Doc Edgerton hat uns mit Ehrfurcht und Neugier erfüllt, mit diesem Foto auf dem ein Projektil einen Apfel durchbohrt und mit einer Belichtungszeit von nur einer millionstel Sekunde. Aber jetzt, 50 Jahre später, sind wir eine Million Mal schneller und sehen die Welt nicht mit einer Million oder einer Milliarde, sondern einer Billion Bildern pro Sekunde.
Doc Edgerton inspired us with awe and curiosity with this photo of a bullet piercing through an apple, and exposure just a millionth of a second. But now, 50 years later, we can go a million times faster and see the world not at a million or a billion, but one trillion frames per second.
Ich stelle Ihnen eine neue Art der Fotografie vor, die Femto-Fotografie, eine neue Abbildungstechnik, die so schnell ist, dass sie Zeitlupenaufnahmen von Licht in Bewegung erstellen kann. Und damit können wir Kameras bauen, die abseits unseres Sichtbereichs um Ecken schauen oder ohne ein Röntgenbild in unseren Körper hineinsehen können und wirklich in Frage stellen, was wir mit "Kamera" meinen.
I present to you a new type of photography, femto-photography, a new imaging technique so fast that it can create slow motion videos of light in motion. And with that, we can create cameras that can look around corners, beyond line of sight, or see inside our body without an x-ray, and really challenge what we mean by a camera.
Wenn ich jetzt einen Laserpointer nehme und ihn in einer billionstel Sekunde an- und ausschalte – das sind mehrere Femtosekunden –, erschaffe ich ein Paket von Photonen, das kaum einen Millimeter breit ist und dieses Photonen-Paket, dieses Projektil, wird sich in Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, und – wie gesagt – eine Million Mal schneller als ein normales Projektil. Also, wenn Sie dieses Projektil, dieses Photonen-Paket nehmen und es in diese Flasche hinein schießen, wie werden diese Photonen in der Flasche brechen? Wie sieht Licht in Zeitlupe aus?
Now if I take a laser pointer and turn it on and off in one trillionth of a second -- which is several femtoseconds -- I'll create a packet of photons barely a millimeter wide. And that packet of photons, that bullet, will travel at the speed of light, and again, a million times faster than an ordinary bullet. Now, if you take that bullet and take this packet of photons and fire into this bottle, how will those photons shatter into this bottle? How does light look in slow motion?
[Light in Slow Motion ... 10 Billion x Slow]
Also, dieses ganze Ereignis – (Applaus) (Applaus)
Now, the whole event -- (Applause)
Also, denken Sie daran, das ganze Ereignis dauert tatsächlich weniger als eine Nanosekunde – so lang braucht das Licht, um diese Strecke zurückzulegen –, aber ich verlangsame dieses Video um den Faktor 10 Milliarden, damit Sie das Licht in Bewegung sehen können.
Now remember, the whole event is effectively taking place in less than a nanosecond -- that's how much time it takes for light to travel. But I'm slowing down in this video by a factor of 10 billion, so you can see the light in motion.
Nein, Coca-Cola hat diese Forschung nicht finanziert. (Gelächter)
(Laughter)
But Coca-Cola did not sponsor this research.
(Laughter)
Also, in diesem Film passiert sehr viel, also lassen Sie mich das analysieren und Ihnen zeigen was passiert. Der Puls, unser Projektil, tritt in die Flasche mit einem Photonenpaket ein, das beginnt, sich hindurch zu bewegen und das schließlich innen bricht. Ein Teil des Lichts dringt nach außen auf den Tisch und Sie sehen diese Ausbreitung der Wellen. Viele der Photonen erreichen letztendlich den Verschluss der Flasche und explodieren in verschiedene Richtungen. Wie Sie sehen können, ist dort eine Luftblase, die in der Flasche herumspringt. Währenddessen breiten sich die Wellen auf dem Tisch aus und wegen der Reflexionen von oben sehen Sie, dass die Reflexionen am Ende der Flasche nach einigen Bildern fokussiert sind.
Now, there's a lot going on in this movie, so let me break this down and show you what's going on. So the pulse enters the bottle, our bullet, with a packet of photons that start traveling through and that start scattering inside. Some of the light leaks, goes on the table, and you start seeing these ripples of waves. Many of the photons eventually reach the cap and then they explode in various directions. As you can see, there's a bubble of air and it's bouncing around inside. Meanwhile, the ripples are traveling on the table, and because of the reflections at the top, you see at the back of the bottle, after several frames, the reflections are focused.
Wenn Sie jetzt ein übliches Projektil nehmen und es dieselbe Strecke zurücklegen lassen und das Video wieder um den Faktor 10 Milliarden verlangsamen, wissen Sie, wie lange Sie dann hier sitzen müssen, um den Film zu sehen?
Now, if you take an ordinary bullet and let it go the same distance and slow down the video -- again, by a factor of 10 billion -- do you know how long you'll have to sit here to watch that movie?
Einen Tag, eine Woche? Nein, ein ganzes Jahr. Das wäre ein sehr langweiliger Film – (Gelächter) –
(Laughter) A day, a week? Actually, a whole year. It'll be a very boring movie --
von einem langsamen, normalen Projektil in Bewegung.
(Laughter) of a slow, ordinary bullet in motion.
Und wie sieht es mit etwas Stillleben-Fotografie aus?
And what about some still-life photography?
Sie können wieder sehen, wie diese Wellen den Tisch, die Tomate und die Wand im Hintergrund überspülen. Es ist, als wenn man einen Stein in einen Teich wirft.
You can watch the ripples, again, washing over the table, the tomato and the wall in the back. It's like throwing a stone in a pond of water.
Mir erschien es so, als würde die Natur so ein Foto malen, jeweils ein Femto-Bild, aber natürlich sieht unser Auge ein zusammengesetztes Einzelbild. Aber wenn Sie sich diese Tomate noch einmal ansehen, dann werden Sie erkennen, dass, wenn das Licht die Tomate überspült, diese weiter erleuchtet bleibt. Sie wird nicht dunkel. Warum ist das so? Weil die Tomate reif ist und das Licht in ihr umher springt und nach einigen billionstel Sekunden wieder herauskommt. Also, in Zukunft, wenn diese Femto-Kamera in Ihrem Kamerahandy eingebaut ist, könnte es möglich sein, dass Sie in einen Supermarkt gehen und feststellen können, ob eine Frucht reif ist, ohne sie überhaupt zu berühren.
I thought: this is how nature paints a photo, one femto frame at a time, but of course our eye sees an integral composite. But if you look at this tomato one more time, you will notice, as the light washes over the tomato, it continues to glow. It doesn't become dark. Why is that? Because the tomato is actually ripe, and the light is bouncing around inside the tomato, and it comes out after several trillionths of a second. So in the future, when this femto-camera is in your camera phone, you might be able to go to a supermarket and check if the fruit is ripe without actually touching it. (Laughter)
Wie also hat mein Team am MIT diese Kamera gebaut? Also, als Fotografen wissen Sie, wenn Sie ein Foto mit kurzer Belichtungszeit machen, haben Sie sehr wenig Licht, aber wir belichten eine Milliarde Mal schneller als Ihre kürzeste Belichtungszeit, also bekommen Sie so gut wie gar kein Licht. Also wir machen Folgendes: Wir schicken dieses Projektil, dieses Photonen-Paket, millionfach und zeichnen das wieder und wieder mit sehr cleverer Synchronisation auf und diese Gigabytes von Daten kombinieren wir rechnerisch, um diese Femto-Videos zu erstellen, die ich Ihnen gezeigt habe.
So how did my team at MIT create this camera? Now, as photographers, you know, if you take a short exposure photo, you get very little light. But we're going to go a billion times faster than your shortest exposure, so you're going to get hardly any light. So what we do is we send that bullet -- that packet of photons -- millions of times, and record again and again with very clever synchronization, and from the gigabytes of data, we computationally weave together to create those femto-videos I showed you.
Und wir können all diese Rohdaten nehmen und damit sehr interessante Dinge machen. Also, Superman kann fliegen. Andere Helden können sich unsichtbar machen, aber wie wäre es mit einer neuen Superkraft für einen künftigen Superhelden: um Ecken sehen können? Die Idee ist, dass wir etwas Licht auf die Tür strahlen. Es wird abprallen, in den Raum gehen, ein Teil davon wird wieder zurück auf die Tür reflektiert und schließlich zurück zur Kamera und wir könnten diese mehrfachen Abpraller des Lichtes ausnutzen.
And we can take all that raw data and treat it in very interesting ways. So, Superman can fly. Some other heroes can become invisible. But what about a new power for a future superhero: To see around corners. The idea is that we could shine some light on the door, it's going to bounce, go inside the room, some of that is going to reflect back on the door, and then back to the camera. And we could exploit these multiple bounces of light.
Und das ist keine Science-Fiction. Wir haben es sogar schon gebaut. Links sehen Sie unsere Femto-Kamera. Hinter der Wand ist eine Puppe versteckt und wir werden das Licht an der Tür abprallen lassen.
And it's not science fiction. We have actually built it. On the left, you see our femto-camera. There's a mannequin hidden behind a wall, and we're going to bounce light off the door.
Nachdem unsere Abhandlung in der "Nature Communications" veröffentlicht worden war, wurde es von Nature.com hervorgehoben und sie haben diese Animation erstellt.
So after our paper was published in Nature Communications, it was highlighted by Nature.com, and they created this animation. (Music)
(Musik)
[A laser pulse is fired]
Wir werden diese Licht-Projektile abfeuern
(Music)
und sie werden auf diese Wand trefffen und dieses Photonen-Paket wird in alle Richtungen gestreut und einige der Photonen werden unsere versteckte Puppe erreichen, die wiederum das Licht brechen lassen wird, und dann wird wiederum die Tür einen Teil des gebrochenen Lichts reflektieren und ein winziger Anteil der Photonen wird dann wieder zurück zur Kamera kommen, aber am interessantesten ist, sie werden alle zu einem leicht unterschiedlichen Zeitpunkt ankommen. (Musik)
Ramesh Raskar: We're going to fire those bullets of light, and they're going to hit this wall, and because of the packet of the photons, they will scatter in all the directions, and some of them will reach our hidden mannequin, which in turn will again scatter that light, and again in turn, the door will reflect some of that scattered light. And a tiny fraction of the photons will actually come back to the camera, but most interestingly, they will all arrive at a slightly different time slot. (Music)
Und weil wir eine Kamera haben, die so schnell ist – unsere Femto-Kamera hat einige einzigartige Fähigkeiten. Sie hat eine sehr gute Zeitauflösung und sie kann die Welt in Lichtgeschwindigkeit ansehen. Und dadurch wissen wir natürlich die Entfernung zur Tür, aber auch die zu den versteckten Objekten, aber wir wissen nicht, welcher Punkt zu welcher Entfernung gehört. (Musik)
And because we have a camera that can run so fast -- our femto-camera -- it has some unique abilities. It has very good time resolution, and it can look at the world at the speed of light. And this way, we know the distances, of course to the door, but also to the hidden objects, but we don't know which point corresponds to which distance. (Music) By shining one laser, we can record one raw photo,
Indem wir einen Laser aufleuchten lassen, können wir ein Roh-Bild aufnehmen, das – wie sie auf dem Bildschirm sehen – nicht wirklich Sinn macht, aber wenn wir dann viele dieser Bilder aufnehmen, Dutzende dieser Bilder, und sie zusammenfügen und versuchen, die verschiedenen Licht-Abpraller zu analysieren, können wir dann das versteckte Objekt sehen? Können wir es in 3D sehen?
which, if you look on the screen, doesn't really make any sense. But then we will take a lot of such pictures, dozens of such pictures, put them together, and try to analyze the multiple bounces of light, and from that, can we see the hidden object? Can we see it in full 3D?
Also das hier ist unsere Rekonstruktion. (Musik) (Musik) (Musik) (Applaus)
So this is our reconstruction. (Music) (Applause)
Wir haben noch einiges zu tun, bevor wir das vom Labor in die Praxis umsetzen können, wir könnten Autos bauen, die Kollisionen vermeiden und erkennen, was hinter der Kurve ist, oder wir können damit in gefährlichen Lagen nach Überlebenden suchen, indem wir uns Licht ansehen, das durch offene Fenster reflektiert wird, oder wir können Endoskope bauen, die tief in den Körper um Okkluder herum sehen und auch Kardioskope. Aber wegen des Blutes und Gewebes ist das natürlich sehr herausfordernd, weshalb das wirklich ein Weckruf für Wissenschaftler ist, jetzt über Femto-Fotografie nachzudenken, da ein neues bildgebendes Verfahren tatsächlich die nächste Generation von medizinischen Abbildungsproblemen lösen könnte.
Now, we have some ways to go before we take this outside the lab on the road, but in the future, we could create cars that avoid collisions with what's around the bend. Or we can look for survivors in hazardous conditions by looking at light reflected through open windows. Or we can build endoscopes that can see deep inside the body around occluders, and also for cardioscopes. But of course, because of tissue and blood, this is quite challenging, so this is really a call for scientists to start thinking about femto-photography as really a new imaging modality to solve the next generation of health-imaging problems.
Also, wie bei Doc Edgerton, selbst ein Wissenschaftler, ist die Wissenschaft eine Kunst geworden, eine Kunst der ultra-schnellen Fotografie, und mir wurde klar, dass all diese Gigabytes von Daten, die wir jedes Mal sammeln, nicht nur der wissenschaftlichen Bildverarbeitung nutzten. Wir können auch eine neue Form der Computer-Fotografie schaffen, mit Zeitraffer und Farbkodierungen, und wir können uns diese Wellen anschauen. Vergessen Sie nicht, die Zeit zwischen jeder dieser Welle ist nur ein paar trillionstel Sekunden.
Now, like Doc Edgerton, a scientist himself, science became art -- an art of ultra-fast photography. And I realized that all the gigabytes of data that we're collecting every time, are not just for scientific imaging. But we can also do a new form of computational photography, with time-lapse and color coding. And we look at those ripples. Remember: The time between each of those ripples is only a few trillionths of a second.
Aber es passiert hier auch etwas Lustiges. Wenn Sie sich diese Wellen unter dem Flaschenverschluss anschauen, sehen Sie, dass sich die Wellen von uns weg bewegen. Die Wellen sollten sich zu uns hin bewegen. Was passiert hier?
But there's also something funny going on here. When you look at the ripples under the cap, the ripples are moving away from us. The ripples should be moving towards us. What's going on here?
Es stellte sich heraus, dass wir, weil wir fast in Lichtgeschwindigkeit aufnehmen, seltsame Effekte haben und Einstein hätte dieses Bild unglaublich gerne gesehen. Die Reihenfolge, in der Ereignisse in der Welt passieren, erscheinen in der Kamera in umgekehrter Reihenfolge, also, indem man die entsprechende Beziehung von Raum und Zeit anwendet, können wir diese Verzerrung korrigieren.
It turns out, because we're recording nearly at the speed of light, we have strange effects, and Einstein would have loved to see this picture. (Laughter) The order at which events take place in the world appears in the camera sometimes in reversed order. So by applying the corresponding space and time warp, we can correct for this distortion.
Also egal, ob für Fotografie um Ecken herum oder das Erschaffen eines neuen bildgebenden Verfahrens für die Medizin oder neue Darstellungsformen, seit unserer Erfindung haben wir alle Daten und Details auf unserer Website offen zugänglich gemacht und hoffen, dass die "Selbermacher", die Kreativen und die Forschungsgemeinde uns zeigen, dass wir aufhören sollten, uns auf die Megapixel-Zahlen in Kameras zu fixieren – (Gelächter) – und anfangen sollten, uns auf die nächste Dimension der Darstellung zu konzentrieren. Es geht um die Zeit. Danke schön. (Applaus)
So whether it's for photography around corners, or creating the next generation of health imaging, or creating new visualizations, since our invention, we have open-sourced all the data and details on our website, and our hope is that the DIY, the creative and the research communities will show us that we should stop obsessing about the megapixels in cameras -- (Laughter) and start focusing on the next dimension in imaging. It's about time.
(Applaus)
Thank you. (Applause)