Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

المترجم: khalid marbou المدقّق: Waseem Samman

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

ألهمنا "دوك ادغرتون" بالرهبة والفضول

with this photo of a bullet piercing through an apple,

بهذه الصورة لرصاصة تخترق تفاحة

and exposure just a millionth of a second.

وبتعرض للضوء بجزء من مليون من الثانية فقط.

But now, 50 years later, we can go a million times faster

ولكن الآن، وبعد 50 عاماً يمكننا الذهاب أسرع بمليون مرة

and see the world not at a million or a billion,

وأن نرى العالم ليس بسرعة مليون

أو مليار

but one trillion frames per second.

ولكن تريليون إطار في الثانية.

أقدم لكم نوعاً جديداً من التصوير

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

تصوير فيمتو (Femto)

a new imaging technique so fast

تقنية تصوير جديدة وسريعة لدرجة

that it can create slow motion videos of light in motion.

أنه يمكنها إنشاء فيديوهات بطيئة لضوء يتحرك.

And with that, we can create cameras that can look around corners,

وبذلك، يمكننا صنع آلات تصوير

يمكنها النظر حول الزوايا

beyond line of sight,

خارج إطار الرؤية

or see inside our body without an x-ray,

أو النظر داخل أجسادنا دون أشعة سينية

وأن تتحدى تعريفنا لآلة التصوير فعلاً.

and really challenge what we mean by a camera.

Now if I take a laser pointer and turn it on and off

الآن إذا أخذت مؤشر ليزر، وقمت بتشغيله وإيقاف تشغيله

in one trillionth of a second --

في جزء من التريليون من الثانية --

which is several femtoseconds --

وهي فيمتوثوان معدودة --

I'll create a packet of photons barely a millimeter wide.

سأقوم بإنشاء حزمة من الفوتونات

بالكاد بعرض ملليمتر واحد

And that packet of photons, that bullet,

وتلك الحزمة من الفوتونات، -تلك الرصاصة-

will travel at the speed of light,

سوف تسير بسرعة الضوء

and again, a million times faster than an ordinary bullet.

ومرة أخرى، مليون مرة أسرع من رصاصة عادية.

Now, if you take that bullet and take this packet of photons

إن أخذت تلك الرصاصة، وأخذت هذه الحزمة من الفوتونات

and fire into this bottle,

وأطلقتها داخل هذه الزجاجة

how will those photons shatter into this bottle?

كيف ستتبعثر تلك الفوتونات في هذه الزجاجة؟

How does light look in slow motion?

كيف يبدو الضوء بالعرض البطيء؟

[Light in Slow Motion ... 10 Billion x Slow]

Now, the whole event --

الآن، هذا الحدث كله -- (تصفيق)

(Applause)

(تصفيق)

Now remember, the whole event is effectively taking place

الآن، تذكر أن هذا الحدث كله

يجري فعلياً في أقل من نانو ثانية.

in less than a nanosecond --

that's how much time it takes for light to travel.

— ذلك مقدار الوقت الذي يستغرقه الضوء للعبور —

But I'm slowing down in this video by a factor of 10 billion,

ولكنني سأقوم بإبطاء هذا الفيديو بمقدار 10 مليارات مرة

so you can see the light in motion.

حيث يمكنك أن ترى النور يتحرك.

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

بالمناسبة شركة كوكا كولا لم تدعم هذا البحث. (ضحك)

(Laughter)

Now, there's a lot going on in this movie,

الآن، هناك الكثير يحدث في هذا الفيلم

so let me break this down and show you what's going on.

لذا دعوني اشرحه لكم وأريكم ما الذي يحدث.

So the pulse enters the bottle, our bullet,

حسناا، تدخل النبضة الضوئية الزجاجة (الرصاصة في حالة التفاحة)

with a packet of photons that start traveling through

مع حزمة من الفوتونات التي تبدأ في المرور عبرها

and that start scattering inside.

وتبدأ في التبعثر داخلها.

Some of the light leaks, goes on the table,

يتسرب بعض من الضوء ويسير على الطاولة

and you start seeing these ripples of waves.

وتبدأ في رؤية هذه التموجات الضوئية.

Many of the photons eventually reach the cap

العديد من الفوتونات تصل في نهاية المطاف إلى الغطاء

and then they explode in various directions.

ومن ثم تتبعثر في اتجاهات مختلفة.

As you can see, there's a bubble of air

كما ترون، هناك فقاعة هواء

and it's bouncing around inside.

وهي ترتد في الداخل.

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

وفي الوقت نفسه، تنتشر الموجات الضوئية على الطاولة

and because of the reflections at the top,

وبسبب الانعكاسات في الأعلى

you see at the back of the bottle, after several frames,

تشاهد في الجزء الخلفي من القنينة، بعد عدة لقطات

انعكاسات الأمواج الضوئية بشكل مركز.

the reflections are focused.

الآن، إذا أخذت رصاصة عادية

Now, if you take an ordinary bullet

and let it go the same distance and slow down the video --

وجعلتها تقطع نفس المسافة وأبطأت الفيديو

again, by a factor of 10 billion --

مرة أخرى بمقدار 10 مليارات مرة، هل تعلم

do you know how long you'll have to sit here to watch that movie?

كم من الوقت سيكون عليك الجلوس هنا لمشاهدة هذا الفيلم؟

(Laughter)

A day, a week? Actually, a whole year.

يوم ، أسبوع؟ في الواقع، سنة كاملة.

It'll be a very boring movie --

سيكون فيلما مملا للغاية — (ضحك) —

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

لرصاصة عادية تتحرك ببطئ.

And what about some still-life photography?

وماذا عن تصوير العناصرالمليئة بالحية؟

You can watch the ripples, again, washing over the table,

يمكنكم مجددا مشاهدة التموجات تعبر مرور الكرام على الطاولة

the tomato and the wall in the back.

الطماطم والجدار في الخلف.

It's like throwing a stone in a pond of water.

إنها مثل رمي حجر في بركة الماء.

I thought: this is how nature paints a photo,

اعتقدت أنه بهذه الطريقة ترسم الطبيعة لوحتها

one femto frame at a time,

إطار فيمتو واحد في كل مرة

but of course our eye sees an integral composite.

ولكن بالطبع أعيننا ترى المشهد كمركب متكامل.

ولكن إذا نظرتم إلى هذه الطماطم مرة أخرى

But if you look at this tomato one more time,

you will notice, as the light washes over the tomato,

سنلاحظ أنه مع مرور الضوء عبر الطماطم

أنها ستستمر في التوهج. ولا تعود للظلام.

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

لماذا ذلك؟ لأن الطماطم ناضجة فعلاً

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

والضوء يرتدّ داخل الطماطم

and it comes out after several trillionths of a second.

ويخرج بعد عدة أجزاء من التريليون من الثانية.

So in the future, when this femto-camera is in your camera phone,

لهذا في المستقبل، عندما تكون آلة تصوير الفيمتو هذه

في آلة تصوير هاتفك

you might be able to go to a supermarket

قد تكون قادرا على الذهاب إلى سوق الخضار

and check if the fruit is ripe without actually touching it.

والتحقق مما إذا كانت الثمرة ناضجة دون لمسها فعليًا.

(Laughter)

اذاً كيف قام فريق في MIT (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) بإنشاء آلة التصوير هذه؟

So how did my team at MIT create this camera?

كمصورين ، كما تعلمون

Now, as photographers, you know,

أنه إذا أخذتم صورة بتعرض قصير للضوء ، ستحصل على القليل جداً من الضوء

if you take a short exposure photo, you get very little light.

لكننا سنذهب بشكل أسرع بمليار مرة

But we're going to go a billion times faster than your shortest exposure,

من أقصر تعرض للضوء

so you're going to get hardly any light.

وبالتالي فبالكاد سنحصل على أي ضوء.

So what we do is we send that bullet --

لذا، ما سنفعله هو أن نرسل تلك الرصاصة

that packet of photons -- millions of times,

تلك الحزمة من الفوتونات، ملايين المرات

and record again and again with very clever synchronization,

مع اجراء تزامن ذكي جداَ ونسجل النتائج مرارا وتكرارا

and from the gigabytes of data,

ومن الغيغابايتات الناتجة من البيانات

we computationally weave together

فأننا ننسجها معاَ بشكل حسابي

to create those femto-videos I showed you.

لإنشاء تلك الفيديوهات بتقنية الفيمتو كالتي عرضتها عليكم.

ويمكننا أن نأخذ كل تلك البيانات الخام

And we can take all that raw data and treat it in very interesting ways.

ونتعامل معها بطرق مثيرة جداً للاهتمام.

So, Superman can fly.

مثلا، يمكن لسوبرمان أن يطير.

Some other heroes can become invisible.

بعض الأبطال الخارقين الآخرين يمكنهم أن يصبحوا غير مرئيين

But what about a new power for a future superhero:

ولكن ماذا عن قوة جديدة للأبطال الخارقين المستقبليين:

To see around corners.

الرؤية حول الزوايا؟

The idea is that we could shine some light on the door,

الفكرة أنه يمكن تسليط بعض الضوء على الباب

it's going to bounce, go inside the room,

الذي سوف يرتد ويذهب إلى داخل الغرفة

some of that is going to reflect back on the door,

بعضه سينعكس رجوعاً على الباب

and then back to the camera.

ومن ثم رجوعاً إلى آلة التصوير

And we could exploit these multiple bounces of light.

ويمكن أن نستغل هذه الارتدادات المتعددة للضوء.

And it's not science fiction. We have actually built it.

ذلك ليس من الخيال العلمي. لقد بنيناه فعلا.

On the left, you see our femto-camera.

على اليسار، ترى آلة تصوير الفمتو الخاصة بنا.

There's a mannequin hidden behind a wall,

وهناك تمثال مخفي وراء حائط

and we're going to bounce light off the door.

وسنقوم بجعل الضوء يرتد عن الباب.

So after our paper was published in Nature Communications,

بعد نشر بحثنا العلمي

في مجلة نايتشر للاتصالات

it was highlighted by Nature.com,

تم إبرازه على موقع (Nature.com)

and they created this animation.

قاموا بإنشاء هذه الرسوم المتحركة.

(Music)

(موسيقى)

[A laser pulse is fired]

(Music)

سنطلق رصاصات الضوء تلك

Ramesh Raskar: We're going to fire those bullets of light,

and they're going to hit this wall,

وستضرب هذا الجدار

and because of the packet of the photons,

وبسبب حزمة الفوتونات

they will scatter in all the directions,

ستتبعثر في كل الاتجاهات

and some of them will reach our hidden mannequin,

وبعضها سوف تصل إلى تمثالنا الخفي

which in turn will again scatter that light,

والذي بدوره سيبعثر ذلك الضوء مجدداً

ومرة أخرى سيقوم الباب بدوره بعكس

and again in turn, the door will reflect some of that scattered light.

بعض من ذلك الضوء المبعثر

And a tiny fraction of the photons will actually come back to the camera,

وجزء صغير من الفوتونات سيقوم بالفعل

بالعودة إلى آلة التصوير، ولكن بشكل أكثر إثارة للاهتمام

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

ستصل جميعها في أوقات مختلفة قليلا.

(Music)

(موسيقى)

ونظراَ أنه لدينا آلة تصوير يمكن أن تعمل بسرعة كبيرة

And because we have a camera that can run so fast --

our femto-camera -- it has some unique abilities.

آلة تصوير الفيمتو هذه لديها بعض القدرات الفريدة من نوعها.

It has very good time resolution,

حيث انها تتميز بدقتها الزمنية الجيدة جداً

and it can look at the world at the speed of light.

ويمكن أن ترى العالم بسرعة الضوء.

And this way, we know the distances, of course to the door,

وبهذه الطريقة، بالتأكيد لن نعرف المسافات إلى الباب فحسب

but also to the hidden objects,

ولكن أيضا للأجسام المخفية أيضاً

but we don't know which point corresponds to which distance.

ولكن لا نعرف أي نقطة تطابق

أي مسافة.

(Music)

(موسيقى)

By shining one laser, we can record one raw photo,

بتسليط ليزر واحد، يمكن أن نسجل صورة خام واحدة

which, if you look on the screen, doesn't really make any sense.

وننظر إلى الشاشة ولا نفهم شيئا منها

But then we will take a lot of such pictures,

ولكننا سنلتقط الكثير من أمثال هذه الصور

والعشرات من مثل هذه الصور ونضعها معاً

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

ونحاول تحليل الارتدادات المختلفة للضوء

and from that, can we see the hidden object?

وبعد ذلك، هل يمكننا أن نرى الجسم الخفي؟

Can we see it in full 3D?

هل يمكننا أن نراه بأبعاده الثلاثة؟

So this is our reconstruction.

وهذه هي إعادة التشكيل. (موسيقى)

(Music)

(موسيقى)

(موسيقى) (تصفيق)

(Applause)

لا يزال أمامنا طريق طويل قبل أخذ هذا

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

خارج المختبر إلى الحياة العملية ولكن في المستقبل

but in the future, we could create cars that avoid collisions

يمكن أن ننشئ سيارات تتجنب التصادم

with what's around the bend.

مع ما هو خلف المنعطف

Or we can look for survivors in hazardous conditions

أو يمكننا أن ننظر للناجين في ظروف محفوفة بالمخاطر

by looking at light reflected through open windows.

بالنظر إلى الضوء المنعكس من خلال النوافذ المفتوحة

Or we can build endoscopes that can see deep inside the body around occluders,

أو يمكننا أن نبني مناظير يمكنها النظر

بعمق داخل الجسم الموجود حول الممرات المغلقة

and also for cardioscopes.

وكمناظير لباطن القلب.

But of course, because of tissue and blood,

ولكن بالطبع، بسبب الأنسجة والدم

this is quite challenging,

يعد هذا تحدٍ كبير، لذا هذه دعوة

so this is really a call for scientists

للعلماء لبدء التفكير في تصوير الفيمتو

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

كنمط تصوير جديد لحل

to solve the next generation of health-imaging problems.

الجيل القادم من مشاكل التصوير الصحي.

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

الآن، مثل العالم (Doc Edgerton)

science became art --

العلم أصبح فنا، فن للتصوير فائق السرعة

an art of ultra-fast photography.

وأنا أدرك أن كل الغيغابايتات من البيانات

And I realized

that all the gigabytes of data that we're collecting every time,

التي نجمعها كل مرة

are not just for scientific imaging.

ليست فقط تصويراً لغايات علمية ولكن يمكننا كذلك القيام

But we can also do a new form of computational photography,

بنموذج جديد للتصوير الحسابي

with time-lapse and color coding.

مع تمرير الزمن والترميز اللوني

And we look at those ripples.

مع النظر إلى تلك التموجات الضوئية.

Remember:

تذكر أن الفترة الزمنية بين كل من تلك التموجات هي فقط

The time between each of those ripples is only a few trillionths of a second.

أجزاء قليلة من الترليون من الثانية.

But there's also something funny going on here.

لكن هناك أيضا شيء مضحك يحدث هنا.

عندما ننظر إلى التموجات تحت غطاء القنينة

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

إن التموجات تتجه بعيداً عنا.

ينبغي أن تكون التموجات تتحرك نحونا.

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

ما الذي يحدث هنا؟

It turns out, because we're recording nearly at the speed of light,

كما تبين، نظراً لأننا تقوم بتسجيله

تقريبا بسرعة الضوء

we have strange effects,

لدينا آثار غريبة

and Einstein would have loved to see this picture.

وكان أينشتاين ليحب رؤية هذه الصورة.

(Laughter)

The order at which events take place in the world

الترتيب الذي تجري عليه الأحداث في العالم

appears in the camera sometimes in reversed order.

يظهر على آلة التصوير أحيانا بالترتيب العكسي

So by applying the corresponding space and time warp,

وبالتالي بتطبيق اﻻعوجاج الزمني والمكاني الموافق

we can correct for this distortion.

يمكننا تصحيح هذا التشويه.

So whether it's for photography around corners,

بالتالي في حال كانت لغاية التصوير حول الزوايا

أو إنشاء الجيل المقبل من التصوير الصحي

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

أو خلق تصورات جديدة.

منذ اختراعنا هذا ,قمنا بجعل المحتوى مفتوحاً

since our invention,

we have open-sourced all the data and details on our website,

كافة البيانات والتفاصيل على موقعنا على شبكة الإنترنت، وأملنا

and our hope is that the DIY, the creative and the research communities

في أن تقوم مجتمعات DIY "اصنعها بنفسك "، والمجتمعات البحثية والإبداعية

will show us that we should stop obsessing about the megapixels in cameras --

أنه يجب أن نتوقف عن الاحساس بالهوس حول

مقدار الميغابكسل في آلات التصوير — (ضحك) —

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

ونبدأ بالتركيز على البعد القادم في التصوير.

It's about time.

فقد حان الوقت. شكرا لكم. (تصفيق)

Thank you.

(Applause)

(تصفيق)