Ramesh Raskar: Et kamera der tager en billion billeder per sekund

Doc Edgarton inspirerede os med ærefrygt og nysgerrighed med dette foto af en kugle der gennemborer et æble, og eksponeringen er kun en milliontedel af et sekund. Men nu, 50 år senere, kan vi være en million gange hurtigere og se verden, ikke ved en milliontedel, eller en milliardtedel, men en billion billeder per sekund.

Jeg fremlægger en ny type af fotografering, femto-fotografering, en ny billeddannelses teknik der er så hurtig at det kan skabe slow motion videoer af bevægende lys. Og med det, kan vi skabe kameraer der kan se rundt om hjørner, hinsides horisonten eller se ind i vores kroppe uden røntgenstråler, og virkelig udfordre hvad vi mener med et kamera.

Hvis vi nu tager en laser pegepind og tænder og slukker den i en billiontedel af et sekund -- hvilket er adskillige femtosekunder -- skaber jeg en pakke af fotoner knap nok en millimeter brede, og den pakke af fotoner, den kugle, rejser med lysets hastighed, og, igen, en million gange hurtigere end en almindelig kugle. Hvis man tager den kugle og kigger på denne pakke fotoner og skyder ind i denne flaske, hvordan vil de fotoner smadre ind i denne flaske? Hvordan ser lys ud i slow motion?

Men, hele hændelsen -- (Bifald) (Bifald)

Husk nu, at hele hændelsen faktisk folder sig ud i løbet af mindre en et nanosekund -- så lang tid tager det for lys at rejse -- men jeg sætter hastigheden ned i denne video med en faktor på 10 milliarder så man kan se lyset i bevægelse.

Men, Coca-Cola sponsorerede ikke denne forskning. (Latter)

Nu sker der meget i denne film, så lad mig lige udspecificere det og vise jer hvad der sker. Så, impulsen kommer ind i flasken, vores kugle, med en pakke fotoner der begyndte at rejse gennem og begynder at sprede sig derinde. Noget af lyset lækker, kommer på bordet, og man begynder at se disse krusning af bølger. Mange af fotonerne når til sidst kapslen og så eksploderer de i forskellige retninger. Og som I kan se, er der en luftboble, og den bumper rundt derinde. I mellemtiden, rejser krusningerne på bordet, og på grund af refleksionerne på toppen, kan man se på bagsiden af flasken, efter adskillige billeder, bliver refleksionerne fokuserede.

Hvis man nu tager en almindelig kugle og lader den tilbagelægge den samme afstand og forsinker hastigheden på videoen igen med en faktor af 10 milliarder, ved I hvor lang tid I skal sidde der for at se filmen? En dag, en uge? Faktisk, et helt år. Det vil være en utrolig kedelig film -- (Latter) -- af en langsom, almindelig kugle i bevægelse.

Og hvad med noget stille dyrelivs fotografering?

Man kan se krusningerne der igen skyller hen over bordet, tomaten og væggen i baggrunden. Det er ligesom at kaste en sten i en dam.

Jeg tænkte, det er sådan naturen maler et billede, et femto billede af gangen, men selvfølgelig ser vores øje en sammensat integral. Men hvis man ser på denne tomat endnu en gang, vil man lægge mærke til, at mens lyset skyller hen over tomaten, bliver den ved med at gløde. Den bliver ikke mørk. Hvorfor det? Fordi tomaten faktisk er moden, og lyset kastes rundt inden i tomaten, og den kommer ud efter adskillige billiontedele sekunder. Så, i fremtiden, når dette femtokamera er i ens kameratelefon, er man måske i stand til at gå i supermarkedet og se om frugten er moden uden egentlig at røre den.

Så hvordan skabte mit team på MIT dette kamera? Jamen, som fotografer, ved I, at hvis man tager et billede med kort eksponering, får man meget lidt lys, men vi er en trillion gange hurtigere end jeres korteste eksponering, så man får nærmest ingen lys. Så, det vi gør er at vi sender den kugle, den pakke af fotoner, millioner af gange, og optager igen og igen med meget dygtig synkronisering, og fra de gigabyte af data, væver vi dem beregningsteknisk sammen for at skabe disse femto videoer jeg viste jer.

Og vi kan tage al den rå data og behandle det på en meget interessant måde. Så, Superman kan flyve. Nogen andre helte kan blive usynlige, men hvad med en ny kraft til en fremtidig superhelt: til at se om hjørner? Ideen er at vi kunne skinne noget lys på døren. Det vil springe tilbage, gå tilbage ind i lokalet, noget af det vil reflektere tilbage på døren, og så tilbage til kameraet, og vi kunne udnytte disse mange forskellige lys tilbagekast.

Og det er ikke science fiction. Vi har faktisk bygget den. Til venstre kan I se vores femtokamera. Der er en simpel mannequin bag en væg, og vi vil kaste noget lys tilbage fra døren.

Så efter vores artikel blev offentliggjort i Nature Communications, blev den fremhævet af Nature.com, og de lavede denne animation.

(Musik)

Vi vil skyde disse lyskugler, og de vil ramme denne væg, og på grund af pakken med fotoner, vil de sprede sig i alle retninger, og nogle af dem vil nå vores mannequin, der til gengæld igen vil sprede det lys, og til gengæld vil døren reflektere noget af det spredte lys, og en lille brøkdel af fotonerne vil faktisk komme tilbage til kameraet, men mest interessant, vil de ankomme på et lidt andet tidspunkt. (Musik)

Og fordi vi har et kamera der er så hurtigt, vores femtokamera, har det nogle unikke egenskaber. Det har en rigtig god tid opløsning og det kan se på verden med lysets hastighed. Og på denne måde, kender vi afstanden, selvfølgelig til døren, men også til de skjulte genstande, men vi ved ikke hvilket punkt der svarer til hvilken afstand. (Musik)

Ved at lyse en laser, kan vi optage en råt billede, som, i kigger på skærmen, ikke rigtigt giver nogen mening, men så vil vi tage en masse af den slags billeder, dusinvis af den slags billeder, sætte dem sammen, og prøve at analysere de adskillige tilbagespring af lys, og af det, kan vi se et skjult objekt? Kan vi se det i fuld 3D?

Så dette er vores rekonstruktion. (Musik) (Musik) (Musik) (Bifald)

Nu har er der stadig et stykke vej før vi tager dette med ud af laboratoriet og med på vejen, men i fremtiden, kunne vi skabe biler der forhindrer ulykker med det der er om hjørnet, eller vi kan se efter overlevende i farlige miljøer, ved at kigge på lyset der reflekteres ud af åbne vinduer, eller vi kan bygge endoskoper der kan se dybt ind i kroppen rundt om indelukker, og også for kardioskoper. Men selvfølgelig, på grund af væv og blod, er det temmelig udfordrende, så dette er egentlig et kald til alle videnskabsfolk for at begynde at tænke på femto fotografering som en virkelig ny billeddannelses behandlingsmetode at behandle den næste generation af helbreds billeddannelses problemer med.

Men, ligesom Doc Edgerton, der selv var videnskabsmand, blev videnskab en kunstart, en kunstart af ultra hurtig fotografering, og jeg opdagede at alle de gigabyte af data som vi indsamler hver gang ikke kun er til videnskabelig , men vi kan også lave en ny slags beregningsteknisk fotografering med tids-overlap og farve kodning, og vi kigger på de krusninger. Husk nu, at tiden mellem hver er de krusninger kun er et par billiontedele af et sekund.

Men der sker også noget sjovt her. Når man kigger på krusningerne under kapslen, flytter krusningerne sig væk fra os. Krusningerne burde komme i vores retning. Hvad sker der her?

Det viser sig, fordi vi optager næsten med lysets hastighed, har vi mærkelige effekter, og Einstein ville have elsket at se dette billede. Rækkefølgen som disse hændelser sker i, i verden viser sig nogen gange i omvendt rækkefølge i kameraet, så ved at tilføje den korresponderende plads og tid forvrængning, kan vi rette op på denne forvrængning.

Så om det er til at fotografere om hjørner med, eller at skabe den næste generation af medicinsk billedanalyse, eller skabe ny visualiseringer, siden vores opdagelse, har vi open-sourced alle dataene og detaljerne på vores webside, og vores håb er at gør-det-selv folket, det kreative og det videnskabelige samfund vil vise os, at vi skal holde op med at være besat af megapixlerne i kameraerne -- (Latter) -- og begynde at fokusere på den næste dimension billedbehandling. Det handler om tid. Tak. (Bifald) (Bifald)