Tekijä: Iida Putkonen

Oulun yliopiston tietotekniikan tohtorikoulutettava Janne Mustaniemi on tutkinut moniaukkokameraa diplomityönään. Mustaniemen tutkimaa moniaukkokameraa ei ole vielä olemassakaan, mutta hän on silti tutkinut sen mahdollisuuksia mobiililaitteissa. Teoriassa moniaukkokamera mahdollistaa järjestelmäkameratasoisen kuvanlaadun kaikkine ominaisuuksineen älypuhelimen kokoisena ja paksuisena.

Moniaukkokamera on laite, kuten älypuhelin, jossa on kaksi tai useampi kamera takakannessa. Moniaukkokameran ongelmana on, että ne vaativat usean eri kameran, jotka sijoitetaan eri kohtaan älypuhelimen takakanteen. Mustaniemen tutkima moniaukkokamera perustuu neljään kamerayksikköön, joista jokaisella on oma värisuodattimensa. Tällöin kuvia tulee neljä, ja näistä neljästä kuvasta on tarkoitus saada koostettua yksi tavallinen värikuva. Kameroiden välillä on kuitenkin parallaksivirhe, joka pyritään korjaamaan ennen kuvien yhdistämistä.

”Parallaksi-ilmiön voi havaita esimerkiksi silloin, kun ihminen nostaa oikean kätensä eteensä, ja sulkee vasemman silmänsä. Sitten kun oikea silmä suljetaan, ja vasen avataan, käsi näyttää liikkuneen enemmän kuin tausta sillä käsi on taustaa lähempänä.”

Teoriassa moniaukkokameran avulla on mahdollista parantaa kuvanlaatua järjestelmäkameran tasoiseksi. Moniaukkokamera sopii Mustaniemen mukaan mobiilaitteille siksi, ettei se vaadi syvyyssuunnassa paljon tilaa eikä laitteen tarvitse olla paksu. Lisäksi moniaukkokamera toisi älypuhelimen kameraan lisää ominaisuuksia, kuten paremman syvyysterävyyden hallinnan, joka pystytään saavuttamaan järjestelmäkameralla. Moniaukkokameran avulla pystyisi tallentamaan myös kuvaan liityvää syvyystietoa, jota voi hyödyntää esimerkiksi synteettisessä uudelleen tarkennuksessa.

”Moniaukkokameran idea on samankaltainen kuin ihmisen silmissä: Ihminen käyttää kahta silmää ja parallaksi-ilmiötä etäisyyksien arviointiin. Samaan tapaan moniaukkokameraa voi käyttää etäisyyksien arviointiin, ja syvyystiedon tallentamiseen.”

Mustaniemen tutkimuksen mukaan moniaukkokameran ottamista useista kuvista muodostetaan yksi värikuva. Tämä on kuitenkin tutkimuksen mukaan haastavaa, sillä parallaksivirheen korjaaminen edellyttää vastaavien pikseleiden etsimistä jokaisesta kuvasta. Toisinaan mahdollisia vaihtoehtoja voi olla suuri määrä, toisinaan kaikki pikselit eivät välttämättä ole näkyvillä jokaisessa kuvassa. Näin käy esimerkiksi silloin kun lähellä kameraa oleva kohde peittää osan taustasta. Nämä katvealueet ovat ongelmallisia vastinpisteiden löytymisen kannalta.

”Kun jokaisesta kuvasta halutaan löytää vastaavat pikselit, eli pikselit, jotka vastaavat toisiaan, puhutaan vastinpikseleistä.”

Moniaukkokameran haasteena on, että kaikki pisteet eivät välttämättä ole näkyvissä joka kuvassa liittyen parallaksiongelmaan, ja nämä katvealueet ovat ongelmallisia vastinpisteiden löytymisen kannalta. Mustaniemi vertaili tutkimuksessaan neljää eri menetelmää vastinpikseleiden löytämiseksi. Hän käytti vastinpikseleiden samankaltaisuuden arviointiin joko keskinäisinformaatiota (Mutual information) tai Census-muunnosta (Sensus Transform).

Lisäksi hän vertaili Graph cuts ja Semi-global matching (SGM) -menetelmiä, joiden tehtävänä on valita kaikista todennäköisimmät vastinpikselit kaikkien vaihtoehtojen joukosta. Tutkimuksen mukaan näistä menetelmistä toimin yhdistelmä oli Census-muunnos yhdessä SGM:n kanssa. Tämä yhdistelmä löysi vastinpikselit kuvista kaikkein luotettavimmin, ja tästä johtuen myös parallaksivirheen korjaaminen onnistui parhaiten parantaen lopullisen kuvan laatua.

Vaikka Mustaniemen tutkimuksen kaltaista moniaukkokameraa ei vielä toistaiseksi ole olemassakaan, Mustaniemi uskoo vahvasti tulevaisuudessa olevan tällaisia kameroita mobiililaitteilla käytettävissä.

Tutkimuksen julkaisi Machine Vision and Applications.

Millaisen tutkimuksen parissa aherrat, nano ja -molekyylisysteemien tutkimusyksikön tutkijatohtori Minna Patanen?

Tutkin nanopartikkeleita synkrotronisäteilyherättäisesti.

Mitä tutkimuksesi tarkoittaa suomeksi?

Eli tutkin nanohiukkasia eri aallonpituuksia hyödyntäen. Näkyvällä valolla ei pystytä pieniä kohteita, kuten nanopartikkeleita, tutkimaan. Jos kohde on pienempi kuin säteilyn aallonpituus, niin sitä ei voida niin sanotusti ”nähdä”. Nanopartikkelien näkemiseen tarvitaan lyhempiaaltoista säteilyä, ja sitä saadaan synkrotroni-laitteen säteilyn avulla.

Mitä nanopartikkelit siis ovat?

Nanopartikkelit ovat alle mikrometrin kokoisia atomirykelmiä, ja ne voivat koostua tuhannesta jopa miljoonaan atomiin. Tutkin hiilipohjaisia nanopartikkeleita synkrotronisäteilyllä. Valitsin hiilipohjaiset nanopartikkelit, koska ne ovat mielestäni mielenkiintoisia, niitä esiintyy luonnossa esimerkiksi ilmakehässä, ja ne ovat myös ihmisille turvallisempia kaupallisissa sovelluksissa kuin raskasmetalleja sisältävät nanopartikkelit.

Teen tutkimusta esimerkiksi nokinanopartikkeleista, joilla on vaikutusta ilmakehään sekä ihmisten terveyteen. Oma tutkimukseni on kuitenkin fysikaalista perustutkimusta, jolla koitan selvittää yksittäisen partikkelin koostumusta ja ominaisuuksia, jotta voimme tietää, miten se reagoi ympäristönsä kanssa.

Entä mikä on synkrotroni?

Synkrotroni on laite, jonka avulla on mahdollista tutkia molekyylitason rakenteita ja prosesseja esimerkiksi lääketieteessä, biologiassa, kemiassa ja fysiikassa. Tutkimuksessani käyttämäni synkrotroni on hiukkaskiihdytin, jossa lähes valonnopeudella liikkuvien elektronien ratoja poikkeutetaan magneettijonoilla. Elektronit säteilevät, koska ne ovat kiihtyvässä liikkeessä. Synkrotronista elektronit johdatetaan säteilylinjoihin, jotka ovat erikoistuneet tutkimaan materiaa erilaisilla aallonpituuksilla infrapuna-alueelta korkean energian röntgenalueelle.

Eri aallonpituudet vuorovaikuttavat aineen kanssa eri tavoin: infrapunasäteily virittää aineen molekyylejä värähtelemään, kun taas pehmeät röntgensäteet ionisoivat ainetta ja kovat röntgensäteet siroavat aineesta. Erilaista säteilyä käyttämällä esimerkiksi nanopartikkelien ominaisuuksista saadaan monipuolisempi kuva, hieman kuten värivalokuvassa on enemmän informaatiota kuin mustavalkokuvassa.

Millaista säteilyä itse hyödynnät nanopartikkelien tutkimuksessa?

Käytän röntgenalueen säteilyä tutkimuksessani. Säteilyä voi hyödyntää portaattomasti, ja omassa tutkimuksessani tämä on hyödyllistä, sillä voin aallonpituutta säätämällä esimerkiksi valita, kuinka syvältä nanopartikkelin sisältä saan informaatiota. Olen kiinnostunut erityisesti niiden pinnan rakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta, ja röntgensäteilyllä pystyn keräämään tietoa juuri nanopartikkelien pinnoilta.

Millaisessa ympäristössä tutkimusta voi tehdä?

Yleensä nanopartikkeleita tutkitaan erilaisilla alustoilla, ja esimerkiksi selvitetään, miten nanopartikkelit reagoivat erilaisten alustamateriaalien kanssa. Omassa tutkimuksessani tutkin nanopartikkeleita kaasumaisessa ympäristössä, koska monet luonnossa esiintyvät nanopartikkelit, kuten nokihiukkaset, ovat vapaina ilmakehässä. Näin ollen nanopartikkelit eivät ole vuorovaikutuksessa minkään häiritsevän pinnan kanssa, ja saan realistisia tuloksia. Pyrin tutkimaan vain yhtä hiukkasta kerrallaan enkä kokonaista rykelmää nanopartikkeleja tai kiinteää ainetta.

Miten tutkimusta tehdään?

Ensin nanopartikkelit saatetaan kaasumaiseen muotoon vapaasti leijuviksi hiukkasiksi esimerkiksi muodostamalla niitä palamisprosessissa. Nanopartikkeleista mittaan sitten niistä irtoavien elektronien energiaa, joka kertoo mistä alkuaineista ne ovat peräisin. Mittaamalla energiaa saan selville myös tietoa nanopartikkelien rakenteesta, ja miten kemialliset sidokset niissä ovat muodostuneet. Saan siis atomitason informaatiota aiheesta, joten tulosten tulkinnassa tarvitsen kvanttimekaniikkaa.

Miksi tutkit juuri tätä aihetta?

Minua motivoivat isommat ongelmat, kuten nanopartikkelien vaikutukset ilmastonmuutokseen ja nanopartikkelien imeytyminen ihoon. Nanopartikkeleiden vaikutuksista ei kuitenkaan olla vielä varmoja. Tutkin aihetta, sillä haluan, että tunnemme tarkasti, millaisia nanopartikkelit ovat, ja miten ne vuorovaikuttavat ympäristön kanssa. Käyttämäni menetelmät soveltuvat erityisesti nanopartikkelien pintojen tutkimiseen, mikä on tärkeää, sillä kemialliset reaktiot tapahtuvat pinnoilla ja nanopartikkelien vuorovaikutusominaisuudet määräytyvät pinnan ominaisuuksien mukaan.

Tällä hetkellä tutkimus herättää enemmän kysymyksiä kuin antaa vastauksia eikä kaikkea tutkimuksen vaatimaa laitteistoa ole vielä sellaisenaan olemassa, mikä vaikeuttaa tutkimuksen tekemistä. Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikössä kehitetään kansainvälisessä yhteistyössä sekä laitteistoja että teoreettista mallintamista, joten uskon, että tulevina vuosina voimme olla tämän tutkimusalan eturintamassa.