Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

번역: K Bang 검토: Woo Hwang

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

닥 에저톤 선생께서 총알이 사과를 뚫고 지나가는 이 사진으로

with this photo of a bullet piercing through an apple,

경외감과 호기심으로 가득찬 영감을 불어넣어 주셨죠.

and exposure just a millionth of a second.

겨우 1백만분의 1초 간의 노출입니다.

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

50년이 지난 오늘날 우리는 백만배는 더 빨리 할 수 있고

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

백만분의 1초는 커녕

10억분의 1초도 아닌

but one trillion frames per second.

초당 1조개의 화면을 볼 수 있습니다.

제가 여러분께 새로운 형태의 사진을 보여드리려고 하는데요

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

펨토(femto) 사진입니다. *femto: 1000조분의 1, 즉 1/10^-15

a new imaging technique so fast

새로운 이미징 기술인데 매우 빨라서

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

빛이 움직이는 순간을 느린 그림으로 만들 수도 있습니다.

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

이런 사진으로, 시선 너머의

사방을 둘러보는

beyond line of sight,

카메라를 만들 수도 있고

or see inside our body without an x-ray,

X-선을 사용하지 않고도 우리 몸 안을 들여다 볼 수도 있습니다.

그리고 카메라라고 하는 것에 정말로 도전해 볼 수 있죠.

and really challenge what we mean by a camera.

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

레이저 지시봉을 1조분의 1초 간격으로

in one trillionth of a second --

깜빡여 보죠...

which is several femtoseconds --

그 간격이 몇 펨토초 인데요...

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

제가 겨우 밀리미터 정도의 폭을 가진

광자 덩어리를 만들어 보겠습니다.

And that packet of photons, that bullet,

그 정도의 광자 덩어리는, 총알이죠,

will travel at the speed of light,

빛의 속도로 나아갑니다.

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

그것은 실제 총알보다 백만배는 빠릅니다.

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

이제 그 총알과 이 광자 덩어리를 가지고

and fire into this bottle,

이 병에다 쏘아보면

how will those photons shatter into this bottle?

광자 덩어리가 병에 부딪히면서 어떻게 부서질까요?

How does light look in slow motion?

느린 그림으로 보면 빛은 어떻게 보일까요?

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

Now, the whole event --

이 광경은 --

(Applause)

(박수)

Now remember, the whole event is effectively taking place

이 전체 광경은

1 나노초도 되지 않는 시간에 일어납니다. *1 나노초(10억분의 1초)

in less than a nanosecond --

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

-- 그건 빛이 이동하는데 걸리는 정도의 시간이죠 --

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

제가 이 비디오를 100억배 쯤 느리게 해보겠습니다.

so you can see the light in motion.

그러면 빛의 움직임을 보실 수 있을겁니다.

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

그런데 코카콜라 회사에서 이 연구를 지원하지는 않았습니다.(웃음)

(Laughter)

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

자, 이 비디오에는 많은 일들이 일어나고 있는데요,

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

부분 부분으로 나누어서 무슨 일이 일어나고 있는지 보여드리죠.

So the pulse enters the bottle, our bullet,

펄스가 병으로 들어갑니다, 총알과 같죠.

with a packet of photons that start traveling through

광자 덩어리인 이 펄스는 병안에서 움직이다가

and that start scattering inside.

그 안에서 퍼져나갑니다.

Some of the light leaks, goes on the table,

그 중 일부는 밖으로 새어나가 탁자위로 흩어지기도 하죠.

and you start seeing these ripples of waves.

여러분들은 여기 물결과 같은 파동을 보실 수 있습니다.

Many of the photons eventually reach the cap

광자들 중 상당수는 결국 여기 뚜껑에 도달하고

and then they explode in various directions.

그리고는 여러 방향으로 폭발하듯 퍼져나갑니다.

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

보시는 바와 같이, 여기 공기 방울이 있죠.

and it's bouncing around inside.

광자는 그 주변에서 튀어오릅니다.

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

그와 동시에, 파동은 탁자위를 퍼져나가고

and because of the reflections at the top,

이 위쪽에서 반사되어

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

여기 병 뒤쪽으로 보이시죠, 몇 장면이 지나면

그 반사과정에 촛점이 맞춰집니다.

the reflections are focused.

실제 총알을 가지고

Now, if you take an ordinary bullet

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

일정거리를 날아가게 한 후, 느린 그림으로 보면

again, by a factor of 10 billion --

100억분의 1 배로 느리게 보는거죠,

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

그럼, 이 광경을 보기 위해서 얼마나 기다려야 하는지 아시겠어요?

(Laughter)

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

하루? 1주일? 사실 꼬박 1년 걸립니다.

It'll be a very boring movie --

굉장히 지루한 비디오죠 --(웃음)--

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

실제 총알의 느린 그림이면 말이죠.

And what about some still-life photography?

정지 화면 사진은 어떨까요?

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

여러분은 탁자위의 파동을 다시 보시겠는데요,

the tomato and the wall in the back.

뒤쪽으로 토마토와 벽이 보이죠.

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

이건 마치 연못에 돌을 던지는 것과 같아요.

I thought: this is how nature paints a photo,

제 생각에는, 이것이 곧 자연이 사진을 만들어내는 방식입니다.

one femto frame at a time,

한번에 1펨토짜리 장면을 찍는거죠

but of course our eye sees an integral composite.

물론 우리 눈은 이런 것들이 집약된 총체적인 장면을 봅니다.

그런데 여기 토마토을 한번 더 보시면

But if you look at this tomato one more time,

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

빛이 토마토를 지나는 순간,

계속해서 빛이 납니다. 어두워지는 순간이 없다는 걸 아실거에요.

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

왜 그럴까요? 사실 토마토는 잘 익은거고

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

빛은 토마토의 내부에서 튀면서 돌아다니다가

and it comes out after several trillionths of a second.

1조분의 몇초쯤 지난 후 밖으로 나옵니다.

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

몇 년후에

펨토-카메라가 휴대전화에 장착되면

you might be able to go to a supermarket

여러분들은 수퍼마켓에 가서

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

과일을 만져보지도 않고 잘 익은건지 판단하실 수 있을지도 모릅니다.

(Laughter)

그러면, MIT의 우리팀은 이 카메라를 어떻게 만들었을까요?

So how did my team at MIT create this camera?

사진가라면 아시겠지만

Now, as photographers, you know,

노출을 짧게하면 빛을 적게 받습니다.

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

하지만, 짧은 노출보다도 수십억배

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

빠르게 하면,

so you're going to get hardly any light.

빛을 거의 담지 못하죠.

So what we do is we send that bullet --

그래서 우리가 총알을 쓴겁니다.

that packet of photons -- millions of times,

그 광자 덩어리를 수백만번 쏘면서

and record again and again with very clever synchronization,

매우 영리한 방법으로 동기화하여 기록한 것입니다.

and from the gigabytes of data,

기가바이트 정도의 자료를 가지고

we computationally weave together

제가 보여드린 펨토-비디오를 만들어내려고

to create those femto-videos I showed you.

계속해서 자료를 짜맞춰 낸겁니다.

그 초기 자료를 가지고

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

아주 재미있는 방식으로 처리해 볼 수 있는데요.

So, Superman can fly.

그렇게해서, 수퍼맨이 날아다니고

Some other heroes can become invisible.

어떤 주인공들은 투명이 되기도 합니다.

But what about a new power for a future superhero:

그러면, 미래에 나타날 영웅은 어떨까요:

To see around corners.

벽을 돌아서도 볼 수 있을까요?

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

문에 빛을 쏘아보자는게 아이디어입니다.

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

그러면, 빛이 튀어나가 방으로 들어가죠.

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

그 중 일부는 문에서 반사되어 나와

and then back to the camera.

카메라에 잡힙니다.

And we could exploit these multiple bounces of light.

그러니까, 저희는 이렇게 잡힌 빛의 조각을 이용하는 겁니다.

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

공상 과학 소설이 아닙니다. 우리가 실제로 만들었거든요.

On the left, you see our femto-camera.

왼쪽에, 우리가 만든 펨토카메라가 있습니다.

There's a mannequin hidden behind a wall,

벽 뒤에는 마네킹이 숨겨져 있어요.

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

이제 우리가 문에다가 빛을 쏘아 산란시켜 보겠습니다.

So after our paper was published in Nature Communications,

저희 논문이 네이쳐 커뮤니케이션에

발표되고 나서

it was highlighted by Nature.com,

nature.com 에도 소개되었고

and they created this animation.

사람들이 이런 동영상도 만들었어요.

(Music)

(음악)

[A laser pulse is fired]

(Music)

저희는 아까 그런 빛의 총을 쏴서

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

and they're going to hit this wall,

이 벽을 맞히려고 했죠.

and because of the packet of the photons,

왜냐하면 빛은 광자덩어리니까

they will scatter in all the directions,

모든 방향으로 튀어나가거든요.

and some of them will reach our hidden mannequin,

그러면, 그 중 일부는 여기 숨겨진 마네킹에도 도달할 것이고

which in turn will again scatter that light,

거기서 다시 사방으로 퍼져나가면

이번에는 다시, 그 문에 반사되어

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

퍼진 일부가

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

극히 미량일지라도 카메라에 되돌아 오게 됩니다.

제일 흥미로운 점은

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

광자들이 아주 미세한 시간차를 두고 돌아 온다는 것이죠.

(Music)

(음악)

펨토카메라는 엄청나게 빠른 속도로 감지하게 때문에

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

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

아주 특수한 기능이 있어요.

It has very good time resolution,

상당한 시간의 정확도를 가졌고 있어서

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

빛의 속도로 세상을 감지하지요.

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

이런 방법으로, 우리는 거리, 그러니까 물론, 문까지의 거리 뿐 아니라

but also to the hidden objects,

숨겨진 물체까지의 거리를 알 수 있습니다.

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

하지만 어떤 점이 어떤 거리를 나타내는지는

잘 모르죠.

(Music)

(음악)

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

레이져를 한줄기 쏴서, 원시 자료를 기록합니다.

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

화면에 보시는건데요, 특별한 의미는 없어 보이죠.

But then we will take a lot of such pictures,

그런데, 저런 사진을 여러게 찍어서

아마 수십장은 될텐데, 이 사진을 함께 놓습니다.

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

그리고는 빛이 여러 각도로 산란 하는 것을 하나씩 분석하죠.

and from that, can we see the hidden object?

이런 작업으로부터, 숨겨진 물체를 볼 수 있다니요?

Can we see it in full 3D?

완전한 3차원 영상을 볼 수 있답니다.

So this is our reconstruction.

이것이 우리가 만들어 낸 영상입니다. (음악)

(Music)

(음악)

(음악) (박수)

(Applause)

자.. 이제, 우리가 이런 것을 찍기 전에 실제 세상에서는

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

해야 할 것들이 좀 남아있습니다. 그렇지만, 훗날

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

우리는 굽은 길 뒤를 볼 수 있으니까

with what's around the bend.

절대 충돌하지 않는 차를 만들 수 있을겁니다.

Or we can look for survivors in hazardous conditions

아니면, 재해 지역에서 열린 창문으로 비친 빛을 통해

by looking at light reflected through open windows.

생존자를 찾아낼 수도 있어요.

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

혹은, 우리 몸안의 방해물 너머를 볼 수 있는

내시경이나 심장경 같은 것도

and also for cardioscopes.

만들어 낼 수 있어요.

But of course, because of tissue and blood,

물론, 조직이나 혈액 문제로 인해서

this is quite challenging,

그건 대단한 도전이 될 것입니다.. 그러니까 이건 정말

so this is really a call for scientists

과학자들이 펨토사진에 대해서

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

체내 영상화 문제를 해결하는 차세대 영상화 기법으로

to solve the next generation of health-imaging problems.

받아들일 수 있는 경종과도 같습니다.

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

닥 에저톤 교수처럼, 그 분은 과학자셨어요,

science became art --

과학은 예술, 그러니까 극단적으로 빠른 속도의 사진으로 된 예술이 된거죠

an art of ultra-fast photography.

그리고 제가 알게 된 점은 매번 얻게되는

And I realized

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

수 기가바이트 크기의 원시 자료는

are not just for scientific imaging.

꼭 과학적 이미징만을 위한 게 아니라

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

새로운 형태의 시간 차와 색깔 정보를 가진

with time-lapse and color coding.

새로운 형태의 계산 사진 분야에도 쓸 수 있습니다.

And we look at those ripples.

저 물결같은 파동을 보세요.

Remember:

이 파동들 사이의 시간은 겨우 수조 분의 1초쯤

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

이라는 점을 잊지 마세요.

But there's also something funny going on here.

사실은 여기에 또 재미있는게 있는데요.

여기 뚜껑 아래쪽의 파동을 보시면

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

이 파동은 점점 멀어지거든요,

원래는 이 파동들이 우리 쪽으로 가까워져애야 하는데

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

어떻게 된걸까요?

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

밝혀진 바로는

우리가 거의 빛이 속도로 기록하기 때문에

we have strange effects,

이상한 현상이 일어난다는 겁니다.

and Einstein would have loved to see this picture.

이 사진을 아인슈타인이 봤으면 무척 좋아햇을텐데요.

(Laughter)

The order at which events take place in the world

실제 세상에서 일어나는 현상의 순서가

appears in the camera sometimes in reversed order.

카메라에는 때로 거꾸로된 순서로 나타난다는 섭니다.

So by applying the corresponding space and time warp,

그러니까, 여기에 제대로 된 시공 보정을 하면

we can correct for this distortion.

그런 문제점을 해결할 수 있습니다.

So whether it's for photography around corners,

모서리를 돌아서 찍는 사진이든

차세대 체내 영상화 기법,

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

혹은 새로운 시각화 방안이든 간에,

우리가 이걸 만든 후에, 저희는 모든 자료와 자세한 내용을

since our invention,

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

웹사이트에 공개했습니다. 저희가 바라는 것은 DIY에요,

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

창의적인 연구 단체들이 *DIY: Do iy yourself.

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

우리가 카메라 속 수백만 화소의 명료함에만 매료되지 않을 수도

있다는 것을 보여주기 바랍니다. -- (웃음) --

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

그리고 고차원의 이미징 기술에 집중하길 바랍니다.

It's about time.

시간이 다 되었죠. 감사합니다. (박수)

Thank you.

(Applause)

(박수)