”Ihmissilmä näkee värejä ja pystyy erottamaan omenan päärynästä sen värin ja muodon perusteella. Hyperspektrikameralla nähdään, minkälaisessa kunnossa hedelmä on ja milloin se on menossa pahaksi”, selittää tutkimusprofessori Mikko Mäkelä.
90-luvulla Suomeen muutti vaimonsa perässä eräs Nasan tutkija John Bolton, jonka ideana oli tehdä hyperspektrikamera lentokoneeseen kuvaamaan metsiä. VTT:n tiimi Oulussa hyppäsi sitä kehittämään:
”Ennen lentokoneprojektia minun piti kehitellä yksinkertainen ja pienikokoinen, valokuituun liitettävä spektrometrin rakenne. Rakenne mahdollistikin myös uuden tyyppisen yksinkertaisen, kuvantavan spektrometrin toteutuksen, joka patentoitiin 90-luvun alussa. Oli veikeää nähdä, että kuvantava spektrometrin idea toimi jo ensimmäisissä prototyypeissä kuten pitikin. Huomasimme teknologialle olevan kysyntää ja sitä kaupallistamaan perustettiinkin vuonna 1995 spinoff-yritys Specim. Specim porskuttaa eteenpäin hurjaa vauhtia ja sen kuvantavat spektrometrit ovat maailmalla hyvin tunnettuja”, muistelee pitkän linjan tutkija Mauri Aikio, joka on työskennellyt hyperspektrikuvauksen parissa yli 30 vuotta.
Teknologia ei suinkaan ole vanhentunut kuluneina vuosina – päinvastoin, innokkaat tutkijat kuten Mäkelä, käyttävät sitä edelleen tutkimuksessa ja samaisella teknologialla pyritään yhä muuttamaan maailmaa.
Me olemme tehneet tätä jo vuosikymmeniä ja tämä on edelleen uusi, hieno keksintö.”
Mäkelä selittääkin, mikä tekee hyperspektrikuvauksesta niin erikoisen. Verrataan sitä tavalliseen ja jokaiselle tuttuun digikameraan. Digikamera mittaa valon intensiteettiä kolmella näkyvän valon aallonpituudella, jotka ovat punainen, vihreä ja sininen. Nämä värit ihmissilmäkin kykenee erottelemaan. Hyperspektrikameroilla puolestaan tehdään mittauksia jopa useilla sadoilla eri aallonpituuksilla, niin näkyvillä aallonpituuksilla kuin myös niiden ulkopuolella. Kuvat pitävät sisällään tietoa esimerkiksi kuvatun kohteen kemiallisista ominaisuuksista.
Kyseessä on siis eräänlainen konenäkö (machine vision), jossa kone näkee jotain mitä ihminen ei näe.
Näe pintaa syvemmälle
Myös tutkija Heikki Saari on työskennellyt VTT:llä hyperspektrikuvauksen alkutaipaleesta asti ja ollut muun muassa kehittämässä laitetta ihosyövän diagnosointiin.
”Hyperspektrikuvaus kiinnitti huomiota jo 90-luvulla, kun mitattiin otsonikerrosta. Meidän teknologiaamme on lähtenyt avaruuteen useamman eri satelliitin matkassa, esimerkiksi yhteistyössä Nasan kanssa. Olen myös keksinyt hyperspektrikuvausmenetelmän, joka saattaa tulevaisuudessa mahdollistaa hyperspektrikamerat puhelimiin, sillä sen avulla voidaan valmistaa pienikokoinen laite halvalla käyttäen ainutlaatuista MEMS-teknologiaamme. Meidän roolimme on saada tämä teknologia puhelimeen, ja sen jälkeen sovellukset syntyvät ihmisten luovassa tavassa käyttää sitä”, selittää Saari.
Hyperspektrikuvauksesta on moneen eikä kaikkia mahdollisia käyttötarkoituksia ole edes vielä keksitty. Kameroita lähetetään avaruuteen satelliittien mukana tarkkailemaan ilmakehää, dronejen kyytiin tutkimaan metsien kuntoa ja tulevaisuudessa niiden avulla erotellaan eri tekstiilimateriaaleja jätevirroista. Hyperspektrikamera on myös mukana kunnianhimoisessa projektissa puhdistaa muovijätteistä yksi maailman saastuneimmista joista Intian Mumbaissa. Kamera auttaa tunnistamaan pinnalla kelluvat muovit.
Lopulta hyperspektrikuvaus on kuitenkin digitalisaation ytimessä. Mittaukset ovat äärimmäisen nopeita verrattuna työlääseen ja kalliiseen laboratoriotyöskentelyyn. Näytteitä ei tarvitse juurikaan valmistella ja silti saamme nopeasti ja vaivattomasti valtavan määrän dataa.
Ennen tein laboratoriossa kokeita kolme viikkoa ja lopuksi käytin päivän tai kaksi numeroiden tuijotteluun. Nyt asetelma on kiepsahtanut toisin päin, kuvia otetaan päivä ja koodia kirjoitetaan kuukausi."
”En ole vielä keksinyt mitään muuta menetelmää, jolla niin suuri määrä dataa pystytään keräämään niin nopeasti. Itse tutkimuksessa kuvat ja fysiikka yhdistyvät kemiaan ja sovellettuun matematiikkaan. Koneoppimisen avulla kemia ikään kuin laajenee visuaaliseksi ja kvantitatiiviseksi tiedoksi", jatkaa Mäkelä.
Entä miltä näyttää teknologian tulevaisuus Mäkelän silmin? Mäkelä työskentelee muun muassa tekstiilien parissa ja toivoo, että tulevaisuudessa hyperspektrikuvauksen avulla kyettäisiin digitalisoimaan uusien ja tasalaatuisempien materiaalien valmistusta eri sovelluksiin. Uusia mahdollisuuksia kuitenkin nousee jatkuvasti lisää, joten aika näyttää millaisiin sovelluksiin kuvaus taipuu.
Tutustu lisää erilaisten kuvantamisteknologioiden mahdollisuuksiin täällä!
Tiesitkö?
Hyperspektrikuvien muodostamiseen on useita erilaisia teknologioita, joista yksi haara on Heikki Saaren kehittämä Fabry-Perot Interferometrin ja RGB-värikameran yhdistäminen. Se on mahdollistanut maailman pienimmät CubeSat-hyperspektrikamerat Aalto-1- sekä HelloWorld-satelliiteihin, joissa ne kiertävät yhä tänä päivänä maapalloa.
