнал/шум). Кроме того, необходимо показать, что кроме сжатых данных (двоичного представления) передаются таблицы кодирования и квантования, информация о типе примененного алгоритма JPEG (базового, прогрессивного или иерархического) и использованного алгоритма сжатия. Эту информацию можно извлечь непосредственно из структуры изображения, разделенного на сегменты, в которых записана информация о преобразованиях. Добавление служебной информации позволяет однозначно восстановить изображение при декодировании.
Изучение алгоритмов сжатия изображений будет способствовать развитию у магистров ряда компетенций, как общекультурных, так и профессиональных (в областях научно-исследовательской, проектной и методической деятельности [1]). В результате анализа требований и содержания стандарта ФГОС ВПО магистров были выявлены наиболее значимые компетенции, предложены различные варианты изложения материала, по-разному влияющих на формирование компетенций.
Изложение только основных этапов сжатия изображения с использованием алгоритма JPEG (преобразование цветовых пространств, используемые преобразования, энтропийное кодирование) и для демонстрации этапов кодирования используются готовые программы (например, редактор Photoshop), это способствует развитию у магистров преимущественно общекультурных компетенций. В этом случае исследователь-ская и проектная деятельность минимальна, и может быть связана с выполнением заданий в редакторе (по исследованию представлений изображений в цветовых пространствах, использование гистограмм для редактирования изображений). Редактор предлагает возможность выбора различных вариантов сжатия и уровень внесения потерь в изображение. В этом случае можно предложить магистрам выполнить проект (с прило-женным текстом работы) по проектированию формы в среде MATLAB, позволяющей выполнить кодирование изображения с использованием алгоритма JPEG [2, 4, 5].
Допустимы другие варианты изложения материала, способствующие более глубокому пониманию материала и развитию не только общекультурных компетенций. В этом случае предполагается детальное описание каждого этапа кодирования, проведение лекционных и семинарских занятий, выполнение лабораторных работ. Этапы кодирования и способы оценки производительности сжатия рассматриваются на аудиторных занятиях. На лабораторных работах выполняются задания, направленные на исследование этапов кодирования изображений и ключевых преобразований. Для уяснения принципов преобразований задания выполняются как в ручную (например, выполнение ДКП и квантования матрицы коэффициентов), так и с использованием программных средств (например, в среде MATLAB написать программу, выполняющую преобразования и проверить правильность вычислений, сделать выводы о свойствах преобразований). Среда MATLAB упрощает изучение принципов программной реализации исследуемого алгоритма сжатия. Выполнение заданий с использованием системы MATLAB (или другой системы программирования) способствует развитию у магистров компетенции в области информационных технологий.
К внеаудиторным формам самостоятельной работы относятся выполнение заданий по программной реализации этапов преобразования (например, создать форму, позволяющую выполнить исследование зависимости степени потерь при сжатии от заданных параметров, исследование способов оценки производительности сжатия) и подготовка к семинарским занятиям.
Круг рассматриваемых вопросов, специфика преподаваемого материала предоставляют основания для формирования компетенций в области научно-
исследовательской деятельности. Например, можно исследовать зависимость результатов сжатия от разрешения изображения или используемого преобразования. В качестве базового преобразования целесообразно выбрать дискретное косинусное преобразование (ДКП), для сравнения можно предложить исследовать другие распространенные преобразования, например, преобразование Фурье. По результатам исследования нужно сделать вывод о возможностях использования преобразования для сжатия изображения. Другим возможным направлением исследовательской работы является рассмотрение различных типов цветовых преобразований и примеров их использования для сжатия изображений. Выполненный проект выносится на защиту и представляется на итоговом занятии.
Развитию компетенций в области проектной и методической деятельности способствует подготовка и проведение семинарских занятий. Подготовка к семинарским занятиям позволят магистрам глубже познакомиться с изученным материалом, рассмотрев примеры применения изученного алгоритма. Магистры могут выбирать темы для подготовки к семинарам, исследуя аспекты, которые не были непосредственно изучены на занятиях, предлагать новое содержание.
Для организации взаимодействия с магистрами в процессе обучения был создан сайт (https://sites.google.com/site/szatieinformacii/).
Содержание сайта сгруппировано по двум категориям - страницы, на которых выложены материалы по темам модуля (раздел «занятия курса») и страницы, на которых размещаются задания для самостоятельной работы. На страницах «Самостоятельная работа», «Самостоятельная работа 1», «Задание на зачет - проект» выложены презентации и доклады студентов, подготовленные ими для выступления на семинарских занятиях. Выбору сайта в качестве ключевого инструмента взаимодействия со студентами способствовало наличие возможности разнообразия способов подачи материала, быстрого обновления материалов и средств обратной связи.
Содержание раздела проектировалось для магистров направления «педагогическое образование». В то же время анализ содержания стандартов и образовательных программ показал актуальность разработанного модуля для других категорий студентов, например, бакалаврам и магистрам направления «Информационные системы и технологии» позволяет спроектировать содержание раздела, и построить последовательность обучения студентов, сделав акценты на способах программной реализации и практическом примене-нии изучаемого алгоритма.
Библиографический список
1. Баранова Е.В., Симонова И.В. Современные технологии обучения при подготовке магистров по программе «Информационные технологии в инновационном образовании» // Материалы конференции «Педагогическое образование в переходный период: результаты исследований 2010 года». - 2 марта 2011 года. - СПб.: Лема, 2011. - 391 с.
2. Курсы лаборатории компьютерной графики ВМИК МГУ [Электронный ресурс]: URL: http://courses.graphicon.ru/main/.
3. Мокрый В.Ю. Учебный модуль «Сжатие мультимедиаданных» как инструмент развития профессиональной компетентности будущих учителей информатики // Письма в Эмиссия. Оффлайн (The Emissia.Offline Letters): электронный научный журнал. - Июль, 2010, ART 1435. - СПб., 2010 г. - URL: http://www.emissia.org/offline/2010/1435.htm
4. Проекты, выполненные в среде MATLAB [Электронный ресурс]: URL:
http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/.
5. Хусаинов Н.Ш. Руководство к набору лабораторных работ "Кодирование изображений с использованием пакета МАТЬАВ" по дисциплине “Теория кодирования информации". - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2008. - 60 с.
