Ramesh Raskar: Képalkotás másodpercenként milliárd kockányi sebességgel

Doc Edgerton elkápráztatott minket ezzel a felvétellel, amint egy lövedék áthatol egy almán; az expozíciós idő csak a másodperc milliomod része. Most, 50 évvel később, milliószor gyorsabbak vagyunk ennél, és a világot nem másodpercenkénti millió, vagy milliárd, hanem billió filmkockán keresztül nézzük.

A fényképezésnek egy új módját mutatom be Önöknek, a femtofotográfiát, ami annyira gyors képalkotási technika, hogy képes lassított filmet készíteni a fény mozgásáról. És ezzel olyan kamerákat tudunk készíteni, ami a sarkok mögé is lát, a látótéren kívülre, vagy amivel röntgensugarak nélkül is bepillanthatunk testünk belsejébe, és ami valóban feszegeti már a kamera fogalmunk határát.

Ha veszek egy lézerceruzát és be és ki kapcsolgatom a másodperc egybilliomod része alatt, ami néhány femtomásodperc [10-nek a mínusz 15-ik hatványa] akkor a fotonoknak egy alig egy milliméter széles nyalábját hozom létre, és ez a foton-nyaláb, ez a lövedék, fénysebességgel fog haladni, azaz milliószor gyorsabban, mint a közönséges lövedék. Ha most vesszük azt a lövedéket és ezt a foton-nyalábot és megcélozzuk vele ezt a palackot, hogyan fognak ezek a fotonok behatolni a palack belsejébe? Hogy néz ki a fény lassított felvételen?

Ez a teljes folyamat. -- (Taps) (Taps)

Nefelejtsék el, az egész esemény ténylegesen alig egy nanoszekundum alatt játszódik le, -- ez az az idő, ami alatt a fény ezt az utat megteszi -- de ezt a filmet tízmilliárdszor lassítva játszom most le, ezért láthatják a fény mozgását.

A Coca-Cola NEM szponzorálta a kutatást. (Nevetés)

Sok minden történik ezen a filmen, hadd mutassam meg szakaszonként Önöknek, hogy mi történik. Tehát a rezgés -- a mi lövedékünk -- belép a palackba egy foton-nyalábbal, ami nekiindul keresztül, és szóródni kezd a belsejében. Valamennyi kijut a fényből az asztalra, és meglátjuk ezeket a fodros hullámokat. Végül a fotonok közül sok eléri a kupakot és kitör a legkülönfélébb irányokba. Ahogyan látják, van itt egy légbuborék, és belül pattog körbe-körbe. Közben a fodrok vándorolnak az asztalon, és a palack tetejének a tükröződése miatt amint látják a palack hátán, néhány filmkocka után a tükröződések összefutnak.

Na már most, ha veszünk egy közönséges lövedéket, ami ugyanezt a távolságot teszi meg, és lejátszuk a videót egy 10 milliárdos tényezővel lelassítva, tudják, mennyi ideig kéne itt ülniük, hogy végignézzék a felvételt? Egy napig? Egy hétig? Valójában, egy egész évig. Nagyon unalmas film lenne -- (Nevetés) -- egy lassú, közönséges lövedék mozgásáról.

És mi a helyzet a csendélet fényképezéssel?

Megintcsak láthatjuk a fodrokat, amint súrolják az asztalt, a paradicsomot és háttérben a falat. Olyan, mint amikor követ dobunk egy pocsolya vizébe.

Úgy gondolom, így festi meg a természet a fényképet, egy femto kockát egyszerre, de természetesen a szemünk az ebből összetett képet látja. De ha erre a paradicsomra újra ránézünk, észrevehetjük, ahogyan a fény végigsúrolja a paradicsomot, folyvást fénylik, nem sötétül el. Vajon miért van ez? Azért, mert a paradicsom érett, és a fény össze-vissza verődik a paradicsom belsejében, és néhány billiomod másodperc múlva lép ki. Így hát, a ha majd femto-kamera lesz beépítve a mobilunkba, akkor megtehetjük, hogy ha vásárolni megyünk , ellenőrizni tudjuk majd, hogy érett-e a gyümölcs, anélkül, hogy összefogdosnánk.

Hogyan is csináltuk ezt a kamerát az MIT-ben? Akik szoktak fényképezni, tudhatják, hogy ha nagyon rövid az expozíciós idő, akkor nagyon kevés fény jut a kamerába, de mi milliárdszor gyorsabbak vagyunk a legrövidebb szokásos expozíciónál is, így lényegében egyáltalán nem kapunk fényt. Azt csináljuk tehát, hogy elküldjük a lövedéket, azokat a foton-nyalábokat, milliószor egymás után, és rögzítjük újra és újra, nagyon okos szinkronizálással, és az adatok gigabájtjaiból számítógépesen rakjuk össze a hullámot, hogy elkészítsük azt a femto-videót, amit megmutattam. ---

Vesszük az összes nyers adatot és nagyon érdekes módon használjuk. Szupermen tud repülni. Más hősök képesek láthatatlanná válni, de mit gondolnak a jövő szuperhősének új képességéröl: hogy a falak mögé is lát? Az az ötlet, hogy rávilágítjuk a fényt az ajtóra. Visszaverődik, bemegy a szobába, valamennyi visszaverődik belőle és visszamegy az ajtóra, és visszajut a kamerához, és fel tudjuk használni a fénynek ezeket a többszörös visszapattanásait

És ez nem sci - fi. Valóban elkészítettük. Ott balra látják a femtokameránkat. Van ott egy bábu a fal mögött, és a fényt tükrözzük az ajtóról.

Azután, hogy megjelentettük a cikkünket a "Nature Communications"-ben, a Nature.com felkapta, és ők készítették ezt az animációt.

(Zene)

Kilőjük a fény-lövedékeket, amik nekiütődnek a falnak, és mivel a foton-nyalábok minden irányba szétszóródnak, néhány közülük eléri azt az eldugott bábut, amiről viszont újra szétszóródik a fény, és az ajtó szintén visszaver valamennyit a szétszórt fényből, és a fotonoknak egy kis töredéke valóban visszaér a kamerához, de ami még érdekesebb, ezek egy árnyalatnyi időeltolódással érkeznek vissza. (Zene)

És mivel olyan kameránk van, ami nagyon gyorsan működik, femto-kameránk, ennek van néhány különleges képessége. Nagyon jó az időfelbontása, és a világot fénysebességgel látja. És ezen a módon megtudjuk a távolságokat, természetesen az ajtóig, de ugyanígy az elrejtett tárgyakig is, de nem tudjuk, hogy mely pont felel meg mely távolságnak. (Zene)

Egy lézer-villantással egy nyers képet tudunk készíteni, aminek, ahogyan a képernyőn is látják, nem sok értelme van, de mi sok ilyen képet készítünk, sok tucat hasonló képet és összerakjuk őket, megpróbáljuk analizálni a fény többszöri visszaverődéseit, és ilyen módon vajon megláthatjuk az elrejtett tárgyat? Tudjuk látni teljes 3D-ben?

Ez itt a rekonstrukciónk. (Zene) (Zene) (Zene) (Taps)

Van még némi teendőnk, mielőtt kivisszük ezt az eszközt a laboratóriumból az utcára, de egyszer majd tudunk olyan autót konstruálni, ami elkerüli az ütközést azzal, hogy benéz a kanyarba, vagy meg tudjuk keresni egy katasztrófa túlélőit veszélyes körülmények között a nyitott abalakon keresztül visszaverődő fény segítségével, vagy tudunk olyan endoszkópot építeni ami mélyen be tud nézni a testben a kitüremkedések mögé, és kardioszkópot. De persze a szövetek és a vér miatt ez azért nem olyan egyszerű, ez itt tehát egy felhívás a tudósok számára, hogy számoljanak a femto-fotográfiával, mint új képalkotó lehetőséggel az egészségügy képalkotási problémáinak következő generációs megoldásában.

Mint Doc Edgerton esetében, aki maga is tudós, a tudomány művészetté válik, a szuper gyors fotógráfia művészetévé, és rájöttem, hogy az adatoknak a gigabájtjai, amiket minden alkalommal összegyűjtünk, nem csupán a tudományos képalkotás számára vannak, hanem a számítógépes fotógráfia egy új formáját is művelhetjük vele időeltolással és színkódolással, és megfigyeljük azokat a fodrozódásokat. Emlékszünk rá, hogy azok között a fodrozódások között mindössze pár trillionod másodperc telt el.

De valami érdekes dolog is történik itt. Ha a kupak alatti fodrokat nézzük, a fodrok távolodnak tőlünk. A fodroknak közeledni kellene hozzánk. Mi történik itt?

Rájöttünk, hogy mivel a felvételt közel fénysebességgel rögzítjük, különös jelenségek lépnek fel, Einstein bizonyára szívesen nézegette volna ezt a képet. A valóság eseményei a kamerában néha fordított sorrendben játszódnak le, így a megfelelő tér- és időeltolást alkalmazva korrigálni tudjuk ezt a torzulást.

Akár a sarkok mögötti fényképezésről van szó, akár az gyógyászatban használatos képalkotás következő generációjáról, vagy úgy megjelenítési mód létrehozásáról, amióta ezen dolgozunk, minden adat, az összes részlet szabad felhasználásra [open source] elérhető a honlapunkon, és reméljük, hogy ez a DIY [csináld magad!], a kutató- és alkotóközösség megmutatja, hogy nem kéne már azon gyötrődni, hogy hány megapixeles a kamera -- (Nevetés) -- hanem el kéne kezdeni a képalkotás következő dimenziójára összpontosítani. Ez pedig az időről szól. Köszönöm. (Taps) (Taps)