Kuva-analyysistä kuituverkkoihin (MaDaMe)
Professori Jussi Timonen
Jyväskylän yliopisto
Luonnossa esiintyvillä materiaaleilla ei yleensä ole säännöllistä rakennetta. Monien erityisesti biologisten materiaalien rakenne on lisäksi kuitumainen. Tyypillisiä esimerkkejä ovat kaikki kasvit, niistä valmistetut tuotteet kuten paperi, ja vaikkapa hohkaluu. Näiden materiaalien rakenne on hyvin monimutkainen ja niitä on siksi ollut vaikea karakterisoida. Samasta syystä niiden ominaisuuksien ymmärtäminen on tuottanut vaikeuksia. Usein biologiset materiaalit ovat keveyteensä nähden hyvin sitkeitä ja lujia, joten niiden ominaisuuksien ja rakenteen välisen yhteyden ymmärtäminen olisi kuitenkin hyödyllistä. Toisaalta paperin ja vastaavien materiaalien tuotannon kehittämiseen liittyy erityisesti Suomessa merkittäviä taloudellisia arvoja. Luun lujuuden selvittäminen auttaisi puolestaan vaikkapa osteoporoosin diagnosoinnin kehittämistä, mikä on tulossa entistä akuutimmaksi ongelmaksi väestön ikääntyessä.
Kuvista kuituverkkoihin -projektissa keskitytään erityisesti paperin kaltaisten materiaalien ja luun ominaisuuksien karakterisointiin ja analysointiin. Kokeellisena lähtökohtana on erilaisten kuvausmenetelmien tuottama aineisto. Kuvia otetaan esimerkiksi optisesti (valokuvaus), elektronimikroskopialla ja röntgensäteillä.
Ensimmäisessä vaiheessa tutkitaan mm. kuvien erilaisia kohinanpoistomenetelmiä ja reunaviivojen tunnistamiseen käytettäviä algoritmeja. Seuraavassa vaiheessa parannettua kuva-aineistoa tutkitaan neuroverkkomenetelmien avulla. Tällaisilla menetelmillä voidaan etsiä suureita, jotka luokittelevat parhaiten erilaisia rakenteita, ja käyttää niitä sitten jatkossa fysikaalisen mallinnuksen välineinä. Toisaalta luokittelusta voidaan saada tehokas virheidenetsintämenetelmä, joka olisi paperin tapauksessa arvokas myös tuotantoprosessin jatkuvaan seurantaan. Kolmannessa vaiheessa keskitytään tutkittavien rakenteiden ja niiden ominaisuuksien mallintamisessa. Kuvamateriaalista voidaan selvittää joitakin rakenneparametrejä ja analysoida tutkittavien rakenteiden ominaispiirteitä stokastisella mallinnuksella.
Fysikaalisessa mallinnuksessa ongelmaa lähestytään toisesta suunnasta. Tutkittaville rakenteille tai jopa niitä tuottaville prosesseille voidaan rakentaa kolmiulotteinen malli, virtuaalinen vastine, jonka tuottamia "kuvia" voidaan verrata todellisten rakenteiden vastaaviin kuviin. Näin voidaan rakentaa silta kolmiulotteisen todellisuuden ja sen kaksiulotteisten kuvien välille. Tavoitteena on löytää keinoja lujuuden ja muiden vastaavien, kolmiulotteisten kuitumaisten rakenteiden ominaisuuksien määrittämiseksi niiden kaksiulotteisista kuvista. Saatuja tuloksia voidaan välittömästi hyödyntää paperinvalmistuksessa ja luun kunnon seurannassa.