МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
РАДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Scientifics make it know. На правах рукописи
Engineers make it useful.
ШЕМОНЧУК ДМИТРИЙ СЕРЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ (И СРЕДСТВ) УПОРЯДОЧЕНИЯ МУЛЬТИМЕДИА КОНТЕНТА К ПРИМЕНЕНИЮ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ НА ОСНОВЕ СЕМАНТИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Специальность 05.13.01 - "Системный анализ, управление и обработка информации"
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
профессор
Москва 2007
1. Обзор современных методов и средств подготовки мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии на основе семантико-технологического регулирования
1.2 Технические и технологические средства поддержки образовательных траекторий.
1.3 Технические и технологические средства улучшения контента и оценки его качества.
1.4 Методы исследования и регулирования контента на семантико-технологической основе. Задачи диссертационного исследования.
2. Модель регулирования мультимедиа контента по онтологическим и технологическим признакам.
2.1 Техническая релевантность в представлении семантических и онтологических признаков формализованного поиска.
2.2 Пертинентность мультимедиа файлом по совокупным онтологическим и технологическим признакам.
2.3 Критерии и эшелоны выдачи мультимедиа продукции на основе обеспечения и регулирования технических пертинентности и релевантности.
3. Управление полнотой и точностью мультимедиа контента улучшением его состава.
3.1. Полнота и точность мультимедиа контента в умеренно-нагруженных мультимедиа системах
3.2. Полнота и точность мультимедиа контента в существенно интенсифицируемых системах.
3.3. Управление полнотой и точностью мультимедиа контента на основе его нормирования.
3.4. Управление полнотой и точностью мультимедиа контента на основе его гармонизации.
4. Менеджмент и практическая реализация массового мультиагентного мультимедиа обслуживания пользователей в индустрии образования.
4.1 Апробация, экспериментальные замеры и внедрение методов и средств подготовки мультимедиа контента к использованию в учебном процессе.
4.2 Менеджмент моделирования, проектирования и сопровождения мультимедиа модулей в составе информационных систем дидактического назначения.
4.3. Руководящие технические материалы по упорядочению мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии на основе семантико-технологического регулирования.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования
Мультимедиа продукция и средства её обработки упреждающими темпами внедряются в самые различные сферы информационного обеспечения социума.
Начало этого развития, безусловно, было нацелено на поддержку информационной потребности в областях быта, искусств, культуры. Сохраняя значение в этих сферах, мультимедиа продукция и средства её обработки стремительно обретают новое, расширенное применение в самых различных направлениях в науке, технике, образование. Так в образовательной индустрии потоком хлынули мультимедиа материалы, контент которых непосредственно встраивается в описание предметных областей образования, в том числе реализуется в виде аудио и видео лекций, семинаров, лабораторных, исследовательских и проектных действий. [1]
Так, например, в докладе XII международной конференции-выставки "информационные технологии в образовании" ("ИТО-2002") уже в 2002 году (Уфимский государственный нефтяной технический университет) показал что мультимедиа технологии, начиная с 90-х годов, интенсивно используются в учебном процессе высшей школы, в составе: мультимедиа-лекций, электронных конспектов, гипертекстовых учебников, виртуальных лабораторных работ, цифровых библиотек и интерактивных учебных фильмов. Аналогичные позиции занимают большое количество других авторов [2-6]. В частности проблеме применения мультимедиа в образовательных технологиях высшей школы посвящено немалое количество аналитических обзоров и исследований ведущих научных учреждений отрасли образования: ГНИИ ИТТ «Информика» [7], НИИВО, Республиканский мультимедиа центр [8-10]. При этом все без исключения источники указывают на очевидную тенденцию к расширению применения мультимедиа в образовательной индустрии и связанные с этим различные технологические, семантические и дидактические осложнения, анализ и преодоления которых в интересах совершенствования образовательных технологий представляет важную назревшую задачу отраслевого масштаба.
Таким образом, выполненная в этом направлении настоящая диссертационная работа представляется актуальной. Актуальность темы диссертационной работы определяется целесообразностью разработки методов упорядочения мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии на основе семантико-технологического регулирования.
Цели и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методов упорядочения мультимедиа контента для эффективного использования в образовательной индустрии высшей школы на основе единения онтологических и инженерно-технических признаков функционирования мультимедиа систем.
В соответствии с выше сформулированной целью в диссертационной работе ставятся следующие основные задачи:
· классифицировать и на упреждающей основе определить приоритетные области применения мультимедиа технологий в различных траекториях образовательной деятельности; (1.1)
· разработать и реализовать комплексные подходы к оценке и регулированию качественных и нагрузочных показателей мультимедиа систем дидактического назначения на основе выявления и эффективного использования для улучшения функционирования информационных систем как семантических признаков управления файлами, так и инженерно-технических параметров и показателей мультимедиа, влияющих на точность и качество поиска и отображения мультимедиа информации;
· разработать методы и технологии упорядочения мультимедиа контента дидактических информационных систем на основе регулирования наиболее значимых семантических параметров и характеристик в соединении с техническими и технологическими характеристиками и особенностями;
· провести вариативные расчеты и экспериментальные исследования, поддерживаемые специально разработанными приложениями, направленные на обеспечение валидности результатов анализа и предложенных методов;
· провести комплекс мероприятий по отраслевой ВШ РФ апробации, внедрению результатов диссертации, в том числе предусматривающий подготовку и выпуск Руководящего технического материала (РТМ) по упорядочению мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии на основе семантико-технологического регулирования.
Объект исследования
В настоящей работе объектом исследования являются средства и методы оценки и упорядочения мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии на основе совместного семантико-технологического регулирования.
Методы исследования
При проведении исследований в работе использовались методы семантических ……………………………………………………………………
Научная новизна исследования
Новизна работы заключается в том что предложены и реализованы методы и технологии упорядочения мультимедиа контента на основе объединения семантических и технологических мультимедиа показателей и характеристик, что позволяет улучшить баланс показателей качества и нагруженности мультимедиа систем, а так же упростить управления ими что не мало важно в реализации индустриальных образовательных технологий. Предложенные подходы и методы включают следующие решения и результаты:
· Пертинентность и релевантность поиска и обработки медиа информации являются определяющими признаками качества функционирования мультимедиа и макромедиа систем с позиции конечного пользователя, причем в макромедиа конструировании пертинентность и релевантность согласно предложением авторов настоящего исследования расширительно трактуются как техническая перетинентность и техническая релевантность, где наряду с онтологическими признаками семантических систем конфигурируются инженерно-технические показатели, характеризующие качество отображение, ресурсоемкость, сжатие и некоторые другие свойства, характерные для мультимедиа продукции и программно-аппаратных средств работы с ними.
· В развитие вышеприведённых подходов в оценках и регулирования качества макромедиа и мультимедиа систем мотивированно предлагается использовать принятые в семантической системах показателей качества коэффициент точности, коэффициент полноты, коэффициент информационного шума. Уточняющей позицией медиа конструирования является: коэффициент точности - отношение числа технически-релевантных медиафайлов к общему объёму выдачи, коэффициент полноты - отношение числа технически-релевантных медиафайлов в выдаче к общему числу релевантных медиафайлов в информационном контейнере.
· Наряду с файлами ошибочной адресации, образующих шум, в состав шума так же входит файлы размеры которых, мера компрессии / битрейт, а так же технические характеристики качества звучания или видео воспроизведения не отвечают ожиданиям пользователя.
· Множество, содержащее релевантные медиафайлы, не выданные пользователю, считается потерями. Отношение числа «потерянных» медиафайлов к общему числу релевантных медиафайлов в массиве может быть названо коэффициентом потерь, или коэффициентом молчания. В мультимедийных системах также как в семантических системах действует следующее правило: чем выше коэффициенты полноты и точности откликов на поисковые запросы медиа файлов, тем эффективность поиска в мультимедиа системе выше.
· Показано, что в макромедиа и мультимедиа системах результирующая эффективности функционирования в виде откликов на запросы может быть представлена в виде суммы или произведения коэффициентов точности и полноты с учетом технической составляющей наряду с семантической. При этом предложено два варианта такой оценки для мультимедиа систем и макромедиа – в первой из них наряду с медиа составляющей учитываются семантические составляющие, во второй, то есть в макрореализации семантическая составляющая опускается.
· Реально работать в мультимедиа системах можно в зоне сжатий от 1,5 до 4 раз.
· Чувствительность дрейфа соотношения полнота / точность для различных значений коэффициента сжатия немало зависит от изначальной скорости трансляции, то есть производительности канала передачи медиа продукта. Чувствительность максимальна при высоких скоростях и минимальна при низких скоростях.
· Нормирование мультимедиа контента дает выигрыш в точности допроцентов в самом лучшем случае. Этот вывод принципиально нов, поскольку в семантических документальных системах, и, тем более, в фактографических ИС, нормирование контента является весьма продуктивным, основным средством повышения точности этих систем как по отношению к их релевантности, так и по отношению к их пертинентности. В мультимедиа системах итог обратный!
· При гармонизации эффективность достигала для несжатых мультимедиафайлов в потоках со скоростью до 100Мбит/с 150-200%, что само по себе является самой важной и принципиальной находкой настоящего исследования.
· Следовательно, именно гармонизация мультимедиаконтента есть эффективнейшее средство улучшения работы мультимедийных систем, особенно интенсифицированных. Следующие отсюда поправочные коэффициенты могут рекомендоваться автором проектировщикам и модераторам мультимедиа информационных систем.
Приведённые выше положения и рекомендации, отражающие наличие и роль технической составляющей в оценках и регулирование точности, полноты, шума, технических пертинентности и релевантности мультимедиа систем и макромедиа систем представлены авторами настоящего исследования в Руководящих технических материалах отраслевого системы образования значения.
Научные результаты диссертации используются в учебно-исследовательской работе, курсовом и дипломном проектировании на кафедре «Технических и информационных средств систем управления» Московского института радиотехники электроники и автоматики.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Разработаны и реализованы подход и метод к оценки и регулированию баланса качества и нагруженности мультимедиа систем в образовательной индустрии на основе объединения семантических показателей и технических и программных характеристик и признаков мультимедиа систем.
2. Разработаны, апробированы и применены методы и технологические решения упорядочения медиа контента в поддержку различных образовательных траекторий на основе применения (вводимых авторов оценочных характеристик?) технической релевантности и технической пертинентности поиска и обработки медиа информации.
3. Разработаны и применены методы и средства улучшения медиа контента путем гармонизации и нормирования с оценкой коэффициентов точности, полноты и шума, причем показано, что гармонизация (по сравнению с нормированием) является наиболее эффективным средством управления медиа контентом.
4. Разработаны инструментальные технологические программные средства поддержки упорядочения контента для различных образовательных траекторий.
Практическая значимость работы
Результаты исследований были использованы при разработке мультисервисных мультиагентных информационных систем массового обслуживания в процессе обучения как в группах так и в индивидуальном порядке. Передача конечному пользователю образовательного контента во все возрастающей степени насыщается мультимедиа аудио и видео составляющими. При этом с использованием научных результатов настоящей диссертационной работы осуществляется комплексное упорядочение мультимедиа контента, направленное на достижение приемлемого баланса качества / стоимости и сложности реализации. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс МИРЭА по подготовки бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Информационные системы», а так же в работах по повышению квалификации преподавателей ВУЗов, техникумов и ПТУ (по приказу Федерального агентства по образованию № 000, № 000, № 000, № 000). В частности, мультимедиа модули встроены в систему многоуровневого портального строительства, поддерживающего учебный процесс по всем перечисленным направлениям. На основе методических разработок и с использованием упорядоченного мультимедиа контента созданы и используются и опубликованы учебно-методические комплексы дисциплин «Мультимедиа технологии», «Проектирование информационных систем», «Выпускная квалификационная работа» в профессиональной подготовки бакалавров и специалистов. При участии автора разработана и поддержана Ученным советом МИРЭА (протокол №11 от 01.01.2001) образовательная программа подготовки магистров «Мультимедиа технология» по направлению 230200 «Информационные системы».
Алгоритмы и методология подготовительных действий по упорядочению мультимедиа контента в образовательных информационных пакетах изложены в разработанных при участии диссертанта Руководящих технических материалах (РТМ) по обработке контента. РТМ учитывает как семантические особенности обрабатываемой информации, так и технологические особенности самой обработки и технических средств поддержки, реализуя гармонизацию мультимедиа контента в пределах вводимых технологических допусков и ограничений. Руководящие технические материалы имеют отраслевое значение в системе образования и науки; они изданы (задепонированы?) в отрасли и могут быть рекомендованы для массового использования в учреждениях образования.
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях и семинарах, в том числе:
Публикация
Основное содержание диссертационной работы было отражено автором в ___ печатных работах (в том числе ___ в сборнике научных статей, публикаций в трудах научных конференций, ___ публикации в учебно-методических пособиях).
Структура работы
Диссертация состоит из введения, ____ глав, заключения, списка литературы из ___ наименований и ___ приложений. Работа изложена на ___ страницах, содержит ___ рисунков и ___ таблиц.
Во введение обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формируется цель и основные задачи исследований, показывается научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассматривается состояние известных средств и методов подготовки мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии. Дается обзор современных методов и средств поддержки учебного процесса с использованием мультимедиа и макромедиа технологий. Производится анализ известных технических и технологических средств поддержки образовательных траекторий, а так же средств улучшения мультимедийного контента и оценки его качества. На основе изложенного сформулированы задачи исследования и намечаются основные пути их решения.
Во второй главе разрабатывается модель регулирования мультимедиа контента по онтологическим и технологическим признакам. В частности, введены, раскрыты и используются в оценках и регулировании образовательного мультимедиа контента расширенные трактовки релевантности и пертинентности как по онтологическим, так и по технологическим признакам. Эти признаки отображают технологические особенности и видоизменение контента и средств его поддержки. Рассмотрены и обоснованы ограничения, накладываемые на применимость семантико-энтропийного регулирования в областях не вполне отвечающих формальным признакам эргодичности и аддитивности. Для этого автором заявлена и доказана теорема об ограниченной эргодичности релевантности в мультимедийных системах. Сообразно этого подхода выполнены вариативные расчетно-экспериментальные исследования, подтвердившие эффективность использования в качестве критериальных характеристик поиска в мультимедиа системах технической релевантности и технической пертинентности. На этой основе регламентированы критерии и эшелоны выдачи мультимедиа продукции групповым и индивидуальным пользователям.
В третьей главе представлена, разработанная автором модель управления полнотой и точностью мультимедиа контента. В главе показано определение и регулирование полноты и точности мультимедиа контента как в умеренно-нагруженных, так и в существенно интенсифицированных мультимедиа системах. Предложены модельные решения по управлению полнотой и точностью мультимедиа контента на основе его нормирования и гармонизации. Приведены вариативные расчетно-экспериментальные исследования, выявившие приемущество гармонизации перед нормированием в технологиях и процедурах упорядочения мультимедиа контента дидактического назначения.
В четвертой главе рассмотрены прикладные решения, алгоритмы и рекомендации относящиеся к менеджменту и практической реализация массового мультиагентного мультимедиа обслуживания пользователей в индустрии образования. В частности, приведены результаты апробации, экспериментальные замеры и внедрение методов и средств подготовки мультимедиа контента к использованию в учебном процессе. Описываются рекомендуемые процедуры менеджмента моделирования, проектирования и сопровождения мультимедиа модулей в составе информационных систем дидактического назначения. Результаты исследований и разработанные рекомендации обобщены в представленных в настоящей главе Руководящих технических материалах по упорядочению мультимедиа контента к применению в образовательной индустрии на основе семантико-технологического регулирования.
В заключении подводятся основные итоги диссертационной работы, перечисляются основные результаты и следующие из них выводы.
В приложении представлены акты внедрения результатов исследования.
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОДГОТОВКИ МУЛЬТИМЕДИА КОНТЕНТА К ПРИМЕНЕНИЮ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ НА ОСНОВЕ СЕМАНТИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
1.1. Современное состояния методов и средств мультимедиа поддержки учебного процесса в высшей школы.
Мультимедиа технологии, начиная с 90-х годов, интенсивно используются в учебном процессе высшей школы, в составе: мультимедиа-лекций, электронных конспектов, гипертекстовых учебников, виртуальных лабораторных работ, цифровых библиотек и интерактивных учебных фильмов.
В широком смысле «мультимедиа» означает спектр информационных технологий, использующих различные программные и технические средства с целью наиболее эффективного воздействия на пользователя (ставшего одновременно и читателем, и слушателем, и зрителем). Благодаря применению в мультимедийных продуктах и услугах одновременного воздействия графической, аудио (звуковой) и визуальной информации эти средства обладают большим эмоциональным зарядом и активно включаются как в индустрию развлечений, так и в практику информационных учреждений.
Экспериментально установлено [11], что при устном изложении материала обучающийся за минуту воспринимает и способен переработать до одной тысячи условных единиц информации, а при «подключении» органов зрения до 100 тысяч таких единиц. Поэтому совершенно очевидна высокая эффективность использования в обучении мультимедийных средств, основанных на зрительном и слуховом восприятии материала.
*распределение мультимедиа средств по образовательным траекториям
. Применение мультимедийных технологий в образовательном процессе. Смолянинова для ученика и учителя // ИНФО. – 2002. - №2. – с.48-543. Андресен, Катя ван ден Бринк Мультимедиа в образовании. Специализированный учебный курс. /Авторизованный перевод с англ. – М.: «Обучение-сервис», 2005. с 216.
, . Мультимедийные технологии и дистанционное обучение // Университетское управление. 2000. № 1(12). С. 67-69. , , . Информационные технологии в учебном процессе // Университетское управление. 2001. № 4(19). С. 18-21. Анисимова. -технологии в образовании: понятия, методы, средства: монография / ;Под ред. . - СПб. : Изд-во РГПУ им. , 20с. , Залетаева открытой образовательной модульной мультимедиа системы по мировой художественной культуре (МХК) и искусству // В сб. науч. ст. "Интернет-порталы: содержание и технологии". Выпуск 4 / Редкол.: (пред.) и др.; ФГУ ГНИИ ИТТ "Информика". - М.: Просвещение, 2007. - С. 92-120. "Мультимедиа технологии - реальное использование в учебном процессе" – 1994 Осин в образовании: контекст информатизации. - М.: Агентство "Издательский сервис", 20с. Осин концепции образовательных электронных изданий / Материалы научно-практической конференции "Основные направления развития электронных образовательных изданий и ресурсов". М.: "Республиканский мультимедиа центр", 2002. - С. 3-23. Гудов применения мультимедийных технологий в учебном процессе. , Григорьев в образовании.