Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

Translator: Ina Stoycheva Reviewer: Yavor Ivanov

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

Док Еджертън ни вдъхнови с възхищение и любопитство

with this photo of a bullet piercing through an apple,

с тази снимка на куршум пронизващ ябълка,

and exposure just a millionth of a second.

и експозиция samo от милион от секундата.

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

Но сега, 50 години по-късно, можем да сме милион пъти по-бързи

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

и да видим света не с милион

или с милиард,

but one trillion frames per second.

а с трилион кадри в секунда.

Представям ви нов тип фотография,

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

фемто-фотография,

a new imaging technique so fast

нов технически похват за изображения, който е толкова бърз,

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

че може да създава филм в забавен каданс на движеща се светлина.

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

С този похват можем да правим камери,

които виждат зад ъгли,

beyond line of sight,

извън линията на погледа,

or see inside our body without an x-ray,

или виждат вътре в тялото ни без рентгенови лъчи,

и наистина подлагат на изпитание самото значение на думата "фотоапарат".

and really challenge what we mean by a camera.

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

Ако взема една лазерна показалка и я включа и изключа

in one trillionth of a second --

за една трилионна от секундата,

which is several femtoseconds --

което е няколко фемтосекунди,

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

ще създадам пакет от фотони

едва няколко милиметра широки

And that packet of photons, that bullet,

и този пакет от фотони, този куршум,

will travel at the speed of light,

ще се движи със скоростта на светлината,

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

т.е. милион пъти по-бързо от обикновен куршум.

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

Ако вземете този куршум и този пакет от фотони

and fire into this bottle,

и го изстреляте в тази бутилка,

how will those photons shatter into this bottle?

как тези фотони ще се разбият в тази бутилка?

How does light look in slow motion?

Как изглежда това в забавено движение?

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

Now, the whole event --

Сега, цялото събитие -- (аплодисменти)

(Applause)

(аплодисменти)

Now remember, the whole event is effectively taking place

Спомнете си, че цялото събитие

в действителност отнема по-малко от една наносекунда

in less than a nanosecond --

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

- толкова дълго отнема на светлината да пропътува,

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

но съм забавил този клип 10 милиарда пъти,

so you can see the light in motion.

за да може да видите светлината в движение.

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

Но "Кока-Кола" не е спонсор на това изследване. (Смях)

(Laughter)

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

Много неща се случват в този клип,

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

така че позволете ми анализирам и да ви покажа какво се случва.

So the pulse enters the bottle, our bullet,

Пулсът влиза в бутилката, куршума ни,

with a packet of photons that start traveling through

с пакет фотони, които започват да се движат

and that start scattering inside.

и започват да се разпръскват вътре.

Some of the light leaks, goes on the table,

Част от светлината се процежда, минава върху масата,

and you start seeing these ripples of waves.

и започвате да виждате тези вълнички.

Many of the photons eventually reach the cap

Много от фотоните достигат накрая капачката

and then they explode in various directions.

и след това експлодират в различни посоки.

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

Както виждате, име един балон от въздух,

and it's bouncing around inside.

и той подскача вътре.

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

Междувременно, вълничките подскачат по масата

and because of the reflections at the top,

и поради отраженията на върха,

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

виждате задната част на бутилката и след няколко кадъра,

отраженията са фокусирани.

the reflections are focused.

Ако вземете обикновен куршум

Now, if you take an ordinary bullet

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

и той премине същото разстояние и забавите видеото

again, by a factor of 10 billion --

отново до 10 милиарда пъти, знаете ли

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

колко време ще трябва да гледате този филм?

(Laughter)

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

Един ден, една седмица? Цяла година.

It'll be a very boring movie --

Ще бъде много скучен филм - (Смях) -

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

на бавен, обикновен куршум, който се движи.

And what about some still-life photography?

Какво ще кажете за фотографиране на природата?

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

Можете да гледате вълничките как мият масата,

the tomato and the wall in the back.

доматът и стената в дъното.

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

Това е като хвърляне на камък в езеро с вода.

I thought: this is how nature paints a photo,

Мислех, че по този начин природата създава фотография,

one femto frame at a time,

по един фемто-кадър,

but of course our eye sees an integral composite.

но разбира се, очите ни виждат цялата картина.

Но ако погледнете този домат,

But if you look at this tomato one more time,

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

ще забележите, че като светлината осветява домата,

той свети. Той не потъмнява.

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

Защо? Защото доматът е зрял

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

и светлината минава през домата,

and it comes out after several trillionths of a second.

и излиза след няколко трилиона от секундата.

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

В бъдеще, когато тази фетмо-камера

ще се намира в камерата на телефона ви,

you might be able to go to a supermarket

ще можете да отидете до супермаркет

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

и да проверите, дали плода е зрял, без да го докосвате.

(Laughter)

Как екипът ми в МИТ създаде тази камера?

So how did my team at MIT create this camera?

Като фотографи знаете, че,

Now, as photographers, you know,

ако заснемете фотография, използвате много малко светлина,

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

но ще снимаме милиард пъти по-бързо,

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

отколкото най-кратката експонация,

so you're going to get hardly any light.

така че, няма да използвате почти никаква светлина.

So what we do is we send that bullet --

Изпращаме този куршум,

that packet of photons -- millions of times,

този пакет от фотони милион пъти

and record again and again with very clever synchronization,

и записваме отново и отново с много умна синхронизация,

and from the gigabytes of data,

и от събраните гигабайти от информация,

we computationally weave together

използвайки компютри,

to create those femto-videos I showed you.

създаваме тези фемто-видеа, които ви показах.

Можем да вземем всички тези необработени данни

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

и да ги обработим по интересни начини.

So, Superman can fly.

Супермен може да лети.

Some other heroes can become invisible.

Някои от другите герои може да станат невидими,

But what about a new power for a future superhero:

но какво ще кажете за нова сила за бъдещ супергерой:

To see around corners.

да може да вижда зад ъглите?

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

Идеята е, че успяхме да осветим вратата.

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

Светлината ще влезе в стаята,

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

част от нея се освети задната част на вратата

and then back to the camera.

и ще се върне в камерата,

And we could exploit these multiple bounces of light.

и можахме да използваме тези многократни връщания на светлината.

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

Това не е научна фантастика. Създадохме го.

On the left, you see our femto-camera.

В ляво виждате фемто-камерата ни.

There's a mannequin hidden behind a wall,

Има манекен, който е скрит зад стена

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

и ще осветим вратата.

So after our paper was published in Nature Communications,

След като докладът ни беше публикуван

в "Нейчър Kомюникейшънс",

it was highlighted by Nature.com,

той беше забелязан от "Nature.com"

and they created this animation.

и те създадоха тази анимация.

(Music)

(Музика)

[A laser pulse is fired]

(Music)

Ще запалим тези светлинни куршуми

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

and they're going to hit this wall,

и те ще ударят тази врата,

and because of the packet of the photons,

и поради пакетът от фотони,

they will scatter in all the directions,

ще се разпръснат във всички посоки

and some of them will reach our hidden mannequin,

и някои от тях ще достигнат скрития ни манекен,

which in turn will again scatter that light,

което на свой ред ще разпръсне отново тази светлина

и вратата отново ще отрази

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

част от тази разпръсната светлина,

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

и малка част от фотоните ще

се върне в камерата, но най-интересното е,

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

че те ще пристигнат в малко по-различен времеви интервал.

(Music)

(Музика)

Тъй като имаме камера, която може да работи толкова бързо,

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

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

фемто-камерата ни, тя има уникални способности.

It has very good time resolution,

Тя има много добра времева резолюция

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

и може да гледа света със скоростта на светлината.

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

По този начин узнаваме разстоянието, разбира се, което е до вратата,

but also to the hidden objects,

но също и до скритите предмети,

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

но не знаем коя точка на кое

разстояние отговаря.

(Music)

(Музика)

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

Като осветяваме лазер, можем да заснемем необработена снимка, която

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

виждате на екрана, която няма смисъл,

But then we will take a lot of such pictures,

но след това ще заснемем много такива снимки,

дузини такива снимки, ще ги съединим

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

и ще се опитаме да анализираме многократното отразяване на светлина,

and from that, can we see the hidden object?

и оттам, можем ли да видим скрития предмет?

Can we see it in full 3D?

Можем ли да го видим в пълен 3D?

So this is our reconstruction.

Това е реконструкцията ни. (Музика)

(Music)

(Музика)

(Музика) (Аплодисменти)

(Applause)

Имаме някои начини, които ще приложим, преди да изнесем

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

камерата от лабораторията, но в бъдеще

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

можем да създаваме коли, които избягват катастрофи,

with what's around the bend.

като виждат какво има зад завоя

Or we can look for survivors in hazardous conditions

или можем да търсим оживели в опасни условия,

by looking at light reflected through open windows.

като гледаме отразената светлина през отворени прозорци,

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

или можем да създадем ендоскопи, които могат да виждат

в тялото,

and also for cardioscopes.

също и за кардиоскопи.

But of course, because of tissue and blood,

Но, разбира се, поради тъканите и кръвта,

this is quite challenging,

това е много предизвикателно, така че това е зов

so this is really a call for scientists

за учените да започнат да мислят за фемто-фотографията

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

като нова модалност на изобразяване, за да решат

to solve the next generation of health-imaging problems.

следващото поколение на проблеми с изобразяване на здравето.

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

Както за Док Еджгертън, учен,

science became art --

науката стана изкуство, изкуство на ултра-бърза фотография,

an art of ultra-fast photography.

и аз разбрах, че всички гигабайти данни,

And I realized

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

които събираме всеки път,

are not just for scientific imaging.

не са само научни снимки, но можем и да създадем

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

нова форма компютъризирана фотография

with time-lapse and color coding.

с изтичане на време, кодиране на цвят

And we look at those ripples.

и можем да гледаме тези вълнички. Запомнете,

Remember:

времето между всяка от тези вълнички е само

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

няколко трилиона от секундата.

But there's also something funny going on here.

Но има и нещо смешно.

Когато гледате тези вълнички под шапката,

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

те се отдалечават от нас.

Вълничките трябва да се движат към нас.

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

Какво става тук?

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

Оказва се, че тъй като записваме

със скорост, близка до скоростта на светлината,

we have strange effects,

имаме странни ефекти

and Einstein would have loved to see this picture.

и Айнщайн би харесал, ако видеше тази картина.

(Laughter)

The order at which events take place in the world

Редът, по който събитията се случват в света,

appears in the camera sometimes in reversed order.

се появява на камерата някакси в обратен ред,

So by applying the corresponding space and time warp,

така че, като приложим съответното пространство,

we can correct for this distortion.

можем да отстраним това различие.

So whether it's for photography around corners,

Независимо дали това е за фотография зад ъгли

или за създаване на следващо поколение здравни снимки,

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

или за създаване на нови визуализации,

откритието ни позволи да имаме всички данни и детайли

since our invention,

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

с отворен източник на интернет сайта ни и се надяваме,

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

че Направи си сам, творческата и изследователска общност,

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

ще ни покаже, че можем да спрем да имаме само

мегапиксели в камерите - (Смях) -

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

и да започнем да се фокусираме в следващото измерение в снимането.

It's about time.

Време е. Благодаря ви. (Аплодисменти)

Thank you.

(Applause)

(Аплодисменти)