Jürise: tulevikusõjas lähevad vastamisi tehisintellektid

Kuidas leida maastikult hoolikalt maskeerunud vaenlase sõdurit või tanki ja mil viisil varjata oma vägesid vastase uuriva pilgu ning nutikate aparaatide vaateväljas? Neile ellujäämise ja võimearenduse küsimustele otsis ja ka leidis oma doktoritöös lahendusi Tallinna Tehnikaülikooli teadur Martin Jürise. Kirjutab Ants Vill. 

Hiljuti kaitstud doktoridissertatsiooni „Kaitseotstarbeliste objektide hüperspektraalsignatuurid lahinguvälja, kiirgusvälja ja infovälja integreeritud mudelis” juhendasid professor Raivo Sell ja dr Andres Udal ning see tugines aastaid kestnud väli- ning laboratoorsetel töödel. Sel teemal on valmis ka järgmise viie aasta uurimiskava.

Lahtiseletatuna: huvi pakkuvat keskkonda või objekti uuritakse erilise, peegelduvat valgust registreeriva hüperspektraalkaameraga, mis annab iga piksli kohta täieliku hüperspektraalse info. Saadud andmeid analüüsitakse paindlike ning ülitäpsete infosüsteemide ja uudsete tehnoloogiate multilahendustega arvutiprogrammidega, et avastada mitmel eri viisil hangitud informatsioonist silma eest varjatud objektide hüperspektraalsignatuure, võrreldes neid tuntud, varem analüüsitud objektide signatuuride andmebaasidega või ka mudeldades juba plaanitavat reaalset operatsiooniala. 

„Tulevikusõdades sõdivad sensorid sensoritega,“ seletab Martin Jürise. „Alles siis, kui suudame mõista ja detekteerida täpselt, millega vastane meid jälgida saab, saame hakata välja töötama lahendusi, mis aitavad meil vastase vaatlus- ja seiretehnoloogiat ära petta.“

Kuidas täpsemalt vaenulikku silma petta ja oma üksuseid, tehnikat ning objekte avastamise eest kaitsta, seda laiem avalikkus teada ei saa, sest riigikaitselistel põhjustel pole uurimuse sisu avalik.

Seni on peitu pugenud vaenlast saanud seireseadmetega otsida enamasti vaid pimedas, kasutades infrapunakiirgust. Kuigi Teine maailmsõda jäi eelmisesse sajandisse, pole väljaõppega kohati – ei Venemaal, Hiinas ega ka NATO-s – vanadest tavadest kaugemale jõutud. Infoajastu nõuab aga tervete armeesüsteemide ning kasutatavate tehnoloogiate täielikku ümberkujundamist.

Edaspidises arenduses on siht seda teha reaalajas, portatiivsete ja proaktiivsete seadmetega ning n-ö eraldusvõime suurendamiseks ka tehisintellekti võimalusi kasutades. Muide, sellisel arendusel on ka tsiviilelulisi rakendusi: näiteks põllumajanduses ja metsanduses taimehaiguste ja kahjurite varajane avastamine, meditsiiniline (ka kaug-) diagnostika, tööstustootmises toodangu varjatud defektide avastamine jpm.

Martin Jürise (42) kaitses doktorikraadi mehhatroonikas, tema tee selleni on olnud pikk ja käänuline. Kohtla-Järvelt pärit Jürise on õppinud mitut laevandusametit, omandanud õpetajakutse, tehnikahariduse, kaitsnud nii magistri- kui doktorikraadi, töötanud tsiviillaevastikus ja Eesti mereväes, läbinud ajateenistuse, kus omandas algselt lipniku auastme ning seejärel reservohvitseri väljaõppe, töötanud õppejõu, sõjaväelase (nii Mereväes kui erinevates struktuurides Kaitseväe Peastaabis ning Kaitseväe Toetuse Väejuhatuses) ning nüüd juba pikemat aega teadlasena. Aga kokkuvõttes – visa siht teadmiste omandamisele on kandnud ka praktilisi vilju –eelpoolmainitud enam kui viis aastat kestnud uurimistööst on otsene kasu meie kaitseväele ja ka tsiviilmajandusele.

Radaritest, öövaatlusseadmetest ning IR- ja termokaameratest jääb väheks

„Maskeerimisvahendeid on inimkond kasutanud enda varjamiseks jahilooma või vastase pilgu eest juba ürgajast saadik,” ütles Jürise. „Ühtlasi on iga relvakandja, iga sõjavägi üritanud leida ka teid, kuidas ise petta ja teiste tüssamisplaane, varjatud tegevust ning „militaarset petmist/manipulatsiooni“ läbi näha. Alanud on „Teise külma sõja“ ajastu ja keegi ei oska isegi arvata, kuhu see meid välja viib.” 

Moondamis- ja varjamisvahendid on varasematel aegadel keskendunud peamiselt inimsilma ära petmisele või radarite, IR- ja termokaameratele. „Esimese külma sõja“ aegade tehnilised lahendused on peamiselt keskendunud öönägemise, infrapunakiirguse ja objektide temperatuuri avastamisele, nn ööprillide arendamisele keskkonna füüsikaliste ja keemiliste omaduste avastamisele, tuvastamisele ning identifitseerimisele. Hüperspektraalanalüüs avab täiesti uued suunad elektromagnetväljas töötamiseks ning kordades suurema info saamiseks.

Jürise tõestas oma doktoritöös, et enamikust „Esimese külma sõja“ aegsetest moondamis- ja varjamistehnoloogiatest pole abi lahinguväljal toimuva kohta täieliku info saamiseks. Nendel aegadel piisas nii enda kui masinate varjamiseks moondamisvõrkudest, kamuflaažmustriga mundrikangastest ning masinate moondamisvärvide mustritest.

Jürise jõudis sõjalise maskeerimise ja selle „läbihammustamise” teemani aastal 2014 kaitstud magistritöös, mille tegi Eesti Mereakadeemias. Sel ajal, pärast 2007. aasta Vene mässu ning Venemaa küber- ja infosõda Eesti vastu, oli elektroonilise sõjapidamise (EW) teemad muutunud äärmiselt aktuaalseks. Magistritöö „Elektroonilise sõja pettesüsteemid ja liikuvad märklauad“ uurimisteema oli, kuidas sõjamehed ja tehnika oleks vastase eest paremini varjatud ning kuidas valmistada pettesüsteeme, mis vastase sensorid ära petaks. Magistritöö käigus sai ta üsna kiiresti aru, et edukaks maskeerimiseks on andmeid liiga vähe. „Selgus, et sõjanduses selle teemaga keegi Eestis ei tegelnud. Meie moondamisvärvid vastavad küll NATO standarditele, kuid need standardid ei hõlma veel hüperspektraalvaatluse eest kaitsvust. Lähtekoht on üldine – kui silmaga ei näe, ei erista, siis ongi kaitse olemas. Aga kui vaadata hüperspektraalkaameraga, siis nähtavas valgusalas on kasutatavad moondamis- ja varjamistehnoloogiad suures osas kasutud. Enda edukaks varjamiseks on vaja teada, kuidas meid võimaliku vastase poolt vaadeldakse, millised on meie avastamise vahendid,” meenutas Jürise. „Alles siis saame teha vastureaktsiooni, leiame võimalused, kuidas vastase vaatlusseadmete eest ennast kaitsta.” 

Selle töö jaoks pidi ta õppima tundma ja kasutama kõiki tavapärasemaid vaatlusseadmeid – radarid, sonarid, LIDAR-id ning enamkasutatavaid lähi- ja kaugseirevahendeid. „Sealt edasi jõudsingi selleni, et suuremaid muudatusi maskeeringute avastamise tehnoloogiates on võimalik saavutada nähtava valguse spektriosas läbi hüperspektraalanalüüsil toimivate seadmete arendamise. Uute vaatluskaamerate ja mudelite väljatöötamine ongi praegu minu uurimistöös põhiline suund, mis annab lahinguvälja monitoorimisel ja vaatlusel oluliselt rohkem informatsiooni kui senised vaatlusseadmed,” ütles ta.

Hüperspektraalkaamera ei ole mingi eriti tundlik ja keeruline videokaamera. See kaamera analüüsib hoopis nähtava valguse ja infrapuna valguse kiirguse nelja põhispektriala 400–2500 nm, nelja põhivärvi ning jagab selle käigus iga värvi veel sadadeks kihtideks. Doktoritöös kasutati põhitöövahenditena Resonon Pika II ja Resonon NIR kaameraid ning kontrolliti portatiivsete spektroskoopidega. Resonon INC kaamerad on lineaarskannerid, millest Pika II tegutseb lainepikkustel 400 kuni 100 nm ja Pika NIR 900–1700 nm. Selliste kaamerate väljundiks ei ole videokaader, vaid iga piksli kohta käiv spektraalkõver, mille kuju analüüsides saab näiteks kindlaks teha, millistest keemilistest ühenditest vaadeldav objekt koosneb.

Selliste kaamerate laialdasemat rakendamist on seni takistanud nende keerukus ja ülikõrge hind – enam kui 300 000 eurot. Neid kaameraid on seni kasutatud peamiselt satelliitseiresüsteemides ja muidugi ka kaitseväelistes uuringutes, Soomes aga juba ka otseselt sõdurite ja tehnika varustuses. Jürise teadustöös kasutatavad kaamerad Pika II ja Pika NIR soetati Eesti Kaitseväe ja Tallinna Tehnikaülikooli ühishankena. Kaameraid saab kasutada nii laboris kui välitingimustes.

„Oma uurimistöö käigus jõudsin selleni, et radarid ja LIDAR-id ei anna kuidagi piisavalt infot vastase maskeeringu läbinägemiseks. Selgus, et neid on õpitud juba üsna tõhusalt petma. Näiteks, kui kasutada looduslikke elemente maskeeringus, siis need petavad paljud vaatlusseadmed ära, kuna looduse vastu ei saa me siiani,” rääkis ta ja lisas, et uudsed kaamerad toovad aga vajaliku pöörde. Edukast magistritööst kasvas välja doktoritöö teema.

Väljaõppinud sõdur suudab sellise seadmega hankida adekvaatse info ka läbi topelt värvikihtide ning leida otsitava objekti erineva tihedusega ja niiskussisaldusega lehestikust. Kui vastasest on näha ka vaid 10 protsenti, leiab oskuslik vaatleja ta üles. Tehisintellekti jaoks on see vaid sekundi murdosa küsimus.

„Uurisime selle kaameraga meie mereväe laevade värvi. Selgus, et meie laevade värvid on sellise vaatlusriista eest varjamiseks väga head. Värvid vastavad NATO kaitsevärvide standardile ja on vaatluse eest kaitstud. Lisaks sai uuritud soomukeid, vaadatud jalaväge ja autosid ning samuti uurisime põhjalikult vormiriietust. Mõõtmised kestsid doktoritöö jaoks väliolukorras kokku viis aastat. Nii päeval kui öösel, päikesega ja vihmas. Samas olukorras, kus kaitsevägi tegutseb,” meenutas Jürise. 

„Uurimistel selgus, et kui vaatlusteks kasutada hüperspektraalkaamerat, ei ole termokaamerate petmisel edukalt toimivate soomuki- ja autovärvide puhul visuaalse varjamise võimekust. See võtab ka kujutise inimsilmaga nähtavast spektriosast välja vajaliku informatsiooni, tunneb maastikupildil ära mustrid, mida silm ei erista,” tõi Jürise esile peamise avastatud probleemi. 

Sellest tõdemusest liikus ta edasi, otsustades rakendada võimeka kaamera infoanalüüsile ka arvutustehnika. Loodud mudelite ning reaalsete objektide – sõjamasinate, ka kaitseväelaste kujutiste analüüsi põhjal leitud nn signatuuride tuvastamine lahinguvälja maastikul ongi osa tema teadustöö sisust. Avalikkuse eest kaitstud osa puudutas elektroonilise võitluse nüansse ja hüpespektraaltehnoloogia rakendusvõimalusi nii luureandmete saamisel kui enda kaitsmisel. 

Doktoritöös toodi välja ka võimalikud juhtimismallid hüperspektraalinfo kasutamises operatsioonide juhtimisel.

Näiteks, kui soomuk on maskeeritud puude, okste ja muude looduslike elementidega, siis on inimsilmal sellest varjest läbi näha pea võimatu, kuni ajani, mil lehed närtsima hakkavad. Laia- ja kitsaribaline spektraalanalüüs aga näitab silmaga mitteeristatavaid toimunud muutusi valguse tagasipeegeldumises, samuti niiskusesisalduses, temperatuuris, klorofülli- ja muude ainete sisalduses võrreldes n-ö normiga, aga ka näiteks kõrvalolevate, kasvavate puudega.

„Kui sinna juurde lisada arvutimudelid, mis doktoritöös välja töötasime ja täiustasime, siis selgus, et nende puude puhul on selle kaamera ja mudelite abil võimalik toimunud muutusi näha, eelkõige spektri infrapuna osas, aga ka muutusi nähtavas spektri osas, mida silm ei erista,” märkis Jürise.

„Peale vastase avastamise on oluline ka enda varjamine, see on kõigile päevselge. Doktoritöö raames tegime katseid, milline võiks tõhus moondevärv olla. Valmistasime klorofüllipulbri, segasime laki sisse ning kandsime metallpinnale. Seejärel proovisime kaameraga vaadelda – oli kasu küll. Selgus, et värvide keemilise koostise muutmisega on võimalik hüperspektraalkaamera ära petta,” tutvustas ta uuringute teist külge.

Süsteemil kaks osa

Nii koosnebki Jürise väljatöötatud süsteem kahest osast – hüperspektraalkaamerast ning selle informatsioonist, tema poolt väljatöötatud mudeli ning natuurist mõõdetud andmete põhjal eristatud signatuuride alusel varjatud objektide avastamise arvutisüsteemist. „Sellise seadme pildilt on näiteks võimalik ära tunda okstega maskeeritud auto ja selle osad – rehvid, mootor ja ka auto värv ning eristatav maskeerimisvõrk. Näeme isegi läbi hõredama võsa, kus sõdur end varjab. Võib eristada ka seda, kas tegu pole inimesel asemel hoopis karuga. Kui meil juba signatuur olemas, suudame määrata, millise mundririidega on tegu – ehk üsna kindlalt öelda, millise riigi võitleja see on. Samuti saab täpselt kindlaks määrata, millise värviga on värvitud maskeeritud soomuk. Nii saab varasemast määratud signatuuri olemasolu korral hetkega kindlaks teha, kelle ja millise sõjamasinaga on tegu,” märkis Jürise. „Kõik detailid on näha ja kui objektide kohta on olemas andmebaas, siis saab neid arvutiga analüüsida. Kui vaadelda analoogiaid, siis tark küberfüüsikaline arvutisüsteem otsib piltidelt ja ümbrusest infot ning mustreid samaväärselt kui inimsilm – see ongi loodud süsteemi alus. Ja neid mustreid, signatuuri olengi nüüd juba viie aasta jooksul mõõtnud-määranud.”

„Kuna tegelesin Eesti kaitseväe masinate, relvade, varustuse ning mundrite analüüsi ja nende spektraalsignatuuride määratlemisega, siis ei ole ka minu doktoritööst suurem osa avalikkusele kättesaadav, et neid mõõtmisi ei saaks meie riigi vastu ära kasutada,” selgitas Jürise.

„Meie seadmed pole aga paraku ainulaadsed. Idanaabril on relvale kinnitatav ja sarnase tegevuspõhimõttega seade juba mõnda aega relvastuses. Seade nimega Strelets (laskur – vn k) on kasutatav sarnaselt öönägemisseadmetega, sellega näeb läbi suitsugranaadi pilve ka siis, kui seda on rikastatud termokaamerate pimestamiseks soojuselementidega,” tõdes Jürise.

Palju tööd on ees

Martin Jürise doktoritöö on valmis ja kraad kaitstud, ees ootab järeldoktorantuur. „Jätkan selle teema edasiarendust eelkõige spektraalmudelite täiustamisega ning signatuuride leidmisel ja analüüsil tehisintellekti rakendamisega,” ütles ta. „Oma uurimistöös kasutasin kolme kaamerat – termokaamerat ja kahte erineva diapasooniga spektraalkaamerat ning arvutit Resonon. Uurimistöö toimus väliolukorras, nädalate kaupa metsas, kokku viis aastat. Kui sõdurid jooksid automaadiga, siis mina kaamerate ja arvutiga.”

Eesmärk on aga luua selline süsteem, mida saaks kasutada ka lahingolukorras suurte kaasaskantavate seadmeteta – väikesed nööbisuurused relvadele kinnitatavad kaamerad. Selleks on aga vaja süsteemi efektiivsemaks muuta.

„Oma uurimisega tegin kindlaks, et kosmoseseires kasutatavad seadmed PROSPECT ja PROSAIL töötavad hästi kosmosest vertikaalseks vaatluseks, aga maapinnal tekivad horisontaalvaatlusel vead. Kosmosesüsteemid arvestavad mõnel juhul isegi 19 parameetriga, see teeb analüüsi tundidepikkuseks ja keerukaks, milleks sõduril aega ei ole. Minul õnnestus oma mudelis piirduda nelja parameetriga, nii on analüüs hulga kiirem, kasutatav reaalajas ja lahinguolukorras. Analüüsi tulemus on samas kasutamiseks enam kui piisav,” märkis Jürise. 

Edaspidi on ta kavas parameetrite arvu veelgi kahandada. „Tegelikult on võimalik piirduda isegi kahe parameetriga. Millised need on, on kaetud riigisaladusega. Aga sellisel moel on võimalik luua seade, mis koosneb nööbisuurusest, sõduri rinnale või relvale kinnitatavast kaamerast ning selle juurde kuuluvast käsivarrele kinnitatud ekraanist. Sellise seadmega varustatud sõduril on kui röntgenpilk, millega näeb ära ja tuvastab varjunud vastase nii päeval kui öösel.”

Eestis pole taolised militaarsed vaatlusseadmed veel rakendusse jõudnud, aga näiteks Soomes on need juba mitu aastat kasutusel. „Neil on polügoon, kus saab pöörlevale alusele pandud auto, tanki vms maskeerimisomadusi, uusi kamuflaažvärve igast küljest kaamerate ja radaritega uurida-mõõta. Eestilegi kuluks selline uurimiskeskkond ära,” nentis ta. 

„Täiendava efekti annab veel polariseerivate filtrite kasutamine, nii saame senisest neli korda enam infot. Seda suunda ei ole me veel eriti analüüsida jõudnud, kuna see on kogu maailmas üsna uus, napilt on ka selleteemalisi teadusartikleid,” laiendas Jürise teemat. „Eesti poisid löövad sel alal kaasa; noored, kes on Tallinna Tehnikaülikooli erineva astme tudengid, õpivad praegu valdkonda. Nendega koos soovingi teemat edasi arendada.” 

„Selline tehnoloogia on „tulevikusõdades” hädavajalik juba eelluure jaoks, kus ammu enne, kui üksus läheb operatsioonialale (kõrbes, vihmametsas, Norra mägedes jne) saadetakse kohale luure hüperspektraaltehnoloogiatega, millega võetakse keskkonnast panoraamvõtted ja nende alusel töötatakse välja just selle missiooni jaoks vastav värvilahendus ja muster (ja see on ainult väike osa veel avastamata võimalustest),” seletas Jürise. „Ei vaidle, et see on kulukas, aga sõjapidamine ongi kallis. Kordan, et infoajastul sõdib sensor sensoriga. Venemaa riigipea Vladimir Putin ütles oma 17. detsembril 2020. aastal toimunud pressikonverentsil selgelt, et kui praegu teistest riikidest sekundikski maha jääda, siis järele enam ei jõua. Nemad on selles valdkonnas paljuski teistest ees, peab ütlema,” märkis doktor Jürise, kes on ise Vene sõjaväeteaduse sellealaseid saavutusi pidevalt jälginud.

Lisaks sõjalisele suunale plaanib Jürise arendada edasi ka teadussuunda. Sobitatakse koostööd USA Lõuna-Carolina ülikooli teadlastega. „Uhke öelda – nad ise otsisid mu üles,” tõdes ta. Samuti käivad läbirääkimised Eesti Kaitsetööstuse Liidu militaartööstuse ettevõttega – eesmärk on ühendada sensorid ja tehisintellekt ehk AI reaalajas toimivaks süsteemiks. „See on tulevik. AI teebki selle süsteemi tegelikkuses kasutatavaks ja ka efektiivseks. Olen istunud satelliitseire süsteemide radarite taga ja vaadanud kuidas nad töötavad. See nõuab aega, teravat mõistust ja kogemusi, enne kui mingi vastus tuleb. Aga jah, see on saavutatav ja reaalajas toimiv süsteem,” jätkas ta. 

Jürise sai palju abi Tartu Tõravere observatooriumist, akadeemik Andres Kuuselt, dr Jan Pisekilt ja teistelt, kes on reaalselt ka rahvusvahelise kaugseire kogukonna tegevliikmed ja PROSAIL mudeli eestipoolsed loojad/edasiarendajad. „Eestil on sel alal teatav rahvusvaheline edu,” märkis ta. 

Sellistel seadmetel on rakendust ka tsiviilvaldkondades, näiteks põllumajanduses ja metsanduses. Nii saaks avastada taimehaigusi ja kahjureid hulga varem, kui need silmaga nähtavat kahju jõuavad teha. Näiteks otsida drooniga viljamädanikku või kooreüraskeid, avastada mere- ja õhusaastet. Seda süsteemi saab kasutada ka meditsiinilises diagnostikas: nii on võimalik varakult avastada silmaga mittetabatavaid muutusi nahavärvis, mis võib viidata mõnele haigusele. See laiendaks ka kaugdiagnostika võimalusi. „Osalesin ülikooli projektis, kus kasutasime seadet tööstustoodangu kvaliteedi hindamisel pragude-mõrade avastamiseks terasdetailidel,” märkis Jürise.

Ta lisas, et näiteks USA riiklik kosmoseagentuur NASA valmistab praegu ette suure hüperspektraalkaamera saatmist kosmosesse Maa orbiidile, et uurida tumeaine olemust. „Hüperspektraalkaameraga peaks saama vaadata piirkondi, kus valgus “takerdub”. Kuigi tumeaine puhul pole tuvastatud, et ta peegeldaks, absorbeeriks või painutaks valgust, siis oma magnetväljaga ta siiski valgust mõjutab ja meile mõistetav valgusspekter muutub. Spektrialas, kus tekib anomaalia, peaks olema eeldatavalt tumeaine, mis moodustab suure osa universumi massist.”

Aga oma senise elukäigu kohta oleks Martin Jürisel pikalt jutustada, nagu ta teisel koroonakevadel TTÜ Kaitse- ja julgeoleku-uuringute keskuses toimunud usutluse käigus ka rääkis. „Peamisena toon esile selle, mis mind on kogu aeg liikumas hoidnud, mida pean oluliseks ja julgen soovitada ka teistele, oma üliõpilastelegi – see on õppimine. Mul on õpetaja pojana olnud kogu aeg tung õppida, uusi teadmisi saada. Samas on aga minu käekäigus ka teatavaid keerdkäike. Karmis Ida-Viru keskkonnas 1990. aastatel sirgununa oli mul valida – kas jääda sinna ja kukkuda kuritegelikku maailma küüsi või minna edasi õppima. Valisin viimase. Jah, olen sihikindel, lisaks on mind poisipõlvest tõmmanud sõjaväe ja mere poole. Ma ei saanud tüürimeheks õppida, nagu alguses plaanisin, sest selgus, et olen daltoonik ja ei erista punaseid toone rohelistest (sõdur, kes ei märka, et on haavatud). Aga tegelikult ma ei kahetse, et pidin algul külmutusseadmeid ja seejärel mehaanikuks õppima ning merd seilama, sest kui oleksin tüürimees, siis oleksin siiani merel, mitte teaduses. Alles hiljem tuli kõik, millest poleks üldse osanud unistada – kaks kõrgharidust, pedagoogi kutseharidus, töö laeval, teenistus nii mere- kui ka jalaväes, ning isegi kaitseväe peastaabis. Omandasin tehnikaalade õppe magistri- ja doktorikraadi. Nüüd olen suunanud pilgu järeldoktorantuuri, jätkates sõjanduse ja teaduse ühendväljal. Ka õpetajana. Tegin nooruses õige valiku, kui pärast gümnaasiumi lõpetamist edasi õppima läksin! Haridus andis mulle eelised, sõjavägi tegi minust mehe ja meri karastas. Nüüd on aeg anda tegudega riigile selliste võimaluste eest oma panus,” võttis oma mitmekesise elukäigu kokku haruldasel teemal uurimistööd tegev teadlane doktor Martin Jürise.