Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

رامش راسکار: تصویرپردازی با سرعت یک تریلون بر ثانیه

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

Translator: Soroush Amead Reviewer: narsis sh

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

دکتر ایجرتن اشتیاق و کنجکاوی رو به ما القا کرد

with this photo of a bullet piercing through an apple,

با این تصویر از گلوله‌ای که در حال سوراخ کردن و گذر از میان یک سیبه،

and exposure just a millionth of a second.

و تنها یک میلیونیوم از یک ثانیه رو در معرض نمایش می‌گذاره.

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

اما حالا، 50 سال بعد، ما می تونیم یک میلیون بار سریع‌تر باشیم

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

و جهان رو نه تنها در یک میلیون

یا یک بیلیون،

but one trillion frames per second.

بلکه در یک ترلیون فریم در ثانیه ببینیم.

من گونه ی نوینی از عکاسی رو به شما ارائه می‌دهم،

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

عکس برداری فوق سریع،

a new imaging technique so fast

تکنیک جدید و بسیار سریع عکس برداریه

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

که می تونه تصاویر صحنه آهسته‌ای از نور در حال حرکت بیآفرینه.

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

و با اون ما می تونیم دوربین‌هایی بسازیم

که قادر به دیدن گوشه‌هایی هستند که

beyond line of sight,

در فرای خطوط دید ماست

or see inside our body without an x-ray,

یا بتونن داخل بدن رو بدون استفاده از اشعه ایکس ببینن

و به راستی تصوری که از دوربین داریم رو به چالش بکشه.

and really challenge what we mean by a camera.

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

حالا اگه یه نشانه‌گر لیزر رو بگیرم و تنها در یک ترلیونیوم از ثانیه

in one trillionth of a second --

که معادل با چند فمتو ثانیه است

which is several femtoseconds --

خاموش و روشنش کنم

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

بسته‌ای از فوتون‌ها رو تقریبا به پهنای یک میلیمتر ایجاد خواهم کرد

بسته‌ای از فوتون‌ها رو تقریبا به پهنای یک میلیمتر ایجاد خواهم کرد

And that packet of photons, that bullet,

و این بسته از فوتون‌ها، یا همان گلوله،

will travel at the speed of light,

با سرعت نور شروع به حرکت می کنه،

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

بازم میگم، میلیون‌ها بار سریع تر از گلوله معمولی (تفنگ).

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

حالا اگه این گلوله‌مون یا همون بسته‌ی فوتون رو بگیریم

and fire into this bottle,

و به داخل این بطری شلیک کنیم،

how will those photons shatter into this bottle?

این فوتون‌ها به چه صورت داخل این بطری متلاشی خواهند شد؟

How does light look in slow motion?

نور در تصاویر آهسته به چه شکلی خواهد بود؟

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

Now, the whole event --

تمام این رویداد --(تشویق)

(Applause)

(تشویق)

Now remember, the whole event is effectively taking place

به یاد داشته باشید، تمام این رویداد

به طور موثر در کمتر از یک نانو ثانیه رخ می‌ده

in less than a nanosecond --

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

این زمانیه که نور می‌گیره تا حرکت خودش رو انجام بده

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

اما من در این ویدئو، زمان رو تا فاکتور 10 بیلیون آهسته‌تر می‌کنم

so you can see the light in motion.

تا شما بتونید نوری که در حرکته رو ببینید.

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

در ضمن، کوکا کولا این تحقیقات رو حمایت مالی نکرد. (خنده‌ی حضار)

(Laughter)

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

خب، اتفاقات زیادی در این فیلم هست،

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

بگذارید تا این رو تشریح کنم و بهتون نشون بدم چه در حال رخ دادنه.

So the pulse enters the bottle, our bullet,

خب، پالس نور وارد بطری می‌شه

with a packet of photons that start traveling through

گلوله‌ی ما با بسته ای از فوتون‌ها شروع به حرکت از میان بطری می‌کنه

and that start scattering inside.

و شروع به پخش و پراکندگی در داخل اون می‌شه

Some of the light leaks, goes on the table,

مقداری از نور به بیرون رخنه می‌کنه و روی میز می‌تابه،

and you start seeing these ripples of waves.

و شما حرکات موجی شکل امواج رو می‌بینید.

Many of the photons eventually reach the cap

تعدادی از فوتون‌ها در نهایت خودشون رو به در بطری می‌رسونن

and then they explode in various directions.

و بعد منفجر می‌شن و به جهات مختلف می‌رن.

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

همونطور که می‌بینید ، حبابی از هوا وجود داره

and it's bouncing around inside.

و داخل بطری می‌پره.

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

در همین حال، که موج‌ها روی میز در حال حرکتند،

and because of the reflections at the top,

و به دلیل بازتاب‌هایی که در بالا هست،

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

می‌بینید که پس از چند فریم،

بازتاب‌ها در انتهای بطری متمرکز می‌شن.

the reflections are focused.

حال اگه یک گلوله معمولی داشتیم

Now, if you take an ordinary bullet

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

و می‌ذاشتیم همین مسافت رو طی کنه و سرعت ویدئو رو

again, by a factor of 10 billion --

تا فاکتور 10 بیلیون کم می‌کردیم

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

می‌دونید چه مدت باید می‌نشستید و فیلم رو تماشا می‌کردید؟

(Laughter)

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

یک روز، یک هفته؟ در واقع یک سال تمام!

It'll be a very boring movie --

اون فیلم خیلی کسل کننده‌ای

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

از یک گلوله ی معمولی آرام در حال حرکت خواهد بود!

And what about some still-life photography?

در مورد تصویربرداری از اشیا چطور؟

می‌تونید امواج رو ببینید که روی سطح میز،

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

the tomato and the wall in the back.

گوجه فرنگی و دیوار پشت حرکت می کنند.

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

مثل انداختن یک سنگ درون برکه آب می‌مونه.

I thought: this is how nature paints a photo,

گمان می کنم به همین صورته که طبیعت تصویری رو رسم می‌کنه،

one femto frame at a time,

هر بار یک فمتو فریم،

but of course our eye sees an integral composite.

اما مسلما چشمان ما ترکیب تصحیح شده‌ای رو می‌بینه.

اما اگه به این گوجه فرنگی یه بار دیگه نگاه کنید،

But if you look at this tomato one more time,

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

متوجه خواهید شد، مادامی که نور برسطح گوجه حرکت می‌کنه،

به درخشش ادامه می‌ده و تاریک نمی‌شه.

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

چرا اینگونه است؟ چون گوجه در واقع رسیده هست،

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

و نور داخل گوجه جنب و جوش می‌کنه،

and it comes out after several trillionths of a second.

و پس از چند ترلیونیوم ثانیه خارج می‌شه.

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

پس در آینده، زمانی که این فمتو دوربین

داخل گوشی همراه شما باشه،

you might be able to go to a supermarket

اونوقت شما قادر خواهید بود به سوپرمارکت برید

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

و رسیده بودن میوه‌ها رو بدون دست زدن به اونا بررسی کنید.

(Laughter)

خب چطور شد که تیم من در ام آی تی این دوربین رو خلق کرد؟

So how did my team at MIT create this camera?

حال اگه عکاسی کرده باشید می دونید که

Now, as photographers, you know,

اگه شما یک عکس آنی بگیرید، نور خیلی کمی دریافت خواهید کرد

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

اما ما می‌خواهیم یک بیلیون بار سریع‌تر از

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

آنی ترین تصویربرداری شما باشیم،

so you're going to get hardly any light.

بنابربن تقریبا هیچ نوری دریافت نمی‌کنید.

So what we do is we send that bullet --

خب، کاری که ما می کنیم اینه که ما اون گلوله رو

that packet of photons -- millions of times,

یا همون بسته‌ی فوتون‌ها رو میلیون‌ها بار می فرستیم ،

and record again and again with very clever synchronization,

و به دفعات و با زمان بندی هوشمندانه ضبط می‌کنیم،

and from the gigabytes of data,

و از میان گیگابایت‌ها داده ،

we computationally weave together

به طور محاسبه گرانه‌ای به هم می بافیم

to create those femto-videos I showed you.

تا یه همچین فمتو ویدئویی که به شما نشون دادم رو خلق کنیم.

و ما می تونیم این سری از داده‌ها رو بگیریم

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

و در زمینه‌های بسیار جالبی به کار ببریم

So, Superman can fly.

بنابرین، سوپرمن می‌تونه پرواز کنه.

Some other heroes can become invisible.

برخی دیگه از قهرمانان داستانی می تونن ناپدید بشن،

But what about a new power for a future superhero:

یا شایدم توانایی جدیدی برای ابرقهرمان آینده :

To see around corners.

دیدن گوشه‌های خارج از دید ؟

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

ایده اینه که ما می تونیم مقداری نور به در بتابانیم.

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

نور بر‌می‌گرده ، وارد اتاق می‌شه

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

مقداری از اون دوباره به در بازتابانده می‌شه،

and then back to the camera.

‌و به دوربین برمی گرده،

And we could exploit these multiple bounces of light.

و ما می تونیم از این بازگشت‌های نور پی درپی بهره ببریم

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

و این علمی تخیلی نیست. ما درواقع اونو ساخته‌ایم.

On the left, you see our femto-camera.

سمت چپ شما دوربین فمتو ما رو می‌بینید.

There's a mannequin hidden behind a wall,

یک مانکن پشت دیوار مخفی شده،

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

و ما می‌خواهیم نور رو از در بازگشت بدیم.

So after our paper was published in Nature Communications,

خب پس از اینکه مقاله ما در

Nature Communications منتشر شد ،

it was highlighted by Nature.com,

در سایت Nature.com مورد توجه قرار گرفت،

and they created this animation.

و اونا این انیمیشن رو ساختند.

(Music)

♫

[A laser pulse is fired]

(Music)

ما این گلوله‌های نور رو شلیک می‌کنیم

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

and they're going to hit this wall,

و اونا به این دیوار برخورد می‌کنن،

and because of the packet of the photons,

و به دلیل وجود بسته‌ی فوتون‌ها

they will scatter in all the directions,

در تمام جهات پراکنده می‌شوند،

and some of them will reach our hidden mannequin,

و بعضی از اونا به مانکن پنهان ما برخورد می‌کنن،

which in turn will again scatter that light,

که در بازگشت باز هم اون نور رو پراکنده می‌کنه،

و باز در برخورد با دیوار

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

مقداری از اون نو‌ر‌های پراکنده شده بازتاب می کنه

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

و ذرات ریزی از اون فوتون‌ها

به دوربین باز می‌گردن، اما خیلی جالب‌تر اینکه،

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

همه اونها در بازه‌های زمانی با اختلاف اندک می‌رسند.

(Music)

♫

و چون ما دوربینی داریم که بسیار سریع عمل می‌کنه،

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

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

دوربین فمتو، توانایی های منحصر به فردی داره.

It has very good time resolution,

تفکیک پذیری زمانی خیلی خوبی داره

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

و می‌تونه به دنیا با سرعت نور نگاه کنه

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

وبه این طریق، ما فواصل رو تا در می‌دونیم

but also to the hidden objects,

ولی نه تا اشیای مخفی ،

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

پس نمی‌دونیم کدوم نقطه مربوط به

کدام فاصله هست.

(Music)

♫

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

با تابش یک لیزر ما یک سری تصاویر ضبط می‌کنیم که

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

وقتی به صحنه نگاه می‌کنید در واقع هیچ مفهومی ندارن،

But then we will take a lot of such pictures,

اما ما تعداد زیادی از اینگونه عکس ها می‌گیریم،

چند سری از این تصاویر، کنار هم قرار می‌دیم

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

و سعی می کنیم بازگشت‌های متعدد نور رو آنالیز کنیم،

and from that, can we see the hidden object?

و با اون، می تونیم اشیا پنهان رو ببینیم؟

Can we see it in full 3D?

می تونیم به صورت سه بعدی ببینیم؟

So this is our reconstruction.

خب این بازسازی ماست.

(Music)

♫

♫

(Applause)

خب هنوز راه زیادی در پیش داریم تا این فناوری رو

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

بیرون از آزمایشگاه به خیابونا ببریم، اما در آینده،

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

می تونیم خودرو‌هایی بسازیم که از برخورد با

with what's around the bend.

چیزی که پشت پیچه جلوگیری کنن،

Or we can look for survivors in hazardous conditions

یا با نگاه به بازتاب های نور از میان پنجره های باز

by looking at light reflected through open windows.

به دنبال نجات یافتگان در شرایط پرخطر باشیم،

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

یا آندوسکوپ (درون بین) هایی بسازیم که می تونن

در اعماق بدن و اطراف انسداد کننده‌ها رو ببینن

and also for cardioscopes.

یا همچنین قلب نگار (کاردیوسکوپ) بسازیم.

But of course, because of tissue and blood,

ولی به دلیل وجود رگها و خون

this is quite challenging,

کاملا چالش برانگیز خواهد بود،

so this is really a call for scientists

پس از دانشمندان می‌خوایم تا در مورد تصویربرداری فمتو

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

به عنوان شرایط نوین تصویرپردازی برای رفع

to solve the next generation of health-imaging problems.

مشکلات نسل بعدی تصویرپردازی پزشکی، شروع به فکر کنن.

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

حالا مثل دکتر اجرتن که خودش یک دانشمنده،

science became art --

علم به هنر تبدیل می شه، هنر عکاسی فوق سریع،

an art of ultra-fast photography.

و من دریافتم که تمام اون گیگابایت داده‌ای

And I realized

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

که ما هر بار جمع آوری می کنیم

are not just for scientific imaging.

تنها برای تصویرپردازی علمی نیست بلکه می‌تونیم

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

گونه نوینی از عکاسی محاسباتی رو

with time-lapse and color coding.

با مرور زمان و کدگذاری رنگی (روش های عکاسی) انجام بدیم.

And we look at those ripples.

و به اون امواج نگاه کنیم.

Remember:

به یاد داشته باشید زمان بین هر کدام از اون امواج

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

تنها چند ترلیونیوم از ثانیه هست.

But there's also something funny going on here.

اما یه چیز خنده دار هم اینجا هست

وقتی به امواج زیر درب بطری نگاه می‌کنید،

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

امواج در حال دور شدن از ما هستند.

امواج بایستی به طرف ما حرکت کنند.

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

جریان چیه؟

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

به این دلیله که چون ما در حال ضبط

نزدیک به سرعت نور هستیم،

we have strange effects,

تاثیرات عجیبی رو داریم،

and Einstein would have loved to see this picture.

و انیشتن حتما عاشق دیدن این تصاویر می‌شه.

(Laughter)

The order at which events take place in the world

قوانینی که بر اساس اونا پدیده‌ها در جهان رخ می‌دن

appears in the camera sometimes in reversed order.

گاهی در دوربین به طور معکوس ظاهر می‌شن،

So by applying the corresponding space and time warp,

پس با به کارگیری فضای مربوط و توقف زمانی

we can correct for this distortion.

می‌تونیم این بهم ریختگی رو تصحیح کنیم.

So whether it's for photography around corners,

خب چه در مورد تصویربرداری از زوایای پنهان باشه

یا ابداع نسل جدید تصویرپردازی پزشکی،

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

یا خلق تجسمات جدید،

با اختراع ما، ما به صورت منبع باز (open-sourced)

since our invention,

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

تمامی اطلاعات و جزئیات رو روی وب سایتمون قرار دادیم، و امیدواریم

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

افراد خلاق و پژوهشگر

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

به ما نشون بدن که باید نگرانی‌هامون رو

در مورد مگاپیکسل های دوربین ها متوقف کنیم

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

و شروع به تمرکز روی ابعاد جدید عکاسی کنیم.

It's about time.

که مسئله زمان هست. سپاس‌گزارم.

Thank you.

(Applause)

(تشویق حضار)