Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

Översättare: Per Edlund Granskare: Anders Björk

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

Doc Edgerton fyllde oss med beundran och nyfikenhet

with this photo of a bullet piercing through an apple,

med det här fotot av en kula som genomborrar ett äpple,

and exposure just a millionth of a second.

och en slutartid på bara en miljondels sekund.

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

Men idag, 50 år senare, går det en miljon gånger snabbare,

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

och vi kan se världen inte i en miljon,

eller en miljard,

but one trillion frames per second.

utan en biljon bildrutor per sekund.

Jag vill introducera er för en ny typ av fotografi,

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

femtofotografi,

a new imaging technique so fast

en ny bildteknik som är så snabb

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

att den kan skapa filmer i ultrarapid av ljus i rörelse.

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

Och med den kan vi göra kameror

som kan se runt hörn,

beyond line of sight,

utom synhåll,

or see inside our body without an x-ray,

eller se insidan av kroppen utan röntgen,

och verkligen ifrågasätta vår syn på kameror.

and really challenge what we mean by a camera.

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

Om jag nu tar en laserpekare och slår på och av den

in one trillionth of a second --

på en biljondels sekund

which is several femtoseconds --

– vilket är flera femtosekunder –

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

kommer den att skapa en fotongrupp,

knappt en millimeter i bredd,

And that packet of photons, that bullet,

och den här fotongruppen, den "kulan",

will travel at the speed of light,

kommer att färdas med ljusets hastighet,

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

och, som sagt, en miljon gånger snabbare än en pistolkula.

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

Om vi sedan tar den kulan, den här fotongruppen,

and fire into this bottle,

och fyrar av den i flaskan här,

how will those photons shatter into this bottle?

hur kommer de fotonerna att spridas i flaskan?

How does light look in slow motion?

Hur ser ljus ut i ultrarapid?

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

Now, the whole event --

Hela det här förloppet — (Applåder)

(Applause)

(Applåder)

Now remember, the whole event is effectively taking place

Kom ihåg att hela förloppet

i praktiken tar mindre än en nanosekund

in less than a nanosecond --

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

– det är den tid det tar för ljus att färdas –

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

men jag saktar ned det 10 miljarder gånger i den här videon

so you can see the light in motion.

så ni kan se ljuset i rörelse.

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

Men Coca-Cola sponsrade inte den här forskningen. (Skratt)

(Laughter)

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

Det är en hel del som händer i den här filmen,

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

så jag vill ta isär den för er och visa vad som händer.

So the pulse enters the bottle, our bullet,

Ljuset, vår "kula", kommer då in i flaskan

with a packet of photons that start traveling through

med en grupp fotoner som färdas rakt igenom

and that start scattering inside.

och börjar spridas inuti.

Some of the light leaks, goes on the table,

En del av ljuset hamnar på bordet

and you start seeing these ripples of waves.

och man börjar se de här vågmönstrena.

Many of the photons eventually reach the cap

De flesta fotoner når så småningom korken

and then they explode in various directions.

där de spränger åt alla håll.

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

Som ni ser finns det en luftbubbla,

and it's bouncing around inside.

och den studsar runt där inne.

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

Samtidigt sprider sig vågorna över bordet,

and because of the reflections at the top,

och på grund av reflektionerna längst upp

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

kan man se i botten av flaskan, flera bildrutor senare,

hur reflektionerna fokuseras.

the reflections are focused.

Om man i stället tar en vanlig kula

Now, if you take an ordinary bullet

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

och låter den färdas lika långt och saktar ned videon

again, by a factor of 10 billion --

10 miljarder gånger igen, vet ni

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

hur länge ni måste sitta här och titta på den?

(Laughter)

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

En dag, en vecka? Faktiskt ett helt år.

It'll be a very boring movie --

Det blir en väldigt trist film – (Skratt) –

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

om en långsam, helt vanlig kula.

And what about some still-life photography?

Ska vi ta en titt på stillebenfoto?

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

Nu ser ni vågorna igen, hur de sköljer över bordet,

the tomato and the wall in the back.

tomaten och väggen där bak.

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

Det är som att kasta en sten i en damm.

I thought: this is how nature paints a photo,

Jag tänkte att det är så här naturen målar upp ett foto,

one femto frame at a time,

en femtosekund åt gången,

but of course our eye sees an integral composite.

men våra ögon ser förstås en sammansatt bild.

Men om ni tittar på den här tomaten igen,

But if you look at this tomato one more time,

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

ser ni att när ljuset sköljer över tomaten

fortsätter den att lysa. Den blir inte mörkare.

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

Varför är det så? Därför att tomaten är mogen,

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

och ljuset studsar runt i tomaten

and it comes out after several trillionths of a second.

och kommer ut efter åtskilliga biljondels sekunder.

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

Så i framtiden, när den här femtokameran

finns i era kameramobiler,

you might be able to go to a supermarket

kommer ni kanske kunna gå till snabbköpet

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

och kolla om frukten är mogen utan att ens ta på den.

(Laughter)

Hur kunde då mitt team på MIT göra den här kameran?

So how did my team at MIT create this camera?

De av er som är fotografer vet

Now, as photographers, you know,

att med en kort slutartid får man väldigt lite ljus,

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

men här går det en miljard gånger snabbare

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

än den kortaste slutartiden,

so you're going to get hardly any light.

så vi får nästan inget ljus alls.

So what we do is we send that bullet --

Så det vi gör är att skicka den här kulan,

that packet of photons -- millions of times,

eller fotongruppen, flera miljoner gånger,

and record again and again with very clever synchronization,

och filma om och om igen med smart synkronisering,

and from the gigabytes of data,

och från alla gigabyte av data

we computationally weave together

beräknar vi fram

to create those femto-videos I showed you.

de här femto-filmerna jag visat er.

Och vi kan ta all den här rådatan

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

och göra väldigt intressanta saker med den.

So, Superman can fly.

Stålmannen kan ju flyga,

Some other heroes can become invisible.

några andra hjältar kan bli osynliga,

But what about a new power for a future superhero:

men vad sägs om en ny kraft för vår framtida superhjälte:

To see around corners.

att se runt hörn?

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

Tanken är att vi riktar ljuset mot dörren.

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

Det kommer att studsa, ta sig in i rummet,

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

en del kommer att reflekteras tillbaks mot dörren

and then back to the camera.

och sedan in i kameran igen,

And we could exploit these multiple bounces of light.

så vi kan dra nytta av ljusets reflektioner.

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

Det är inte science fiction. Vi har faktiskt byggt det.

On the left, you see our femto-camera.

Till vänster ser ni vår femtokamera.

There's a mannequin hidden behind a wall,

Det finns en modelldocka gömd bakom en vägg,

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

och vi kommer låta ljuset studsa mot dörren.

So after our paper was published in Nature Communications,

Efter att vår artikel publicerades

i Nature Communications,

it was highlighted by Nature.com,

blev den uppmärksammad av Nature.com

and they created this animation.

som gjorde den här animationen.

(Music)

(Musik)

[A laser pulse is fired]

(Music)

Vi fyrar av de här "skotten" med ljus

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

and they're going to hit this wall,

som träffar den här väggen,

and because of the packet of the photons,

och eftersom det är en grupp av fotoner

they will scatter in all the directions,

kommer de skingras åt alla håll,

and some of them will reach our hidden mannequin,

och en del når fram till den gömda dockan,

which in turn will again scatter that light,

som i sin tur sprider ljuset igen

och dörren reflekterar sedan

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

en del av det utspridda ljuset,

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

och en bråkdel av fotonerna kommer ända

tillbaks till kameran, men det viktigaste

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

är att de når fram vid något olika tidpunkter.

(Music)

(Musik)

Och eftersom vi har en så snabb kamera,

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

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

vår femtokamera, har den vissa unika egenskaper.

It has very good time resolution,

Den har väldigt bra tidsupplösning,

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

och den kan se världen i ljusets hastighet.

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

Därför vet vi avstånden, till dörren förstås,

but also to the hidden objects,

men även till de dolda föremålen,

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

men vi vet inte vilken punkt som svarar

mot vilket avstånd.

(Music)

(Musik)

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

Med hjälp av en laser kan vi ta ett råfoto som,

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

ni ser på skärmen, är ganska intetsägande,

But then we will take a lot of such pictures,

men sedan tar vi många sådana bilder,

massor av dem, sätter ihop dem,

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

och försöker räkna ut hur ljuset studsat –

and from that, can we see the hidden object?

kan vi med detta se det dolda föremålet?

Can we see it in full 3D?

Kan vi se det i full 3D?

So this is our reconstruction.

Det här är då vår rekonstruktion. (Musik)

(Music)

(Musik)

(Musik) (Applåder)

(Applause)

Vi har en del jobb innan vi kan ta det här

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

från labbet till verkligheten, men i framtiden

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

kan vi göra bilar som inte krockar

with what's around the bend.

med det som finns runt knuten,

Or we can look for survivors in hazardous conditions

eller leta efter överlevande i farliga situationer

by looking at light reflected through open windows.

genom att se hur ljus reflekteras från öppna fönster,

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

eller tillverka endoskop som kan se

djupt inne i kroppen, förbi tillslutningar,

and also for cardioscopes.

eller in i hjärtat.

But of course, because of tissue and blood,

Men det är klart, på grund av vävnader och blod

this is quite challenging,

är det en viss utmaning, så det är verkligen dags

so this is really a call for scientists

för forskare att börja tänka på femtofotografi

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

som en ny form av bildåtergivning, för att lösa

to solve the next generation of health-imaging problems.

framtidens problem inom medicinsk bildteknik.

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

För Doc Edgerton, som också var forskare,

science became art --

blev vetenskap till konst, en ultrasnabb fotokonst,

an art of ultra-fast photography.

och jag förstod själv att alla gigabyte av data

And I realized

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

som vi samlar in hela tiden

are not just for scientific imaging.

inte bara är till för vetenskaplig bildteknik, utan också

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

en ny typ av digitalt fotografi

with time-lapse and color coding.

med snabbspolning och färgkodning,

And we look at those ripples.

och vi tittar på de där vågorna. Kom ihåg att

Remember:

tiden mellan varje våg bara är

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

några få biljondels sekunder.

But there's also something funny going on here.

Men det är förresten något skumt på gång här.

När man tittar på vågorna under korken

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

är de på väg i riktning från oss.

Vågorna borde röra sig mot oss.

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

Varför är det så här?

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

Jo, eftersom vi spelar in

nästan i ljusets hastighet

we have strange effects,

får vi en del märkliga resultat,

and Einstein would have loved to see this picture.

och Einstein hade älskat den här bilden.

(Laughter)

The order at which events take place in the world

Det verkliga händelseförloppet

appears in the camera sometimes in reversed order.

ser i kameran ut att kastas om ibland,

So by applying the corresponding space and time warp,

så genom att justera för rums- och tidsförskjutningen

we can correct for this distortion.

kan vi korrigera det här felet.

So whether it's for photography around corners,

Vare sig det handlar om att ta bilder runt hörn,

eller utveckla bildtekniken inom sjukvården,

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

eller skapa nya slags illustrationer,

har vi i och med vår uppfinning offentliggjort

since our invention,

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

all data och på vår hemsida, och vi hoppas

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

att entusiaster, konstnärer och forskningssamhället

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

kommer få oss att sluta stressa över

megapixlarna i kameror – (Skratt) –

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

och börja tänka på nästa aspekt av bildhantering.

It's about time.

Låt oss inte dra ut på tiden. Tack. (Applåder)

Thank you.

(Applause)

(Applåder)