Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

מתרגם: Orr Schlesinger מבקר: Sigal Tifferet

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

דוק אדגרטון עורר בנו השראה עם יראת כבוד וסקרנות

with this photo of a bullet piercing through an apple,

עם התמונה הזו של קליע הנורה דרך תפוח,

and exposure just a millionth of a second.

בחשיפה של מיליונית השניה.

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

אבל עכשיו, 50 שנה מאוחר יותר, אנחנו יכולים להגיע למהירויות גבוהות פי מיליון,

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

ולראות את העולם לא במיליון,

או מיליארד,

but one trillion frames per second.

אלא בטריליון פריימים לשניה.

אני רוצה להציג לפניכם סוג חדש של צילום,

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

פמטו-צילום,

a new imaging technique so fast

טכניקה צילום חדשה, שהיא כל כך מהירה

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

שניתן ליצור סרטים בהילוך איטי של אור בתנועה.

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

ועם זה, אנחנו יכולים ליצור מצלמות

שיכולות לראות מעבר לפינות,

beyond line of sight,

מעבר לקו הראיה

or see inside our body without an x-ray,

או להסתכל אל תוך גופנו ללא שימוש בקרני רנטגן,

ועל ידי כך לאתגר את היכולות שלנו בעזרת מצלמות.

and really challenge what we mean by a camera.

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

אם אני לוקח סמן לייזר ומדליק ומכבה אותו לסירוגין

in one trillionth of a second --

בתוך טריליונית השניה --

which is several femtoseconds --

שזה מספר פמטו-שניות --

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

אני אייצר כמות מסויימת של פוטונים

ברוחב של פחות ממילימטר,

And that packet of photons, that bullet,

והחבילה הזאת של פוטונים, הקליע הזה,

will travel at the speed of light,

ינוע במהירות האור,

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

ושוב, פי מיליון יותר מהר מאשר קליע רגיל.

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

אם ניקח את הקליע הזה, וניקח את החבילה הזאת של פוטונים

and fire into this bottle,

ונירה אותה לתוך הבקבוק הזה,

how will those photons shatter into this bottle?

איך יתפזרו הפוטונים הללו בבקבוק?

How does light look in slow motion?

איך נראה אור בהילוך איטי?

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

Now, the whole event --

כל האירוע -- (מחיאות כפיים)

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Now remember, the whole event is effectively taking place

תזכרו, כל האירוע

לוקח בפועל פחות מננו-שניה

in less than a nanosecond --

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

-- זה הזמן שלוקח לאור להגיע --

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

אבל אני מאט את מהלך הסרט פי 10 מיליארד

so you can see the light in motion.

כך שאפשר לראות את האור בתנועה.

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

קוקה קולה לא היו הספונסרים של המחקר. (צחוק)

(Laughter)

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

הרבה דברים קורים במהלך הסרט הזה,

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

אני רוצה לפרק את זה ולהראות לכם מה קורה פה.

So the pulse enters the bottle, our bullet,

הפולס נכנס לבקבוק, הקליע שלנו,

with a packet of photons that start traveling through

עם חבילה של פוטונים שעוברת

and that start scattering inside.

ומתחילה להתפזר בפנים.

Some of the light leaks, goes on the table,

חלק מהאור בורח ומתפזר על השולחן,

and you start seeing these ripples of waves.

ואתם מתחילים לראות את הגלים הללו.

Many of the photons eventually reach the cap

חלק גדול מהפוטונים מגיעים בסופו של דבר אל המכסה

and then they explode in various directions.

ואז הם מתפוצצים בכיוונים שונים.

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

כמו שאתם יכולים לראות, יש בועת אוויר,

and it's bouncing around inside.

שקופצת מצד לצד בפנים.

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

באותו זמן הגלים נעים על פני השולחן,

and because of the reflections at the top,

ובגלל החזרי האור מהחלק העליון,

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

אפשר לראות אחרי כמה פריימים שההחזרים

מתמקדים באחורי הבקבוק.

the reflections are focused.

אם ניקח קליע רגיל

Now, if you take an ordinary bullet

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

ניתן לו לעבור מרחק דומה, ואז נאט את הסרט

again, by a factor of 10 billion --

פי 10 מיליארד, אתם יודעים

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

כמה זמן תצטרכו לשבת כאן בשביל לראות את הסרט?

(Laughter)

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

יום? שבוע? למעשה, שנה שלמה.

It'll be a very boring movie --

זה יהיה סרט משעמם במיוחד -- (צחוק) --

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

על קליע רגיל, שנע מאוד מאוד לאט.

And what about some still-life photography?

ומה בנוגע לתמונות של טבע דומם?

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

אתם יכולים לצפות שוב בגלים ששוטפים את השולחן,

the tomato and the wall in the back.

העגבניה והקיר מאחוריה.

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

זה כמו לזרוק אבן לתוך שלולית מים.

I thought: this is how nature paints a photo,

חשבתי שזה איך שהטבע מצייר תמונה,

one femto frame at a time,

פמטו פריים אחד אחרי השני,

but of course our eye sees an integral composite.

אבל ברור שהעיניים שלנו רואות תמונה אינטרגרלית ומורכבת.

אם תסתכלו בעגבניה הזו פעם נוספת,

But if you look at this tomato one more time,

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

תשימו לב, שכאשר האור שוטף את העגבניה,

היא ממשיכה לזהור, היא איננה מוחשכת.

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

למה זה? כיוון שהעגבניה בשלה,

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

והאור קופץ ממקום למקום בתוך העגבניה,

and it comes out after several trillionths of a second.

והוא יוצא החוצה אחרי מספר טריליוניות השניה.

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

בעתיד, כאשר מצלמת-פמטו

נמצאת בתוך המצלמה של הטלפון הסלולארי,

you might be able to go to a supermarket

נוכל ללכת לסופרמרקט

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

ולבדוק האם פרי כלשהו בשל ללא צורך לגעת בו.

(Laughter)

אם כן, כיצד יצר הצוות שלי בMIT את המצלמה הזו?

So how did my team at MIT create this camera?

כצלמים, אתם יודעים,

Now, as photographers, you know,

אם תצלמו עם חשיפה קצרה, תקבלו כמות קטנה מאוד של אור,

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

ואנחנו רוצים לצלם בקצב המהיר פי מיליארד

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

מהחשיפה הקצרה ביותר במצלמות שלכם,

so you're going to get hardly any light.

כך שאנחנו מקבלי מעט מאוד אור.

So what we do is we send that bullet --

אז מה שאנחנו עושים זה לשלוח את הקליע הזה,

that packet of photons -- millions of times,

החבילה הזו של פוטונים, מיליוני פעמים,

and record again and again with very clever synchronization,

ומקליטים שוב ושוב בסנכרון מתוחכם,

and from the gigabytes of data,

ומתוך ג'יגבייטים של נתונים,

we computationally weave together

שהמחשב טווה יחדיו

to create those femto-videos I showed you.

מתקבלים סרטוני-פמטו כמו זה שהראיתי לכם.

אנחנו יכולים לקחת את כל הנתונים הגלמיים הללו

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

ולטפל בהם בצורה מאוד מעניינת.

So, Superman can fly.

סופרמן יכול לעוף.

Some other heroes can become invisible.

גיבורי על אחרים יכולים להפוך לבלתי נראים,

But what about a new power for a future superhero:

אבל מה בנוגע לכוחות על חדשים של גיבור העל העתידי:

To see around corners.

היכולת לראות מעבר לפינות?

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

הרעיון שאנחנו יכולים להקרין מעט אור על הדלת.

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

הוא הולך לדלג, להסתובב בתוך החדר,

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

חלק מהאור הזה מוקרן חזרה על הדלת,

and then back to the camera.

וחזרה אל המצלמה,

And we could exploit these multiple bounces of light.

כך שנוכל לנצל את קפיצות האור הללו.

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

זה לא מדע בדיוני. באמת בנינו דבר כזה.

On the left, you see our femto-camera.

בצד שמאל, אפשר לראות את מצלמת הפמטו שלנו.

There's a mannequin hidden behind a wall,

יש בובה שמתחבאת מאחורי קיר,

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

ואנחנו הולכים להקפיץ אור דרך הדלת.

So after our paper was published in Nature Communications,

אחרי שהמאמר שלנו פורסם

בכתב העת המדעי Nature Communication,

it was highlighted by Nature.com,

הוא הודגש באתר האינטרנט Nature.com,

and they created this animation.

והם יצרו את האנימציה הזו.

(Music)

(מוזיקה)

[A laser pulse is fired]

(Music)

אנחנו הולכים לשגר את קליעי האור האלה,

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

and they're going to hit this wall,

והם הולכים לפגוע בקיר הזה,

and because of the packet of the photons,

ובגלל החבילה הזו של פוטונים,

they will scatter in all the directions,

הם יתפזרו לכל הכיוונים,

and some of them will reach our hidden mannequin,

וכמה מהם יגיעו אל הבובה החבוייה שלנו,

which in turn will again scatter that light,

שבתורה תפזר שוב את האור הפוגע בה,

ושוב הדלת תגרום בתורה להחזר של

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

חלק מהאור המפוזר,

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

וחלק מזערי של הפוטונים

יחזור חזרה אל המצלמה, אך מה שיותר מעניין,

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

שהאור המפוזר יגיע במסגרות זמן שונות.

(Music)

(מוזיקה)

וכיוון שיש לנו מצלמה שיכולה לעבוד במהירות גבוהה מאוד,

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

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

מצלמת הפמטו שלנו, יש לה כמה יכולות מיוחדות.

It has very good time resolution,

יש לה רזולוציה מאוד גבוהה לזמן,

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

והיא יכולה להסתכל על העולם במהירות האור.

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

בשיטה הזו, אנחנו יודעים מהו המרחק, כמובן, ביננו לבין הדלת,

but also to the hidden objects,

ובנוסף גם את המרחק לחפצים חבויים,

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

אבל אנחנו לא יודעים איזו נקודה מייצגת

איזה מרחק.

(Music)

(מוזיקה)

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

על ידי הקרנה בעזרת לייזר יחיד, אנחנו יכולים לקבל תמונה גולמית אחת,

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

שבהסתכלות על המסך, היא חסרת הגיון כלשהו,

But then we will take a lot of such pictures,

אבל אז אנחנו מצלמים עוד הרבה תמונות כאלה,

כמה עשרות של תמונות כאלה, מניחים אותן יחד,

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

ומנסים לנתח את הקפיצות השונות של האור,

and from that, can we see the hidden object?

ומזה, נוכל לראות את החפצים החבויים?

Can we see it in full 3D?

האם נוכל לראות זאת בתלת מימד מלא?

So this is our reconstruction.

זה המודל שהצלחנו לבנות. (מוזיקה)

(Music)

(מוזיקה)

(מוזיקה) (מחיאות כפיים)

(Applause)

יש לנו עוד מספר דברים לעשות לפני שאנחנו לוקחים את זה

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

לניסויים מחוץ למעבדה, אבל בעתיד,

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

נוכל ליצור מכוניות שיכולות למנוע התנגשות

with what's around the bend.

עם מה שנמצא מעבר לעיקול,

Or we can look for survivors in hazardous conditions

או שנוכל לחפש אנשים ששרדו כל מיני מצבים מסוכנים

by looking at light reflected through open windows.

על ידי ניתוח של אור המתפזר דרך חלון פתוח,

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

או שנוכל לבנות אנדוסקופ שיכול לראות

עמוק אל תוך הגוף מעבר לחסמים,

and also for cardioscopes.

וגם קרדיוסקופים.

But of course, because of tissue and blood,

אבל כמובן, בגלל רקמות ודם,

this is quite challenging,

זה קצת מאתגר, כך שזו למעשה קריאה

so this is really a call for scientists

למדענים להתחיל לחשוב על צילום-פמטו

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

כדרך חדשה של הדמיה הפותרת

to solve the next generation of health-imaging problems.

את הדור הבא של בעיות בצילום רפואי.

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

עכשיו, כמו דוק אדגרטון, מדען בעצמו,

science became art --

מדע הפך לאמנות, אמנות של צילום סופר מהיר,

an art of ultra-fast photography.

והבנתי שאת כל הג'יגבייטים של נתונים

And I realized

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

שאנחנו אוספים בכל פעם

are not just for scientific imaging.

זה לא רק על מנת לבצע הדמיה מדעית, אלא גם יכול לבצע

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

סוג חדש של צילום ממוחשב

with time-lapse and color coding.

עם קפיצות זמן וקידוד צבעים,

And we look at those ripples.

כאשר אנו מסתכלים על הגלים הללו,

Remember:

הזמן בין הגלים הללו

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

הוא בסך הכל מספר טריליוניות השניה.

But there's also something funny going on here.

אבל קורה כאן משהו מצחיק.

כאשר מסתכלים על הגלים מתחת לפקק,

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

הגלים מתרחקים מאיתנו.

הגלים אמורים לנוע לכיווננו.

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

מה קורה כאן?

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

מתברר, שכיוון שאנו מקליטים

במהירות הקרובה למהירות האור,

we have strange effects,

מתקבלים אפקטים מוזרים,

and Einstein would have loved to see this picture.

איינשטיין היה מת לראות את התמונה הזו.

(Laughter)

The order at which events take place in the world

הסדר שבו האירועים קורים בעולם

appears in the camera sometimes in reversed order.

נראים לפעמים במצלמה בסדר הפוך,

So by applying the corresponding space and time warp,

ועל ידי ביצוע תיקונים בעיוותי הזמן-חלל,

we can correct for this distortion.

אנחנו יכולים לתקן את ההפרעה.

So whether it's for photography around corners,

כך שלא משנה אם מדובר בצילום מעבר לפינות,

או יצירת הדור הבא של הדמיה רפואית,

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

או יצירת דימויים חדשים,

מאז ההמצאה שלנו, פתחנו לציבור באופן חופשי

since our invention,

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

את כל הנתונים שאספנו באתר האינטרנט שלנו, ואנו מקווים

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

שהקהילה המדעית, היוצרת,

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

תראה לנו שאנחנו צריכים להפסיק להיצמד

לערך המגה-פיקסלים במצלמות שלנו -- (צחוק) --

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

ולהתחיל להתמקד במימד הבא בהדמיה.

It's about time.

הגיע הזמן. תודה רבה. (מחיאות כפיים)

Thank you.

(Applause)

(מחיאות כפיים)