Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

ラメッシュ・ラスカー: 毎秒一兆枚の高速度カメラ

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

翻訳: Natsuhiko Mizutani 校正: Akiko Hicks

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

エジャートン博士の リンゴを撃ちぬく弾丸の写真は

with this photo of a bullet piercing through an apple,

100万分の1秒を捉えたもので

and exposure just a millionth of a second.

誰もが驚き 好奇心をかき立てられました

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

そして今 50年を経て 撮影速度が その100万倍も速くなり

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

100万でも

10億でもなく

but one trillion frames per second.

毎秒1兆フレームで 世界を見られるようになりました

ご紹介するのは新しい撮影技術

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

フェムト・フォトグラフィーです

a new imaging technique so fast

この非常に高速な 新しいイメージング技術では

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

伝わっていく光でさえも スローモーション撮影できます

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

またこの技術を使って

見通せない角の

beyond line of sight,

先を見られるカメラや

or see inside our body without an x-ray,

X線を使わないで 体内を観察できるカメラを作れます

カメラという言葉の意味が 大きく変わるのです

and really challenge what we mean by a camera.

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

レーザーポインターを点滅させるとしましょう

in one trillionth of a second --

1兆分の1秒で点滅させれば

which is several femtoseconds --

つまり数フェムト秒の間隔なら

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

生じた光子の塊の長さは

ほんの1ミリ程度になり

And that packet of photons, that bullet,

この光子の塊 すなわち弾丸が

will travel at the speed of light,

光の速度で進みます

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

これは普通の弾丸より 100万倍速いのです

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

そんな光子の塊という弾丸を使って

and fire into this bottle,

ボトルに打ち込んだら

how will those photons shatter into this bottle?

光子はどんなふうに砕け散るでしょう

How does light look in slow motion?

スローモーションの光は どう見えるでしょう

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

Now, the whole event --

そしてお見せしたー(拍手)

(Applause)

(拍手)

Now remember, the whole event is effectively taking place

お見せした全ての事象は ナノ秒より短い

時間で起きていることを念頭にご覧ください

in less than a nanosecond --

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

光が通過する時間が ナノ秒以下なのです

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

このビデオは100億倍遅く再生しているので

so you can see the light in motion.

光の動きが見えるのです

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

ちなみに コカコーラからのご支援は頂いていません (笑)

(Laughter)

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

ビデオでは色々な事が起こっています

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

何が起きているか順に説明しましょう

So the pulse enters the bottle, our bullet,

パルスすなわち弾丸がボトルに入ります

with a packet of photons that start traveling through

光子の塊が横切り始めると

and that start scattering inside.

内部での散乱も始まります

Some of the light leaks, goes on the table,

漏れだす光もあり テーブルを照らします

and you start seeing these ripples of waves.

そしてさざ波のようなものも見えます

Many of the photons eventually reach the cap

最終的に大半の光子がキャップに到達して

and then they explode in various directions.

あらゆる方向に飛び散ります

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

空気の泡も見えますが

and it's bouncing around inside.

そこでは内部に跳ね返ります

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

同時にテーブル上の波も広がっていきます

and because of the reflections at the top,

上面での反射のために

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

何フレームか後にはボトルの底側に

反射光が集まります

the reflections are focused.

普通の弾丸を撃って

Now, if you take an ordinary bullet

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

同じ距離進む映像を撮って

again, by a factor of 10 billion --

100億倍でスロー再生したら

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

どれほど時間のかかるビデオになるでしょう

(Laughter)

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

一日？一週間？実はまる一年もかかります

It'll be a very boring movie --

かなり退屈な映像でしょう (笑)

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

普通の弾丸がゆっくりと動いていくのです

And what about some still-life photography?

こんな静物の写真を撮ってみました

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

テーブル表面やトマトや後ろの壁を

the tomato and the wall in the back.

流れるさざ波が見えます

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

池の水面に石を投げ込んだみたいです

I thought: this is how nature paints a photo,

フェムト秒で撮った写真を

one femto frame at a time,

自然はこう彩るのかと驚きました

but of course our eye sees an integral composite.

もちろん人の眼には 統合された合成画像が見えます

ただもう一度トマトを見てもらうと

But if you look at this tomato one more time,

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

トマトが光に洗い流されている間

光り続け 暗くなることはありません

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

なぜでしょう それはトマトが熟していて

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

光はトマトの内部で反射を繰り返し

and it comes out after several trillionths of a second.

一兆分の数秒で外に出てくるからです

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

将来このフェムトカメラが

携帯電話に付いたら

you might be able to go to a supermarket

スーパーに行って

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

果物が熟しているかどうか 手も触れずに調べられるでしょう

(Laughter)

MIT の私のチームはどうやって このカメラを作ったのでしょう

So how did my team at MIT create this camera?

写真を撮る人はご存知のように

Now, as photographers, you know,

露出時間を短くすると 光の量は大変少なくなります

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

さらに 通常の短時間露光よりも

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

百億倍以上速くしようというのです

so you're going to get hardly any light.

だから光はほとんどありません

So what we do is we send that bullet --

我々は光の塊の弾丸を

that packet of photons -- millions of times,

何百万回も発射します

and record again and again with very clever synchronization,

非常に巧妙に 同期を取りながら記録を繰り返し

and from the gigabytes of data,

何ギガバイトものデータから

we computationally weave together

計算によって織り出される物が

to create those femto-videos I showed you.

先ほどご覧になったフェムトビデオです

処理前のデータをいろいろ使って

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

非常に興味深い処理もできます

So, Superman can fly.

スーパーマンは空を飛び

Some other heroes can become invisible.

透明になるヒーローもいます

But what about a new power for a future superhero:

これからのスーパーヒーローの新しい能力として

To see around corners.

角の先を見通すのはどうでしょう

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

このアイデアは扉を照らした光が

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

跳ね返って部屋の中に入ると

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

その一部が反射されて扉に戻り

and then back to the camera.

カメラまで戻ってくるので

And we could exploit these multiple bounces of light.

こんなふうに多重反射した光を利用できるのです

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

これは空想SFではなく実際に作りました

On the left, you see our femto-camera.

左にあるのがフェムトカメラです

There's a mannequin hidden behind a wall,

壁の後ろにマネキンが隠れています

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

光は扉で跳ね返ります

So after our paper was published in Nature Communications,

我々の論文がネイチャー・コミュニケーションズ誌に

掲載された後で

it was highlighted by Nature.com,

ネイチャーのサイトで特集され

and they created this animation.

こんなアニメーションを作ってくれました

(Music)

(音楽)

[A laser pulse is fired]

(Music)

光の弾丸を発射するところです

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

and they're going to hit this wall,

壁に当たります

and because of the packet of the photons,

光子の塊は

they will scatter in all the directions,

あらゆる方向に飛び散り

and some of them will reach our hidden mannequin,

隠れたマネキンに当たる光子もあります

which in turn will again scatter that light,

そのマネキンがまた光を散乱させ

そして再び今度は扉が

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

散乱光の一部を反射します

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

光子のほんの一部が

カメラに戻ります 大事なのは

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

光が帰ってくるタイミングが 少しずつ違っていること

(Music)

(音楽)

使用したカメラは 大変高速なフェムトカメラなので

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

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

独特な能力があります

It has very good time resolution,

時間分解能が大変優れていて

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

世界を光の速度で眺めることができるわけです

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

こうして 扉までの距離や 隠れた物体までの距離がわかります

but also to the hidden objects,

こうして 扉までの距離や 隠れた物体までの距離がわかります

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

ただどの点が

どの距離に相当するのかわかりません

(Music)

(音楽)

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

レーザー光を一度光らせて 未処理写真が一枚撮れますが

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

これだけ見ても 何だか分かりません

But then we will take a lot of such pictures,

しかし こういう写真をたくさん撮って

こういう写真を何十枚も 組み合わせ

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

光の多重散乱の解析を試みれば

and from that, can we see the hidden object?

そこから 隠れた物体を見られないでしょうか？

Can we see it in full 3D?

完全な立体として見ることはできないでしょうか？

So this is our reconstruction.

我々が再構成した結果はこうなりました

(Music)

(音楽)

(音楽)(拍手)

(Applause)

この技術を実験室の外に持ち出す前に

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

まだやるべきことはありますが いずれは

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

曲がり角の先の物との

with what's around the bend.

衝突を避ける自動車や

Or we can look for survivors in hazardous conditions

危険な状況下での生存者探索に

by looking at light reflected through open windows.

開いた窓ごしに反射されてくる光を使ったり

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

体内の見通せないものの奥まで見られる

内視鏡や血管内視鏡も

and also for cardioscopes.

作ることができるでしょう

But of course, because of tissue and blood,

もちろん 細胞や血液があるので

this is quite challenging,

これは大変に難しい課題ですが

so this is really a call for scientists

科学者の皆さんに考えはじめて欲しいことは

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

新しいイメージング手法のフェムト・フォトグラフィーで

to solve the next generation of health-imaging problems.

次世代の医療イメージングの答えになる可能性です

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

科学者であったエジャートン博士が

science became art --

科学から超高速写真という芸術を生み出したように

an art of ultra-fast photography.

私も実験のたびに集まる

And I realized

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

数ギガバイトのデータを使って

are not just for scientific imaging.

単に科学的な画像を作るだけでなく

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

新しい形のコンピュテーショナル・フォトグラフィが

with time-lapse and color coding.

微速度撮影や色変換によって 実現できると気が付きました

And we look at those ripples.

さっきの波模様を見てみましょう

Remember:

この波どうしの時間差は

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

一兆分の数秒ほどです

But there's also something funny going on here.

ここで面白いことが起きています

キャップの下側を見てみると

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

波は遠ざかるほうに進んでいます

波は近づいてくるはずなのです

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

何が起きているのでしょうか

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

実は 光の速度に

近い領域で記録したために

we have strange effects,

奇妙な効果が現われたのです

and Einstein would have loved to see this picture.

アインシュタインはこの写真を見たかったことでしょう

(Laughter)

The order at which events take place in the world

カメラに見える世界の中で起きる

appears in the camera sometimes in reversed order.

出来事の順番はときどき逆転し

So by applying the corresponding space and time warp,

適切な時間と空間の歪みを考慮することで

we can correct for this distortion.

この歪みを補正することができます

So whether it's for photography around corners,

角を見通す写真であれ

次世代の医用画像であれ

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

新たな可視化技術の開発であれ

我々は発明した後は オープンソース化して

since our invention,

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

全てのデータと詳細をウェブに公開しました

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

もの作り好きやクリエイターや 研究者からの こんな提言を期待しているのです

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

カメラの画素が何メガピクセルかに こだわるのは止めよう

(笑)

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

イメージングについては 新たな次元にフォーカスしよう

It's about time.

「時」を考える 「時」になったのです ありがとう (拍手)

Thank you.

(Applause)

(拍手)