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.
Док Эджертон вселил в нас трепет и любознательность, представив фото пули, пронизывающей яблоко. Выдержка — одна миллионная секунды. Но сегодня, 50 лет спустя, мы можем быть в миллион раз быстрее. Мы можем увидеть мир в кадрах не одной миллионной, и даже не одной миллиардной, а одной триллионной секунды.
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.
Представляю вам новый тип фотографии — фемтофотография. Эта техника настолько быстра, что позволяет показать движение света в кадрах замедленного действия. Таким образом мы можем создать фотоаппарат, заглядывающий за угол, то есть за пределы видимости, или в организм без рентгена, давая новое определение понятию «фотоаппарат».
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?
Если включить и выключить лазерный указатель в одну триллионную секунды, то есть за несколько фемтосекунд, образуется группа фотонов шириной менее миллиметра. Эти фотоны, эта «пуля» будет двигаться со скоростью света, то есть в миллион раз быстрее, чем обычная пуля. Теперь возьмём эти фотоны, эту «пулю» и запустим её в эту бутылку. Как фотоны раздробятся в бутылке? Как выглядит свет в замедленном воспроизведении?
[Light in Slow Motion ... 10 Billion x Slow]
Now, the whole event --
Весь процесс... (Аплодисменты)
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Весь процесс... протекает менее чем за наносекунду — это скорость света — но это видео замедлено в 10 миллиардов раз, чтобы мы смогли увидеть движение света.
(Laughter)
Нет, Coca-Cola не спонсировала это исследование. (Смех)
But Coca-Cola did not sponsor this research.
(Laughter)
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.
Здесь происходит много интересного, я разъясню по частям. Импульс проходит в бутылку, наша пуля, группа фотонов перемещается вдоль бутылки и рассеивается внутри неё. Часть света просачивается на поверхность стола, и мы видим некую волнистую рябь. Множество фотонов достигают крышечки и затем разбиваются в разных направлениях. Мы видим скопление воздуха, отскакивающего внутри. В это время волны двигаются по столу, и из-за отражений вверху мы видим скопление отражений, после нескольких кадров, на дне бутылки.
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?
Если взять обычную пулю и проделать то же самое, то есть замедлить видео в 10 млрд раз, знаете, как долго вы будете смотреть это кино?
(Laughter)
A day, a week? Actually, a whole year. It'll be a very boring movie --
День? Неделю? Нет! Целый год. Довольно скучное кино. (Смех)
(Laughter)
of a slow, ordinary bullet in motion.
Фильм о простой пуле в движении.
And what about some still-life photography? 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.
А как насчёт фото-натюрморта? Мы снова видим волнистую рябь на столе, на помидоре и на стене. Это будто камень, брошенный в воду.
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.
Я думал, что так природа пишет картины, один кадр в фемтосекунду, но, конечно, наш глаз видит неразъёмную совокупность. Но если посмотреть на помидор ещё раз, можно заметить, что после того, как свет прошёл, помидор ещё светится. Он не темнеет. Почему? Потому что он спелый, и свет двигается внутри него и затем лишь выходит со скоростью одной триллионной секунды. То есть в будущем вы сможете пойти в супермаркет и с помощью фемтокамеры
(Laughter)
проверить свежесть продукта, не трогая его.
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.
Как наша команда из MIT создала этот фотоаппарат? Как фотографы мы знаем, что чем меньше выдержка, тем меньше света, но тут мы в миллиард раз быстрее, чем самая короткая выдержка, то есть света почти не будет. Мы выстреливаем эту пулю, эту группу фотонов миллион раз и беспрерывно записываем с помощью специальной синхронизации; затем из гигабайтов информации компьютер составляет видео, которые вы видели.
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.
Мы можем использовать эту информацию для всевозможных целей. Например, Супермен умеет летать. Другие герои невидимы. А что сможет новый супергерой? Заглядывать за угол! Мы можем пустить свет на дверь, свет отразится от двери в комнату, часть света вернётся на дверь и обратно на фотоаппарат. И мы можем использовать эти отражения.
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.
Это не фантастика. Мы создали этот аппарат. Слева у нас фемтокамера. Манекен спрятан за стеной, и мы хотим, чтобы свет отразился от двери.
So after our paper was published in Nature Communications, it was highlighted by Nature.com, and they created this animation.
Когда наш эксперимент был опубликован в журнале «Nature Communications», о нём писали на Nature.com,
(Music)
и было сделано это видео.
[A laser pulse is fired]
(Музыка)
(Music)
Мы выпускаем фотоны света,
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.
которые должны ударить в стену, и так как это группа, фотоны рассеются во всех направлениях. Некоторые попадут на манекен за стеной, затем рассыпятся снова, и часть света снова отразится от двери. Лишь несколько фотонов, вернутся к фотоаппарату; но самое интересное, они попадут туда в разное время.
(Music)
(Музыка)
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.
Так как наша фемтокамера очень быстрая, она имеет особые возможности. У неё хорошее разрешение по времени. И она может смотреть на мир со скоростью света. Здесь мы знаем расстояния: до двери и до спрятанных объектов, но мы не знаем, какая точка
(Music)
соответствует какому расстоянию.
By shining one laser, we can record one raw photo, 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?
(Музыка) Пуская лазерный луч, мы получим фото, которое как будто не имеет смысла, но если взять множество таких фото, объединить их и попытаться проанализировать отражения света, мы можем увидеть спрятанный объект. Даже в 3D.
So this is our reconstruction.
И вот что у нас вышло. (Музыка)
(Music)
(Музыка)
(Applause)
(Музыка) (Аплодисменты)
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.
Нам ещё предстоит поработать, прежде чем выпустить это в свет, но, например, машины могли бы избегать столкновений, зная, что находится за углом, или мы могли бы искать уцелевших с помощью отражений от окон. Также можно создать эндоскоп, чтобы видеть за блокатором, или даже кардиоскоп. Но, конечно, есть преграды: кровь, ткань... Ещё требуются решения других задач... Но учёным стоит задуматься над возможностями фемтофотографии. Это новое измерение, новое поколение медицинской фотографии.
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.
Док Эджертон — учёный, но здесь наука превратилась в искусство... сверхскоростной фотографии. Тогда я понял: гигабайты данных, которые мы собираем, предназначены не только для научных изображений, но и для новой формы компьютерной фотографии с замедленной съёмкой и кодированием цвета. Посмотрите на эту рябь. Мы помним, что её волны составляют лишь триллионную секунды.
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?
Но есть примечательный феномен. Посмотрите на волны под крышечкой: они направлены от нас. А должны — к нам. В чём дело?
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.
Оказывается, так как мы записываем почти со скоростью света, создаются странные эффекты.
(Laughter)
Эйнштейну понравилась бы эта фотография.
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.
Последовательность событий в мире отображается в фотоаппарате немного наоборот, и с помощью искажений времени и пространства мы можем откорректировать эту деформацию.
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 --
Будет ли это фотография «из-за угла», или новый мониторинг организма, или какая-либо ещё визуализация, мы сделали доступной всю информацию этого изобретения на нашем вебсайте. Мы надеемся, что изобретатели DYI, учёные и творческие люди скажут, что пора прекратить спорить
(Laughter)
о мегапикселях в фотоаппаратах... (Смех)
and start focusing on the next dimension in imaging. It's about time.
и заняться новым поколением фотографии. Уже давно пора. Спасибо. (Аплодисменты)
Thank you.
(Applause)
(Аплодисменты)