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TEDGlobal 2012

Ramesh Raskar: Imaging at a trillion frames per second

ラメッシュ・ラスカー: 毎秒一兆枚の高速度カメラ

June 28, 2012

ラメッシュ・ラスカーはフェムト・フォトグラフィーを紹介します。この新しいイメージング技術は毎秒一兆フレームの高速度撮影技術なので光の動いていく様子も見えるのです。この技術は将来、角の向こうを見通すカメラや X 線を用いないで体内を観察できるカメラに使われるかもしれません。

Ramesh Raskar - Femto-photographer
Photography is about creating images by recording light. At the MIT media lab, professor Ramesh Raskar and his team members have invented a camera that can photograph light itself as it moves at, well, the speed of light. Full bio

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Double-click the English subtitles below to play the video.
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
00:16
with this photo of a bullet piercing through an apple,
100万分の1秒を捉えたもので
00:22
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
00:27
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
00:32
and see the world not at a million,
100万でも
00:39
or a billion,
10億でもなく
00:43
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
00:45
I present you a new type of photography,
ご紹介するのは新しい撮影技術
00:48
femto-photography,
フェムト・フォトグラフィーです
00:52
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
00:54
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
00:59
And with that, we can create cameras
またこの技術を使って
01:04
that can look around corners,
見通せない角の
01:07
beyond line of sight
先を見られるカメラや
01:09
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
01:11
and really challenge what we mean by a camera.
カメラという言葉の意味が 大きく変わるのです
01:16
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
01:21
in one trillionth of a second --
1兆分の1秒で点滅させれば
01:24
which is several femtoseconds --
つまり数フェムト秒の間隔なら
01:27
I'll create a packet of photons
生じた光子の塊の長さは
01:30
barely a millimeter wide,
ほんの1ミリ程度になり
01:32
and that packet of photons, that bullet,
この光子の塊 すなわち弾丸が
01:35
will travel at the speed of light,
光の速度で進みます
01:38
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
01:40
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
01:44
and fire into this bottle,
ボトルに打ち込んだら
01:49
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
01:52
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
01:57
Now, the whole event -- (Applause)
そしてお見せしたー(拍手)
02:21
(Applause)
(拍手)
02:25
Now, remember, the whole event
お見せした全ての事象は ナノ秒より短い
02:29
is effectively taking place in less than a nanosecond
時間で起きていることを念頭にご覧ください
02:31
— 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
02:35
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
02:37
so you can see the light in motion.
光の動きが見えるのです
02:42
But, Coca-Cola did not sponsor this research. (Laughter)
ちなみに コカコーラからのご支援は頂いていません (笑)
02:45
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
02:50
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
02:52
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
02:54
with a packet of photons that start traveling through
光子の塊が横切り始めると
02:58
and that start scattering inside.
内部での散乱も始まります
03:00
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
03:02
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
03:04
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
03:07
and then they explode in various directions.
あらゆる方向に飛び散ります
03:10
As you can see, there's a bubble of air,
空気の泡も見えますが
03:13
and it's bouncing around inside.
そこでは内部に跳ね返ります
03:15
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
03:16
and because of the reflections at the top,
上面での反射のために
03:19
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
03:21
the reflections are focused.
反射光が集まります
03:24
Now, if you take an ordinary bullet
普通の弾丸を撃って
03:27
and let it go the same distance and slow down the video
同じ距離進む映像を撮って
03:33
again by a factor of 10 billion, do you know
100億倍でスロー再生したら
03:36
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
03:39
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
03:45
It'll be a very boring movie — (Laughter) —
かなり退屈な映像でしょう (笑)
03:49
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
03:53
And what about some still-life photography?
こんな静物の写真を撮ってみました
03:57
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
04:08
the tomato and the wall in the back.
流れるさざ波が見えます
04:13
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
04:16
I thought, this is how nature paints a photo,
フェムト秒で撮った写真を
04:22
one femto frame at a time,
自然はこう彩るのかと驚きました
04:26
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
04:29
But if you look at this tomato one more time,
ただもう一度トマトを見てもらうと
04:34
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
04:37
it continues to glow. It doesn't become dark.
光り続け 暗くなることはありません
04:40
Why is that? Because the tomato is actually ripe,
なぜでしょう それはトマトが熟していて
04:42
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
04:46
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
04:48
So, in the future, when this femto-camera
将来このフェムトカメラが
04:53
is in your camera phone,
携帯電話に付いたら
04:55
you might be able to go to a supermarket
スーパーに行って
04:57
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
04:59
So how did my team at MIT create this camera?
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
05:03
Now, as photographers, you know,
写真を撮る人はご存知のように
05:08
if you take a short exposure photo, you get very little light,
露出時間を短くすると 光の量は大変少なくなります
05:10
but we're going to go a billion times faster
さらに 通常の短時間露光よりも
05:14
than your shortest exposure,
百億倍以上速くしようというのです
05:17
so you're going to get hardly any light.
だから光はほとんどありません
05:18
So, what we do is we send that bullet,
我々は光の塊の弾丸を
05:20
those packet of photons, millions of times,
何百万回も発射します
05:22
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
05:25
and from the gigabytes of data,
何ギガバイトものデータから
05:28
we computationally weave together
計算によって織り出される物が
05:30
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
05:32
And we can take all that raw data
処理前のデータをいろいろ使って
05:35
and treat it in very interesting ways.
非常に興味深い処理もできます
05:38
So, Superman can fly.
スーパーマンは空を飛び
05:41
Some other heroes can become invisible,
透明になるヒーローもいます
05:43
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
05:45
to see around corners?
角の先を見通すのはどうでしょう
05:50
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
05:53
It's going to bounce, go inside the room,
跳ね返って部屋の中に入ると
05:57
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
06:00
and then back to the camera,
カメラまで戻ってくるので
06:03
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
06:04
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
06:08
On the left, you see our femto-camera.
左にあるのがフェムトカメラです
06:10
There's a mannequin hidden behind a wall,
壁の後ろにマネキンが隠れています
06:12
and we're going to bounce light off the door.
光は扉で跳ね返ります
06:15
So after our paper was published
我々の論文がネイチャー・コミュニケーションズ誌に
06:18
in Nature Communications,
掲載された後で
06:20
it was highlighted by Nature.com,
ネイチャーのサイトで特集され
06:22
and they created this animation.
こんなアニメーションを作ってくれました
06:23
(Music)
(音楽)
06:26
We're going to fire those bullets of light,
光の弾丸を発射するところです
06:32
and they're going to hit this wall,
壁に当たります
06:36
and because the packet of the photons,
光子の塊は
06:39
they will scatter in all the directions,
あらゆる方向に飛び散り
06:42
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
06:44
which in turn will again scatter that light,
そのマネキンがまた光を散乱させ
06:46
and again in turn the door will reflect
そして再び今度は扉が
06:49
some of that scattered light,
散乱光の一部を反射します
06:53
and a tiny fraction of the photons will actually
光子のほんの一部が
06:55
come back to the camera, but most interestingly,
カメラに戻ります 大事なのは
06:58
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
07:00
(Music)
(音楽)
07:04
And because we have a camera that can run so fast,
使用したカメラは 大変高速なフェムトカメラなので
07:08
our femto-camera, it has some unique abilities.
独特な能力があります
07:11
It has very good time resolution,
時間分解能が大変優れていて
07:14
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
07:17
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
07:21
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
07:24
but we don't know which point corresponds
ただどの点が
07:26
to which distance.
どの距離に相当するのかわかりません
07:28
(Music)
(音楽)
07:30
By shining one laser, we can record one raw photo, which,
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
07:33
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
07:37
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
07:40
dozens of such pictures, put them together,
こういう写真を何十枚も 組み合わせ
07:42
and try to analyze the multiple bounces of light,
光の多重散乱の解析を試みれば
07:44
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?
07:47
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?
07:50
So this is our reconstruction. (Music)
我々が再構成した結果はこうなりました
07:53
(Music)
(音楽)
07:56
(Music) (Applause)
(音楽)(拍手)
07:59
Now we have some ways to go before we take this
この技術を実験室の外に持ち出す前に
08:07
outside the lab on the road, but in the future,
まだやるべきことはありますが いずれは
08:10
we could create cars that avoid collisions
曲がり角の先の物との
08:13
with what's around the bend,
衝突を避ける自動車や
08:16
or we can look for survivors in hazardous conditions
危険な状況下での生存者探索に
08:18
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
08:22
or we can build endoscopes that can see
体内の見通せないものの奥まで見られる
08:26
deep inside the body around occluders,
内視鏡や血管内視鏡も
08:29
and also for cardioscopes.
作ることができるでしょう
08:32
But of course, because of tissue and blood,
もちろん 細胞や血液があるので
08:34
this is quite challenging, so this is really a call
これは大変に難しい課題ですが
08:37
for scientists to start thinking about femto-photography
科学者の皆さんに考えはじめて欲しいことは
08:39
as really a new imaging modality to solve
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
08:42
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
08:44
Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,
科学者であったエジャートン博士が
08:48
science became art, an art of ultra-fast photography,
科学から超高速写真という芸術を生み出したように
08:52
and I realized that all the gigabytes of data
私も実験のたびに集まる
08:57
that we're collecting every time
数ギガバイトのデータを使って
09:00
is not just for scientific imaging, but we can also do
単に科学的な画像を作るだけでなく
09:02
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
09:06
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
09:10
and we look at those ripples. Remember,
さっきの波模様を見てみましょう
09:14
the time between each of those ripples is only
この波どうしの時間差は
09:17
a few trillionths of a second.
一兆分の数秒ほどです
09:19
But there's also something funny going on here.
ここで面白いことが起きています
09:24
When you look at the ripples under the cap,
キャップの下側を見てみると
09:26
the ripples are moving away from us.
波は遠ざかるほうに進んでいます
09:28
The ripples should be moving towards us.
波は近づいてくるはずなのです
09:32
What's going on here?
何が起きているのでしょうか
09:34
It turns out, because we're recording
実は 光の速度に
09:35
nearly at the speed of light,
近い領域で記録したために
09:37
we have strange effects,
奇妙な効果が現われたのです
09:42
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
09:44
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
09:48
appear in the camera with sometimes reversed order,
出来事の順番はときどき逆転し
09:51
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
09:56
we can correct for this distortion.
この歪みを補正することができます
09:59
So whether it's for photography around corners,
角を見通す写真であれ
10:03
or creating the next generation of health imaging,
次世代の医用画像であれ
10:08
or creating new visualizations,
新たな可視化技術の開発であれ
10:12
since our invention, we have open-sourced
我々は発明した後は オープンソース化して
10:15
all the data and details on our website, and our hope
全てのデータと詳細をウェブに公開しました
10:18
is that the DIY, the creative and the research community
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
10:22
will show us that we should stop obsessing about
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
10:28
the megapixels in cameras — (Laughter) —
(笑)
10:32
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
10:35
It's about time. Thank you. (Applause)
「時」を考える 「時」になったのです
ありがとう (拍手)
10:40
(Applause)
(拍手)
10:45
Translator:Natsuhiko Mizutani
Reviewer:Akiko Hicks

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Ramesh Raskar - Femto-photographer
Photography is about creating images by recording light. At the MIT media lab, professor Ramesh Raskar and his team members have invented a camera that can photograph light itself as it moves at, well, the speed of light.

Why you should listen

In 1964 MIT professor Harold Edgerton, pioneer of stop-action photography, famously took a photo of a bullet piercing an apple using exposures as short as a few nanoseconds. Inspired by his work, Ramesh Raskar and his team set out to create a camera that could capture not just a bullet (traveling at 850 meters per second) but light itself (nearly 300 million meters per second).

Stop a moment to take that in: photographing light as it moves. For that, they built a camera and software that can visualize pictures as if they are recorded at 1 trillion frames per second. The same photon-imaging technology can also be used to create a camera that can peer "around" corners , by exploiting specific properties of the photons when they bounce off surfaces and objects.

Among the other projects that Raskar is leading, with the MIT Media Lab's Camera Culture research group, are low-cost eye care devices, a next generation CAT-Scan machine and human-computer interaction systems.

Papers: 

Andreas Velten, Thomas Willwacher, Otkrist Gupta, Ashok Veeraraghavan, Moungi G. Bawendi and Ramesh Raskar, “Recovering ThreeDimensional Shape around a Corner using Ultra-Fast Time-of-Flight Imaging.” Nature Communications, March 2012

Andreas Velten, Adrian Jarabo, Belen Masia, Di Wu, Christopher Barsi, Everett Lawson, Chinmaya Joshi, Diego Gutierrez, Moungi G. Bawendi and Ramesh Raskar, "Ultra-fast Imaging for Light in Motion" (in progress). http://femtocamera.info

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Data provided by TED.

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