Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar

Translator: Joseph Geni Reviewer: Thu-Huong Ha

Translator: Kanawat Senanan Reviewer: Unnawut Leepaisalsuwanna

Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity

ด็อค เอ็ดเกอร์ตัน สร้างแรงบันดาลใจให้เรา ด้วยความน่าเกรงขามและความใคร่รู้

with this photo of a bullet piercing through an apple,

จากภาพกระสุนปืนทะลุผ่านผลแอปเปิล

and exposure just a millionth of a second.

และด้วยเวลาเปิดรับแสงเพียงแค่หนึ่งในล้านของวินาที

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

ตอนนี้ ผ่านมาแล้ว 50 ปี เราสามารถทำได้เร็วกว่านั้นนับล้านเท่า

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

เราเห็นโลกที่ความเร็วไม่ใช่แค่ที่หนึ่งล้าน

หรือหนึ่งพันล้าน

but one trillion frames per second.

แต่เห็นที่ความเร็ว หนึ่งล้านล้านเฟรมต่อวินาที

ผมขอนำเสนอวิธีการถ่ายภาพแบบใหม่

I present to you a new type of photography,

femto-photography,

การถ่ายภาพที่ความเร็วระดับเฟมโตวินาที

a new imaging technique so fast

เป็นวิธีการถ่ายภาพแบบใหม่ ที่เร็วมาก

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

จนมันสามารถสร้างวิดิโอภาพช้า ของแสงที่กำลังเดินทาง

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

และด้วยสิ่งนี้ เราสามารถสร้างกล้อง

ที่มองเห็นอ้อมมุมอับ

beyond line of sight,

ที่อยู่นอกเหนือเส้นสายตา

or see inside our body without an x-ray,

หรือเห็นภายในร่างกายเราโดยไม่ต้องใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์

และท้าทายความหมายของ กล้องถ่ายภาพ

and really challenge what we mean by a camera.

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

ทีนี้ ถ้าผม เปิด ปิด เครื่องชี้เลเซอร์สักอัน

in one trillionth of a second --

ภายในเศษหนึ่งส่วนล้านล้านของวินาที --

which is several femtoseconds --

ซึ่งเท่ากับหลาย เฟมโตวินาที --

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

ผมจะสร้างกลุ่มโฟตอนเล็กๆ

ที่กว้างเพียงแค่หนึ่งมิลลิเมตร

And that packet of photons, that bullet,

และกลุ่มโฟตอนนั้น หรือจะเรียกว่า กระสุนนัดนั้น

will travel at the speed of light,

จะเดินทางด้วยความเร็วแสง

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

ที่ความเร็วนับล้านเท่าของกระสุนธรรมดาทั่วไป

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

ทีนี้ถ้าคุณเอากระสุนนัดนั้น หรือกลุ่มโฟตอนที่ว่า

and fire into this bottle,

ยิงเข้าใส่ขวด

how will those photons shatter into this bottle?

โฟตอนเหล่านั้นจะกระเจิงเข้าสู่ขวดนี้อย่างไร?

How does light look in slow motion?

เราจะเห็นแสงอย่างไรเมื่อดูในภาพช้า

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

Now, the whole event --

เหตุการ์ณทั้งหมด --

(Applause)

(เสียงปรบมือ)

Now remember, the whole event is effectively taking place

ขอย้ำนะครับ ว่าเหตุการณ์ทั้งหมด

เกิดขึ้นภายในเวลาน้อยกว่า หนึ่งนาโนวินาที

in less than a nanosecond --

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

-- นั่นคือเวลาที่แสงใช้ในการเดินทาง --

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

แต่ผมชะลอวิดิโอนี้ลง หนึ่งหมื่นล้านเท่า

so you can see the light in motion.

เพื่อให้คุณได้เห็นแสงขณะที่มันเดินทาง

(Laughter)

But Coca-Cola did not sponsor this research.

แต่ โคคา-โคล่า ไม่ได้สนับสนุนการวิจัยนี้นะครับ (เสียงหัวเราะ)

(Laughter)

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

ทีนี้ มีหลายสิ่งเกิดขึ้นในภาพยนตร์นี้

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

ดังนั้นผมจะอธิบายทีละส่วนใหคุณเห็นว่าเกิดอะไรขึ้นบ้าง

So the pulse enters the bottle, our bullet,

คือ กลุ่มแสงเริ่มเข้าสู่ขวด ซึ่งคือกระสุนของเรา

with a packet of photons that start traveling through

กลุ่มโฟตอน เริ่มเดินทางทะลุ

and that start scattering inside.

และเริ่มกระเจิงภายในขวด

Some of the light leaks, goes on the table,

แสงบางส่วนรั่วออกมา ตกกระทบบนผิวโต๊ะ

and you start seeing these ripples of waves.

และคุณจะเริ่มเห็นระลอกคลื่น

Many of the photons eventually reach the cap

โฟตอนจำนวนมาก เดินทางถึงฝาขวดในที่สุด

and then they explode in various directions.

จากนั้นมันก็ระเบิดออกในทุกทิศทาง

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

อย่างที่คุณเห็น มีฟองอากาศอยู่

and it's bouncing around inside.

และโฟตอนก็สะท้อนไปมาอยู่ภายใน

Meanwhile, the ripples are traveling on the table,

ในขณะเดียวกัน ระลอกคลื่นก็กำลังเดินทางอยู่บนผิวโต๊ะ

and because of the reflections at the top,

และเพราะแสงสะท้อนจากด้านบน

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

คุณจะเห็นว่าที่ด้านหลังของขวด หลังจากนั้นอีกหลายเฟรม

แสงสะท้อนเหล่านั้นจะกลับมารวมกัน

the reflections are focused.

ทีนี้ ถ้าคุณเอากระสุนทั่วไป

Now, if you take an ordinary bullet

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

และปล่อยให้มันเดินทางในระยะที่เท่ากัน แล้วทำให้วีดิโอช้าลง

again, by a factor of 10 billion --

หนึ่งหมื่นล้านเท่า คุณรู้ไหมครับว่า

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

คุณจะต้องใช้เวลานั่งดูวีดิโอนี้นานเท่าไหร่?

(Laughter)

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

หนึ่งวัน หรือหนึ่งสัปดาห์? จริงๆ แล้วจะต้องใช้เวลา 1 ปีเต็ม

It'll be a very boring movie --

มันจะเป็นภาพยนตร์ที่น่าเบื่อมาก -- (เสียงหัวเราะ)--

(Laughter)

of a slow, ordinary bullet in motion.

ภาพยนตร์ของกระสุนธรรมดาที่เคลื่อนที่อย่างเชื่องช้า

And what about some still-life photography?

แล้วถ้าหากเป็นการถ่ายภาพนิ่งหล่ะ?

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

คุณจะเห็นระลอกคลื่นกวาดไปทั่วโต๊ะ

the tomato and the wall in the back.

ไปที่มะเขือเทศ และผนังด้านหลัง

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

มันเหมือนการโยนหินลงในบ่อน้ำ

I thought: this is how nature paints a photo,

ผมคิดว่า นี่คือวิธีที่ธรรมชาติระบายสีภาพถ่าย

one femto frame at a time,

ทีละหนึ่งเฟมโตเฟรม

but of course our eye sees an integral composite.

แต่แน่นอน ตาของเรามองเห็นภาพประกอบที่รวมกัน

แต่ถ้าคุณดูมะเขือเทศผลนี้อีกที

But if you look at this tomato one more time,

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

คุณจะสังเกตเห็นว่าเมื่อแสงสาดลงบนผลมะเขือเทศ

มันยังคงเรืองแสงต่อ มันไม่ได้มืดไปเลยในทันที

it continues to glow.

It doesn't become dark. Why is that?

ทำไมเป็นอย่างนั้น? ก็เพราะมะเขือเทศนั้นสุกแล้ว

Because the tomato is actually ripe,

and the light is bouncing around inside the tomato,

และแสงก็สะท้อนไปมาภายในผลมะเขือเทศ

and it comes out after several trillionths of a second.

และออกมาได้ หลังจากหลายเศษเสี้ยววินาทีต่อมา

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

ดังนั้นในอนาคต เมื่อกล้องระดับเฟมโตวินาทีนี้

เข้าไปอยู่ในมือถือของคุณ

you might be able to go to a supermarket

คุณอาจจะไปที่ซุปเปอร์มาร์เก็ต

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

และตรวจสอบว่าผลไม้นั้นสุกหรือยัง โดยไม่ต้องแตะมัน

(Laughter)

แล้วทีมของผมที่ MIT สร้างกล้องตัวนี้ได้อย่างไร?

So how did my team at MIT create this camera?

ในฐานะช่างภาพ คุณจะรู้ดีว่า

Now, as photographers, you know,

ถ้าคุณใช้เวลาเปิดรับแสงสั้นๆ คุณจะได้แสงน้อยมาก

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

แต่เราจะทำให้มันเร็วเป็นพันล้านเท่า

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

ของเวลาเปิดรับแสงที่สั้นที่สุดที่คุณทำได้

so you're going to get hardly any light.

ดังนั้นคุณแทบจะไม่ได้รับแสงใดๆ เลย

So what we do is we send that bullet --

ดังนั้น สิ่งที่เราทำก็คือ เราส่งกระสุนออกไป

that packet of photons -- millions of times,

เหล่าโฟตอนกลุ่มเล็กๆ ส่งออกไปนับล้านๆ ครั้ง

and record again and again with very clever synchronization,

และบันทึกครั้งแล้วครั้งเล่า ด้วยวิธีการกำหนดจังหวะอย่างชาญฉลาด

and from the gigabytes of data,

และจากข้อมูลจำนวนหลายกิกะไบต์

we computationally weave together

เรานำมันมาผสานมันเข้าด้วยกันโดยการคำนวณ

to create those femto-videos I showed you.

เป็นวีดิโอระดับเฟมโตวินาที ที่ผมเพิ่งฉายให้คุณดู

และเราสามารเอาข้อมูลดิบทั้งหมด

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

และใช้มันในทางที่น่าสนใจ

So, Superman can fly.

ซุปเปอร์แมน สามารถบินได้

Some other heroes can become invisible.

ยอดมนุษย์อื่นๆ สามารถล่องหนได้

But what about a new power for a future superhero:

แต่ลองนึงถึงพลังพิเศษรูปแบบใหม่สำหรับยอดมนุษย์ในอนาคตดูสิครับ

To see around corners.

ความสามารถที่จะมองเห็นในมุมอับ

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

แนวคิดคือเราสามารถฉายแสงไปที่ประตู

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

มันจะสะท้อน วิ่งเข้าไปในห้อง

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

บางส่วนจะสะท้อนกลับมาที่ประตู

and then back to the camera.

และกลับมาที่กล้อง

And we could exploit these multiple bounces of light.

และเราสามารถใช้ประโยชน์จากแสงที่สะท้อนหลายๆ ครั้งได้

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

และนี้ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์นะครับ เราสร้างมันขึ้นมาแล้ว

On the left, you see our femto-camera.

ทางซ้ายมือนี่คือ กล้องระดับเฟมโตวินาทีของเรา

There's a mannequin hidden behind a wall,

มีหุ่นซ่อนอยู่หลังกำแพง

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

และเราจะสะท้อนแสงจากประตู

So after our paper was published in Nature Communications,

หลังจากงานวิจัยได้รับการตีพิมพ์

ในวารสาร Nature Communications

it was highlighted by Nature.com,

เรื่องนี้ถูกยกขึ้นมาเสนอโดย Nature.com

and they created this animation.

และพวกเขาสร้างวิดิโอแอนิเมชันนี้ขึ้นมา

(Music)

(เสียงเพลง)

[A laser pulse is fired]

(Music)

เรากำลังจะยิงกระสุนแห่งแสง

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

and they're going to hit this wall,

มันจะสะท้อนที่ผนังนี้

and because of the packet of the photons,

และเพราะกลุ่มโฟตอนเหล่านั้น

they will scatter in all the directions,

มันจะกระเจิงออกทุกทิศทาง

and some of them will reach our hidden mannequin,

บางส่วนจะไปถึงหุ่นที่ซ่อนอยู่

which in turn will again scatter that light,

ซึ่งในทางกลับกัน จะกระเจิงแสงนั้นอีกทีหนึ่ง

และประตูก็จะสะท้อน

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

แสงที่กระเจิงบางส่วน

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

และเพียงเศษเสี้ยวของกลุ่มโฟตอน

จะกลับมาถึงกล้อง แต่ที่น่าสนใจก็คือ

but most interestingly,

they will all arrive at a slightly different time slot.

พวกมันจะกลับมาถึงในเวลาที่ต่างกันออกไปเล็กน้อย

(Music)

(เสียงเพลง)

และเพราะเรามีกล้องที่ทำงานได้เร็วมาก

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

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

กล้องระดับเฟมโตวินาทีของเรา มันมีความสามารถพิเศษบางอย่าง

It has very good time resolution,

มันมีความละเอียดด้านเวลาสูงมาก

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

และมันสามารถมองเห็นโลกด้วยความเร็วแสง

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

และเพราะอย่างนี้ เราจึงรู้ระยะทางถึงประตู

but also to the hidden objects,

และยังรู้ระยะทางถึงวัตถุที่ซ่อนอยู่ด้วย

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

แต่เราไม่รู้ว่าจุดไหนเชื่อมโยง

กับระยะทางอันไหน

(Music)

(เสียงเพลง)

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

ด้วยการฉายแสงเลเซอร์ เราสามารถบันทีกภาพได้หนึ่งภาพ

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

ซึ่งเมื่อคุณดูในจอ มันก็ไม่ได้บอกอะไรมาก

But then we will take a lot of such pictures,

แต่ทีนี้เราจะถ่ายภาพคล้ายๆกัน

อีกหลายๆ ภาพ แล้วเอามันมารวมเข้าด้วยกัน

dozens of such pictures, put them together,

and try to analyze the multiple bounces of light,

และพยายามที่จะวิเคราะห์การสะท้อนหลายๆ ครั้งของแสง

and from that, can we see the hidden object?

และจากข้อมูลเหล่านั้น เราจะเห็นวัตถุที่ซ่อนอยู่ได้หรือไม่?

Can we see it in full 3D?

เราจะเห็นมันในรูปทรงสามมิติหรือไม่?

So this is our reconstruction.

และนี่คือภาพที่เราสร้างขึ้นครับ

(Music)

(เสียงเพลง)

(เสียงเพลง) (เสียงปรบมือ)

(Applause)

ถึงตรงนี้ หนทางของเรายังอีกยาวใกล ก่อนที่จะเอาสิ่งนี้

Now, we have some ways to go

before we take this outside the lab on the road,

ออกไปใช้ข้างนอกห้องทดลอง แต่ในอนาคตอันใกล้

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

เราจะสามารถสร้างรถที่สามารถหลีกเลี่ยงการชน

with what's around the bend.

กับสิ่งที่อยู่หลังทางโค้ง

Or we can look for survivors in hazardous conditions

เราจะสามารถหาผู้รอดชีวิตในสถานการณ์อันตราย

by looking at light reflected through open windows.

โดยดูแสงที่สะท้อนจากหน้าต่างที่เปิดอยู่

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

หรือสามารถสร้างกล้องตรวจ

ลึกเข้าไปในร่างกาย มองเห็นอ้อมสิ่งกีดขวาง

and also for cardioscopes.

และสร้างกล้องตรวจภายในหัวใจ

But of course, because of tissue and blood,

แต่แน่นอน เพราะมีเนื้อเยื่อและเลือด

this is quite challenging,

มันจึงเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก ดังนั้นนี่จึงเป็นการเรียกร้อง

so this is really a call for scientists

ให้นักวิทยาศาสตร์เริ่มคิด เกี่ยวกับกล้องระดับเฟมโตวินาที

to start thinking about femto-photography

as really a new imaging modality

เสมือนเป็นตัวช่วยในการสร้างภาพถ่ายแบบใหม่

to solve the next generation of health-imaging problems.

ที่จะช่วยแก้ปัญหา ด้านภาพถ่ายทางการแพทย์ในยุคถัดไป

Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,

และเช่นเดียวกับ ด็อค เอ็ดเกอร์ตัน ซึ่งก็เป็นนักวิทยาศาสตร์

science became art --

วิทยาศาสตร์ได้กลายมาเป็นศิลปะ ศิลปะแห่งการถ่ายภาพความเร็วสูง

an art of ultra-fast photography.

และผมได้ตระหนักว่า ข้อมูลหลายกิกะไบต์

And I realized

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

ที่เรารวบรวมไว้ในทุกๆ ครั้ง

are not just for scientific imaging.

ไม่ใช่เป็นแค่เพื่อทำภาพทางวิทยาศาสตร์ แต่เรายังสามารถทำ

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

ภาพถ่ายที่สร้างจากการคำนวณรูปแบบใหม่

with time-lapse and color coding.

ด้วยการแสดงเวลาด้วยรหัสสี

And we look at those ripples.

และเมื่อคุณดูที่ระลอกคลื่นเหล่านั้น โปรดระลึกว่า

Remember:

ระหว่างแต่ละระลอกคลื่นนั้นใช้เวลาเพียง

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

ไม่กี่ส่วนในล้านล้านส่วนของวินาทีเท่านั้น

But there's also something funny going on here.

และนอกจากนี้ยังมีบางสิ่งแปลกประหลาดเกิดขึ้น

เมื่อคุณดูระลอกคลื่นใต้จุกขวด

When you look at the ripples under the cap,

the ripples are moving away from us.

ระลอกคลื่นเหล่านั้นกลับคลื่นที่ออกห่างจากเรา

ทั้งที่มันควรจะวิ่งเข้าหาเรา

The ripples should be moving towards us.

What's going on here?

มันเกิดอะไรขึ้น?

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

เหตุผลคือ เพราะเราบันทึกภาพ

ใกล้ความเร็วแสง

we have strange effects,

เราจึงได้ผลที่แปลกประหลาด

and Einstein would have loved to see this picture.

และไอน์สไตน์คงจะชื่นชอบ ถ้าเขาได้เห็นภาพนี้

(Laughter)

The order at which events take place in the world

ลำดับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในโลก

appears in the camera sometimes in reversed order.

ปรากฏในกล้องโดยบางครั้งก็เรียงลำดับถอยหลัง

So by applying the corresponding space and time warp,

ดังนั้นโดยการใช้การบิดตัวของอวกาศและเวลา

we can correct for this distortion.

เราสามารถแก้ไขความบิดเบือนนี้ได้

So whether it's for photography around corners,

ดังนั้น ไม่ว่าจะเป็นเพราะการถ่ายถาพอ้อมมุม

หรือสร้างภาพถ่ายทางการแพทย์สำหรับยุคถัดไป

or creating the next generation of health imaging,

or creating new visualizations,

หรือสร้างภาพแบบใหม่ๆ

นับตั้งแต่การประดิษฐ์ของเรา เราทำให้มันเป็นโอเพนซอร์ซ

since our invention,

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

ข้อมูลและรายละเอียดทั้งหมดอยู่บนเว็บไซต์ของเรา และความหวังของเราก็คือ

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

เหล่านักประดิษฐ์ เหล่าครีเอทีฟ และชุมชนนักวิจัย

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

จะแสดงให้เราเห็นว่า เราควรเลิกหมกมุ่น

กับเมกะพิกเซลของกล้อง -- (เสียงหัวเราะ) --

(Laughter)

and start focusing on the next dimension in imaging.

และเริ่มที่จะใส่ใจกับมิติใหม่ของการถ่ายภาพ

It's about time.

มันถึงเวลาแล้ว ขอบคุณครับ

Thank you.

(Applause)

(เสียงปรบมือ)