TEDGlobal 2012
Ramesh Raskar: Imaging at a trillion frames per second
Ramesh Raskar: Imaging a un trilione di fotogrammi al secondo
Filmed:
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Ramesh Raskar presenta la femtofotografia, un nuovo tipo di imaging così veloce da mostrare il mondo a un trilione di fotogrammi al secondo, così dettagliato da mostrare la luce stessa in movimento. Questa tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata per creare fotocamere che possono vedere dietro agli angoli oppure vedere dentro a un corpo senza raggi 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 ci ha sorpreso e incuriosito
00:22
with this photo of a bullet piercing through an apple,
1
6880
5262
con questa foto di un proiettile che trapassa una mela,
00:28
and exposure just a millionth of a second.
2
12142
4878
e un’esposizione di solo un milionesimo di secondo.
00:32
But now, 50 years later, we can go a million times faster
3
17020
7307
Oggi, 50 anni dopo, possiamo essere un milione di volte più veloci
00:40
and see the world not at a million,
4
24327
3596
e vedere il mondo non a un milione,
00:43
or a billion,
5
27923
1810
o a un miliardo,
00:45
but one trillion frames per second.
6
29733
3435
ma a un trilione di fotogrammi al secondo.
00:49
I present you a new type of photography,
7
33168
4385
Vi presento un nuovo tipo di fotografia,
00:53
femto-photography,
8
37553
2059
la femtofotografia,
00:55
a new imaging technique so fast
9
39612
4600
una nuova tecnica di imaging così veloce
01:00
that it can create slow motion videos of light in motion.
10
44212
5201
che può creare video al rallentatore della luce in movimento.
01:05
And with that, we can create cameras
11
49413
2738
Con tale tecnica possiamo creare macchine fotografiche
01:08
that can look around corners,
12
52151
2145
che vedono negli angoli,
01:10
beyond line of sight
13
54296
1997
oltre la linea dello sguardo,
01:12
or see inside our body without an X-ray,
14
56293
4393
oppure vedere all’interno del nostro corpo senza raggi X,
01:16
and really challenge what we mean by a camera.
15
60686
5401
e sfidare lo stesso concetto di macchina fotografica.
01:21
Now if I take a laser pointer and turn it on and off
16
66087
3511
Se prendo un puntatore laser e lo accendo e spengo
01:25
in one trillionth of a second --
17
69598
2827
in un trilione di secondo --
01:28
which is several femtoseconds --
18
72425
2812
pari a vari femtosecondi --
01:31
I'll create a packet of photons
19
75237
2280
creerò un pacchetto di fotoni
01:33
barely a millimeter wide,
20
77517
2350
ampi quasi un millimetro,
01:35
and that packet of photons, that bullet,
21
79867
2926
e quel pacchetto di fotoni, quel proiettile,
01:38
will travel at the speed of light,
22
82793
1950
viaggeranno alla velocità della luce,
01:40
and, again, a million times faster than an ordinary bullet.
23
84743
4508
un milione di volte più veloce di un comune proiettile.
01:45
Now, if you take that bullet and take this packet of photons
24
89251
4906
Ora, se prendete quel proiettile e questo pacchetto di fotoni
01:50
and fire into this bottle,
25
94157
3173
e lo sparate in questa bottiglia,
01:53
how will those photons shatter into this bottle?
26
97330
4534
come si frantumano quei fotoni in questa bottiglia?
01:57
How does light look in slow motion?
27
101864
4224
Che aspetto ha la luce al rallentatore?
02:21
Now, the whole event -- (Applause)
28
126041
3658
L’intero evento -- (Applausi)
02:25
(Applause)
29
129699
4219
(Applausi)
02:29
Now, remember, the whole event
30
133918
2603
Ricordatevi che l’intero evento
02:32
is effectively taking place in less than a nanosecond
31
136521
3383
sta veramente avvenendo in meno di un nanosecondo
02:35
— that's how much time it takes for light to travel —
32
139904
2336
— è il tempo impiegato dalla luce per viaggiare —
02:38
but I'm slowing down in this video by a factor of 10 billion
33
142240
4500
e in questo video lo vedete rallentato di un fattore pari a 10 miliardi
02:42
so you can see the light in motion.
34
146740
3673
per poter vedere la luce in movimento.
02:46
But, Coca-Cola did not sponsor this research. (Laughter)
35
150413
4621
Coca-Cola non ha sponsorizzato questa ricerca. (Risate)
02:50
Now, there's a lot going on in this movie,
36
155034
2047
In questo filmato succedono molte cose,
02:52
so let me break this down and show you what's going on.
37
157081
2362
e ora ve le mostrerò.
02:55
So, the pulse enters the bottle, our bullet,
38
159443
3240
L’impulso entra nella bottiglia, il nostro proiettile,
02:58
with a packet of photons that start traveling through
39
162683
2562
con un pacchetto di fotoni che inizia ad attraversarla
03:01
and that start scattering inside.
40
165245
1837
e inizia a diffondersi all’interno.
03:02
Some of the light leaks, goes on the table,
41
167082
2231
Un po’ di luce si spande sul tavolo,
03:05
and you start seeing these ripples of waves.
42
169313
2787
e si iniziano a vedere questi guizzi di onde.
03:08
Many of the photons eventually reach the cap
43
172100
2881
Molti fotoni alla fine raggiungono il tappo
03:10
and then they explode in various directions.
44
174981
2914
per poi esplodere in varie direzioni.
03:13
As you can see, there's a bubble of air,
45
177895
1912
Come vedete, c’è una bolla d’aria,
03:15
and it's bouncing around inside.
46
179807
1666
e sobbalza qua e là all’interno.
03:17
Meanwhile, the ripples are traveling on the table,
47
181473
2474
Nel frattempo, i guizzi passano per il tavolo,
03:19
and because of the reflections at the top,
48
183947
1869
e per via dei riflessi in alto,
03:21
you see at the back of the bottle, after several frames,
49
185816
3634
sul retro della bottiglia, dopo vari fotogrammi,
03:25
the reflections are focused.
50
189450
2902
vedete i riflessi a fuoco.
03:28
Now, if you take an ordinary bullet
51
192352
5894
Se prendete un comune proiettile,
03:34
and let it go the same distance and slow down the video
52
198246
3401
lo lasciate percorrere la stessa distanza e poi rallentate il video
03:37
again by a factor of 10 billion, do you know
53
201647
2549
di nuovo di un fattore di 10 miliardi,
03:40
how long you'll have to sit here to watch that movie?
54
204196
5725
sapete quanto tempo impiegate a vedere il filmato?
03:45
A day, a week? Actually, a whole year.
55
209921
4388
Un giorno? Una settimana? No, un anno intero.
03:50
It'll be a very boring movie — (Laughter) —
56
214309
3914
Sarebbe un film molto noioso — (Risate) —
03:54
of a slow, ordinary bullet in motion.
57
218223
4052
di un lento, comune proiettile in movimento.
03:58
And what about some still-life photography?
58
222275
4603
E la fotografia di nature morte?
04:08
You can watch the ripples again washing over the table,
59
232770
5352
Potete vedere di nuovo i guizzi che passano sul tavolo,
04:14
the tomato and the wall in the back.
60
238122
2913
il pomodoro e la parete sullo sfondo.
04:16
It's like throwing a stone in a pond of water.
61
241035
4224
È come gettare un sasso nell’acqua.
04:23
I thought, this is how nature paints a photo,
62
247197
3890
Questo è il modo in cui la natura fa foto,
04:26
one femto frame at a time,
63
251087
2587
un fotogramma femto alla volta,
04:29
but of course our eye sees an integral composite.
64
253674
5392
ma naturalmente il nostro occhio vede un’immagine composita integrale.
04:34
But if you look at this tomato one more time,
65
259066
3126
Se guardate ancora una volta questo pomodoro,
04:38
you will notice, as the light washes over the tomato,
66
262192
2516
noterete, mentre la luce lo inonda,
04:40
it continues to glow. It doesn't become dark.
67
264708
2891
che continua a brillare. Non si oscura.
04:43
Why is that? Because the tomato is actually ripe,
68
267599
3548
Perché succede? Perché il pomodoro è maturo,
04:47
and the light is bouncing around inside the tomato,
69
271147
2101
e la luce rimbalza al suo interno,
04:49
and it comes out after several trillionths of a second.
70
273248
4466
e ne esce dopo qualche trilionesimo di secondo.
04:53
So, in the future, when this femto-camera
71
277714
2633
In futuro, quando la tecnologia femto
04:56
is in your camera phone,
72
280347
2092
sarà incorporata nella fotocamera del vostro cellulare,
04:58
you might be able to go to a supermarket
73
282439
1710
sarete in grado, al supermercato,
05:00
and check if the fruit is ripe without actually touching it.
74
284149
4040
di verificare se il frutto è maturo senza toccarlo.
05:04
So how did my team at MIT create this camera?
75
288189
5330
Come è riuscito il mio team al MIT a creare questa fotocamera?
05:09
Now, as photographers, you know,
76
293519
1967
Voi fotografi sapete
05:11
if you take a short exposure photo, you get very little light,
77
295486
4061
che con un’esposizione breve avete poca luce,
05:15
but we're going to go a billion times faster
78
299547
2206
ma noi andremo un miliardo di volte più veloci
05:17
than your shortest exposure,
79
301753
1856
della vostra più breve esposizione,
05:19
so you're going to get hardly any light.
80
303609
1800
e quindi non ci sarà quasi luce.
05:21
So, what we do is we send that bullet,
81
305409
1843
Quello che facciamo è inviare quel proiettile,
05:23
those packet of photons, millions of times,
82
307252
2549
quel pacchetto di fotoni, milioni di volte,
05:25
and record again and again with very clever synchronization,
83
309801
3107
e registrarlo ogni volta con una sincronizzazione molto intelligente,
05:28
and from the gigabytes of data,
84
312908
2091
e dai gigabyte di dati
05:30
we computationally weave together
85
314999
2116
che intrecciamo insieme, al computer,
05:33
to create those femto-videos I showed you.
86
317115
3465
creiamo i video femto che vi ho mostrato.
05:36
And we can take all that raw data
87
320580
2540
Possiamo prendere tutti i dati non elaborati
05:39
and treat it in very interesting ways.
88
323120
2895
e trattarli con modalità interessanti.
05:41
So, Superman can fly.
89
326015
1841
Così Superman può volare.
05:43
Some other heroes can become invisible,
90
327856
2462
E altri eroi possono diventare invisibili;
05:46
but what about a new power for a future superhero:
91
330318
5098
e che ne dite di un nuovo potere per un supereroe del futuro:
05:51
to see around corners?
92
335416
2498
vedere dietro gli angoli.
05:53
The idea is that we could shine some light on the door.
93
337914
4673
L’idea è che sia possibile far brillare un po’ di luce sulla porta.
05:58
It's going to bounce, go inside the room,
94
342587
2675
Rimbalzerà, andrà dentro alla stanza,
06:01
some of that is going to reflect back on the door,
95
345262
2430
un po’ si rifletterà sulla porta,
06:03
and then back to the camera,
96
347692
1507
e poi di nuovo nella fotocamera.
06:05
and we could exploit these multiple bounces of light.
97
349199
3488
Sfrutteremo questi diversi rimbalzi della luce.
06:08
And it's not science fiction. We have actually built it.
98
352687
2397
Non è fantascienza. L’abbiamo costruita veramente.
06:10
On the left, you see our femto-camera.
99
355084
2384
A sinistra c’è la nostra fotocamera femto.
06:13
There's a mannequin hidden behind a wall,
100
357468
2379
C’è un manichino nascosto dietro a quella parete,
06:15
and we're going to bounce light off the door.
101
359847
2982
e faremo rimbalzare della luce sulla porta.
06:18
So after our paper was published
102
362829
1948
Dopo essere stato pubblicato
06:20
in Nature Communications,
103
364777
1934
su Nature Communications,
06:22
it was highlighted by Nature.com,
104
366711
1915
il nostro lavoro è stato messo in risalto anche da Nature.com,
06:24
and they created this animation.
105
368626
2563
dove hanno creato questa animazione.
06:27
(Music)
106
371189
6402
(Musica)
06:33
We're going to fire those bullets of light,
107
377591
3461
Spareremo quei proiettili di luce,
06:36
and they're going to hit this wall,
108
381052
3263
che andranno a sbattere contro la parete,
06:40
and because the packet of the photons,
109
384315
2655
e per via del pacchetto di fotoni,
06:42
they will scatter in all the directions,
110
386970
2297
si disperderanno in tutte le direzioni.
06:45
and some of them will reach our hidden mannequin,
111
389267
2248
Alcuni arriveranno fino al nostro manichino nascosto,
06:47
which in turn will again scatter that light,
112
391515
2879
che a sua volta disseminerà quella luce,
06:50
and again in turn the door will reflect
113
394394
3686
e di nuovo la porta rifletterà
06:53
some of that scattered light,
114
398080
2072
un po’ di quella luce disseminata;
06:56
and a tiny fraction of the photons will actually
115
400152
2744
una minuscola frazione di fotoni
06:58
come back to the camera, but most interestingly,
116
402896
2284
tornerà alla fotocamera, ma la cosa più interessante,
07:01
they will all arrive at a slightly different time slot.
117
405180
3746
è che arriveranno tutti in slot di tempo leggermente diversi.
07:04
(Music)
118
408926
4577
(Musica)
07:09
And because we have a camera that can run so fast,
119
413503
2817
Proprio perché abbiamo una fotocamera così veloce,
07:12
our femto-camera, it has some unique abilities.
120
416320
3106
la nostra fotocamera femto ha capacità uniche.
07:15
It has very good time resolution,
121
419426
2906
Ha una risoluzione temporale molto buona,
07:18
and it can look at the world at the speed of light.
122
422332
3518
e può catturare il mondo alla velocità della luce.
07:21
And this way, we know the distances, of course to the door,
123
425850
3545
Così scopriamo la distanza dalla porta, naturalmente,
07:25
but also to the hidden objects,
124
429395
1894
ma anche dagli oggetti nascosti,
07:27
but we don't know which point corresponds
125
431289
1595
ma non sappiamo a quale punto corrisponde
07:28
to which distance.
126
432884
2322
quale distanza.
07:31
(Music)
127
435206
3240
(Musica)
07:34
By shining one laser, we can record one raw photo, which,
128
438446
3944
Illuminando un laser, possiamo registrare una foto non elaborata,
07:38
you look on the screen, doesn't really make any sense,
129
442390
2450
e se la vedete su uno schermo non ha molto senso.
07:40
but then we will take a lot of such pictures,
130
444840
1880
Poi però scatteremo molte foto come questa,
07:42
dozens of such pictures, put them together,
131
446720
2419
decine di foto simili, le metteremo insieme,
07:45
and try to analyze the multiple bounces of light,
132
449139
2678
e cercheremo di analizzare i diversi rimbalzi della luce;
07:47
and from that, can we see the hidden object?
133
451817
3416
e da lì, riusciremo a vedere l’oggetto nascosto?
07:51
Can we see it in full 3D?
134
455233
2919
Potremmo vederlo tutto in 3D?
07:54
So this is our reconstruction. (Music)
135
458152
2636
Ecco la nostra ricostruzione. (Musica)
07:56
(Music)
136
460788
3458
(Musica)
08:00
(Music) (Applause)
137
464246
8308
(Musica) (Applausi)
08:08
Now we have some ways to go before we take this
138
472554
2611
Abbiamo ancora molto da fare
08:11
outside the lab on the road, but in the future,
139
475165
3197
prima di poter uscire dal laboratorio ma, in futuro,
08:14
we could create cars that avoid collisions
140
478362
2834
potremo creare macchine che evitano collusioni
08:17
with what's around the bend,
141
481196
2216
con qualunque cosa stia dietro l’angolo;
08:19
or we can look for survivors in hazardous conditions
142
483412
3914
o potremo cercare sopravvissuti in situazioni di pericolo
08:23
by looking at light reflected through open windows,
143
487326
4278
guardando la luce riflessa attraverso le finestre aperte;
08:27
or we can build endoscopes that can see
144
491604
2625
oppure potremo costruire endoscopi
08:30
deep inside the body around occluders,
145
494229
3270
in grado di vedere dentro al corpo, dietro alle occlusioni,
08:33
and also for cardioscopes.
146
497499
1876
e anche cardioscopi.
08:35
But of course, because of tissue and blood,
147
499375
2501
Ma, naturalmente, a causa dei tessuti e del sangue,
08:37
this is quite challenging, so this is really a call
148
501876
2187
sarà una vera e propria sfida; quindi invito gli scienziati
08:39
for scientists to start thinking about femto-photography
149
504063
2853
a iniziare a pensare alla femtofotografia
08:42
as really a new imaging modality to solve
150
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come a una nuova modalità di imaging per la risoluzione dei problemi
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the next generation of health imaging problems.
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della prossima generazione di imaging medicale.
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Now, like Doc Edgerton, a scientist himself,
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Così come Doc Edgerton, anch’egli scienziato,
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science became art, an art of ultra-fast photography,
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trasformò la scienza in arte, un’arte fotografica ultra veloce,
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and I realized that all the gigabytes of data
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mi rendo conto che tutti i gigabyte di dati
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that we're collecting every time
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2004
che di volta in volta raccogliamo
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is not just for scientific imaging, but we can also do
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non servono solo per l’imaging scientifico,
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a new form of computational photography
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ma anche per una nuova forma di fotografia computazionale
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with time-lapse and color-coding,
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con time lapse e codifica di colori.
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and we look at those ripples. Remember,
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Osserviamo quei guizzi.
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the time between each of those ripples is only
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Ricordatevi che il tempo tra ognuno di quei guizzi
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a few trillionths of a second.
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è di solo qualche trilionesimo di secondo.
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But there's also something funny going on here.
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E c’è pure un risvolto divertente.
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When you look at the ripples under the cap,
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Se si guardano i guizzi sotto al tappo,
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the ripples are moving away from us.
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essi si allontanano da noi;
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The ripples should be moving towards us.
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invece dovrebbero spostarsi verso di noi.
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What's going on here?
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Che cosa succede?
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It turns out, because we're recording
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Poiché stiamo registrando
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nearly at the speed of light,
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quasi alla velocità della luce,
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we have strange effects,
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si hanno strani effetti,
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and Einstein would have loved to see this picture.
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e, a Einstein, questa foto, sarebbe piaciuta molto.
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The order at which events take place in the world
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L’ordine in cui hanno luogo gli eventi nel mondo,
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appear in the camera with sometimes reversed order,
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nella fotocamera, a volte appare invertito,
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so by applying the corresponding space and time warp,
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e se applichiamo la deformazione di tempo e spazio corrispondente,
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we can correct for this distortion.
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possiamo correggere tale distorsione.
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So whether it's for photography around corners,
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Quindi che si tratti di fotografia dietro agli angoli,
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or creating the next generation of health imaging,
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o della creazione della prossima generazione di imaging medicale,
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or creating new visualizations,
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o di nuove visualizzazioni,
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since our invention, we have open-sourced
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dopo la nostra invenzione, sono diventati open source
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all the data and details on our website, and our hope
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tutti i dati e i tutti i dettagli nel nostro sito web,
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is that the DIY, the creative and the research community
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e ci auguriamo che DIY, la comunità di ricerca e creatività,
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will show us that we should stop obsessing about
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ci dica che dovremmo smettere con l’ossessione
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the megapixels in cameras — (Laughter) —
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per i megapixel nelle fotocamere — (Risate) —
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and start focusing on the next dimension in imaging.
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e iniziare con la prossima dimensione in imaging.
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It's about time. Thank you. (Applause)
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È venuto il momento. Grazie. (Applausi)
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(Applause)
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(Applausi)
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