OBJETOS DE APRENDIZAGEM NO ENSINO DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE                          IMAGENS                            ...
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OBJETOS DE APRENDIZAGEM NO ENSINO DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS

  1. 1. OBJETOS DE APRENDIZAGEM NO ENSINO DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS Pedro Henrique Cacique Braga, Alexandre Cardoso Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia – MG, phcacique@gmail.com, alexandre@ufu.br Resumo - O objetivo deste documento é apresentar o de resignificar as formas de aprender e ensinar dentro e foraObjeto de Aprendizagem IMAGINE, que tem como da escola.objetivo facilitar o ensino de Processamento Digital de A aprendizagem é um processo tão antigo quanto aImagens em cursos presenciais e a distância, bem como própria existência humana e se desenvolve constantementeapresentar a tecnologia utilizada na construção do mediante as contribuições de pesquisadores e educadores.mesmo e os parâmetros padronizados pelo IEEE Nesse contexto, destaca-se a busca de metodologias deLearning Technology Standards Comitee ensino mais adequadas ao contexto social e aos avanços que a sociedade da informação e do conhecimento apresentam. Palavras-Chave – Objetos de Aprendizagem, Diante desse cenário é possível dizer que Educação eProcessamento Digital de Imagens, IEEE Learning Tecnologia se conectam, interagem no processo educacionalTechnology Standards Comitee, Flash, Actionscript evidenciando a necessidade de desenvolvimento de ferramentas compatíveis as novas exigências. LEARNING OBJECTS FOR DIGITAL Diante desse quadro destacam-se os Objetos de IMAGE PROCESSING STUDIES Aprendizagem. Chamamos de Objetos de Aprendizagem (OA), a junção tecnologia/educação, ou seja, "qualquer Abstract - The purpose of this paper is to present the entidade, digital ou não digital, que possa ser utilizada,learning object IMAGINE, which objective is to make the reutilizada ou referenciada durante o aprendizado suportadoteaching technique of Digital Image Processing easier in por tecnologias" [1].distance and attendance courses, as well as presenting Os Objetos de Aprendizagem são ferramentas criadas parathe technology used for its development and standard atender públicos e conteúdos específicos, por isso, atendemIEEE Learning Technology Standards Committee as propostas da alfabetização ao ensino superior.parameters. O Ministério da Educação [2] disponibiliza um Banco 1 Internacional de Objetos Educacionais e incentiva a criação Keywords - learning objects, digital image processing, de novos projetos. Segundo esta mesma fonte, a distribuiçãoIEEE Learning Technology Standards Committee, Flash, dos OA não é uniforme, tendendo ao crescimentoActionscript. principalmente nas áreas de Ensino Superior (na nova modalidade, EAD) e nos Ensinos Fundamental e Médio, em NOMENCLATURA detrimento das demais áreas, como a educação profissional e o Ensino Superior Regular, por exemplo. AS ActionScript A Fig. 1 reflete o crescimento do uso da tecnologia como EAD Ensino a Distância instrumento educacional. Percebemos que o uso de OA no MATLAB Matrix Laboratory ensino superior regular ainda está aquém da sua real OA Objetos de Aprendizagem capacidade. RA Realidade Aumentada PDI Processamento Digital de Imagens POO Programação Orientada a Objetos I. INTRODUÇÃO As novas tecnologias da informação e do conhecimentoemergem com visibilidade no cenário educacional. Diversaspesquisas e ferramentas são desenvolvidas com o propósito Fig. 1. Distribuição dos Objetos de Aprendizagem cadastrados no Banco Internacional de Objetos de Ensino, do MEC, de acordo com o nível de ensino.
  2. 2. O processo cognitivo do ser humano pode beneficiar-se são dependentes da base de conhecimento gerada em cadacom a associação de todos os seus sentidos na construção de uma delas, conforme mostra a Fig. 2.um conceito. E os OA proporcionam de certa forma maiores A base de conhecimentos é incrementada a cada etapa dopossibilidades interativas e desafiadoras para aqueles que os processo, por isso pode ser considerada uma base dinâmicautilizam. [4]. Na grande área das Engenharias, percebe-se muitosconceitos e teorias que seriam melhor apresentados seutilizadas as ferramentas dos OA promovendo uma domínio do problemaaprendizagem mais interativa, estimulando os sentidos e asformas de pensar dos alunos. O Processamento Digital de AquisiçãoImagens também se encontra entre as áreas e/ou conteúdosque podem ser dinamizados [3]. Este artigo apresenta o projeto IMAGINE, que se refere a Pré-Processamentoum Objeto de Aprendizado baseado na interação entresoftware e usuário de maneira a possibilitar o Base Segmentaçãodesenvolvimento de conceitos. de Para apresentar o projeto serão abordados nos próximos Conhecimentotópicos deste documento as etapas do processamento de Representação e Descriçãoimagens e como elas são aplicadas na construção e utilizaçãodo IMAGINE, tendo em vista as normas e padrões do IEEE. Reconhecimento e Interpretação II. PROCESSAMENTOS DE IMAGEM Os sistemas de processamento de imagens são resultadoconstituídos de um conjunto de etapas que levam umelemento do domínio do problema a um resultado plausível. Um processo para tratamento de uma imagem deve seguir Fig. 2. Etapas de um sistema de processamento de imagens.alguns passos para a geração de um resultado. São eles: É importante observar que um sistema de PDI contém todas estas etapas, mesmo que elas façam uso de tecnologias1. Aquisição diferentes e sejam realizadas por softwares e/ou hardwares Trata-se da captura da imagem por um sensor ou diferentes em cada etapa.dispositivo e a conversão da mesma em um modelo capaz deser representado digitalmente. A. Modelo de imagem2. Pré-processamento A aquisição de uma imagem geralmente traz consigo Uma imagem, durante seu processamento, é vista comoimperfeições, originadas por diversos fatores, como a um arquivo que contém informações sobre os valores deiluminação do ambiente ou outras características do cores de cada pixel da imagem. O pixel é a menor unidade dedispositivo de captura. A melhora da imagem através de medida de uma imagem. Resolução é a densidade de pixelssuavização, correção de brilho e contraste e atenuação do da imagem, isto é, a quantidade de pixels de uma imagemruído é realizada nesta etapa do processamento. por sua dimensão. Tais valores estão dispostos em matrizes que contém geralmente os valores RGBA (red, Green, blue,3. Segmentação alpha), que são os valores de tons vermelhos, verdes, azuis e Esta é a etapa na qual são extraídas as porções da transparência. A combinação destes valores nos dá aimagem que têm relativo interesse no tratamento. A intensidade luminosa de determinado pixel.segmentação pode ser feita por diferentes métodos e pode A análise e transformação pictórica são feitas medianteselecionar regiões, bordas e/ou preenchimentos da imagem. análise e transformação de pixels de maneira individual e/ou coletiva. Muitos métodos se dão a partir da análise da4. Representação e Descrição conectividade entre pixels. Nos filtros de convolução e de O armazenamento e a manipulação de dados pictóricos correlação, por exemplo são analisados os 8 pixels ao redorsão realizados na representação e a descrição é responsável do pixel original.pela extração de propriedades e características do objeto. B. Métodos matemáticos5. Reconhecimento e Interpretação Reconhecimento é o ato de atribuir um identificador a As transformações pictóricas podem ser realizadas dedeterminada informação e Interpretação consiste em atribuir diferentes maneiras. Existem métodos de transformação dasignificado ao conjunto de dados reconhecidos. imagem bastante diferentes, entretanto, é possível destacar os métodos de filtragem no domínio espacial e os métodos no Observa-se que estas etapas formam um roteiro para o domínio da freqüência.processo de tratamento pictórico, estão interligados entre si e
  3. 3. Os métodos de filtragem no domínio espacial se referem bibliotecas virtuais existentes. A tecnologia Flash foiao plano da imagem, ou seja, ao conjunto de pixels que escolhida para que esta seja difundida ainda mais no meiocompõem uma imagem. acadêmico, mostrando que é possível usar a animação Neste domínio, o processo de filtragem é realizado a partir bidimensional, bastante explorada no entretenimento, para ade máscaras, que são matrizes quadradas com valores formação de profissionais com eficiência e eficácia.específicos em cada elemento, que servem como peso para o O Processamento Digital de Imagens vem sendo ensinadovalor de cada pixel vizinho ao central. A Fig. 3 mostra como de maneira teórica, através de material impresso e muitasuma imagem é vista no domínio espacial, bem como uma vezes desatualizado. Acredita-se que o contato com a práticamáscara é analisada. é um dos métodos mais eficientes neste processo educativo [3]. A criação de OA para tais fins faz com que as práticas x educativas avancem um passo mais rumo ao equilíbrio com a M tecnologia atual. y x x x IV. APRESENTAÇÃO DO IMAGINE n W(i,j) N x . x A. Linguagens De Programação x x x As diferentes linguagens de programação existentes nos m imagem fornecem meios diferentes para chegar ao mesmo fim, sendo este o processo de transformação pictórica e aqueles os Fig. 3. Filtragem no domínio espacial diferentes algoritmos utilizados. Dentre as diferentes linguagens, adotaram-se como A correlação da imagem f com um filtro w pode ser principais o Actionscript, em suas versões 2.0 e 3.0,expressa através da equação 1. utilizadas em momentos distintos e agrupadas em um documento principal elaborado na versão 2.0 e a linguagem de programação MATLAB. O Actionscript (AS) é a (1) linguagem de programação orientada a objetos do software Adobe Flash, que hoje encontra-se na versão CS4. O Flash é Onde: uma das mais poderosas ferramentas de edição de animações bidimensionais, mas não se restringe a este campo def(x,y) - Imagem atuação, podendo ser utilizado para diferentes fins quew(x,y) - Matriz quadrada – máscara envolvam POO.m - Número de colunas da imagem Simultaneamente ao software principal geraram-sen - Número de linhas da imagem algoritmos em MATLAB, software produzido pela Mathworks, voltado principalmente para o cálculo numérico, A convolução por sua vez, pode ser expressa através da que apresenta métodos de visualização de gráficos e criaçãoequação 2. de aplicações gráficas. (2) B. Design E Funcionalidade Onde: Explorando ao máximo as funcionalidades de animação por interpolações de movimento e de forma e quadro af(x,y) - Imagem quadro disponíveis no Flash, desenvolveu-se um layoutw(x,y) - Matriz quadrada – máscara prático e dinâmico. O menu superior contempla todas asm - Número de colunas da imagem ferramentas disponíveis ao usuário, contempladasn - Número de linhas da imagem separadamente em cada menu suspenso. O menu Arquivo apresenta as ferramentas de abertura de Para a aplicação de filtros como este, são necessárias m*n uma imagem, captura através de câmera, bem como ositerações aplicando as máscaras determinadas nas recursos de manipulação do software.conectividades estabelecidas. O menu Filtros apresenta atalhos para os filtros pré- A base das técnicas de filtragem no domínio da freqüência definidos de cores, brilho, contraste e algumas máscaras pré-é o teorema da convolução. [5] determinadas. No menu Transformadas estão localizadas as transformadas de primeira e segunda derivada como a de III. MOTIVAÇÃO Fourier e a de Haar, por exemplo. Para superar as deficiências do modelo formal de ensino é Existem ainda os menus Ajuda e Contato que apresentamnecessário sair do lugar comum em que se encontram os tópicos de ajuda sobre cada tela e sobre a teoria apresentadaatuais programas de ensino universitário e atualizar as e formulários de contato com os autores respectivamente.
  4. 4. A Fig. 4 é uma impressão da tela do software quando etapas de Aquisição, Representação e Descrição,carregada uma imagem de exemplo. A barra lateral direita Reconhecimento e Interpretação.apresenta uma série de operadores que permitem ao usuário a Utilizando-se das clases BitimapClass[9], Papervision[11]criação de novos filtros e transformadas. e Flartoolkit[8], criou-se uma aplicação na área de realidade aumentada. Esta aplicação utiliza como dispositivo de captura uma webcam. Criou-se, também, um marcador impresso, como o apresentado na Fig. 6, com o qual o usuário é capaz de interagir com o software. Fig. 5. Exemplo de marcador para aplicação de reconhecimento e interpretação em Realidade Aumentada A aplicação de RA é bastante simples e utiliza a câmera do usuário para reconhecer o marcador impresso e mostrar Fig. 4. Software Imagine, com imagem carregada e função sobre ele um modelo tridimensional do personagem Yoshi, Chroma- Key adicionada. criado por Shigefumi Hino, designer gráfico da Nintendo. O usuário pode movimentar o marcador, realizando Existem ainda, na barra inferior, atalhos para as principais movimentos de translação e rotação do mesmo para quefunções realizadas. A saber: carregamento de uma nova visualize por completo o modelo apresentado.imagem, geração de códigos em MATLAB e apresentação Quando o dispositivo captura a imagem é iniciado umdos histogramas da imagem. processo de reconhecimento de padrões, baseado na É importante ressaltar que o histograma estará acessível conectividade entre pixels. É feita uma detecção de padrõesao usuário sempre e quando haja uma imagem carregada. através da segmentação de regiões. Quando reconhecidos osEste gráfico é alterado de acordo com cada filtro aplicado. padrões, através da classe Flartoolkit, rótulos são criados em Os códigos em MATLAB são gerados ao pressionar o cada região da imagem. Estes rótulos são comparados com osbotão abaixo com o logotipo do software. Uma janela de existentes na base de conhecimentos do software. Quandoexemplificação dos filtros e transformadas é aberta, como ambas informações são equivalentes, a classe Papervision éexemplificado na Fig. 5, e o usuário pode verificar a acionada e o modelo tridimensional é apresentado no monitorconsistência da informação fornecida. junto ao usuário.[6] Todas as classes utilizadas neste material são de domínio público ou licenciadas por seus criadores, reservando os direitos de alteração, com livre utilização, desde que os mesmos sejam referenciados nos códigos-fonte. V. LICENÇAS DE USO DO SOFTWARE Por se tratar de um software educacional, o Imagine deve ser licenciado junto a um órgão oficial. Dentre as diferentes licenças existentes, o selo Creative Commons se adéqua aos princípios deste projeto por se tratar de uma licença reconhecida mundialmente. [7] Foram escolhidos os seguintes critérios de licenciamento para esta obra: Fig. 5. Janela MATLAB com aplicação da binarização de uma imagem inicial. 1. Permitido o uso comercial 2. Alterações de código apenas com autorização dos Além do tratamento de imagens fixas, o software Imagine autoresproporciona experiências de aplicação em PDI, sobretudo nas
  5. 5. O selo da licença deve estar presente nos sites [9] Adobe Help. Bitmap. Acedido em 13 de Janeiro derelacionados ao projeto, no software desenvolvido e nos 2010, em:guias do usuário e do programador impressos e/ou virtuais. http://www.adobe.com/livedocs/flash/9.0/ActionScriptL angRefV3/flash/display/Bitmap.html [10] Papervision. Papervision3d. Acedido em 10 de janeiro VI. CONCLUSÕES de 2010, em: http://blog.papervision3d.org/ A partir do desenvolvimento do OA Imagine e dasinvestigações sobre o uso destas ferramentas no ensinosuperior constatou-se a sua validade e eficiência. O resultadofinal deste projeto foi apresentado a professores queministram a disciplina de PDI na Faculdade de EngenhariaElétrica de Uberlândia e a professores ligados à Faculdade deEducação da mesma instituição. Foram feitos estudosjuntamente a estes professores selecionados, que verificarama eficiência do método adotado junto aos padrões de ensinoadotados pela instituição. Para o Processamento Digital de Imagens é possível criarambientes interativos que favorecem a aprendizagem,explorando os distintos métodos e linguagens deprogramação, bem como a interação entre elas para a melhorcompreensão do estudante da disciplina. As ferramentas de animação, já existentes no mercado,também são eficazes para sistemas de PDI, capazes de criar ainteração entre software e usuário de maneira atrativa efuncional. VII. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao professor Mestre em Engenhariade Computação Francisco Eduardo Martínez Pérez, daUniversidad Autónoma de San Luis Potosí - México, pelacolaboração neste trabalho. VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] Learning Technology Standards Commitee. WG12: Learning Object Metadata. Acedido em 13 de Fevereiro de 2010, em: http://ltsc.ieee.org.[2] Banco Internacional de Objetos Educacionais (2010). Estatísticas. Acedido em 21 de Abril de 2010, em: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br.[3] R. V. Belhot, J. D. O. Neto. A solução de Problemas no ensino de engenharia. XIII Simpósio de Engenharia de Produção, 2006. Bauru[4] R.C. González, R.E.Woods, “Digital Image Processing”, Edgard Blucher, 3ª Edição, 2000.[5] H. Pedrini, W.R. Schwartz, “Análise De Imagens Digitais - Princípios, Algoritmos E Aplicações”, Pioneira Thomson, 1ª Edição, 2008.[6] Adobe Developer Connection. ActionScript Technology Center. Acedido em 09 de Março de 2010, em http://www.adobe.com.[7] Creative Commons. License your work. Acedido em 22 de Abril de 2010, em: http://www.creativecommons.org.br/.[8] Saqoosha. Flartoolkit. Acedido em 19 de Fevereiro de 2010,em: http://saqoosha.net/en/

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