Ramesh Raskar: Imagistică la un trilion de cadre pe secundă

Doc Edgerton ne-a produs uimire și curiozitate cu această fotografie a unui glonț străpungând un măr cu expunere de numai o milionime de secundă. Dar acum, după 50 de ani, putem merge de un milion de ori mai rapid și putem vedea lumea nu cu un milion, ori un miliard, ci un trilion de cadre pe secundă.

Vă prezint un nou tip de fotografie, femto-fotografie, o tehnică imagistică atât de rapidă încât poate crea filmări în slow-motion pentru lumina în mișcare. Și cu asta putem crea camere de filmare care pot vedea după colț, dincolo de linia de vizibilitate sau pot vedea în interiorul trupului fără X-ray, și putem redefini ce înseamnă o cameră de filmare.

Dacă aprind un pointer cu laser și-l sting într-o trilionime de secundă -- egal cu câteva femto-secunde -- voi crea un fascicul de fotoni cu lățime abia de 1 mm, și acel fascicul de fotoni, acel glonț, va înainta cu viteza luminii, adică, de un milion de ori mai rapid decât un glonț obișnuit. Dacă luăm acest glonț de fotoni și-l țintim spre această sticlă, cum se vor împrăștia acești fotoni în sticlă? Cum arată lumina în slow-motion?

Acum, întregul proces -- (Aplauze)

Rețineți, întregul proces se petrece efectiv în mai puțin de o nanosecundă -- atât îi ia luminii să traverseze -- dar încetinesc acest video cu un factor de 10 miliarde ca să puteți vedea lumina în mișcare.

Dar, Coca-cola nu a sponsorizat această cercetare. (Râsete)

Se petrec multe în această filmare. Permiteți-mi s-o fragmentez ca să vă arăt ce se petrece. Deci, pulsul întră în sticlă, glonțul nostru, cu un fascicul de fotoni care încep să traverseze și încep să se împrăștie în interior. O parte din lumină scapă, ajunge pe masă și începi să vezi aceste unde de lumină. Mare parte din fotoni ajung la capac și apoi explodează în diferite direcții. După cum vedeți, apare o bulă de aer ce ricoșează înăuntru. Între timp, undele înaintează pe masă, iar din cauza reflexiilor vedeți în spatele sticlei, după câteva cadre, reflexiile sunt focalizate.

Acum, dacă iei un glonț obișnuit, îl lași să parcurgă aceeași distanță și încetinești videoclipul, cu un factor de 10 miliarde, știți cât ar trebui să stați aici să urmăriți acea filmare? O zi, o săptămână? De fapt, un an întreg. Ar fi un film foarte plictisitor -- (Râsete) -- al unui glonț obișnuit în mișcare lentă.

Și cum ar arăta o fotografie statică?

Puteți vedea undele de lumină parcurgând masa, cu roșia și peretele în fundal. E ca aruncarea unei pietricele într-o baltă de apă.

Așa pictează natura o fotografie, femtosecundă cu femtosecundă, deși ochiul nostru vede montajul integral. Dacă vă uitați la această roșie încă odată, veți observa, pe măsură ce lumina se prelinge peste roșie, continuă să strălucească. Nu devine întunecată. De ce? Pentru că roșia e coaptă, iar lumina ricoșează în interiorul roșiei, și iese afară după câteva trilionimi de secundă. Prin urmare, în viitor, când femto-camera va fi în telefonul vostru, ați putea merge la supermarket și verifica dacă fructele sunt coapte fără să le atingeți.

Cum a creat echipa mea de la MIT această cameră foto? Acum, fotografii știu, dacă faci o fotografie cu expunere scurtă, dispui de foarte puțină lumină, dar noi mergem de un miliard de ori mai rapid decât cea mai scurtă expunere, așa că nu ai lumină aproape de loc. Ce facem deci, trimitem acel glonț, acel fascicul de lumină, de milioane de ori, și înregistrăm de fiecare dată cu super sincronizare și din gigabaiții de date suprapunem computațional să creăm aceste femto-videoclipuri pe care vi le-am arătat.

Putem lua toate datele primare și le putem trata în moduri foarte interesante. Deci Superman poate zbura. Alți eroi pot deveni invizibili. Dar ce-ați spune de o nouă putere pentru un supererou: să vadă după colțuri? Ideea e că am putea direcționa lumină spre ușă. Va ricoșa, va intra în cameră. O parte se va reflecta înapoi pe ușă, apoi, înapoi în camera foto. Putem exploata aceste ricoșeuri multiple ale luminii.

Nu e science-fiction. Chiar am construit-o. La stânga, vedeți femto-camera noastră. Un manechin se află în spatele ușii. Vom ricoșa lumina de pe ușă.

După ce lucrarea a fost publicată în Nature Communications, a fost remarcată de Nature.com, care au creat această animație.

(Muzică)

Vom declanșa gloanțele de lumină, vor lovi acest perete, și, pentru că e fascicul de fotoni, se vor împrăștia în toate direcțiile, o parte vor ajunge la manechinul ascuns, care, la rândul său va împrăștia lumina, din nou, o parte se va întoarce spre ușă care va reflecta lumina, iar o parte minusculă de fotoni se va reîntoarce la camera foto. Dar ce-i mai interesant, fotonii vor reveni fiecare cu întârzieri ușor diferite. (Muzică)

Pentru că avem o cameră care poate fotografia atât de rapid, femto-camera noastră are capabilități unice. Are o rezoluție de timp foarte bună. Poate urmări lumea cu viteza luminii. Știm, bineînțeles, distanța până la ușă și, de asemenea, până la obiectul ascuns, dar nu știm care punct corespunde la care distanță. (Muzică)

Cu o pulsație de laser, putem înregistra o poză primară te uiți la ecran, nu se vede nimic. Dar facem multe astfel de poze, zeci de poze, și le suprapunem și analizăm multiplele ricoșeuri ale luminii. Făcând asta, putem vedea obiectul ascuns? Îl putem vedea în 3D?

Iată reconstrucția noastră. (Muzică) (Aplauze)

Mai avem câte ceva de rezolvat înainte să-l scoatem din laborator pe stradă, dar în viitor am putea crea mașini care evită coliziunile cu ce vine de după curbă, sau putem căuta supraviețuitori în condiții riscante, prin lumina reflectată de ferestre deschise, sau putem construi endoscoape care pot vedea în profunzimea trupului nostru evitând ocluziunile și putem construi cardioscoape. Bineînțeles, din cauza țesuturilor și sângelui, nu-i simplu, așa că asta e o provocare pentru cercetători să se gândească la femto-fotografie ca la o nouă modalitate imagistică pentru a rezolva următoarea generație de probleme de imagistică medicală.

La fel ca Doc Edgerton, el însuși om de știință, știința a devenit artă, o artă fotografică ultra rapidă. Am realizat că toți acei gigabaiți de date pe care-i colectăm de fiecare dată nu sunt doar pentru imagistică științifică, ci putem realiza o nouă formă de fotografie computațională cu filmare lentă și codificare de culoare. Când ne uităm la acele unde, amintiți-vă, intervalul dintre acele unde e doar de câteva trilionimi de secundă.

Dar se mai petrece ceva interesant acolo. Când te uiți la undele de sub capac, undele se depărtează de noi. Ar trebui să vină către noi. Ce se întâmplă aici?

Am înțeles că înregistrând la viteză apropiată de viteza luminii, avem efecte ciudate, iar Einstein ar fi adorat să vadă această poză. Ordinea în care se petrec evenimentele în lumea noastră apare inversată uneori în camera foto. Aplicând curbura spațiu-timp corespunzătoare, putem normaliza această distorsiune.

Fie că-i vorba de fotografierea după colțuri, fie de crearea următoarei generații de imagistică medicală, sau crearea de noi vizualizări, începând cu invenția noastră, am oferit open-source toate datele și detaliile pe site-ul nostru și sperăm ca DIY, comunitatea de cercetare și creație, ne va arăta că e timpul să nu mai fim obsedați de megapixelii din camerele foto - (Râsete) - ci să ne concentrăm pe următoarea dimensiune în imagistică. E timpul. Mulțumesc. (Aplauze)