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基于Unity3D的图像压缩编码游戏化教学系统设计与实现

2024-08-20 54 上传者：管理员

摘要：设计并实现了基于虚拟现实技术的游戏化教学系统，以完成图像压缩编码基本理论知识、图像压缩编码方法实验操作教学计划为导向，借助Unity3D平台的导航系统、粒子系统、动画系统等技术，创建出虚拟可视化情景式图像压缩编码教学环境，向学生展示了比传统教学模式更直观立体的图像压缩操作方法，并建立了多维有效的教学场景。学生自主参与图像压缩实验的全过程，在无限可能的虚拟场景中寻求解决问题的方法。

关键词：
Unity3D
图像压缩编码
情景式教学
数字图像处理
虚拟现实技术
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图像压缩编码技术是“数字图像处理”课程的重要教学内容，在电子信息类专业、电气、自动化等专业领域应用广泛。图像压缩编码技术性强、方法丰富、涉及知识面广。学生在有限的传统课堂时长内学习效率低，难以理解理论知识所要呈现的操作方法，传统教学方式单一的缺点凸显。如果在传统教学的基础上，融入新一代计算机技术，形成数字化教学，可以达到如虎添翼的教学效果。国内外有多种教学方法，但尚未开发利用虚拟现实技术的图像压缩编码教学系统[1-3]。

根据山东科技大学应用基础型人才培养特色院校的定位，按照专业工程教育专业认证建设标准，山东科技大学电子信息类专业致力于打造应用创新型人才培养目标。“数字图像处理”课程成为首批国家级一流本科课程、国家级精品在线开放课程、国家级精品课程、国家级精品资源共享课。在此基础上课程教学与VR教育相结合，使用虚拟现实技术赋能图像压缩编码的教学方式，设计并实现了基于Unity3D的图像压缩编码游戏化教学系统，通过虚拟现实技术在模拟学习场景中定义实体，通过具象化的表现直观地将图像元素展现在学生面前，通过模块化的布局使系统符合合理的教学规律，通过娱乐化的实现方式增强学生的学习兴趣，多元化融合的教学系统将图像压缩编码知识直观有效地教授给学生。

1、教学设计及系统框架

根据图像压缩编码知识特点设计，实现了图像压缩编码游戏化教学系统，在“数字图像处理”课程中，图像压缩编码知识包括图像压缩的基本原理、无损编码方法、有损编码方法，根据知识体系分别为每个知识点设计故事情节及实体元素。通过情景可视化的方式，让学生更加直观地了解图像的知识；通过动画、音、视频、文字相结合的形式，结合定义知识实体方式，对压缩变换过程进行分析展示及相关理论知识的教学；通过定义题目实体进行考核，整个系统操作产生的数据通过数据管理模块进行管理并显示。教学设计思路如图1所示。

根据课程结构及教学需求分析，将教学系统设置为3个场景，分别为故事情节演绎场景、理论知识学习场景、执行解救任务场景。其中故事情节演绎场景主要介绍故事情节，知识点的体现主要在知识理论、知识学习场景、执行解救任务场景，旨在学习和巩固图像压缩编码知识及实验训练。根据学习任务重点，融入图像压缩与编码基本原理、无损压缩编码及有损压缩编码等知识点；根据知识特点进行教学设计，旨在让学生在虚拟立体的环境中更加深刻地掌握知识，同时锻炼图像压缩编码方法的实操能力。根据合理的学习周期系统设计了登录注册、理论学习及实验、综合考核、数据管理4个模块，教学系统框架如图2所示。

图1 教学设计思路

图2 教学系统框架

2、教学系统设计及实现

2.1 图像压缩基本原理教学设计

教学系统设计图像压缩的基本原理为第一教学理论模块，旨在让学生掌握理论知识，了解图像基本信息，包括图像信息的冗余、图像压缩保真度准则、图像压缩模型。目标教学系统的实现方式是通过视频、图片、文字、动画的组合形式，发挥二维教学方式的作用，结合三维立体方式创建，知识的具象化实体，直观展示图像元素间关系。

(1)图像信息的冗余教学设计。

教学系统根据知识特点设计合理的情节机制及教学方式，针对图像信息的冗余设计实体组代表图像像素块，结合按钮实现图像冗余定义的动画展示，实现方法为在图像像素块实体组挂载注册触发函数，学生点击按钮将同一灰度值归并到同一个空间，即可观察到每个灰度值的数量[4]，点击计算按钮结果代表某个灰度值的出现概率，且按钮实体本身写有概率计算公式。像素间冗余的教学设计为将一张静态图片及其部分像素值矩阵展示在学习环境中，点击按钮去掉特定的部分像素，观察对图像的影响，以直观的图像变化阐述像素间冗余的概念。像素间冗余是一种与像素相关性有直接联系的数据冗余。对于1张静态图片存在空间冗余，这是由于在1张图片中单个像素对图像的视觉贡献常常是冗余的，可借助其相邻像素的灰度值进行推断。对于连续图片或视频，还会存在时间冗余，大部分相邻图片间的对应点像素都是缓慢过渡的。心理视觉冗余与视觉形成机制有关，不同的人对于同一张照片产生感觉有差异。知识实体样例如图3所示。

图3 知识实体样例

图4 图像压缩模型

图5 图像压缩模型的实体场景

(2)图像压缩模型教学设计。

由于教学系统设有对学生实验操作的要求，了解图像压缩模型是了解并掌握实验方法的前提。图像压缩编码在满足一定保真度和图像质量的前提下，对图像数据进行变换、编码和压缩，去除冗余的数据以减少表示数字图像时需要的数据量，便于图像的存储和传输[5]。以较少的数据量有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术也称图像编码，图像压缩模型如图4所示。图像压缩模型知识特点明确，步骤明确，根据知识特点教学系统设计5个实体，分别代表图像压缩模型的5个步骤，排列在场景中，点击相应的实体会出现音视频讲解和文字说明。图像压缩模型的教学具有理论性强、对于立体直观的需求较弱的特点，因此选择音视频文字结合定义实体的方式进行图像压缩编码模型的教学。图像压缩模型的实体场景如图5所示。

(3)保真度准则教学设计。

教学系统设计为保证保真度准则的教学效率，此部分知识涉及公式计算，概念性强，因此教学系统通过实体定义原始图像和压缩后图像，为实体添加按钮组件，点击实体触发按钮注册事件，出现原图像与处理后图像的对比，直观地观察在不同误差范围的情况下，压缩后图像的保真程度，体会保真度准则的含义。在此场景内设置检测题目作为获得学习材料的阻力。将均方根误差及均方信噪比的计算公式元素设计为实体，将其拼成正确的公式即可触发函数调取相关保真度准则的音/视频或文字讲解。

2.2 无损编码方法教学设计

教学系统目标为培养学生的应用能力，学生通过教学系统的学习可获得根据不同场景选择不同压缩方式的能力。根据图像压缩编码过程中有无损失，分为有损编码和无损编码。信息无损编码为传送过程中的信息没有损害的编码方式，用无损编码压缩的数据是可以完全恢复的，解码后的数据与原始数据完全一致。有损编码在编码过程中要丢失不易察觉的信息，且丢失的数据不可恢复[6]。教学系统设计动画展示通过有损和无损压缩后的图片对比，表明对于有损和无损压缩图片存在人眼无法区别的可能。其中无损编码方法特点是操作性强、应用性强，所以教学系统通过设计实验及应用场景来实现无损编码方法的教学，通过实验训练和应用使学生掌握无损压缩编码方法的操作，结合动画式音视频文字讲解本节知识，无损编码方法教学实体场景如图6所示。教学系统学习场景储存了多种形式的学习材料，在进行霍夫曼编码数据传送时，按照霍夫曼编码的实现步骤，学生找到任务点即可触发上述学习材料的隐藏点，只有通过知识的学习任务才可以继续学习。霍夫曼编码应用性强，因此教学设计侧重于实验训练模块的应用，教学系统通过定义霍夫曼编码步骤的实体组，实体体身写有此编码方法步骤的详细介绍，将其打乱顺序摆放，学生将以上的乱序实体变为有序实体，即可获取霍夫曼编码实验的训练材料，通过材料进行实验教学，并应用在后面综合考核的场景中。为增强学生的学习能动性，将音/视频或文字讲解材料作为需要继续任务的关键材料隐藏，阶段性检测和实体触发是获得关键材料的手段。

图6 无损编码方法教学实体场景

2.3 有损编码方法教学设计

教学系统对于有损编码的教学设计主要侧重JPEG压缩标准，结合传统教学方式，播放动画、音/视频，结合文字说明对JPEG压缩标准展开理论教学。压缩图像分块的教学设计方法侧重于利用音/视频或文字讲解，结合实验操作展开教学。结合定义知识的具象化实体直观展示图像颜色模型间的转换关系，教学系统对色彩模型的转换的教学通过虚实结合思路进行设计，以动画形式讲述JPEG压缩编码使用YUV颜色模型的原因，以及按照4∶2∶0的比例色度抽样过程，结合对图片的操作使学生直观感受人类对于亮度和色度的敏感程度，通过不同比例取样后对于图像视觉上的影响。经颜色模型的转换与采样后将图像分为8×8像素块，对每个像素块利用离散余弦变换进行频域编码，生成一个新的8×8的数字矩阵。对于不能被8整除的图像大小，需对图像填充使其可被8整除，通常使用0填充。教学系统对于图像分块步骤教学设计思路为在理论教学模块通过万彩大师动画制作软件对JPEG压缩详细步骤进行动画的制作并导入Unity3D中与实体结合并适当调参[7]。颜色模型转换与图像分块设计如图7所示。

图7 颜色模型转换与图像分块设计

根据DCT变换的部分重点知识分析，教学系统对于DCT变换的教学设计为定义知识的具象化实体，结合动画播放展示DCT变换后的频域图像，展示对高频信息分别以不同比例取样产生的压缩图像的结果。为直观展现zigzag排序的方式，场景内设置画笔，学生可使用画笔模拟其扫描方式。学生通过鼠标右键进行点击实现画图操作。根据上述知识的分析，JPEG压缩算法知识具有操作要求高、知识集成度高的特点[8]。因此设计了理论教学和实验训练相结合的方式对其展开教学，通过动画式音视频文字讲解后，结合定义知识的具象化实体展现图像变换间的关系，通过游戏化的方式将实验应用题目隐藏，通过探索寻找到场景中的电子显示屏实体点击调取题目面板，使用MATLAB完成实验操作。实验实体场景如图8所示。

图8 实验实体场景

2.4 考核教学系统设计

教学系统根据学生执行任务时的表现进行分数统计并实时显示在执行任务界面，当学生完成视频观看、回答题目、实验操作等学习任务时，学生的成绩会增加相应的分数，反映了知识掌握程度，以便学生实时关注。教学系统利用UGUI中的Text组件进行显示设置，结合代码实时变换分数详情。任务执行结束，最终分数将会通过教学系统的数据管理功能保存，考核设计思路如图9所示。执行解救任务场景旨在对学生学习的内容进行巩固，学生需要通过提示来找到避障的密码，躲过所有障碍之后最终解救成功，并根据整个学习过程的表现给予相应的分数，此时的分数则为学生最终的考核成绩，任务执行结束，最终分数将会通过教学系统的数据管理功能保存。

图9 考核设计思路

3、教学应用及评价

教学系统通过充足的测试和优化后保证了所有的功能满足设计需求，且都运行正常。该教学系统已于2023年在本研教学中进行了使用，其中本科生已有4个班级约180人使用了2个学期。通过问卷调查的形式对学生的使用感受进行了调查。调查问卷设置有11道题目，包括教学设计是否合理、通过游戏化教学系统的学习是否有所提升、通过什么方式学习图像压缩编码知识及是否达到了教学目标，以及邀请体验者给出自己的意见等。部分调查问卷结果如图10所示。根据调查分析得出结论，大多数学生较喜欢虚拟现实技术支撑的教学课堂，实现了使用教学系统的目的。

4、结语

教学系统以完成图像压缩编码的教学计划为主线，根据图像压缩编码的知识特点设计故事情节和虚拟场景，合理地将图像压缩编码知识与故事情节相融合，包括图像信息的冗余、图像编码方法分类、图像压缩模型、霍夫曼编码、算术编码、行程编码、JPEG编码方法及实验操作等，通过在虚拟场景中定义实体展开直观的教学。教学系统设计了实验训练，供学生了解图像压缩编码各类方法的编程，设计考核机制来验证学习效果，符合完整的教学过程和教学规律，教学系统满足教学要求与设计初衷。

图1 0 调查问卷结果

参考文献:

[1]赵慧,王小军,王运,等.基于FPGA的图像压缩编码教学实验设计[J].信息技术与信息化,2021(11):225-227.

[2]李新利,宋哲,黄从智,等.基于综合评判的图像压缩软件在图像处理与分析教学中的应用[J].中国教育技术装备,2019(4):46-48.

[3]张玲.混合式教学在高校图形图像处理课程中的运用[J].长春大学学报,2020,30(12):98-101.

[4]王婧,高博.基于VR的视频图像处理效果优化仿真研究[J].计算机仿真,2021,38(3):148-151.

[6]何杰.化工仿真中图像处理图形学编程研究[J].物联网技术,2021,11(10):97-99.

[7]唐玉.基于系数预测的JPEG-XR图像压缩编码优化[D].重庆:重庆大学,2020.

[8]陈超伟.基于JPEG2000编码优化的小型图像压缩教学系统设计[D].天津:天津大学,2018.

基金资助:2022年教育部产学合作协同育人项目(项目编号:220900287094726); 2022年中国高等教育学会高等教育科学研究规划重点课题(项目编号:22SZH0213); 2021年全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题(项目编号:2021MXJG220); 2024年山东省普通高等学校实验教学和教学实验室建设研究项目(项目编号:暂无); 2023年山东科技大学在线课程建设项目(项目编号:ZXK202318);2023年山东科技大学虚拟仿真实验教学项目(专项研究项目)(项目编号:XNFZ2023ZX04);2023年山东科技大学群星计划面上项目(项目编号:QX2023M37);

文章来源:范迪,王勇飞,刘洪云,等.基于Unity3D的图像压缩编码游戏化教学系统设计与实现[J].工业和信息化教育,2024,(08):79-84.