TEDGlobal 2012
Ramesh Raskar: Imaging at a trillion frames per second
Ramesh Raskar: Aparat rejestrujący bilion klatek na sekundę
Filmed:
Readability: 4
5,395,201 views
Ramesh Raskar przedstawia femto-fotografię, nowy rodzaj obrazowania tak szybki, że ukazuje świat z dokładnością do miliarda klatek na sekundę; tak dokładny, że pokazuje światło w ruchu. Ta technologia może być kiedyś wykorzystana do budowy aparatów, które będą mogły "zajrzeć" za róg lub do wnętrza ciała bez użycia promieni Rentgena.
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
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
Double-click the English transcript below to play the video.
00:16
Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity
0
902
5978
Doc Edgerton natchnął nas zdumieniem,
00:22
with this photo of a bullet piercing through an apple,
1
6880
5262
pokazując zdjęcie pocisku przeszywającego jabłko
00:28
and exposure just a millionth of a second.
2
12142
4878
o czasie ekspozycji 1. ułamka sekundy.
00:32
But now, 50 years later, we can go a million times faster
3
17020
7307
50 lat później, możemy działać milion razy szybciej
00:40
and see the world not at a million,
4
24327
3596
i widzieć świat z dokładnością nie miliona, czy miliarda,
00:43
or a billion,
5
27923
1810
i widzieć świat z dokładnością nie miliona, czy miliarda,
00:45
but one trillion frames per second.
6
29733
3435
ale biliona klatek na sekundę.
00:49
I present you a new type of photography,
7
33168
4385
Pokażę wam nową formę fotografii,
00:53
femto-photography,
8
37553
2059
femto-fotografię,
00:55
a new imaging technique so fast
9
39612
4600
technikę obrazowania tak szybką,
01:00
that it can create slow motion videos of light in motion.
10
44212
5201
że może zarejestrować ruch światła
i pokazać go w zwolnionym tempie.
i pokazać go w zwolnionym tempie.
01:05
And with that, we can create cameras
11
49413
2738
Dzięki temu, możemy stworzyć aparaty,
01:08
that can look around corners,
12
52151
2145
które zajrzą za każdy róg,
01:10
beyond line of sight
13
54296
1997
poza linię wzroku, do wnętrza naszego ciała,
01:12
or see inside our body without an X-ray,
14
56293
4393
bez promieni Rentgena,
01:16
and really challenge what we mean by a camera.
15
60686
5401
i całkiem zmienić nasze pojęcie o aparatach.
01:21
Now if I take a laser pointer and turn it on and off
16
66087
3511
Naciskając laserowy wskaźnik,
01:25
in one trillionth of a second --
17
69598
2827
w jednej bilionowej sekundy,
01:28
which is several femtoseconds --
18
72425
2812
czyli kilku femtosekundach,
01:31
I'll create a packet of photons
19
75237
2280
stworzę stumień fotonów
01:33
barely a millimeter wide,
20
77517
2350
szeroki ledwo na milimetr,
01:35
and that packet of photons, that bullet,
21
79867
2926
i ten strumień fotonów, ten pocisk,
01:38
will travel at the speed of light,
22
82793
1950
będzie się poruszać z prędkością światła,
01:40
and, again, a million times faster than an ordinary bullet.
23
84743
4508
milion razy szybciej niż zwyczajny pocisk.
01:45
Now, if you take that bullet and take this packet of photons
24
89251
4906
Jeśli weźmiemy ten pocisk,
ten strumień fotonów,
ten strumień fotonów,
01:50
and fire into this bottle,
25
94157
3173
i wstrzelimy w tę butelkę,
01:53
how will those photons shatter into this bottle?
26
97330
4534
w jaki sposób fotony się po niej rozbiją?
01:57
How does light look in slow motion?
27
101864
4224
Jak wygląda światło w zwolnionym tempie?
02:21
Now, the whole event -- (Applause)
28
126041
3658
Całe to zdarzenie...
(Brawa)
(Brawa)
02:25
(Applause)
29
129699
4219
(Brawa)
02:29
Now, remember, the whole event
30
133918
2603
To zdarzenie
02:32
is effectively taking place in less than a nanosecond
31
136521
3383
trwa mniej niż nanosekundę,
02:35
— that's how much time it takes for light to travel —
32
139904
2336
tyle zajmuje światłu droga,
02:38
but I'm slowing down in this video by a factor of 10 billion
33
142240
4500
ale ja zwalniam film 10 miliardów razy
02:42
so you can see the light in motion.
34
146740
3673
dzięki czemu widzicie światło w ruchu.
02:46
But, Coca-Cola did not sponsor this research. (Laughter)
35
150413
4621
Coca-Cola nie była sponsorem tych badań.
(Śmiech)
(Śmiech)
02:50
Now, there's a lot going on in this movie,
36
155034
2047
Wiele rzeczy się dzieje na tym filmie,
02:52
so let me break this down and show you what's going on.
37
157081
2362
opowiem o tym krok po kroku.
02:55
So, the pulse enters the bottle, our bullet,
38
159443
3240
Impuls, pocisk, wpada do butelki,
02:58
with a packet of photons that start traveling through
39
162683
2562
ze strumieniem fotonów,
które zaczynają się przemieszczać
które zaczynają się przemieszczać
03:01
and that start scattering inside.
40
165245
1837
i rozpierzchać na boki.
03:02
Some of the light leaks, goes on the table,
41
167082
2231
Trochę światła ulatuje, spada na stół,
03:05
and you start seeing these ripples of waves.
42
169313
2787
i widać takie małe fale.
03:08
Many of the photons eventually reach the cap
43
172100
2881
Wiele z fotonów dociera w końcu do korka
03:10
and then they explode in various directions.
44
174981
2914
i eksploduje w różnych kierunkach.
03:13
As you can see, there's a bubble of air,
45
177895
1912
Jest tam bąbelek powietrza,
03:15
and it's bouncing around inside.
46
179807
1666
który obija się w środku.
03:17
Meanwhile, the ripples are traveling on the table,
47
181473
2474
W międzyczasie, fale przemieszczają się po stole,
03:19
and because of the reflections at the top,
48
183947
1869
i dzięki odbiciom w górnej części,
03:21
you see at the back of the bottle, after several frames,
49
185816
3634
widzimy tył butelki,
03:25
the reflections are focused.
50
189450
2902
po chwili odbicia są wyraźne.
03:28
Now, if you take an ordinary bullet
51
192352
5894
Jeśli weźmiemy zwykły pocisk,
03:34
and let it go the same distance and slow down the video
52
198246
3401
na tym samym dystansie,
03:37
again by a factor of 10 billion, do you know
53
201647
2549
po czym znów 10 miliardów razy zwolnimy film,
03:40
how long you'll have to sit here to watch that movie?
54
204196
5725
jak długo musielibyśmy tu siedzieć, żeby to obejrzeć?
03:45
A day, a week? Actually, a whole year.
55
209921
4388
Dzień, tydzień? Tak naprawdę - cały rok.
03:50
It'll be a very boring movie — (Laughter) —
56
214309
3914
Byłby to bardzo nudny film...
(Śmiech)
(Śmiech)
03:54
of a slow, ordinary bullet in motion.
57
218223
4052
Powolnego, zwykłego pocisku w ruchu.
03:58
And what about some still-life photography?
58
222275
4603
Co powiecie na zdjęcie martwej natury?
04:08
You can watch the ripples again washing over the table,
59
232770
5352
Możecie zobaczyć jak fale obmywają stół,
04:14
the tomato and the wall in the back.
60
238122
2913
pomidora i ścianę w tle.
04:16
It's like throwing a stone in a pond of water.
61
241035
4224
To jak wrzucanie kamienia do wody.
04:23
I thought, this is how nature paints a photo,
62
247197
3890
To sposób, w jaki tworzy natura,
04:26
one femto frame at a time,
63
251087
2587
po jednej femto-klatce,
04:29
but of course our eye sees an integral composite.
64
253674
5392
jednak oczy widzą tylko całość.
04:34
But if you look at this tomato one more time,
65
259066
3126
Patrząc na tego pomidora ponownie, widać,
04:38
you will notice, as the light washes over the tomato,
66
262192
2516
że kiedy światło się po nim przesuwa,
04:40
it continues to glow. It doesn't become dark.
67
264708
2891
nadal promieniuje. Nie staje się ciemne.
04:43
Why is that? Because the tomato is actually ripe,
68
267599
3548
Dlaczego? Bo pomidor jest dojrzały,
04:47
and the light is bouncing around inside the tomato,
69
271147
2101
światło odbija się w jego wnętrzu,
04:49
and it comes out after several trillionths of a second.
70
273248
4466
i wychodzi po kilku bilionowych sekundy.
04:53
So, in the future, when this femto-camera
71
277714
2633
W przyszłości, kiedy femto-aparaty
04:56
is in your camera phone,
72
280347
2092
znajdą się w waszych komórkach,
04:58
you might be able to go to a supermarket
73
282439
1710
będziecie mogli iść do sklepu
05:00
and check if the fruit is ripe without actually touching it.
74
284149
4040
i sprawdzić bez dotykania czy owoc jest dojrzały.
05:04
So how did my team at MIT create this camera?
75
288189
5330
Jak ekipa w MIT stworzyła ten aparat?
05:09
Now, as photographers, you know,
76
293519
1967
Fotografowie wiedzą,
05:11
if you take a short exposure photo, you get very little light,
77
295486
4061
że krótki czas ekspozycji,
da zdjęciu niewiele światła,
da zdjęciu niewiele światła,
05:15
but we're going to go a billion times faster
78
299547
2206
ale my działamy miliard razy szybciej
05:17
than your shortest exposure,
79
301753
1856
niż najkrótsza ekspozycja migawki
05:19
so you're going to get hardly any light.
80
303609
1800
więc prawie wcale nie będzie tam światła.
05:21
So, what we do is we send that bullet,
81
305409
1843
Puszczamy zatem pocisk,
05:23
those packet of photons, millions of times,
82
307252
2549
strumień fotonów, miliony razy,
05:25
and record again and again with very clever synchronization,
83
309801
3107
i za każdym razem nagrywamy i synchronizujemy.
05:28
and from the gigabytes of data,
84
312908
2091
Z tych gigabajtów informacji
05:30
we computationally weave together
85
314999
2116
komputerowo wyplatamy
05:33
to create those femto-videos I showed you.
86
317115
3465
takie femto-filmy, jak pokazałem.
05:36
And we can take all that raw data
87
320580
2540
Możemy zebrać wszystkie te dane
05:39
and treat it in very interesting ways.
88
323120
2895
i pracować z nimi na wiele sposobów.
05:41
So, Superman can fly.
89
326015
1841
Superman może latać.
05:43
Some other heroes can become invisible,
90
327856
2462
Inni bohaterowie mogą stać się niewidzialni,
05:46
but what about a new power for a future superhero:
91
330318
5098
a co powiecie na nową moc superbohatera:
05:51
to see around corners?
92
335416
2498
moc widzenia co jest za rogiem?
05:53
The idea is that we could shine some light on the door.
93
337914
4673
Polega to na tym, że świecimy światło na drzwi.
05:58
It's going to bounce, go inside the room,
94
342587
2675
Odbije się ono i wpadnie do pokoju,
06:01
some of that is going to reflect back on the door,
95
345262
2430
jakaś część z powrotem na drzwi,
06:03
and then back to the camera,
96
347692
1507
a potem znów do aparatu.
06:05
and we could exploit these multiple bounces of light.
97
349199
3488
Możemy wykorzystać te wielokrotne odbicia.
06:08
And it's not science fiction. We have actually built it.
98
352687
2397
To nie science fiction. Już to zbudowaliśmy.
06:10
On the left, you see our femto-camera.
99
355084
2384
Po lewej jest nasz femto-aparat.
06:13
There's a mannequin hidden behind a wall,
100
357468
2379
Za ścianą schowany jest manekin,
06:15
and we're going to bounce light off the door.
101
359847
2982
a my odbijemy światło od drzwi.
06:18
So after our paper was published
102
362829
1948
Po opublikowaniu naszej pracy
06:20
in Nature Communications,
103
364777
1934
w Nature Communications,
06:22
it was highlighted by Nature.com,
104
366711
1915
został on zauważony przez Nature.com.
06:24
and they created this animation.
105
368626
2563
Stworzyli oni tę animację.
06:27
(Music)
106
371189
6402
(Muzyka)
06:33
We're going to fire those bullets of light,
107
377591
3461
Wystrzelone pociski światła
06:36
and they're going to hit this wall,
108
381052
3263
uderzają w ścianę.
06:40
and because the packet of the photons,
109
384315
2655
Ponieważ pocisk zbudowany jest z fotonów,
06:42
they will scatter in all the directions,
110
386970
2297
rozchodzą się we wszystkich kierunkach,
06:45
and some of them will reach our hidden mannequin,
111
389267
2248
część z nich dociera do ukrytego manekina,
06:47
which in turn will again scatter that light,
112
391515
2879
który z powrotem odbija światło,
06:50
and again in turn the door will reflect
113
394394
3686
a następnie drzwi odbiją,
06:53
some of that scattered light,
114
398080
2072
część tego światła
06:56
and a tiny fraction of the photons will actually
115
400152
2744
i ułamkowa część fotonów
06:58
come back to the camera, but most interestingly,
116
402896
2284
wraca do aparatu, najciekawsze
07:01
they will all arrive at a slightly different time slot.
117
405180
3746
że każdy dociera tam w troszkę innym czasie.
07:04
(Music)
118
408926
4577
(Muzyka)
07:09
And because we have a camera that can run so fast,
119
413503
2817
Ponieważ femto-aparat działa tak szybko,
07:12
our femto-camera, it has some unique abilities.
120
416320
3106
ma niezwykłe zdolności.
07:15
It has very good time resolution,
121
419426
2906
Ma świetną rozdzielczość czasową
07:18
and it can look at the world at the speed of light.
122
422332
3518
i może patrzeć na świat z prędkością światła.
07:21
And this way, we know the distances, of course to the door,
123
425850
3545
Dzięki temu, możemy poznać odległości,
07:25
but also to the hidden objects,
124
429395
1894
nie tylko do drzwi, ale też do ukrytych obiektów,
07:27
but we don't know which point corresponds
125
431289
1595
jednak nie wiemy, który foton odpowiada
07:28
to which distance.
126
432884
2322
za którą odległość.
07:31
(Music)
127
435206
3240
(Muzyka)
07:34
By shining one laser, we can record one raw photo, which,
128
438446
3944
Świecąc jednym laserem,
zarejestrujemy tylko jedno zdjęcie,
zarejestrujemy tylko jedno zdjęcie,
07:38
you look on the screen, doesn't really make any sense,
129
442390
2450
które nie ma za bardzo sensu,
07:40
but then we will take a lot of such pictures,
130
444840
1880
ale jeśli zrobimy wiele takich zdjęć,
07:42
dozens of such pictures, put them together,
131
446720
2419
złożymy je wszystkie razem
07:45
and try to analyze the multiple bounces of light,
132
449139
2678
i spróbujemy zbadać wielokrotne odbicia światła
07:47
and from that, can we see the hidden object?
133
451817
3416
czy da się zobaczyć ukryty obiekt?
07:51
Can we see it in full 3D?
134
455233
2919
Czy można go zobaczyć w 3D?
07:54
So this is our reconstruction. (Music)
135
458152
2636
Oto rekonstrukcja.
(Muzyka)
(Muzyka)
07:56
(Music)
136
460788
3458
(Muzyka)
08:00
(Music) (Applause)
137
464246
8308
(Muzyka)
(Brawa)
(Brawa)
08:08
Now we have some ways to go before we take this
138
472554
2611
Jest jeszcze trochę do zrobienia, nim to wszystko
08:11
outside the lab on the road, but in the future,
139
475165
3197
opuści laboratorium, ale w przyszłości,
08:14
we could create cars that avoid collisions
140
478362
2834
możemy zbudować samochody unikające kolizji,
08:17
with what's around the bend,
141
481196
2216
możemy szukać ocalałych,
08:19
or we can look for survivors in hazardous conditions
142
483412
3914
nawet w niebezpiecznych warunkach,
08:23
by looking at light reflected through open windows,
143
487326
4278
obserwując światło wpadające przez otwarte okna,
08:27
or we can build endoscopes that can see
144
491604
2625
budować endoskopy,
08:30
deep inside the body around occluders,
145
494229
3270
zaglądające do naszego ciała,
08:33
and also for cardioscopes.
146
497499
1876
a także użyć w kardioskopach.
08:35
But of course, because of tissue and blood,
147
499375
2501
To ogromne wyzwanie, ze względu na tkanki i krew.
08:37
this is quite challenging, so this is really a call
148
501876
2187
Ale również wezwanie naukowców,
08:39
for scientists to start thinking about femto-photography
149
504063
2853
by dostrzegli femo-fotografię
08:42
as really a new imaging modality to solve
150
506916
2589
jako nową technologię obrazowania,
która może rozwiązać
która może rozwiązać
08:45
the next generation of health imaging problems.
151
509505
3577
wiele medycznych problemów.
08:48
Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,
152
513082
3881
Tak jak Doc Edgerton, naukowiec-artysta,
08:52
science became art, an art of ultra-fast photography,
153
516963
5176
nauka stała się sztuką, sztuką ultra-szybkiej fotografii.
08:58
and I realized that all the gigabytes of data
154
522139
3464
Te gigabajty danych,
09:01
that we're collecting every time
155
525603
2004
które zbieramy, służą nie tylko obrazowaniu naukowemu,
09:03
is not just for scientific imaging, but we can also do
156
527607
3443
możemy je też wykorzystać
09:06
a new form of computational photography
157
531050
3780
do stworzenia nowego rodzaju fotografii obliczeniowej,
09:10
with time-lapse and color-coding,
158
534830
4139
z ekspozycją poklatkową i kodowaniem kolorami,
09:14
and we look at those ripples. Remember,
159
538969
2770
Spójrzmy na te fale.
09:17
the time between each of those ripples is only
160
541739
2675
Czas pomiędzy każdą z nich
09:20
a few trillionths of a second.
161
544414
4343
to kilka bilionowych sekundy.
09:24
But there's also something funny going on here.
162
548757
1956
Ale dzieje się tutaj coś zabawnego.
09:26
When you look at the ripples under the cap,
163
550713
2354
Spójrzcie na fale pod korkiem,
09:28
the ripples are moving away from us.
164
553067
3620
one się od nas oddalają.
09:32
The ripples should be moving towards us.
165
556687
2149
A powinny poruszać się w naszą stronę.
09:34
What's going on here?
166
558836
1767
Co się dzieje?
09:36
It turns out, because we're recording
167
560603
1958
Okazuje się, że nagrywając
prawie z prędkością światła,
prawie z prędkością światła,
09:38
nearly at the speed of light,
168
562561
4547
Okazuje się, że nagrywając
prawie z prędkością światła,
prawie z prędkością światła,
09:43
we have strange effects,
169
567108
2070
otrzymujemy niezwykłe efekty.
09:45
and Einstein would have loved to see this picture.
170
569178
4031
Einstein na pewno chciałby to zobaczyć.
09:49
The order at which events take place in the world
171
573209
3269
Kolejność z jaką wydarzenia mają miejsce,
09:52
appear in the camera with sometimes reversed order,
172
576478
4568
czasem zostaje odwrócona przez aparat,
09:56
so by applying the corresponding space and time warp,
173
581046
3359
używając odpowiedniej pętli w czasie i przestrzeni,
10:00
we can correct for this distortion.
174
584405
4045
możemy to naprawić.
10:04
So whether it's for photography around corners,
175
588450
4241
Także czy to dla nowej generacji zdjęć medycznych,
10:08
or creating the next generation of health imaging,
176
592691
4308
Także czy to dla nowej generacji zdjęć medycznych,
10:12
or creating new visualizations,
177
596999
2680
czy tworzenia nowych wizualizacji,
10:15
since our invention, we have open-sourced
178
599679
3559
od czasu stworzenia, udostępniamy
10:19
all the data and details on our website, and our hope
179
603238
3699
wszystkie dane na naszej stronie.
10:22
is that the DIY, the creative and the research community
180
606937
6636
W nadziei, że społeczność kreatywnych i badaczy,
10:29
will show us that we should stop obsessing about
181
613573
3803
udowodni nam, że powinniśmy skończyć z obsesją
10:33
the megapixels in cameras — (Laughter) —
182
617376
3240
ilości megapikseli w aparatach...
(Śmiech)
(Śmiech)
10:36
and start focusing on the next dimension in imaging.
183
620616
5030
I skoncentrować się na nowym wymiarze obrazowania.
10:41
It's about time. Thank you. (Applause)
184
625646
4534
Najwyższy czas. Dziękuję.
(Brawa)
(Brawa)
10:46
(Applause)
185
630180
10205
(Brawa)
ABOUT THE SPEAKER
Ramesh Raskar - Femto-photographerPhotography 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
Ramesh Raskar | Speaker | TED.com