TEDGlobal 2012
Ramesh Raskar: Imaging at a trillion frames per second
Ramesh Raskar: Imagens em um trilhão de quadros por segundo
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Ramesh Raskar apresenta a femto fotografia, um novo tipo de imagem tão rápida, que mostra o mundo em um trilhão de quadros por segundo, tão detalhada, que mostra a própria luz em movimento. Essa tecnologia poderá um dia ser utilizada na construção de câmeras capazes de visualizar cantos escondidos ou na observação do interior do corpo sem o uso de raios-X.
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
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00:16
Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity
0
902
5978
Doc Edgerton nos inspirou com admiração e curiosidade
00:22
with this photo of a bullet piercing through an apple,
1
6880
5262
com esta foto de uma bala perfurando uma maçã
00:28
and exposure just a millionth of a second.
2
12142
4878
e acontece em apenas um milionésimo de segundo.
00:32
But now, 50 years later, we can go a million times faster
3
17020
7307
Mas, agora, 50 anos depois, nós podemos ir um milhão de vezes mais rápido
00:40
and see the world not at a million,
4
24327
3596
e ver o mundo, não em um milhão,
00:43
or a billion,
5
27923
1810
ou bilhão,
00:45
but one trillion frames per second.
6
29733
3435
mas em um trilhão de imagens por segundo.
00:49
I present you a new type of photography,
7
33168
4385
Eu apresento a vocês um novo tipo de fotografia,
00:53
femto-photography,
8
37553
2059
fotografia femto,
00:55
a new imaging technique so fast
9
39612
4600
uma nova tecnologia de imagem, tão rápida
01:00
that it can create slow motion videos of light in motion.
10
44212
5201
que pode criar vídeos em câmera lenta da luz em movimento.
01:05
And with that, we can create cameras
11
49413
2738
E com isso, nós podemos criar câmeras
01:08
that can look around corners,
12
52151
2145
que podem visualizar cantos,
01:10
beyond line of sight
13
54296
1997
fora do campo de visão
01:12
or see inside our body without an X-ray,
14
56293
4393
ou ver dentro do nosso copo sem um raio X,
01:16
and really challenge what we mean by a camera.
15
60686
5401
e realmente desafiam o que conhecemos como câmera.
01:21
Now if I take a laser pointer and turn it on and off
16
66087
3511
Agora, se eu pegar um laser e ligá-lo e desligá-lo
01:25
in one trillionth of a second --
17
69598
2827
em um trilionésimo de segundo --
01:28
which is several femtoseconds --
18
72425
2812
o que equivale a diversos femto segundos --
01:31
I'll create a packet of photons
19
75237
2280
Eu vou criar um pacote de fótons
01:33
barely a millimeter wide,
20
77517
2350
com quase um milímetro de largura,
01:35
and that packet of photons, that bullet,
21
79867
2926
e esse pacote de fóton, a bala,
01:38
will travel at the speed of light,
22
82793
1950
vai viajar na velocidade da luz,
01:40
and, again, a million times faster than an ordinary bullet.
23
84743
4508
e, novamente, um milhão de vezes mais rápida que uma bala comum.
01:45
Now, if you take that bullet and take this packet of photons
24
89251
4906
Agora, se você pegar essa bala e o pacote de fótons
01:50
and fire into this bottle,
25
94157
3173
e disparar dentro desta garrafa,
01:53
how will those photons shatter into this bottle?
26
97330
4534
como que os fótons se despedaçam dentro da garrafa?
01:57
How does light look in slow motion?
27
101864
4224
Como é a luz em câmera lenta?
02:21
Now, the whole event -- (Applause)
28
126041
3658
Então, todo o evento -- (Aplausos)
02:25
(Applause)
29
129699
4219
(Aplausos)
02:29
Now, remember, the whole event
30
133918
2603
Agora, lembrem, todo o evento
02:32
is effectively taking place in less than a nanosecond
31
136521
3383
está efetivamente acontecendo em menos de um nanosegundo
02:35
— that's how much time it takes for light to travel —
32
139904
2336
-- esse é o tempo que a luz leva para viajar --
02:38
but I'm slowing down in this video by a factor of 10 billion
33
142240
4500
mas eu estou desacelerando esse vídeo por um fator de 10 bilhões
02:42
so you can see the light in motion.
34
146740
3673
para que vocês possam ver a luz em movimento.
02:46
But, Coca-Cola did not sponsor this research. (Laughter)
35
150413
4621
Mas a Coca-Cola não patrocinou essa pesquisa. (Risos)
02:50
Now, there's a lot going on in this movie,
36
155034
2047
Agora, muita coisa está acontecendo nesse filme,
02:52
so let me break this down and show you what's going on.
37
157081
2362
então deixe-me dividir e mostrar o que está acontecendo.
02:55
So, the pulse enters the bottle, our bullet,
38
159443
3240
Então, o pulso de luz entra na garrafa, nossa bala,
02:58
with a packet of photons that start traveling through
39
162683
2562
com um pacote de fótons que começam a viajar através dela
03:01
and that start scattering inside.
40
165245
1837
e começam a se espalhar por dentro.
03:02
Some of the light leaks, goes on the table,
41
167082
2231
Parte da luz vaza, vai para a mesa,
03:05
and you start seeing these ripples of waves.
42
169313
2787
e vocês começam a ver estas ondulações.
03:08
Many of the photons eventually reach the cap
43
172100
2881
Muitos dos fótons por fim alcançam a tampa
03:10
and then they explode in various directions.
44
174981
2914
e, em seguida, explodem em várias direções.
03:13
As you can see, there's a bubble of air,
45
177895
1912
Como vocês podem ver, existe uma bolha de ar,
03:15
and it's bouncing around inside.
46
179807
1666
e ela está saltitando dentro.
03:17
Meanwhile, the ripples are traveling on the table,
47
181473
2474
Enquanto isso, as ondulações estão viajando na mesa,
03:19
and because of the reflections at the top,
48
183947
1869
e por causa das reflexões no topo,
03:21
you see at the back of the bottle, after several frames,
49
185816
3634
vocês veem no fundo da garrafa, depois de diversos quadros,
03:25
the reflections are focused.
50
189450
2902
que as reflexões estão focadas.
03:28
Now, if you take an ordinary bullet
51
192352
5894
Agora, se você pegar uma bala comum
03:34
and let it go the same distance and slow down the video
52
198246
3401
e deixá-la viajar a mesma distância e desacelerar o vídeo
03:37
again by a factor of 10 billion, do you know
53
201647
2549
novamente por um fator de 10 bilhões, vocês sabem
03:40
how long you'll have to sit here to watch that movie?
54
204196
5725
quanto tempo vocês precisariam sentar aqui para assistir este filme?
03:45
A day, a week? Actually, a whole year.
55
209921
4388
Um dia, uma semana? Na verdade, um ano inteiro.
03:50
It'll be a very boring movie — (Laughter) —
56
214309
3914
Seria um filme muito chato -- (Risos) --
03:54
of a slow, ordinary bullet in motion.
57
218223
4052
de uma lenta bala comum em movimento.
03:58
And what about some still-life photography?
58
222275
4603
E o que dizer sobre fotografia de natureza morta?
04:08
You can watch the ripples again washing over the table,
59
232770
5352
Vocês podem assistir novamente as ondulações sobre a mesa,
04:14
the tomato and the wall in the back.
60
238122
2913
o tomate e a parede do fundo.
04:16
It's like throwing a stone in a pond of water.
61
241035
4224
É como jogar uma pedra em uma lagoa.
04:23
I thought, this is how nature paints a photo,
62
247197
3890
Eu pensei, é assim que a natureza pinta uma foto,
04:26
one femto frame at a time,
63
251087
2587
com um quadro de femto por vez,
04:29
but of course our eye sees an integral composite.
64
253674
5392
mas é claro que nosso olho enxerga como uma composição integral.
04:34
But if you look at this tomato one more time,
65
259066
3126
Entretanto, se vocês olharem para esse tomate mais uma vez,
04:38
you will notice, as the light washes over the tomato,
66
262192
2516
vocês irão notar que a luz passa pelo tomate
04:40
it continues to glow. It doesn't become dark.
67
264708
2891
e continua a brilhar. Ela não desaparece.
04:43
Why is that? Because the tomato is actually ripe,
68
267599
3548
Por que isso? Porque o tomate está na realidade maduro,
04:47
and the light is bouncing around inside the tomato,
69
271147
2101
e a luz está se movimentando dentro do tomate,
04:49
and it comes out after several trillionths of a second.
70
273248
4466
e sai depois de diversos trilhões de segundo.
04:53
So, in the future, when this femto-camera
71
277714
2633
Então, no futuro, quando essa câmera femto
04:56
is in your camera phone,
72
280347
2092
estiver no seu celular,
04:58
you might be able to go to a supermarket
73
282439
1710
vocês poderão ir em um supermercado
05:00
and check if the fruit is ripe without actually touching it.
74
284149
4040
e verificar se a fruta está madura sem nem mesmo tocá-la.
05:04
So how did my team at MIT create this camera?
75
288189
5330
Então, como meu time na MIT criou essa câmera?
05:09
Now, as photographers, you know,
76
293519
1967
Agora, como fotógrafos, vocês sabem,
05:11
if you take a short exposure photo, you get very little light,
77
295486
4061
que se você tira uma foto de exposição curta, você terá muito pouca luz,
05:15
but we're going to go a billion times faster
78
299547
2206
mas iremos um bilhão de vezes mais rápido
05:17
than your shortest exposure,
79
301753
1856
que a sua exposição mais curta,
05:19
so you're going to get hardly any light.
80
303609
1800
então não vamos ter quase nenhuma luz.
05:21
So, what we do is we send that bullet,
81
305409
1843
Então, o que fazemos é mandar aquela bala,
05:23
those packet of photons, millions of times,
82
307252
2549
aqueles pacotes de fótons, milhões de vezes
05:25
and record again and again with very clever synchronization,
83
309801
3107
e gravar diversas vezes com uma sincronização inteligente
05:28
and from the gigabytes of data,
84
312908
2091
e a partir de gigabites de informação
05:30
we computationally weave together
85
314999
2116
nós tecemos computacionalmente as partes
05:33
to create those femto-videos I showed you.
86
317115
3465
para criar aqueles videos femto que eu mostrei para vocês.
05:36
And we can take all that raw data
87
320580
2540
E nós podemos pegar todas aquelas informações
05:39
and treat it in very interesting ways.
88
323120
2895
e trabalhá-las de maneiras muito interessantes.
05:41
So, Superman can fly.
89
326015
1841
Então, o Super-homem pode voar.
05:43
Some other heroes can become invisible,
90
327856
2462
Outros heróis podem ficar invisíveis,
05:46
but what about a new power for a future superhero:
91
330318
5098
mas que tal um novo poder para um super-herói do futuro:
05:51
to see around corners?
92
335416
2498
enxergar o que há nos cantos?
05:53
The idea is that we could shine some light on the door.
93
337914
4673
A ideia é que nós pudéssemos projetar um pouco de luz na porta.
05:58
It's going to bounce, go inside the room,
94
342587
2675
Ela vai viajar, ir dentro do cômodo,
06:01
some of that is going to reflect back on the door,
95
345262
2430
e parte dela vai refletir de volta na porta
06:03
and then back to the camera,
96
347692
1507
e depois novamente na câmera,
06:05
and we could exploit these multiple bounces of light.
97
349199
3488
e nós poderíamos explorar esses diversos movimentos de luz.
06:08
And it's not science fiction. We have actually built it.
98
352687
2397
E isso não é ficção científica. Nós realmente contruímos esse modelo.
06:10
On the left, you see our femto-camera.
99
355084
2384
Na esquerda, vocês veem nossa câmera femto.
06:13
There's a mannequin hidden behind a wall,
100
357468
2379
Existe um manequim escondido atrás da parede
06:15
and we're going to bounce light off the door.
101
359847
2982
e nós vamos dissipar luz para longe da porta.
06:18
So after our paper was published
102
362829
1948
Depois que nosso artigo foi publicado
06:20
in Nature Communications,
103
364777
1934
na revista Nature Communications,
06:22
it was highlighted by Nature.com,
104
366711
1915
ele foi destacado na Nature.com,
06:24
and they created this animation.
105
368626
2563
e eles criaram esta animação.
06:27
(Music)
106
371189
6402
(Música)
06:33
We're going to fire those bullets of light,
107
377591
3461
Nós vamos disparar aquelas balas de luz
06:36
and they're going to hit this wall,
108
381052
3263
e elas vão atingir essa parede,
06:40
and because the packet of the photons,
109
384315
2655
e por causa dos pacotes de fótons
06:42
they will scatter in all the directions,
110
386970
2297
elas vão se espalhar em todas as direções,
06:45
and some of them will reach our hidden mannequin,
111
389267
2248
e alguns deles vão atingir nosso manequim escondido,
06:47
which in turn will again scatter that light,
112
391515
2879
o qual vai também espalhar aquela luz
06:50
and again in turn the door will reflect
113
394394
3686
e novamente, a porta vai refletir
06:53
some of that scattered light,
114
398080
2072
parte da luz dissipada,
06:56
and a tiny fraction of the photons will actually
115
400152
2744
e uma pequena fração de fótons vai, na realidade,
06:58
come back to the camera, but most interestingly,
116
402896
2284
voltar para a câmera, mas, ainda mais interessantemente,
07:01
they will all arrive at a slightly different time slot.
117
405180
3746
elas vão chegar com pequenas differenças de tempo.
07:04
(Music)
118
408926
4577
(Música)
07:09
And because we have a camera that can run so fast,
119
413503
2817
E porque nós temos uma câmera que pode filmar tão rápido,
07:12
our femto-camera, it has some unique abilities.
120
416320
3106
a câmera femto, ela possui habilidades únicas.
07:15
It has very good time resolution,
121
419426
2906
Possui uma resolução de tempo muito boa
07:18
and it can look at the world at the speed of light.
122
422332
3518
e pode olhar para o mundo na velocidade da luz.
07:21
And this way, we know the distances, of course to the door,
123
425850
3545
Sendo assim, nós obviamente sabemos a distância até a porta
07:25
but also to the hidden objects,
124
429395
1894
mas também até os objetos escondidos,
07:27
but we don't know which point corresponds
125
431289
1595
mas nós não sabemos qual ponto corresponde
07:28
to which distance.
126
432884
2322
a qual distância.
07:31
(Music)
127
435206
3240
(Música)
07:34
By shining one laser, we can record one raw photo, which,
128
438446
3944
Depois de disparar um laser, nós podemos gravar uma foto inicial, a qual
07:38
you look on the screen, doesn't really make any sense,
129
442390
2450
se vista na tela não faz muito sentindo,
07:40
but then we will take a lot of such pictures,
130
444840
1880
mas depois nós tiramos muitas dessas fotos,
07:42
dozens of such pictures, put them together,
131
446720
2419
dúzias dessas fotos, colocamos elas juntas
07:45
and try to analyze the multiple bounces of light,
132
449139
2678
e tentamos analisar os diversos movimentos da luz,
07:47
and from that, can we see the hidden object?
133
451817
3416
e com isso, será que podemos ver o objeto escondido?
07:51
Can we see it in full 3D?
134
455233
2919
Podemos vê-lo completo em 3D?
07:54
So this is our reconstruction. (Music)
135
458152
2636
Bom, esta é nossa reconstrução. (Música)
07:56
(Music)
136
460788
3458
(Música)
08:00
(Music) (Applause)
137
464246
8308
(Música) (Aplausos)
08:08
Now we have some ways to go before we take this
138
472554
2611
Agora, nós temos muito a percorrer antes de colocar isso
08:11
outside the lab on the road, but in the future,
139
475165
3197
fora do laboratório - na estrada - , mas no futuro
08:14
we could create cars that avoid collisions
140
478362
2834
nós poderíamos criar carros que evitam colisão
08:17
with what's around the bend,
141
481196
2216
com o que está do outro lado da curva,
08:19
or we can look for survivors in hazardous conditions
142
483412
3914
ou nós podemos procurar por sobreviventes em condições de perigo
08:23
by looking at light reflected through open windows,
143
487326
4278
apenas observando a luz refletida em janelas abertas,
08:27
or we can build endoscopes that can see
144
491604
2625
ou nós podemos construir endoscópios que podem ver
08:30
deep inside the body around occluders,
145
494229
3270
dentro do corpo através de oclusões,
08:33
and also for cardioscopes.
146
497499
1876
e também usar em cardioscópios.
08:35
But of course, because of tissue and blood,
147
499375
2501
Mas, é claro, considerando tecidos e sangue
08:37
this is quite challenging, so this is really a call
148
501876
2187
isso é bastante desafiador, então isso é uma chamada
08:39
for scientists to start thinking about femto-photography
149
504063
2853
para cientistas começarem a pensar em fotografia femto
08:42
as really a new imaging modality to solve
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506916
2589
como uma nova modalidade de imagem para resolver
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the next generation of health imaging problems.
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509505
3577
a próxima geração de imagens de saúde.
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Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,
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513082
3881
Agora, para Doc Edgerton, um cientista,
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science became art, an art of ultra-fast photography,
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516963
5176
a ciência virou arte, uma arte de fotografia super rápida,
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and I realized that all the gigabytes of data
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522139
3464
e eu percebo que todos os gigabytes de informação
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that we're collecting every time
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525603
2004
que nós coletamos todas as vezes
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is not just for scientific imaging, but we can also do
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3443
não são apenas para imagens científicas, pois também podemos fazer
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a new form of computational photography
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531050
3780
uma nova forma de fotografia computadorizada
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with time-lapse and color-coding,
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534830
4139
com lapso de tempo e código de cores,
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and we look at those ripples. Remember,
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538969
2770
e nós olhamos para aquelas ondulções. Lembrem-se,
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the time between each of those ripples is only
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541739
2675
o tempo entre aquelas ondas é apenas
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a few trillionths of a second.
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544414
4343
alguns trilhões de segundo.
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But there's also something funny going on here.
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548757
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Mas também existe algo engraçado acontecendo aqui.
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When you look at the ripples under the cap,
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2354
Quando você observa as ondas embaixo da tampa,
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the ripples are moving away from us.
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553067
3620
as ondas estão se movendo para longe de nós.
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The ripples should be moving towards us.
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556687
2149
As ondas deveriam estar se movendo na nossa direção.
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What's going on here?
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558836
1767
O que está acontecendo aqui?
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It turns out, because we're recording
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560603
1958
Acontece que como nós estamos gravando
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nearly at the speed of light,
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562561
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praticamente na velociadade da luz,
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we have strange effects,
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2070
nós temos efeitos estranhos
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and Einstein would have loved to see this picture.
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569178
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e Einstein adoraria ver essa imagem.
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The order at which events take place in the world
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A ordem em que eventos acontecem no mundo
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appear in the camera with sometimes reversed order,
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576478
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aparece na câmera em ordem inversa,
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so by applying the corresponding space and time warp,
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581046
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então aplicando a correspondente torção no espaço e tempo
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we can correct for this distortion.
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nós podemos corrigir essa distorção.
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So whether it's for photography around corners,
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Então, independente de ser para fotografar através de curvas,
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or creating the next generation of health imaging,
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ou criar a próxima geração de imagens para a saúde,
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or creating new visualizations,
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596999
2680
ou criar novas visualizações,
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since our invention, we have open-sourced
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desde nossa invenção, nós temos o código aberto
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all the data and details on our website, and our hope
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de todas as informações e detalhes em nosso site, e nossa expectativa
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is that the DIY, the creative and the research community
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é que a cultura do faça você mesmo, a comunidade criativa e científica
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will show us that we should stop obsessing about
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3803
irá mostrar-nos que nós deveriamos parar de nos preocupar com
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the megapixels in cameras — (Laughter) —
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os megapixels nas câmeras - (Risos) -
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and start focusing on the next dimension in imaging.
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e começar a focar na próxima dimensão em imagem.
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It's about time. Thank you. (Applause)
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Já está na hora. Obrigado. (Aplausos)
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(Applause)
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(Aplausos)
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