Hyperspektrikuvaus on äärimmäisen tarkka menetelmä, jolla voidaan havaita ja erotella eri materiaalit niiden kemiallisten ainesosien erilaisten valon heijastusominaisuuksien perusteella. Specim halusi pienentää kemialliseen kuvantamiseen käytetyn laitteen suurikokoisista teollisuuslaitteistoista järjestelmäkameran kokoiseksi, kannettavaksi laitteeksi, jolla kasvien stressitilaa ja kasvitauteja voidaan seurata aikaisempia menetelmiä tehokkaammin vain näppäämällä kuva.
Haaste
-
Hyperspektrikuvausta käytetään materiaalianalyysiin tutkimuksessa, kasvitaloudessa, rikostutkimuksessa ja monilla muilla aloilla
-
Aiemmin käytetyt laitteet ovat suurikokoisia, ja niitä on vaikea, jopa mahdoton käyttää kenttäoloissa
-
Miten pienentää teknologia mukana kannettavaan muotoon tinkimättä suorituskyvystä?
Ratkaisu
-
Specimin ja VTT:n yhteistyössä teknologia saatiin puristetuksi tavallisen kameran kokoiseen laitteeseen
Laskenta tapahtuu kamerassa paikan päällä ja vain sekunneissa
VTT:n algoritmi ja UI/UX osaaminen mahdollisti intuitiivisen ja helppokäyttöisen käyttöliittymän mobiilille hyperkspektrikameran käytölle.
Hyöty
-
Pienen kokonsa ansiosta uutta kameraa on helppo käyttää kenttätutkimuksessa
Analyysi ei enää vaadi kookasta ja hankalakäyttöistä laitteistoa
Helppo liikuteltavuus, edistynyt materiaalintunnistuskyvykkyys ja edullinen hinta laajentavat hyperspektrikuvauksen mahdollisuuksia uusiin käyttötarkoituksiin.
VTT:n tutkijat kehittivät vuonna 1993 yhteistyössä NASA:n kanssa maailman ensimmäisen spektrografiaan perustuvan kuvantamisjärjestelmän ammattimaiseen ilmakuvaukseen. Vuonna 1995 kolme tutkijoista perusti Specim Oy:n kaupallistamaan tämän tutkimustyön. Specim on siitä alkaen ollut tarkan ja luotettavan hyperspektrikuvantamisen edelläkävijä koko maailmassa. Teknologia on laajassa käytössä tutkimuslaitoksissa, yliopistoissa, lääketeollisuudessa, geologiassa, sotilassovelluksissa, ympäristöanalyyseissa, hydrologiassa, kasvitaloudessa ja rikostutkimuksessa. Se perustuu kemialliseen kuvantamiseen eli pystyy havaitsemaan materiaalien kemiallisen koostumuksen ja siinä tapahtuvat muutokset. Specimin laitteita ja spektrografeja on eri puolilla maailmaa päivittäisessä käytössä yli 6 000. Yhtiö on saanut useita innovaatiopalkintoja ja merkittävän määrän ulkopuolista pääomaa.
Hyperspektrikuvantaminen näkee, mitä silmä ei
Hyperspektrikuvantamisella voidaan niin luonnossa kuin kasvihuoneessa huomattavan nopeasti ja tarkasti seurata hyötykasvien ja muun kasvillisuuden tilaa, kuten niiden kokemaa stressiä tai kasvitauteja. Teknologia tuottaa tarkkoja havaintoja elävän kasvin koostumuksessa ja biologisessa hyvinvoinnissa tapahtuvista muutoksista. Jos esimerkiksi viljelysalan jossain osassa havaitaan kasvitauti, hyperspektrikamera löytää saman taudin myös muualta, jossa se ei vielä ole edes silmin nähtävissä. Hyperspektrikuvantamisen erottaakin muista teknologioista juuri sen kyky havaita ja luokitella kasvitaudit nopeasti ja kustannustehokkaasti.
Laajemmassa katsannossa hyperspektrikuvantaminen on kokonaisten ekosysteemien tehokas seurantaväline. Näkyvän valon aallonpituudesta ja lähi-infrapuna-alueen aallonpituudesta laskettava niin kutsuttu kasvillisuusindeksi on yleisessä käytössä arvioitaessa kasvillisuuden rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia, jotta voidaan arvioida yhteyttämisen tehokkuutta. Näin voidaan parantaa ruoantuotannon laatua ja turvallisuutta. Esimerkiksi täsmäviljelyssä tuloksia voidaan käyttää lannoituksen tai kasvinsuojeluaineiden käytön suunnitteluun.
Huipputeknologiaa taskussa
Hyperspektrikamerat, jotka suunniteltiin alkujaan teollisuus- ja tutkimustarkoituksiin, ovat tähän saakka olleet suurikokoisia ja hankalasti liikuteltavia. Specimin tavoitteena oli pienentää teknologia niin, että se mahtuu osapuilleen tavallisen järjestelmäkameran kokoiseen laitteeseen. Tällaista laitetta on helppo kantaa mukana, ja sillä voi analysoida kohteen yhtä helposti kuin näpätä valokuvan. Kamerassa on riittävästi prosessointitehoa, jotta se pystyy analysoimaan tutkittavan materiaalin heti paikan päällä.
Specim aloitti teknologiakehityksen ja määritteli käyttötapaukset, mutta toimivat käytännön sovellukset osoittautuivat vaikeiksi. Paitsi tekniikan puristaminen pieneen kokoon, haasteena oli myös se, että haluttiin luoda tuote, jolla myös ei-tekniset käyttäjät voivat keskittyä spektrikuvantamiseen olematta tiedonkäsittelyn, koneoppimisen tai hyperspektroskopian asiantuntijoita.
Keksijät ja tutkijat kohtaavat
Specim pyysi VTT:ltä käytännön apua tavoitteidensa saavuttamiseen. Spektrikuvantamisen tekniikan miniatyrisointi oli yksi asia, mutta erityistä painoarvoa oli kameran kyvyllä tunnistaa materiaaleja automaattisesti. VTT:n panos kehitykseen oli yksinkertaisten, vakaiden ja riittävän nopeiden käyttöprotokollien kehittäminen kameran aiottuihin käyttötarkoituksiin.
Hanke toteutettiin yhteistyössä Specimin ja VTT:n Knowledge Intensive Products and Services -liiketoiminta-alueen optisen mittauksen ja älyteollisuuden asiantuntijoiden kanssa.
VTT teki uraauurtavaa työtä kehittäessään tarvittavat tiedonkäsittely- ja laskentametodologiat, jotka lopulta johtivat lopullisen käyttäjärajapinnan ja käyttäjäkokemuksen (UI/UX) suunnitteluun sovittamalla yhteen käyttötapaukset ja tiedonkäsittelyprotokollat. Kehityksen tuloksena syntynyt kamera perustuu edistykselliseen push broom -teknologiaan ja yksinoikeudella toteutettuihin ohjelmistokomponentteihin. Työssä hyödynnettiin VTT:n jo 1980-luvulta periytyvää osaamista kemometriasta ja sen soveltamisesta spektroskopisiin laitteisiin.
VTT toi hankkeeseen tärkeää algoritmi- ja UI/UX-osaamista, joka auttoi saavuttamaan tavoitteemme intuitiivisesta ja helppokäyttöisestä hyperspektrikameran käyttöliittymästä. Yhteistyö VTT:n tiimin kanssa oli saumatonta, ja meidän näkökulmastamme oli todella etuoikeutettua päästä tekemään yhteistyötä maailmanluokan ammattilaisten kanssa Specim IQ -tuotteemme kehityksessä,
toteaa Harri Salo, Specimin tuoteohjelman päällikkö.
Mullistavia käytännön tuloksia
Yhteistyön tuloksena syntyi maailman ensimmänen push broom -teknologiaa hyödyntävä hyperspektrikamera, joka pystyy erittäin tarkkaan materiaalien tunnistamiseen. Pika-analyysitilassa käyttäjä tähtää laitteen kohteeseen, ottaa ”kuvan”, osoittaa kuvasta kiinnostavaa kohtaa, ja sen jälkeen laite tunnistaa saman materiaalin sekä kyseisestä että kaikista sen jälkeen otetuista kuvista.
Sovellustilassa kamera käyttää tarkempaan tutkimukseen spektrikirjastoja ja sille opetettuja malleja, jotka on ladattu valmiiksi laitteeseen.
Molemmissa tapauksissa kaikki laskenta tapahtuu itse kamerassa paikan päällä. Laskenta voidaan toki suorittaa myös PC:ssä ja näin saatavat sovellukset ladata kameraan. Innovaation ansiosta spektrografinen kuvaus on muuttunut merkittävästi liikkuvammaksi ja käytettävyydeltään paremmaksi.
Jopa projektiin osallistuneet VTT:n Pekka Teppola, Pasi Hyttinen ja Kimmo Solehmainen hämmästyivät laitteen pientä kokoa nähdessään lopputuotteen ensi kertaa. He olivat olleet tekemisissä kyseisen teknologian kanssa jo 20 vuotta, mutta toimintavalmis laite oli silti jopa asiantuntijoille tunteita herättävä osoitus Specimin kehitystyön edistyksellisyydestä.
Pieneen kokoon mahdutetun teknologian lisäksi mullistavinta uudessa kamerassa on sen helppo käyttö. Kasvillisuuden terveydentilan seuranta ei enää vaadi hankalasti liikuteltavaa kalustoa, jota on joissain oloissa jopa mahdotonta käyttää, vaan analyysit voidaan nyt tehdä paikan päällä yhtä helposti kuin näppäämällä valokuva.
Specimille harppaus eteenpäin
Specimin pitkäaikainen panostus hyperspektrikuvaukseen kantaa hedelmää. Koska uusi tuote on helppokäyttöinen ja sitä voidaan täydentää sovelluksin, se tuo asiakkaita myös täysin uusilta sovellusalueilta, joilla tätä teknologiaa ei ole ennen käytetty.
Specim IQ on tuote, joka tulee vaikuttamaan merkittävästi niin meidän liiketoimintaamme kuin hyperspektrikuvaukseen yleensä. Arvioimme, että liikevaihtomme voi kasvaa sen ansiosta 30 prosenttia jo vuonna 2018, ja odotamme jopa suurempaa kasvua tulevaisuudessa,
kertoo Georg Meissner, Specimin toimitusjohtaja.
