Monipuolisia konenäkösovelluksia. alueellisen elinkeinoelämän hyödyksi

Transkriptio

1 Monipuolisia konenäkösovelluksia alueellisen elinkeinoelämän hyödyksi Tutkija/opettaja Mirka Leino mirka.leino(a)samk.fi Satakunnan ammattikorkeakoulu, Tekniikka ja merenkulku Projekti-insinööri Jari Vihervirta, jari.vihervirta(a)samk.fi Satakunnan ammattikorkeakoulu, Tekniikka ja merenkulku Tiivistelmä Infrapunakuvaus eri muodoissaan, konenäkösovellukset ja niihin liittyvä kuvankäsittely ovat olleet Satakunnan ammattikorkeakoulun, tutkimuksellisia painopistealueita jo yli kymmenen vuoden ajan ja SAMKissa on saavutettu laaja asiantuntijuus konenäön alalla. Perinteisesti käytetyn näkyvän valon aallonpituusalueen lisäksi kuvataan lähi-infrapuna-aallonpituusalueella sekä pitkäaaltoisen infrapunan aallonpituusalueella. Yhtenä erityisenä konenäön tutkimuksen kohteena SAMKissa on hyvinvointiteknologia. Parhaillaan SAMKissa on käynnissä laajasti konenäköjärjestelmien kehittämiseen ja konenäkötietouden levittämiseen keskittyvä Konenäköteknologioiden soveltamista teollisuudessa ja korkeakoulutuksessa Pro Machine Vision -projekti. Konenäkö on vahvasti mukana myös SAMKin opetuksessa, insinööriopiskelijoille tarjotaan teorian lisäksi käyttöön laajat sovellusja testausmahdollisuudet viimeisintä tekniikkaa edustavilla konenäköjärjestelmillä. Automaatiotekniikan ylemmän amk-koulutusohjelman tavoitteena on lisätä valmiuksia laaja-alaisten ja hajautettujen automaatiojärjestelmien hallintaan. -- Abstract For the past ten years, infrared imaging with its different forms as well as Machine Vision applications and image processing have been the key focus areas in research, development and innovation (RDI) activities of Satakunta University of Applied Sciences (SAMK).

2 During these years, SAMK has become a widely recognised Machine Vision specialist. In addition to the traditional and visible wavelengths of light, imaging on near infrared wavelengths and long-wave areas is feasible. One of the recent themes of RDI activities of SAMK is welfare technology. Moreover, SAMK currently works on Pro Machine Vision - Applications of Machine Vision in industry and higher education, a project that concentrates on developing further applications and aims at raising Machine Vision awareness. Machine Vision is also one of the key areas of teaching at SAMK; engineering students have the opportunity to combine theory and practice by using Machine Vision systems of the latest technology in applications and testing. SAMK also offers a Master s Degree programme in Automation Technology which seeks to provide the necessary skills and competences in managing extensive and decentralised automation systems. * Infrapunakuvaus eri muodoissaan, konenäkösovellukset ja niihin liittyvä kuvankäsittely ovat olleet Satakunnan ammattikorkeakoulun, SAMK, tutkimuksellisia painopistealueita jo yli kymmenen vuoden ajan. Viimeisten vuosien aikana infrapunatekniikan ja konenäön infrastruktuuria on kehitetty hankkimalla uudenaikaisia spektraalikuvauslaitteistoja sekä älykameroita. Uusien sovellusten kehittelyn ja laitteistojen monipuolisen hyödyntämisen seurauksena SAMKissa on saavutettu laaja asiantuntijuus konenäön alalla. Perinteisesti käytetyn näkyvän valon aallonpituusalueen lisäksi kuvataan lähiinfrapuna-aallonpituusalueella sekä pitkäaaltoisen infrapunan aallonpituusalueella. Näkyvää valoa pitkäaaltoisemmalla alueella kuvattaessa on mahdollista nähdä ilmiöitä, joita on mahdotonta havaita ihmissilmällä. Spektraalikuvausta pystytään tekemään näkyvän valon ja lähi-infrapunan aallonpituusalueilla. Korkearesoluutioisilla älykameroilla voidaan tehdä nopeita ja hyvinkin tarkkoja tunnistus- ja laadunvarmennuskuvauksia. Kokonaisuutta täydentää 3D-kamera, jolla pystytään muodostamaan tutkittavasta kappaleesta kolmiulotteinen malli, jolle voidaan tehdä useita mittauksia ja tarkistuksia.

3 Hyvinvointiteknologia konenäön tutkimuksen kohteena Yhtenä erityisenä konenäön tutkimuksen kohteena SAMKissa on hyvinvointiteknologia. Esimerkiksi Tekesin rahoittamassa NIR-HE -projektissa tutkittiin, yhteistyössä Satakunnan sairaanhoitopiirin kanssa, lähi-infrapunakuvauksen käyttömahdollisuuksia diagnostiikan tarpeisiin. Projektissa tutkittiin liikuttamista vaativan spektraalikuvauslaitteiston soveltuvuutta potilaskuvaukseen sairaalaolosuhteissa. Mukana tutkimuksessa oli lähes 30 potilasta, joilla oli leikkaushaavoja, tulehduksia, niiden epäilyjä tai muita muutoksia iholla tai heti ihon pinnan alla. Projektissa tutkittiin mahdollisuuksia havaita kuvaamalla iholla tapahtuvia muutoksia, ennen kuin ne ovat silmällä nähtävissä. Kuvausten ohella tutkittiin ns. kaukokartoituskuvauksiin suunnitellun analysointiohjelman käyttömahdollisuuksia kuvattaessa ihmisihoa lähietäisyydeltä. Analysointimenetelmien evaluoinnilla löydettiin parhaat menetelmät, joilla suurin osa muutoksista saatiin näkyviin. Esimerkiksi leikkaushaavojen kuvasarjoista eri päiviltä oli nähtävissä paranemisesta johtuvat muutokset. Konenäköteknologioiden soveltamista teollisuudessa ja korkeakoulutuksessa SAMKissa on käynnissä laajasti konenäköjärjestelmien kehittämiseen ja konenäkötietouden levittämiseen keskittyvä Konenäköteknologioiden soveltamista teollisuudessa ja korkeakoulutuksessa Pro Machine Vision -projekti. Satakuntaliitto on myöntänyt Pro Machine Vision -projektille osarahoituksen Länsi-Suomen EAKR-ohjelmasta ja se toteutetaan yhteistyössä Jyväskylän ammattikorkeakoulun kanssa. Projektissa on mukana yrityksiä Satakunnasta ja Keski-Suomesta. Projektin taustalla on havainto siitä, ettei yrityksissä tunneta konenäköä ja sen tarjoamia mahdollisuuksia prosessien tehostamiseen. Projektin toisena tavoitteena on vahvistaa konenäköopetusta mukana olevissa ammattikorkeakouluissa ja näin varmistaa valmistuvien insinöörien entistä kattavampi osaaminen konenäköjärjestelmistä ja niiden käyttöönotosta. Hankkeen puitteissa on valmisteltu 10 demonstraatiota (6 SAMKissa ja 4 JAMKissa) konenäön tuomien mahdollisuuksien konkreettiseen havainnollistamiseen. Demonstraatiot ovat toiminnassa olevia konenäköratkaisuja sekä niiden sovellusmahdollisuuksia kuten tuotteiden paikoitusta, mittausta ja laadunvalvontaa. Demonstraatioita esiteltiin yrityksille järjestetyissä tilaisuuksissa keväällä Yrityksille tarjotaan myös mahdollisuutta testata konenäön käyttöä omien tuotantoprosessiensa tehostamisessa

4 alan asiantuntijoiden avustuksella. Projektiin osallistuvien yritysten tuotantolinjoille suunnitellaan ja pilotoidaan konenäköjärjestelmiä testattavaksi. Yritysten edustajat ovat mukana sovellusten suunnittelussa, jolloin varmistetaan konenäköosaamisen siirtyminen yrityksiin. Kun suunnittelu toteutetaan yhdessä ammattikorkeakoulujen opiskelijoiden kanssa, vahvistetaan heidän konenäköosaamistaan todellisten järjestelmien suunnittelukokemuksen avulla. Projekteissa työskentely täydentää opintoja Kolmatta vuotta automaatiotekniikkaa opiskelevat Pauli Valo ja Joonas Kortelainen työskentelevät opiskeluidensa ohessa konenäkösovellusten kehittämisen parissa. Projektin näkökulmasta opiskelijoiden mukana olo tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää heidän urautumatonta ja ennakkoluulotonta ajattelutapaansa. - Pääsin mukaan TKI-toimintaan jo ensimmäisen opiskeluvuoden jälkeen ja olen siitä lähtien työskennellyt SAMKissa. Työskentely yrityksien kanssa toteutettavissa projekteissa on lisännyt opiskelumotivaatiota merkittävästi ja tarjonnut hienon mahdollisuuden soveltaa teoriassa opittuja tietoja käytännössä sekä toisaalta olen oppinut konenäöstä myös paljon sellaista, mitä ei opintojaksoilla ehditä opettaa, kertoo Kortelainen. - TKI-toimintaan osallistuminen on todella mielekästä, koska siinä pääsee jatkuvasti kehittämään omaa osaamistaan. Konenäkö on tullut tutuksi vasta opiskelun ja projektissa työskentelyn myötä, ja olen pystynyt tuomaan tiettyä lisäarvoa projekteille elektroniikkaharrastukseni myötä, Valo pohdiskelee. SAMKissa tarjotaan insinööriopiskelijoille todella monipuolinen paketti konenäköä. Kursseilla käydään läpi useilla eri aallonpituusalueilla toimivia konenäköratkaisuja. SAMKissa pystytään teorian lisäksi tarjoamaan opiskelijoiden käyttöön laajat sovellusja testausmahdollisuudet viimeisintä tekniikkaa edustavilla konenäköjärjestelmillä. Käytössä oleva tekniikka ja siihen liittyvä opetus mahdollistavat muun muassa sen, että opiskelijat pystyvät esimerkiksi opiskelijaprojekteina tai opinnäytetöinä suunnittelemaan alueen yrityksille erilaisia konenäköratkaisuja sekä uudenlaisia ja innovatiivisia sovelluksia.

5 Jatkokoulutusta Automaatioteknologian koulutusohjelmassa Automaatiotekniikan ylemmän amk-koulutusohjelman tavoitteena on lisätä valmiuksia laaja-alaisten ja hajautettujen automaatiojärjestelmien hallintaan. Lisäksi opiskelija saa uutta osaamista konenäön ja simuloinnin soveltamiseen esimerkiksi tuotetunnistuksessa, laadunvarmennuksessa ja tuotantojärjestelmien kehittämisessä. Oman kiinnostuksensa mukaan opiskelija voi syventää osaamistaan kenttäväylien sekä mittausja säätötekniikan alueilla. Konenäköön panostetaan myös jatkossa Tulevaisuudessa SAMKissa tullaan edelleen panostamaan asiantuntijuuden kasvattamiseen konenäön saralla ja myös konenäön infrastruktuuria uudistetaan jatkuvasti. Erityisesti keskitytään teollisuuden automaatioprosessien kehittämiseen konenäöllä sekä konenäöntutkimukseen hyvinvointiteknologian ja lääketieteen diagnostiikan saralla. Konenäön opiskelua sidotaan yhä voimakkaammin TKI-toimintaan, jolloin varmistetaan opiskelijoiden projekteihin osallistumisen molemminpuolinen hyöty. * Satakunnan ammattikorkeakoululla Pro Machine Vision -projektissa valmistellut demonstraatiot konenäön tuomien mahdollisuuksien konkreettiseen havainnollistamiseen Älykamerakuvaus o Demossa tarkastetaan ja mitataan erään tuotteen taustalevyjä, joissa on matriisikoodi, joka sisältää tiedon kappaleen tyypistä. Tarkastuksen seurauksena oikeanlaiset kappaleet hyväksytään ja vääränlaiset menevät joko hylkyyn tai uudelleen muokattaviksi. 3d-kuvaus o Demolla havainnollistetaan kappaleen tilavuuden mittausta ja sen perusteella jakamista haluttuun määrään yhtä suuria osia. Lämpökuvaus o Demolla havainnollistetaan lämpökuvauksen käyttöä automaattisissa valvontatehtävissä. Tutkittavan kohteen lämpötilan poiketessa asetetuista raja-arvoista, ohjelma huomauttaa käyttäjää varoitusäänellä ja taulukon värin muutoksella sekä tekstiviestihälytyksellä.

6 Lähi-infrapunakuvaus o Demolla havainnollistetaan lähi-infrapunakameran kykyä nähdä eri materiaalit eri tavalla kuin ihmissilmä tai näkyvän valon aallonpituusalueella toimivat kamerat. Lähi-infrapunaspektraalikuvaus o Demolla havainnollistetaan lähi-infrapunaspektraalikuvauksen käyttöä muovien erottelussa. Kuusi valkoista muovin palaa erotellaan toisistaan muovilaadun perusteella. VIS-NIR-spektraalikuvaus o Demolla havainnollistetaan näkyvän valon ja lähi-infrapunan aallonpituuksilla tehtävän spektraalikuvauksen käyttöä värien varmentamisessa ja siihen perustuvassa aineiden suhteellisen määrän mittaamisessa. Tarkemmat kuvaukset demoista löytyy Internet-sivuilta: Kuva 1. Satakunnan ammattikorkeakoululla konenäkökuvauksissa käytössä olevat sähkömagneettisen spektrin aallonpituudet.