TEDGlobal 2012
Ramesh Raskar: Imaging at a trillion frames per second
Ramesh Raskar : Une imagerie à un trillion d'images par seconde
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Ramesh Raskar présente la femto-photographie, un nouveau genre d’imagerie tellement rapide qu’elle montre le monde à 1 trillion d'mages par seconde, tellement détaillée qu’elle montre la lumière en mouvement. Cette technologie pourrait un jour être utilisée pour des appareils photo qui peuvent regarder « dans» les coins ou voir à l’intérieur du corps sans rayons 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 nous a impressionnés et intrigués
00:22
with this photo of a bullet piercing through an apple,
1
6880
5262
avec cette photo d'une balle qui transperce une pomme,
00:28
and exposure just a millionth of a second.
2
12142
4878
en un temps de pose d'un millionième de seconde.
00:32
But now, 50 years later, we can go a million times faster
3
17020
7307
Maintenant, 50 ans plus tard, nous pouvons aller un million de fois plus vite
00:40
and see the world not at a million,
4
24327
3596
et voir le monde non pas à un million
00:43
or a billion,
5
27923
1810
ou un milliard,
00:45
but one trillion frames per second.
6
29733
3435
mais un trillion d'images par seconde.
00:49
I present you a new type of photography,
7
33168
4385
Je vous présente un nouveau type de photographie,
00:53
femto-photography,
8
37553
2059
la femto-photographie,
00:55
a new imaging technique so fast
9
39612
4600
une nouvelle technique d'imagerie tellement rapide
01:00
that it can create slow motion videos of light in motion.
10
44212
5201
qu'elle peut créer une vidéo au ralenti de la lumière en mouvement.
01:05
And with that, we can create cameras
11
49413
2738
Avec ça, nous pouvons créer des appareils photo
01:08
that can look around corners,
12
52151
2145
qui peuvent regarder dans les coins,
01:10
beyond line of sight
13
54296
1997
derrière la ligne de vision
01:12
or see inside our body without an X-ray,
14
56293
4393
ou voir à l'intérieur de notre corps sans rayons X,
01:16
and really challenge what we mean by a camera.
15
60686
5401
et vraiment défier notre conception d’un appareil photo.
01:21
Now if I take a laser pointer and turn it on and off
16
66087
3511
Si je prends un pointeur laser et je l'allume et je l'éteins
01:25
in one trillionth of a second --
17
69598
2827
dans l'espace d'un trillion de secondes,
01:28
which is several femtoseconds --
18
72425
2812
ce qui représente plusieurs femtosecondes,
01:31
I'll create a packet of photons
19
75237
2280
je crée un paquet de photons
01:33
barely a millimeter wide,
20
77517
2350
d’à peine un millimètre de largeur,
01:35
and that packet of photons, that bullet,
21
79867
2926
et ce paquet de photons, cette balle,
01:38
will travel at the speed of light,
22
82793
1950
voyagera à la vitesse de la lumière,
01:40
and, again, a million times faster than an ordinary bullet.
23
84743
4508
et, encore une fois, un million de fois plus vite qu'une balle ordinaire.
01:45
Now, if you take that bullet and take this packet of photons
24
89251
4906
Si vous prenez cette balle et ce paquet de photons
01:50
and fire into this bottle,
25
94157
3173
et que vous tirez dans cette bouteille,
01:53
how will those photons shatter into this bottle?
26
97330
4534
comment ces photons iront-ils se fracasser dans cette bouteille ?
01:57
How does light look in slow motion?
27
101864
4224
A quoi ressemble la lumière au ralenti ?
02:21
Now, the whole event -- (Applause)
28
126041
3658
Tout l'évènement ... (Applaudissements)
02:25
(Applause)
29
129699
4219
(Applaudissements)
02:29
Now, remember, the whole event
30
133918
2603
Rappelez-vous, tout l'évènement
02:32
is effectively taking place in less than a nanosecond
31
136521
3383
se déroule en fait en moins d’une nanoseconde,
02:35
— that's how much time it takes for light to travel —
32
139904
2336
c'est la vitesse de la lumière,
02:38
but I'm slowing down in this video by a factor of 10 billion
33
142240
4500
mais je ralentis la vidéo de 10 milliards de fois
02:42
so you can see the light in motion.
34
146740
3673
pour que vous puissiez voir la lumière en mouvement.
02:46
But, Coca-Cola did not sponsor this research. (Laughter)
35
150413
4621
Coca-Cola n'a pas sponsorisé cette recherche. (Rires)
02:50
Now, there's a lot going on in this movie,
36
155034
2047
Il se passe beaucoup de choses dans cette vidéo,
02:52
so let me break this down and show you what's going on.
37
157081
2362
je vais donc la décomposer et vous montrer ce qui se passe.
02:55
So, the pulse enters the bottle, our bullet,
38
159443
3240
L'impulsion rentre dans la bouteille, notre balle,
02:58
with a packet of photons that start traveling through
39
162683
2562
avec un paquet de photons qui commence à la traverser
03:01
and that start scattering inside.
40
165245
1837
et commence à se disperser à l'intérieur.
03:02
Some of the light leaks, goes on the table,
41
167082
2231
De la lumière s'échappe, va sur la table,
03:05
and you start seeing these ripples of waves.
42
169313
2787
et vous commencez à voir cette ondulation.
03:08
Many of the photons eventually reach the cap
43
172100
2881
Une grande partie des photons arrivent finalement au bouchon
03:10
and then they explode in various directions.
44
174981
2914
et ensuite ils explosent dans toutes les directions.
03:13
As you can see, there's a bubble of air,
45
177895
1912
Vous voyez, il y a une bulle d'air,
03:15
and it's bouncing around inside.
46
179807
1666
et elle rebondit à l'intérieur.
03:17
Meanwhile, the ripples are traveling on the table,
47
181473
2474
Pendant ce temps, l'ondulation se déplace sur la table,
03:19
and because of the reflections at the top,
48
183947
1869
et à cause du reflet en haut,
03:21
you see at the back of the bottle, after several frames,
49
185816
3634
vous voyez à l'arrière de la bouteille, après plusieurs images,
03:25
the reflections are focused.
50
189450
2902
les reflets se concentrent.
03:28
Now, if you take an ordinary bullet
51
192352
5894
Si vous prenez une balle ordinaire
03:34
and let it go the same distance and slow down the video
52
198246
3401
et vous lui faites parcourir la même distance et vous ralentissez la vidéo
03:37
again by a factor of 10 billion, do you know
53
201647
2549
à nouveau d'un facteur de 10 milliards, savez-vous
03:40
how long you'll have to sit here to watch that movie?
54
204196
5725
combien de temps il vous faudrait rester assis pour regarder la vidéo ?
03:45
A day, a week? Actually, a whole year.
55
209921
4388
Une journée, une semaine ? En fait, un an.
03:50
It'll be a very boring movie — (Laughter) —
56
214309
3914
Ce serait un film très ennuyeux, (Rires)
03:54
of a slow, ordinary bullet in motion.
57
218223
4052
d'une balle ordinaire qui se déplace lentement.
03:58
And what about some still-life photography?
58
222275
4603
Et si nous prenions une nature morte ?
04:08
You can watch the ripples again washing over the table,
59
232770
5352
A nouveau vous voyez les ondes inonder la table,
04:14
the tomato and the wall in the back.
60
238122
2913
la tomate et le mur à l'arrière.
04:16
It's like throwing a stone in a pond of water.
61
241035
4224
C’est un peu comme lancer un caillou dans un étang.
04:23
I thought, this is how nature paints a photo,
62
247197
3890
J’ai pensé : c’est ainsi que la nature représente une photo,
04:26
one femto frame at a time,
63
251087
2587
une image- femto à la fois,
04:29
but of course our eye sees an integral composite.
64
253674
5392
mais bien sûr, nos yeux voient une composition intégrale.
04:34
But if you look at this tomato one more time,
65
259066
3126
Mais si vous regardez encore une fois la tomate,
04:38
you will notice, as the light washes over the tomato,
66
262192
2516
vous remarquerez que pendant que la lumière inonde la tomate,
04:40
it continues to glow. It doesn't become dark.
67
264708
2891
elle continue de luire. Elle ne devient pas sombre.
04:43
Why is that? Because the tomato is actually ripe,
68
267599
3548
Pourquoi ? Parce que la tomate est mûre,
04:47
and the light is bouncing around inside the tomato,
69
271147
2101
et la lumière rebondit à l’intérieur de la tomate,
04:49
and it comes out after several trillionths of a second.
70
273248
4466
et en ressort plusieurs trillions de secondes plus tard.
04:53
So, in the future, when this femto-camera
71
277714
2633
A l’avenir, quand cet appareil photo femto
04:56
is in your camera phone,
72
280347
2092
sera dans votre portable,
04:58
you might be able to go to a supermarket
73
282439
1710
vous pourrez aller dans un supermarché
05:00
and check if the fruit is ripe without actually touching it.
74
284149
4040
et vérifier si les fruits sont murs sans les toucher.
05:04
So how did my team at MIT create this camera?
75
288189
5330
Comment mes collègues au MIT ont-ils créé cet appareil photo ?
05:09
Now, as photographers, you know,
76
293519
1967
En tant que photographes, vous savez,
05:11
if you take a short exposure photo, you get very little light,
77
295486
4061
si vous prenez une photo avec un temps de pose très court, vous capturez très peu de lumière,
05:15
but we're going to go a billion times faster
78
299547
2206
mais nous irons un milliard de fois plus vite
05:17
than your shortest exposure,
79
301753
1856
que l’exposition la plus courte que vous utilisez,
05:19
so you're going to get hardly any light.
80
303609
1800
nous capturerons à peine la lumière.
05:21
So, what we do is we send that bullet,
81
305409
1843
En fait, nous envoyons la balle,
05:23
those packet of photons, millions of times,
82
307252
2549
ces paquets de photos, des millions de fois,
05:25
and record again and again with very clever synchronization,
83
309801
3107
en enregistrant encore et encore avec une synchronisation très ingénieuse,
05:28
and from the gigabytes of data,
84
312908
2091
nous rassemblons informatiquement
05:30
we computationally weave together
85
314999
2116
ces giga-octets de données,
05:33
to create those femto-videos I showed you.
86
317115
3465
pour créer les vidéos-femto que je vous ai montrées.
05:36
And we can take all that raw data
87
320580
2540
Nous pouvons prendre toutes les données brutes
05:39
and treat it in very interesting ways.
88
323120
2895
et les traiter de façon intéressante.
05:41
So, Superman can fly.
89
326015
1841
Superman peut voler.
05:43
Some other heroes can become invisible,
90
327856
2462
D’autres héros peuvent devenir invisibles,
05:46
but what about a new power for a future superhero:
91
330318
5098
mais que diriez-vous d’un nouveau pouvoir pour un futur superhéro :
05:51
to see around corners?
92
335416
2498
voir dans les coins ?
05:53
The idea is that we could shine some light on the door.
93
337914
4673
L’idée est de projeter la lumière sur la porte.
05:58
It's going to bounce, go inside the room,
94
342587
2675
Elle rebondira, elle entrera dans la pièce,
06:01
some of that is going to reflect back on the door,
95
345262
2430
une partie sera réfléchie sur la porte,
06:03
and then back to the camera,
96
347692
1507
et à nouveau vers l’appareil photo,
06:05
and we could exploit these multiple bounces of light.
97
349199
3488
et nous pourrions exploiter ces multiples rebondissements de la lumière.
06:08
And it's not science fiction. We have actually built it.
98
352687
2397
Ce n’est pas de la science-fiction. Nous l’avons vraiment construit.
06:10
On the left, you see our femto-camera.
99
355084
2384
Sur la gauche, vous voyez notre appareil photo femto.
06:13
There's a mannequin hidden behind a wall,
100
357468
2379
Il y a un mannequin caché derrière le mur,
06:15
and we're going to bounce light off the door.
101
359847
2982
et nous allons faire rebondir la lumière sur la porte.
06:18
So after our paper was published
102
362829
1948
Apres la publication de notre article
06:20
in Nature Communications,
103
364777
1934
sur Nature Communications,
06:22
it was highlighted by Nature.com,
104
366711
1915
il a été repris par Nature.com,
06:24
and they created this animation.
105
368626
2563
et ils ont créé cette animation.
06:27
(Music)
106
371189
6402
(Musique)
06:33
We're going to fire those bullets of light,
107
377591
3461
Nous allons tirer ces balles de lumière,
06:36
and they're going to hit this wall,
108
381052
3263
qui vont heurter ce mur,
06:40
and because the packet of the photons,
109
384315
2655
et parce que le paquet de photons,
06:42
they will scatter in all the directions,
110
386970
2297
se dispersera dans toutes les directions,
06:45
and some of them will reach our hidden mannequin,
111
389267
2248
et certains atteindront le mannequin caché,
06:47
which in turn will again scatter that light,
112
391515
2879
qui à son tour dispersera la lumière,
06:50
and again in turn the door will reflect
113
394394
3686
et à nouveau la porte renverra
06:53
some of that scattered light,
114
398080
2072
une partie de cette lumière dispersée,
06:56
and a tiny fraction of the photons will actually
115
400152
2744
et une minuscule fraction de photons
06:58
come back to the camera, but most interestingly,
116
402896
2284
reviendra vers l’appareil photo, mais plus intéressant encore,
07:01
they will all arrive at a slightly different time slot.
117
405180
3746
ils arriveront tous à différents intervalles de temps.
07:04
(Music)
118
408926
4577
(Musique)
07:09
And because we have a camera that can run so fast,
119
413503
2817
Et puisque nous avons un appareil photo aussi rapide,
07:12
our femto-camera, it has some unique abilities.
120
416320
3106
notre appareil photo femto a des capacités uniques.
07:15
It has very good time resolution,
121
419426
2906
Il a une très bonne résolution,
07:18
and it can look at the world at the speed of light.
122
422332
3518
et il peut voir le monde à la vitesse de la lumière.
07:21
And this way, we know the distances, of course to the door,
123
425850
3545
De cette manière, nous connaissons les distances, jusqu'à la porte,
07:25
but also to the hidden objects,
124
429395
1894
mais aussi jusqu'aux objets cachés,
07:27
but we don't know which point corresponds
125
431289
1595
mais nous ne savons pas quel point correspond
07:28
to which distance.
126
432884
2322
à quelle distance.
07:31
(Music)
127
435206
3240
(Musique)
07:34
By shining one laser, we can record one raw photo, which,
128
438446
3944
En projetant un laser nous pouvons enregistrer une photo brute qui,
07:38
you look on the screen, doesn't really make any sense,
129
442390
2450
vue à l’écran, n’a aucun sens,
07:40
but then we will take a lot of such pictures,
130
444840
1880
mais ensuite nous prenons beaucoup de photos comme celle-ci,
07:42
dozens of such pictures, put them together,
131
446720
2419
des dizaines de photos de ce genre, nous les assemblons,
07:45
and try to analyze the multiple bounces of light,
132
449139
2678
et nous essayons d’analyser les multiples rebondissements de la lumière,
07:47
and from that, can we see the hidden object?
133
451817
3416
et de là, pouvons-nous voir les objets cachés ?
07:51
Can we see it in full 3D?
134
455233
2919
Pouvons-nous le voir entièrement en 3D ?
07:54
So this is our reconstruction. (Music)
135
458152
2636
Voilà donc notre reconstruction. (Musique)
07:56
(Music)
136
460788
3458
(Musique)
08:00
(Music) (Applause)
137
464246
8308
(Musique) (Applaudissements)
08:08
Now we have some ways to go before we take this
138
472554
2611
Il nous faudra encore du temps avant
08:11
outside the lab on the road, but in the future,
139
475165
3197
de sortir tout ceci du labo, mais à l’avenir,
08:14
we could create cars that avoid collisions
140
478362
2834
nous pourrons créer des voitures qui évitent les accrochages
08:17
with what's around the bend,
141
481196
2216
avec ce qui est derrière un virage,
08:19
or we can look for survivors in hazardous conditions
142
483412
3914
ou nous pourrons chercher des survivants dans des conditions dangereuses
08:23
by looking at light reflected through open windows,
143
487326
4278
en regardant la lumière renvoyée à travers des fenêtres ouvertes,
08:27
or we can build endoscopes that can see
144
491604
2625
ou nous pouvons construire des endoscopes qui voient
08:30
deep inside the body around occluders,
145
494229
3270
à l’intérieur de notre corps autour des occlusions,
08:33
and also for cardioscopes.
146
497499
1876
et aussi pour les cardioscopes.
08:35
But of course, because of tissue and blood,
147
499375
2501
Mais bien sûr, à cause des tissus et du sang,
08:37
this is quite challenging, so this is really a call
148
501876
2187
c’est assez difficile, donc c’est vraiment un appel
08:39
for scientists to start thinking about femto-photography
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aux chercheurs pour qu’ils commencent à penser à la femto-photographie
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as really a new imaging modality to solve
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en tant que nouvelle solution d’imagerie pour résoudre
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the next generation of health imaging problems.
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les problèmes d’imagerie médicale de la prochaine génération.
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Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,
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Comme pour Doc Edgerton, lui-même scientifique,
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science became art, an art of ultra-fast photography,
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la science est devenu un art de la photographie ultra-rapide,
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and I realized that all the gigabytes of data
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et je me suis rendu compte que tous les giga-octets de données
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that we're collecting every time
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que nous recueillons à chaque fois
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is not just for scientific imaging, but we can also do
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ne sont pas uniquement pour l’imagerie scientifique, nous pouvons faire aussi
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a new form of computational photography
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une nouvelle forme de photographie informatique
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with time-lapse and color-coding,
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avec intervalles de temps et code couleur,
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and we look at those ripples. Remember,
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et nous regardons ces ondulations. Rappelez-vous,
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the time between each of those ripples is only
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le temps qui passe entre chaque ondulation est seulement
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a few trillionths of a second.
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de quelques milliardièmes de seconde.
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But there's also something funny going on here.
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Mais il y a aussi une chose amusante.
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When you look at the ripples under the cap,
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Quand vous regardez ces ondulations sous le bouchon,
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the ripples are moving away from us.
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les ondulations s’éloignent de nous.
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The ripples should be moving towards us.
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Les ondulations devraient se rapprocher de nous.
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What's going on here?
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Qu’est-ce qui se passe ?
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It turns out, because we're recording
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Il s’avère que, vu que nous sommes en train d’enregistrer
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nearly at the speed of light,
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quasiment à la vitesse de la lumière,
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we have strange effects,
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nous avons des effets bizarres,
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and Einstein would have loved to see this picture.
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et Einstein aurait adoré voir cette photo.
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The order at which events take place in the world
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L’ordre dans lequel les choses se passent dans le monde
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appear in the camera with sometimes reversed order,
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apparaissent parfois dans l’appareil photo dans l’ordre inverse,
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so by applying the corresponding space and time warp,
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aussi en appliquant les décalages temporels et spatiaux correspondants
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we can correct for this distortion.
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nous pouvons corriger cette distorsion.
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So whether it's for photography around corners,
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Que ce soit pour photographier dans des coins,
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or creating the next generation of health imaging,
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ou pour créer la prochaine génération d’imagerie médicale,
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or creating new visualizations,
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ou pour créer de nouvelles visualisations,
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since our invention, we have open-sourced
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puisque notre invention est open-source,
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all the data and details on our website, and our hope
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toutes les données et les détails sont sur notre site, nous souhaitons
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is that the DIY, the creative and the research community
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que la communauté des bricoleurs, la communauté des créatifs et des chercheurs
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will show us that we should stop obsessing about
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nous montre qu’il faut qu’on arrête d’être obsédé
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the megapixels in cameras — (Laughter) —
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par les mégapixels des appareils photo, (Rires),
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and start focusing on the next dimension in imaging.
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et qu'on commence à se concentrer sur la prochaine dimension d’imagerie.
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It's about time. Thank you. (Applause)
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Il est grand temps. Merci. (Applaudissements)
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(Applaudissements)
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