Kopioi artikkelin PDF-versio
Informaatioteknologian tutkimuksen uudeksi painopistealueeksi ovat nousemassa käyttöympäristöstä tietoiset, kaikkialla läsnä olevat mobiilitekniikat. Niiden avulla luodaan uusia vuorovaikutteisia, älykkäitä mobiilipalveluja, jotka mukautuvat käyttäjän profiilin ja kulloisenkin käyttöympäristön tarjoamien resurssien mukaan tilanteeseen sopiviksi.
Sisältö, tietoliikenne ja tietojenkäsittely sulautuvat toisiinsa tiiviisti samalla kun valtavirtateknologiat muuttuvat avoimiksi, helposti ohjelmoitaviksi ja oliomaisiksi pitkälle verkottuneissa, älykkäissä ympäristöissä. Kehityssuuntaan ovat vaikuttaneet monet tekijät. Tietokonejärjestelmät ovat kutistuneet, mutta niiden suorituskyky on samanaikaisesti kasvanut, ohjelmoitavan elektroniikan hinta alentunut, ja erilaiset järjestelmät ovat sulautuneet toisiinsa. Tämä on johtamassa siihen, että pian pystytään valmistamaan suuria määriä pieniä laitteita. Tällaista niin sanottua laitepölyä voidaan ohjelmoida käyttötilanteisiin sopivaksi ja sijoittaa lähes mihin tahansa aina kaupan hyllyllä olevasta jauhelihapaketista olohuoneen digi-tv-päätteeseen.
CAPNET-tutkimusohjelma (Context-Aware Pervasive Networking) sisältää useita hankkeita, joissa tavoitteena on edellä kuvatun mukainen älykäs ympäristö. Ohjelmassa keskitytään siihen, kuinka älykkään ympäristön palveluja voidaan luoda, hallita ja jakaa liikkuvalle käyttäjälle ohjelmistoperustaisesti. Tavoitteena on niin ikään luoda ratkaisuja, joiden avulla käyttäjä pääsee mahdollisimman vaivattomasti eri palvelujen äärelle.
Ohjelman ytimeen on valittu neljä toisiinsa integroitua teknologia-aluetta, jotka ovat monimuotoisuuden hallinta, mukautuvat ohjelmistotekniikat, palvelusisällön älykäs mukauttaminen ja älykkäät käyttöliittymät. Varsinainen teknologiaperusta käyttää pitkälti olemassa olevia, käytössä parhaiksi havaittuja teknologioita rakentamalla innovatiivisesti uutta arkkitehtuuria niin, että olemassa olevaa infrastruktuuria voidaan hyödyntää suoraan. Lopputuloksena on älykäs ympäristö, jonka tarkoituksena on helpottaa arjen rutiineja ja jossa varsinainen teknologia on piilotettu loppukäyttäjältä.
Käyttäjien tarpeet kartoitettava
Uutta teknologiaa kehitettäessä on olennaista selvittää, mitkä ovat käyttäjien todelliset tarpeet. Jotta teknologia pystyisi toimimaan taustalla älykkäästi ilman käyttäjän suoraa ohjausta, tulee palvelun tai sovelluksen kehittäjän tuntea loppukäyttäjän tarpeet ja vaatimukset niin hyvin, että hän pystyy optimoimaan kehitettävän sovelluksen kulloiseenkin tehtävään.
Tutkimus on perinteisesti ollut hyvin teknologiavetoista: ensin on kehitetty teknisiä ratkaisuja ja vasta sitten mietitty, missä ja miten niitä voitaisiin käyttää. Useimmat eri tutkimushankkeissa ja julkisuudessa esitetyistä sovelluksista ovat varsin yhdentekeviä loppukäyttäjän elämänlaadun kannalta. Parantaako uusi teknologia ihmisen elämänlaatua oleellisesti, vai lisääkö se vain koneellistumisen myötä yhteiskunnassa kasvanutta tehokkuuden ilmapiiriä? Kuinka uusi teknologia lopulta vaikuttaa käyttäjäänsä yksilötasolla ja yhteiskuntaan kokonaisuutena?
CAPNETissa näihin kysymyksiin pyritään vastaamaan testaamalla kehitettävät mobiilipalvelut mahdollisimman autenttisessa ympäristössä. Tähän mennessä suunnitellut käyttötapaukset liittyvät ostoksien tekemiseen, ravintolassa käymiseen, urheiluun ja hyvinvointiin, tunteiden välittämiseen sekä palveluiden käyttöön erityyppisissä ympäristöissä.
Käyttöliittymät mukautuvat
Käyttöliittymän rooli on merkittävä kehitettäessä hyödyllisiä ja helppokäyttöisiä palveluja. Käyttöliittymän tulee ymmärtää käyttäjänsä toimintaa ja kommunikointitapoja. Näin käyttäjän ei tarvitse opetella koneen kieltä ja ohjaustapaa. Jotta käyttäjiä ei asetettaisi eriarvoiseen asemaan, käyttöliittymän tulee mukautua kaikkien potentiaalisten käyttäjien taitoihin: sen pitäisi soveltua niin lukutaidottomille lapsille kuin huononäköisille vanhuksillekin - oleellista on helppokäyttöisyys ja nopeus. Lisäksi käyttöliittymän tulee ottaa huomioon käyttäjänsä kulttuurinen tausta, kuten kieli ja uskonto.
Toinen mukautuvan käyttöliittymän tärkeä tehtävä on suodattaa saatavilla olevaa informaatiota ja palveluja käyttäjän tilanteen mukaan. Tällainen suodatus on keskeistä laitteiden verkottuessa ja verkon sisältämän informaatio- ja palvelutarjonnan kasvaessa. Käyttöliittymä voi mukautua myös muokkaamalla itseään käyttötilanteeseen sopivaksi.
Tilannetiedon käyttö ongelmallista
Voidakseen mukauttaa toimintaansa tilanteeseen sopivaksi palvelut tarvitsevat tietoa käyttäjän arkitilanteesta, ympäröivästä fyysisestä ympäristöstä, käyttäjän biofyysisestä tilasta sekä tietoteknisestä ympäristöstä. Käytännössä tietoa kerätään antureilla, jotka sijaitsevat käyttäjän mobiilipäätelaitteessa, vaatetuksessa tai erilaisissa ympäristöissä, kuten rakennuksissa.
Mitattua tietoa jalostetaan korkeammalle abstraktiotasolle yhdistelemällä useiden erityyppisten antureiden välittämää tietoa ulkoisista tietopankeista saatavaan tietoon. Esimerkiksi pienpäätelaitteen sijainti - onko laite laukussa, kädessä vai pöydällä - voidaan arvioida laitteeseen sijoitetuilla kiihtyvyys- ja valoantureilla. Sijaintiosoite taas voidaan selvittää esimerkiksi GPS-paikantimen ja osoitetietokannan avulla. Koska ei ole järkevää, että jokainen palvelujärjestelmä vaatisi omat anturinsa, on rakennettava tilannetietoa mittaava ja jalostava infrastruktuuri, jota eri palvelut voivat hyödyntää.
Kerättyä ja jalostettua tietoa analysoimalla saadaan tietoa käyttäjän henkilökohtaisista rutiineista. Näiden rutiinien avulla voidaan mukauttaa tekniikat ja palvelut käyttäjälle sopiviksi. Tilannetieto on luonteeltaan usein erittäin henkilökohtaista, ja tilannetietoisten palveluiden käyttöön liittyykin pelko yksityisyyden menettämisestä. Jotta tieto ei joutuisi vääriin käsiin, on sovellettava erilaisia tunnistus- ja salaustekniikoita. Yksityisyyden suojaamista voidaan edistää myös arkkitehtuurisilla ratkaisuilla.
Tutkimuksellisia haasteita liittyy paitsi tiedon mittaamiseen ja jalostamiseen myös menetelmiin, joiden avulla samassa tilassa olevat laitteet voivat keskustella ja hyödyntää toisiaan. Näin muodostetaan palveluja, joihin laitteet yksinään eivät pystyisi. Laitteiden ja palveluiden yhteistoiminnan keskeiset ongelmat liittyvät niin ad hoc -verkkojen muodostamiseen kuin laitteiden välisen yhteisen kielen löytämiseen eli yhteisiin tiedonesitystapoihin.
Uusia palveluja entistä helpommin
Tilannetietoa hyödyntämällä voidaan paitsi tuoda lisäarvoa olemassa oleviin palveluihin myös luoda aivan uudenlaisia palvelukonsepteja. Erityisen käyttökelpoista tilannetieto on kommunikaatiopalveluissa.
Nykyisten matkapuhelimien aikakaudella puhelu aloitetaan usein kysymällä vastapuolelta, onko tämä sellaisessa tilanteessa, että pystyy puhumaan. Jos soittaja jo soittopäätöstä tehdessään saisi tiedon, että tavoiteltu henkilö on kokouksessa tai muuten varattu, voisi hän päättää soittavansa myöhemmin tai päätyä käyttämään vaihtoehtoista viestintämuotoa.
Myös tilannetietoiset muistilaput ovat oiva esimerkki uuden tyyppisistä älykkäistä palveluista. Palvelu voisi muistuttaa ystävien meille suosittelemista kirjoista ollessamme kirjastossa tai kirjakaupassa tai vaikkapa kehottaa jäämään bussista pois oikealla pysäkillä bussin saapuessa määränpäähän.
CAPNETissa tutkitaan verkkoon hajautettua tilannetiedon prosessointia, rutiinien tunnistamisessa käytettäviä algoritmeja sekä menetelmiä, joilla ohjelmistorakenteita mukautetaan dynaamisesti vallitsevan tilanteen mukaan. Uudenlaisilla tilannetietoa mittaavilla menetelmillä on tärkeä rooli. Testilaboratoriossamme on käytössä muun muassa paineenmuutokset tunnistava älylattia, jonka avulla tilassa kulkevien ihmisen liikkeitä voidaan seurata.
Kehitettävät tilannetietopalvelut yksinkertaistavat ja nopeuttavat uusien palveluiden suunnittelua. Vastuu kontekstitiedon käsittelystä pyritään siirtämään mahdollisimman pitkälti pois palvelunkehittäjiltä. Kun perusinfrastruktuuri ja tilannetietopalvelut saadaan käyttöön, voidaan erilaisia innovatiivisia tilannetietoa hyödyntäviä palvelukonsepteja prototypoida helposti.
Uusilla tekniikoilla tehoa jakeluun
Mobiilitekniikoiden kehittyminen tilannetietoisiksi ja kaikkialla saataviksi monipuolistaa sovellusten ja sisältöpalveluiden käyttötapoja. Tällöin tietoturvan merkitys korostuu: multimediasisältöjen turvaamiseksi tarvitaan jo käytössä olevien tekniikoiden lisäksi aivan uudenlaisia työkaluja. Etenkin vesileimaustekniikat ovat tuoreita ratkaisuja, joilla suojataan digitaalisia oikeuksia. Teknisten ja taloudellisten kysymysten lisäksi on otettava huomioon myös juridisia seikkoja.
Digitaalisten oikeuksien hallinnan (DRM) ratkaisut ovat tulevaisuudessa keskeisiä niin uusien jakelutapojen kuin niiden pohjalta syntyvien uusien ansaintalogiikkojenkin kannalta. Uudet jakelukanavat muotoutuvat kaikkialla läsnä olevien verkkojen pohjalta. Tätä nykyä tärkeimmiksi jakelumalleiksi ovat nousseet niin kutsutut super- ja peer-to-peer-jakelu (vertaisjakelu-jakelu). Molemmissa jakelutavoissa alkuperäinen digitaalinen hyödyke tai sen kopio siirtyy loppukäyttäjältä toiselle.
Suositun materiaalin, kuten videotrailereiden, levittäminen käyttäjältä toiselle superjakelun avulla luo uusia mahdollisuuksia sekä sisällön tuottajille että operaattoreille. Superjakelua voitaisiin soveltaa esimerkiksi jaettaessa sisältöä multimediaviesteinä (mms) matkapuhelimiin. Kaupallisen menestyksen ehtona on kuitenkin se, että käytettävät tekniikat tukevat oikeuksien hallintaa ja tekijänoikeusmaksujen maksamista. Tarvitaan myös tekniikoita, joiden avulla verkkoyhteys mukautuu asiakkaan ympäristöön, jolloin sisältöjä voidaan sujuvasti jakaa superjakelumallin mukaan monien eri verkkojen yli erityyppisiin päätelaitteisiin. Lisäksi päätelaitteiden ohjelmistojen on oltava keveitä, jotta palveluiden käytettävyys ja käyttäjätyytyväisyys eivät heikkenisi.
Tiedonpiilotustekniikoilla lisäarvoa
Tiedonpiilotustekniikoiden avulla mediasisältöön voidaan sisällyttää lisätietoa esimerkiksi kyseisen sisällön omistajasta siten, että lisätietoa ei voida havaita ihmissilmällä tai -korvalla. Lisätietoa on myös vaikea poistaa. Tätä lisätietoa voidaan sisällyttää vaikkapa äänimateriaaliin, kuviin, videoon tai tekstiin. Esimerkiksi musiikkitallenteeseen voidaan sisällyttää tiedot tekijänoikeuksista tai kopioihin liittää koodi, joka identifioi yksittäisen kopion omistajan. Tällöin voidaan jäljittää lähde, esimerkiksi yksittäinen henkilö, joka tietoisesti tai tahattomasti levittää laittomia kopioita.
Lisätieto voi olla periaatteessa mitä tahansa: esimerkiksi yksi bitti voi kertoa, sallitaanko sisällön kopiointi ylipäätään. Useammalla bitillä taas voidaan kuvata oikeuksia laajemmin tai ilmaista osoitin laajempaan tietovarastoon. Tiedonpiilotustekniikoita voidaan soveltaa lukuisiin eri kohteisiin ja pysyvän vesileiman upotuksen lisäksi tekniikoita voidaan käyttää myös esimerkiksi salaiseen viestintään, jossa pyritään lisäämään tietoa niin paljon kuin mahdollista.
Arkkitehtuurilta edellytetään monipuolisuutta
Arkkitehtuuri on keskeinen elementti toteutettaessa tilannetietoisia järjestelmiä. CAPNETissa kehitettävä ohjelmistoarkkitehtuuri määrittää, miten järjestelmä jaetaan osiin ja miten järjestelmän osat liitetään toisiinsa. Arkkitehtuurin avulla voidaan suunniteltutyö jakaa selkeisiin osiin ja yksittäiselle tutkijalle antaa näin selkeästi rajattu alue tutkittavaksi ja toteutettavaksi.
Jaettaessa järjestelmä osiin saadaan myös muuta hyötyä: sovelluksia voidaan koota osista, jotka ovat uudelleen käytettäviä, minkä lisäksi osia voidaan lisätä, siirtää ja poistaa suorituksen aikana. Arkkitehtuuri onkin tärkeä työkalu vietäessä hankkeen tuloksia tavallisille käyttäjille tarkoitettuihin sovelluksiin ja palveluihin.
CAPNETin sovellusalue asettaa arkkitehtuurille tiukat vaatimukset. Sovellus on pystyttävä hajauttamaan verkotettuihin laitteisiin ja käyttäjän päätelaitteeseen. Päätelaitteessa suoritettavan osan tulee olla kevyt. Lisäksi järjestelmän on oltava käyttöjärjestelmästä riippumaton ja tuettava yleisiä käytössä olevia teknologioita. Järjestelmän on myös tuettava sovelluksen dynaamista jakamista - ohjelmiston osia on pystyttävä siirtämään suorituksen aikana laitteesta toiseen.
Kolmentasoisia komponentteja
Syntyviin vaatimuksiin pyritään vastaamaan arkkitehtuurilla, joka jakaa järjestelmän osiin kolmella tasolla. Alimmalla tasolla ovat komponentit, joista jokainen toteuttaa tietyn toiminnallisuuden tarjoten samalla muulle järjestelmälle selkeän rajapinnan tämän toiminnallisuuden hyödyntämiseksi.
Seuraavalla tasolla komponentit jaetaan CAPNET-koneisiin toiminnallisuuden tyypin mukaan. Arkkitehtuuri sisältää koneet muun muassa palvelunhakuun ja mukautuville käyttöliittymille, minkä lisäksi koneet tunnistavat käyttötilanteita, varastoivat informaatiota ja ylläpitävät tietoliikenneyhteyksiä. Esimerkiksi palvelunhakukone sisältää perustoiminnallisuuden tarjoavat ydinkomponentit sekä näitä komponentteja hyödyntäviä monipuolisempia palveluja tarjoavia komponentteja.
Ylimmällä tasolla järjestelmä jaetaan kussakin laitteessa sijaitsevaan CAPNET-suoritusympäristöön. Sen laite- ja ohjelmistovaatimukset pyritään pitämään mahdollisimman suppeina, jotta järjestelmä voisi toimia mahdollisimman monessa erilaisessa päätelaitteessa.
Sovellus kootaan sovelluslogiikasta sekä komponenteista, jotka tarjoavat sovelluksessa tarvittavaa toiminnallisuutta. Komponentit sijoitetaan käyttäjän päätelaitteeseen ja verkotettuihin laitteisiin käytössä olevien resurssien ja sovelluksen asettamien vaatimusten mukaan.
Sovelluksessa tarvittavat komponentit määrittävät, mitä koneita tarvitaan. Yksinkertainen sovellus koostuu sovelluslogiikasta ja yhdestä koneesta, jotka molemmat sijaitsevat päätelaitteessa. Monimutkainen sovellus taas sisältää useita pääte- ja muissa laitteissa olevia koneita. Koneet muodostavat hierarkian, jossa kone sille lähetettyä palvelupyyntöä suorittaessaan pyytää palveluja muilta koneilta.
Ei enää opettelua
Helppokäyttöisiä ja hyödyllisiä mobiilipalveluja kehitettäessä on vastattava moniin vaatimuksiin. Informaation ja palveluiden määrän kasvaessa yhä kiihtyvällä tahdilla tarvitaan uusia ratkaisuja, joilla erotetaan olennainen epäolennaisesta. Käyttäjän liikkuminen taas asettaa omat vaatimuksensa palveluiden toiminta-alueelle ja resurssien käytölle.
CAPNETissa tähän haasteeseen on tartuttu käyttäjälähtöisellä tutkimusotteella ja mukauttamalla palvelut käyttötilanteeseen. Kehitettävät palvelut pyritään valitsemaan todellisten tarpeiden pohjalta ja samalla huolehtimaan siitä, että käyttäjälle tarjotaan kulloisessakin tilanteessa vain aidosti hyödyllisiä palveluja. Käyttäjän ja koneen väliset vuorovaikutussuhteet ovat kiinteä osa tutkimusta.
Pelkkä teknologisten vaatimusten täyttäminen tai tekniikan ja palvelujen helppokäyttöisyys ei kuitenkaan riitä, vaan palveluiden ympärille on pystyttävä luomaan liiketoimintaa - niistä on saatava luonnollista lisäarvoa. Digitaalinen oikeuksien hallinta on tässä keskeisessä asemassa. Samalla suojataan käyttäjien yksityisyyttä. Tutkimuksessa onkin otettava huomioon paitsi tekniset myös juridiset ja taloudelliset näkökohdat.
Artikkelissa kuvatulla tutkimusalueella tehdään tutkimusta monissa muissakin koti- ja ulkomaisissa tutkimuslaitoksissa. CAPNET kuitenkin poikkeaa muusta tutkimuksessa erityisesti siten, että siinä yhdistyvät tieteensisäisten ja -välisten osa-alueiden osaaminen, näkökulmat ja menetelmät. Tutkimuksen kunnianhimoisena tavoitteena on saada alkuun kehitys, joka muuttaa nykyisen elinympäristömme askelittain älykkääksi, jolloin ihmiset voivat keskittyä teknologian opettelun sijaan jokapäiväiseen elämään.
Aiheesta enemmän
Mäkäräinen, M., Isomursu, P: Exploiting Multimedia Components in Small User Interfaces. In the proceedings of ICME 2002. (The International Conference on Multimedia an Expo) Lausanne 26 - 29 August 2002.
Oulun yliopisto: http://www.ee.oulu.fi/research/isg/
Mediateam: http://www.mediateam.oulu.fi/projects/info/capnet/?lang=fi
Mobile Forum: http://www.mobileforum.org
Ubicomp: http://www.personal-ubicomp.com/
Stego Archive: http://www.stegoarchive.com
Watermarking World: http://www.watermarkingworld.org
XML-syntaksi: http://xml.coverpages.org/drm.html
Ad hoc -verkko Rakenteeton verkko, joka koostuu langattomista siirrettävistä päätelaitteista. Ad hoc -verkoissa laitteet kommunikoivat toistensa kanssa ilman kiinteää arkkitehtuuria. Lankaverkossa oleva jako päätelaitteisiin ja reitittimiin ei sovellu ad hoc -verkkoon.
DRM, Digital Rights Management Digitaalinen tekijänoikeuksien hallinta
GPS, Global Positioning System
Useiden maata kiertävällä radalla olevien satelliittien lähettämien radiosignaalien saapumisaikojen vertailuun perustuva paikannusjärjestelmä.
Konteksti Mikä tahansa tieto, jolla voidaan kuvailla entiteetin tilannetta. Entiteetti voi olla henkilö, paikka tai objekti, joka koetaan oleelliseksi käyttäjän ja sovelluksen välisessä vuorovaikutuksessa.
Kontekstitietoisuus (context-awareness) Järjestelmä on kontekstitietoinen, jos se käyttää kontekstia hyväkseen tarjotakseen oleellista informaatiota tai palveluja käyttäjälle. Myös termejä "tilannetietoisuus" ja "tilanneherkkyys" käytetään.
Kryptografia (cryptography) Tieteenala, joka käsittää periaatteet ja menetelmät, joiden avulla informaatio esitetään ei-ymmärrettävässä muodossa (salakoodattuna), ja menetelmät, joiden avulla tämä salakoodattu informaatio palautetaan takaisin ymmärrettävään muotoon.
Peer-to-peer Peer-to-peer-jakelussa jakelutuote siirtyy loppukäyttäjältä toiselle riippumatta tuotteen sijaintitiedon lähteestä. Tieto tuotteesta voi siis tulla eri loppukäyttäjältä kuin itse tuote.
Steganografia (steganography) Tiedonkätkentätekniikka, jota käytetään salatussa tiedonsiirrossa kätkemällä salaisia viestejä ei-epäilyttävään tietoon, kuten www-sivulla olevaan kuvaan tai videokonferenssissa välitettävään puheeseen.
Tiedonkätkentä (information hiding) Joukko tekniikoita, joiden avulla voidaan sisällyttää mediaan lisätietoa, jota ei voida ihmissilmin tai -korvin havaita.
Vesileimaus (watermarking) Tiedonpiilotustekniikka, jossa lisättävä tieto on yleensä salainen tai henkilökohtainen tunnistuskoodi. Tieto pyritään lisäämään siten, että sen poistaminen on mahdollisimman hankalaa.
Taustat
Kirjoittajat: TkT Jaakko Sauvola, Oulun yliopisto, CAPNET-ohjelman johtaja, MediaTeam Oulu -tutkimusryhmän johtaja. TkT Jukka Riekki, professori, Oulun yliopisto, tutkimuspäällikkö, Älykkäiden järjestelmien ryhmä. FT Minna Isomursu, professori Oulun yliopisto,Human-Computer Interaction -tutkimusryhmä. DI:t Anja Keskinarkaus, Nonna Kostamo ja Heikki Tienari työskentelevät MediaTeamin tutkijoina.
Yhteyshenkilö: jaakko.sauvola@oulu.fi
Tutkimus: CAPNET (Context-Aware Pervasive Networking)
Yhteistyössä: MediaTeam Oulu, Älykkäiden järjestelmien ryhmä ja Human Computer Interaction -ryhmä Oulun yliopistosta, Marylandin yliopiston Institute for Advanced Computer Studies (USA), Linköpingin yliopisto (Ruotsi), CCC, Hantro, IBM, Nokia, Sonera ja Tekes.
Teknologiaohjelma: NETS