DISEÑO DE ELEMENTOS DE AUTO-APRENDIZAJE EN UN LABORATORIO VIRTUAL PARA INGENIERÍA DE VÍDEO

Miguel Romá, Sergio Bleda, Mª José Blanes, Basilio Pueo, José Escolano

Dpt. Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal, Universidad de Alicante

mroma@dfists.ua.es

1. RESUMEN La enseñanza de ingeniería de vídeo en la titulación de Ingeniería Técnica de Telecomunicación, especialidad Sonido e Imagen, en la Universidad de Alicante, tiene que superar el problema de limitación de presupuesto motivado por el alto precio de los equipos necesarios para simular un entorno de producción de vídeo profesional, que pueda dar cabida a grupos de 30 alumnos (es éste el tamaño de los grupos de prácticas). Teniendo en cuenta que los grupos habituales de trabajo están formados por dos o tres alumnos, sería necesario un mínimo de diez puestos de entrenamiento en el laboratorio, algo, de momento, totalmente inalcanzable. Por esta razón se pensó en introducir el concepto de laboratorio virtual, accesible por todos los alumnos desde el "Campus Virtual" de la Universidad de Alicante. Para ello se ha diseñado un sistema virtual de entrenamiento en forma de una aplicación para ordenador en la que se representan los elementos principales de un puesto de control técnico de vídeo (magnetoscopio, CCU, generador de sincronismos y señales de test, equipos de medida). Por medio de tal sistema es posible realizar las tareas básicas de ajuste y medida relacionados con los centros de producción de vídeo. Pero el sistema pretende ir más allá, permitiendo al alumno la realización de una tarea completa de aprendizaje, guiada por un documento tutorial en el que se explican tanto los conceptos implicados como la forma de llevarlos a la práctica por medio del programa desarrollado. Por último se incluye un test con sistema de auto-corrección que permite al alumno, antes de su entrada en el laboratorio, evaluar el nivel de asimilación del proceso.

2. INTRODUCCIÓN El diseño de sistemas de aprendizaje virtual es una disciplina creciente en la Universidad de Alicante. En los dos últimos años se ha realizado un esfuerzo importante para desarrollar aplicaciones interactivas que complementen y mejoren los conocimientos obtenidos por los estudiantes [1]. Ingeniería de Vídeo es una asignatura troncal de tercer curso en Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones, especialidad en sonido e imagen. El trabajo práctico de la asignatura se realiza en el laboratorio de TV y Vídeo de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante, en el que se combina una sección dotada con equipos para el entrenamiento de sistemas de recepción de televisión con equipos profesionales de producción de vídeo. Desafortunadamente, el equipo técnico necesario para proporcionar un aprendizaje completo en el control de la señal de vídeo es demasiado caro

(tabla I). Por esta razón, en el laboratorio, sólo hay un puesto completamente equipado con el material necesario para este trabajo (figura 1). Puesto que la estructura interna de la Universidad de Alicante dispone grupos de prácticas de unos treinta estudiantes, es obvio que existe un problema al intentar ubicar un grupo tan grande en un único puesto de trabajo.

Tabla I.- Presupuesto del puesto de control técnico de vídeo.

Equipo Precio Cámara de estudio (x 2) 35.000 € Monitor de imagen (x 2) 1.500 € Generador de sincronismos 1.700 € Vectorscopio 4.150 € Monitor forma de onda 4.150 €

Total 46.500 € Si el objetivo final es un aprendizaje completo, el estudiante debe recibir una formación global y detallada de la ingeniería de vídeo, el control técnico y los ajustes de la señal de vídeo, lo que supone, entre otras cosas, el acceso a equipos e instalaciones.

Figura 1.- Puesto de control técnico de señales de vídeo.

Una forma de paliar el problema presupuestario asociado a este tipo de instalaciones se basa en facilitar a los alumnos herramientas de fácil uso y apariencia realista, de forma que puedan practicar las técnicas y procedimientos que se pretende desarrollar de una forma intensiva. Esta razón justifica el sistema que aquí se presenta, en el que se pretende simular el puesto de control de señales de vídeo con una configuración estándar tal y como puede encontrarse en una instalación genérica de producción de vídeo multi-cámara.

3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA La aplicación intenta ser una representación realista de una unidad de control de vídeo, que incluye sus principales elementos, y con una arquitectura de interconexión que se puede encontrar en cualquier centro de producción de vídeo. El sistema está compuesto por las fuentes de señal de vídeo (generador de patrones, CCU y VTR) que pueden enviarse a los equipos de medida (WFM, VS) y de visualización (CTR) por medio de un selector de señales. Este

sistema no puede funcionar apropiadamente sin una señal patrón que sirva como referencia al resto de equipos de la instalación. Esta referencia es proporcionada por un generador de sincronismos. 3.1. Estructura de un puesto de control técnico multi-cámara El diseño del sistema está basado en las técnicas que el alumno debe aprender, que no son más que aquéllas que se realizan en el entorno real simulado. La figura 2 representa el diagrama de bloques de un puesto de control técnico, en el que se presenta el flujo de señal de vídeo; a este sistema habría que añadirle la configuración de señales de referencia y sincronismo.

Figura 2.- Diagrama de bloques de un puesto de control técnico de vídeo.

Los siguientes puntos ofrecen una breve descripción de las tareas que se deben llevar a cabo y, entre paréntesis, el equipo necesario para efectuarlas. · Medidas de amplitud: Control del nivel de la señal de vídeo en formato compuesto y en componentes, amplitud de la subportadora de color, niveles de borrado y de sincronismos. (Monitor de forma de onda – WFM). · Ajuste de fase horizontal: Compensación del retardo de las fuentes de vídeo, de modo que éstas lleguen correctamente sincronizadas, evitando inestabilidades horizontales al combinarlas (WFM, generador de sincronismos, fuentes de vídeo). · Ajuste de la fase (SC) de la subportadora de color: Ecualización de la fase de la subportadora de color, evitando inestabilidades en el color al combinar distintas fuentes de señal. (Vectorscopio – VS, generador de sincronismos, fuentes de vídeo). · Balances de color de la cámara: Control de ganancia del pedestal y de los canales de color, compensando así posibles variaciones de color debidas a la longitud de onda dominante de la luz. (VS, WFM, Unidad de Control de Cámara – CCU).

Además, se necesita equipamiento auxiliar como distribuidores, selectores de señal, monitores técnicos de imagen, magnetoscopios (grabadores de vídeo - VTR), cableado y elementos de adaptación de impedancias.

3.2. Puesto de control virtual Aunque una visión detallada del sistema puede obtenerse en [2], a continuación se presentan las características principales del mismo. La estructura general del sistema presenta la estructura familiar de los programas que operan bajo Windows®, con casi todas las funciones disponibles en la pantalla principal (figura 3). La disposición relativa de los distintos elementos está justificada por la imposición de que la pantalla debe poder representarse en un monitor de 800x600 píxeles.

Figura 3.- Pantalla principal del puesto de control virtual.

El módulo del rack está compuesto por un selector de señales que permite al usuario escoger la imagen con la que se va a trabajar, un generador de señales de test y sincronismo, una unidad de control de cámara y un magnetoscopio. El generador de señales patrón incluye las principales señales estandarizadas, y puede complementarse fácilmente con otras adicionales. La CCU y el magnetoscopio están provistos de los controles necesarios para el ajuste de H y SC, así como para efectuar operaciones de corrección de color y de nivel de negro. Además, la unidad de control de cámara puede conmutar su señal entre una imagen de barras generada internamente, y la imagen de un sensor de cámara preparada para la realización de su balance de blancos. Finalmente, un control de iris modifica la cantidad de luz que entra en la cámara. Puesto que la finalidad del programa es guiar al estudiante en los procedimientos de ajuste, cada vez que la aplicación se ejecuta, los valores iniciales se seleccionan aleatoriamente. Por tanto, los valores de H y SC de

todas las señales (incluyendo la señal de referencia) y la ganancia de los canales rojo, verde y azul del objetivo de la cámara son completamente diferentes. La fuente escogida en el selector se visualiza en la sección del monitor. Aunque la aplicación sólo puede manejar imágenes estáticas, esto no supone un problema, ya que las operaciones se realizan de manera similar a las imágenes dinámicas. La última sección se compone de los dispositivos de medida. Un vectorscopio y un monitor de forma de onda representan la información de color y de luminancia de la señal respectivamente. El vectorscopio puede configurarse para representar la señal en formato PAL, o para compensar la alternancia de fase de la componente V inherente a la señal compuesta en este sistema. La posición absoluta de la señal representada (angular para el VS, horizontal y vertical para el WFM) puede ser inicializada por el usuario para ajustar la señal a las marcas de referencia de la pantalla. Además, también se incluyen controles de magnificación y de zoom, con lo cual los controles más importantes de las unidades reales se pueden encontrar en el modelo virtual.

4. ELEMENTOS DE AUTO-APRENDIZAJE Si bien el sistema presentado en el apartado 3 consigue representar de una forma bastante realista los procedimientos implementados, esto no es suficiente si lo que se pretende es que los alumnos puedan realizar un trabajo de forma autónoma. Una vez bien definido el sistema, es claramente necesario complementarlo con guías que permitan que sea el alumno el que defina su ritmo de trabajo sin la necesidad de la dirección de un agente externo. Los elementos que permitan que la herramienta sea realmente de auto-aprendizaje han quedado finalmente incluidos dentro de dos secciones, un tutorial y un sistema de evaluación. 4.1. Documento tutorial Asumiendo que el usuario final está habituado a trabajar con programas que siguen la estructura de Windows®, parece lógico elaborar un sistema de ayuda basado en la misma idea (figura 4). El documento de ayuda persigue dos funciones complementarias y necesarias. La primera necesidad que se pretende cubrir por medio de esta herramienta consiste en presentar los fundamentos teóricos en los que se basa el trabajo que se realiza en un puesto de control de ingeniería de vídeo, los equipos empleados y la metodología de trabajo que se sigue. Además, es necesario incluir una descripción del propio programa y su funcionamiento, así como de los pasos que deben seguirse para la realización de los ajustes que se simulan, de forma detallada y ordenada. De este modo, el alumno puede dedicar una primera fase al estudio y comprensión de los fundamentos para, en una segunda etapa, experimentarlo de forma guiada.

Figura 4.- Pantalla del documento tutorial.

La estructura general del documento desarrollado aparece en la figura 5.

Figura 5.- Estructura de los módulos del tutorial.

Los módulos incluidos son una pequeña introducción al sistema, un bloque teórico compuesto por la explicación de equipos y con figuración en centros de producción y los ajustes y medidas sobre las señales implicadas. El tercero de los bloques describe el programa y la metodología de trabajo sobre él y finalmente se describe la forma de utilizar la herramienta de evaluación. El documento permite la navegación por los distintos boques por medio de un menú de contenidos (figura 6), del modo habitual en este tipo de ayudas. Sin embargo, el objetivo es que no sea un documento de ayuda simplemente, sino un tutorial que guíe al alumno en el proceso, razón por la que se decidió dotar de una estructura lineal a la secuenciación de los contenidos.

Figura 6.- Menú de navegación del documento de ayuda.

De este modo, mientras un usuario experimentado puede ir directamente a aquellos puntos que más le interesen, el usuario novel puede seguir el desarrollo de la explicación sin perderse ninguno de los puntos. Así, el documento presenta una estructura definida, en la que los contenidos aparecen de forma ordenada, del modo en que el profesor los presentaría en una sesión de teoría complementada con el trabajo práctico de laboratorio. En la figura 7 se presenta la estructura final de los bloques de explicación teórica y del programa tal y como aparecen en el documento.

Figura 7.- Estructura secuencial de contenidos en el tutorial.

Para facilitar el seguimiento de la información, se incluye un hipervínculo al final de cada apartado del documento que enlaza los contenidos de una forma lógica, consiguiéndose el seguimiento de los bloques de la figura 7. 4.2. Test de auto-evaluación Para la formación del módulo de auto-aprendizaje, el documento tutorial se complementa con una utilidad de auto-evaluación (figura 8) configurada en una serie de 15 preguntas de respuesta múltiple, mediante la cual el alumno puede comprobar el grado de asimilación de los conceptos adquirido. Como aliciente de motivación, se ha decidido incluir la posibilidad de evaluar con diferentes

niveles de dificultad (principiante, intermedio y experto), de modo que se pueda generar la necesidad de superación por los distintos niveles.

Figura 8.- Herramienta de evaluación de conocimientos.

Con la intención de mantener el carácter de herramienta para el trabajo autónomo del alumno, el test dispone de una función de corrección, tras cuya ejecución aparecen breves comentarios con las ideas principales implicadas en cada una de las preguntas. Además, para que los diferentes profesores puedan personalizar la evaluación, se incluye una herramienta para el diseño de los cuestionarios (figura 9) para cada uno de los niveles de dificultad, de forma que puede enfatizarse la evaluación en los aspectos que el profesor considere más importantes.

Figura 9.- Herramienta de diseño de tests.

5. RESULTADOS Una vez terminado el diseño de la herramienta y comprobado su correcto funcionamiento, se pone en marcha una fase de evaluación. No sirve de nada desarrollar una aplicación si no se cuantifica su funcionamiento para el fin para que se ha diseñado. En este sentido es necesario incluir el estudio a tres niveles, resultados docentes obtenidos, calidad del interfaz y similitud del sistema con el entorno real que pretende simular. Puesto que en el momento de la redacción de este trabajo, la herramienta está recién finalizada, es obvio que hasta el próximo curso académico no pueden ser probados, aunque una versión previa ha sido evaluado como herramienta demostrativa del funcionamiento y la configuración de los sistemas de control durante una sesión teórica dentro de la asignatura Ingeniería de Vídeo. La calidad del interfaz puede ser evaluada de una manera relativamente sencilla, empleando una prueba de calidad de uso heurística [3] sometiendo el sistema a prueba con no más de cinco personas [4], proceso que se pondrá en marcha en breve. Para la evaluación en el tercero de los niveles, la herramienta ha sido enviada a técnicos profesionales del sector audiovisual, junto con un pequeño cuestionario en el que se recoge la valoración de los aspectos más importantes, así como opiniones libres tras la prueba. Las personas elegidas son los técnicos responsables de la instalación y el mantenimiento de dos centros de producción de la provincia de Alicante. La figura 10 recoge los resultados más significativos obtenidos en este sentido. Los puntos valorados (entre 0 y 5 puntos) han sido facilidad de uso, calidad del interfaz, realismo, y facilidad de seguimiento, claridad y rigor del turorial.

Evaluación del sistema

0

1

2

3

4

5

Uso Interfaz Realismo Tutorial

Valo

raci

ón (0

-5)

Evaluador 1Evaluador 2

Figura 10.- Resumen de los resultados de la prueba del sistema

por profesionales del sector audiovisual.

En lo que respecta al apartado de opinión libre, las sugerencias se reducen a cuestiones de segundo orden relativas a la representación del vectorscopio, buscando un mayor parecido con el equipo real, así como matices del tutorial.

6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE TRABAJO El sistema descrito permite la realización de una fase de trabajo personal por parte del alumno, previa al trabajo en el laboratorio. Se ha pretendido simular de una forma realista el sistema en el que más tarde trabajará, de forma que se reduce, en parte, el problema del alto coste de los equipos. Por medio de la inclusión de un documento en el que se introducen los conceptos necesarios y que guía al alumno a través del proceso de trabajo, el sistema puede ser empleado como un elemento complementario en el proceso de enseñanza-aprendizaje, por medio de un modelo no presencial en el que es el alumno el que marca su ritmo de trabajo. El sistema, además, está complementado con una herramienta por medio de la cual el alumno puede evaluar el grado de asimilación de conceptos alcanzado. El sistema ha sido evaluado y validado por profesionales del sector audiovisual con un resultado bastante prometedor, tanto en cuanto al paralelismo con sistemas reales como al entorno gráfico de trabajo. El proceso que empieza ahora consiste en la evaluación de sus resultados dentro del proceso educativo, lo cual será realizado en el próximo curso académico (2004-2004), con los alumnos de las asignaturas Ingeniería de Vídeo y Laboratorio de Vídeo, ambas de tercer curso de la titulación Ingeniería Técnica de Telecomunicación, especialidad en Sonido e Imagen.

7. AGRADECIMIENTOS Los autores desean mostrar su agradecimiento a José Ángel Cia y Joaquín Quinto por su inestimable colaboración y opinión profesional en la valoración del programa. Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCYT), con el proyecto TIC 2002 – 04451 – C02 – 02.

8. REFERENCIAS [1] M. Romá, B. Pueo, S. Bleda, A. Hernández, “Diseño y desarrollo de material interactivo de apoyo a la docencia para Electroacústica”, X congreso de innovación educativa de las enseñanzas técnicas, Valencia, España, 2002. [2] M. Romá, M. J. Blanes, S. Bleda, B. Pueo J. Escolano, “Design of a virtual laboratory for video engineering”, International conference on network universities and E-learning, Valencia, España, 2003. [3] D. J. Dyksrta, “A comparison of Heuristic evaluation and usability tenting: the eficacy of a domain-specific heuristic checklist” Departament of industrial engineering, Texas AM university, USA, 1993. [4] J. Nielsen, R. Molich, “Heuristic evaluation of user interfaces”, Proceedings AMC CHI90 conference, Seattle, USA, 1990.