TED日本語 - ラメッシュ・ラスカー: 毎秒一兆枚の高速度カメラ

TED日本語

TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - ラメッシュ・ラスカー: 毎秒一兆枚の高速度カメラ

TED Talks

毎秒一兆枚の高速度カメラ
Imaging at a trillion frames per second
ラメッシュ・ラスカー
Ramesh Raskar

内容

ラメッシュ・ラスカーはフェムト・フォトグラフィーを紹介します。この新しいイメージング技術は毎秒一兆フレームの高速度撮影技術なので光の動いていく様子も見えるのです。この技術は将来、角の向こうを見通すカメラや X 線を用いないで体内を観察できるカメラに使われるかもしれません。

Script

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.

I present 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.

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?

Now, the whole event -- (Applause) (Applause)

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.

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.

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? A day, a week? Actually, a whole year. It'll be a very boring movie? (Laughter)? of a slow, ordinary bullet in motion.

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.

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.

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, those 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.

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.

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.

So after our paper was published in Nature Communications, it was highlighted by Nature.com, and they created this animation.

(Music)

We're going to fire those bullets of light, and they're going to hit this wall, and because 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)

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, which, 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?

So this is our reconstruction. (Music) (Music) (Music) (Applause)

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.

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 is 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.

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?

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. The order at which events take place in the world appear in the camera with sometimes reversed order, so by applying the corresponding space and time warp, we can correct for this distortion.

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 community 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. Thank you. (Applause) (Applause)

エジャートン博士の リンゴを撃ちぬく弾丸の写真は 100万分の1秒を捉えたもので 誰もが驚き 好奇心をかき立てられました そして今 50年を経て撮影速度が その100万倍も速くなり 100万でも 10億でもなく 毎秒1兆フレームで世界を見られるようになりました

ご紹介するのは新しい撮影技術 フェムト・フォトグラフィーです この非常に高速な 新しいイメージング技術では 伝わっていく光でさえも スローモーション撮影できます またこの技術を使って 見通せない角の 先を見られるカメラや X線を使わないで体内を観察できるカメラを作れます カメラという言葉の意味が 大きく変わるのです

レーザーポインターを点滅させるとしましょう 1兆分の1秒で点滅させれば つまり数フェムト秒の間隔なら 生じた光子の塊の長さは ほんの1ミリ程度になり この光子の塊 すなわち弾丸が 光の速度で進みます これは普通の弾丸より 100万倍速いのです そんな光子の塊という弾丸を使って ボトルに打ち込んだら 光子はどんなふうに砕け散るでしょう スローモーションの光は どう見えるでしょう

そしてお見せしたー(拍手) (拍手)

お見せした全ての事象は ナノ秒より短い 時間で起きていることを念頭にご覧ください 光が通過する時間が ナノ秒以下なのです このビデオは100億倍遅く再生しているので 光の動きが見えるのです

ちなみに コカコーラからのご支援は頂いていません (笑)

ビデオでは色々な事が起こっています 何が起きているか順に説明しましょう パルスすなわち弾丸がボトルに入ります 光子の塊が横切り始めると 内部での散乱も始まります 漏れだす光もあり テーブルを照らします そしてさざ波のようなものも見えます 最終的に大半の光子がキャップに到達して あらゆる方向に飛び散ります 空気の泡も見えますが そこでは内部に跳ね返ります 同時にテーブル上の波も広がっていきます 上面での反射のために 何フレームか後にはボトルの底側に 反射光が集まります

普通の弾丸を撃って 同じ距離進む映像を撮って 100億倍でスロー再生したら どれほど時間のかかるビデオになるでしょう 一日?一週間?実はまる一年もかかります かなり退屈な映像でしょう (笑) 普通の弾丸がゆっくりと動いていくのです

こんな静物の写真を撮ってみました

テーブル表面やトマトや後ろの壁を 流れるさざ波が見えます 池の水面に石を投げ込んだみたいです

フェムト秒で撮った写真を 自然はこう彩るのかと驚きました もちろん人の眼には統合された合成画像が見えます ただもう一度トマトを見てもらうと トマトが光に洗い流されている間 光り続け 暗くなることはありません なぜでしょう それはトマトが熟していて 光はトマトの内部で反射を繰り返し 一兆分の数秒で外に出てくるからです 将来このフェムトカメラが 携帯電話に付いたら スーパーに行って 果物が熟しているかどうか手も触れずに調べられるでしょう

MIT の私のチームはどうやってこのカメラを作ったのでしょう 写真を撮る人はご存知のように 露出時間を短くすると 光の量は大変少なくなります さらに 通常の短時間露光よりも 百億倍以上速くしようというのです だから光はほとんどありません 我々は光の塊の弾丸を 何百万回も発射します 非常に巧妙に 同期を取りながら記録を繰り返し 何ギガバイトものデータから 計算によって織り出される物が 先ほどご覧になったフェムトビデオです

処理前のデータをいろいろ使って 非常に興味深い処理もできます スーパーマンは空を飛び 透明になるヒーローもいます これからのスーパーヒーローの新しい能力として 角の先を見通すのはどうでしょう このアイデアは扉を照らした光が 跳ね返って部屋の中に入ると その一部が反射されて扉に戻り カメラまで戻ってくるので こんなふうに多重反射した光を利用できるのです

これは空想SFではなく実際に作りました 左にあるのがフェムトカメラです 壁の後ろにマネキンが隠れています 光は扉で跳ね返ります

我々の論文がネイチャー・コミュニケーションズ誌に 掲載された後で ネイチャーのサイトで特集され こんなアニメーションを作ってくれました

(音楽)

光の弾丸を発射するところです 壁に当たります 光子の塊は あらゆる方向に飛び散り 隠れたマネキンに当たる光子もあります そのマネキンがまた光を散乱させ そして再び今度は扉が 散乱光の一部を反射します 光子のほんの一部が カメラに戻ります 大事なのは 光が帰ってくるタイミングが 少しずつ違っていること (音楽)

使用したカメラは 大変高速なフェムトカメラなので 独特な能力があります 時間分解能が大変優れていて 世界を光の速度で眺めることができるわけです こうして 扉までの距離や 隠れた物体までの距離がわかります こうして 扉までの距離や 隠れた物体までの距離がわかります ただどの点が どの距離に相当するのかわかりません (音楽)

レーザー光を一度光らせて未処理写真が一枚撮れますが これだけ見ても 何だか分かりません しかし こういう写真をたくさん撮って こういう写真を何十枚も 組み合わせ 光の多重散乱の解析を試みれば そこから 隠れた物体を見られないでしょうか? 完全な立体として見ることはできないでしょうか?

我々が再構成した結果はこうなりました (音楽) (音楽)(拍手)

この技術を実験室の外に持ち出す前に まだやるべきことはありますが いずれは 曲がり角の先の物との 衝突を避ける自動車や 危険な状況下での生存者探索に 開いた窓ごしに反射されてくる光を使ったり 体内の見通せないものの奥まで見られる 内視鏡や血管内視鏡も 作ることができるでしょう もちろん 細胞や血液があるので これは大変に難しい課題ですが 科学者の皆さんに考えはじめて欲しいことは 新しいイメージング手法のフェムト・フォトグラフィーで 次世代の医療イメージングの答えになる可能性です

科学者であったエジャートン博士が 科学から超高速写真という芸術を生み出したように 私も実験のたびに集まる 数ギガバイトのデータを使って 単に科学的な画像を作るだけでなく 新しい形のコンピュテーショナル・フォトグラフィが 微速度撮影や色変換によって実現できると気が付きました さっきの波模様を見てみましょう この波どうしの時間差は 一兆分の数秒ほどです

ここで面白いことが起きています キャップの下側を見てみると 波は遠ざかるほうに進んでいます 波は近づいてくるはずなのです 何が起きているのでしょうか

実は 光の速度に 近い領域で記録したために 奇妙な効果が現われたのです アインシュタインはこの写真を見たかったことでしょう カメラに見える世界の中で起きる 出来事の順番はときどき逆転し 適切な時間と空間の歪みを考慮することで この歪みを補正することができます

角を見通す写真であれ 次世代の医用画像であれ 新たな可視化技術の開発であれ 我々は発明した後は オープンソース化して 全てのデータと詳細をウェブに公開しました もの作り好きやクリエイターや研究者からの こんな提言を期待しているのです カメラの画素が何メガピクセルかにこだわるのは止めよう (笑) イメージングについては新たな次元にフォーカスしよう 「時」を考える 「時」になったのですありがとう (拍手) (拍手)

― もっと見る ―
― 折りたたむ ―

品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

関連動画