Obrazowanie przyszłości

Zachwycamy się ekranami OLED i rozdzielczością Ultra HD, a przecież potrafi my już budować ekrany holograficzne, skanować nasze ciała, rejestrować fotony w zwolnionym tempie... Brzmi jak fantastyka naukowa? Naukowa – owszem, ale już nie fantastyka.

Miłośnicy filmów SF z całą pewnością pamiętają scenę z kultowego filmu Ridleya Scotta pt. „Łowca androidów”, kiedy główny bohater Rick Deckard (grany przez Harrisona Forda), członek specjalnego oddziału policji zajmującego się łapaniem zbuntowanych replikantów (androidów), przeszukuje mieszkanie Esper, kobiety-replikanta. Znajduje w nim zdjęcie, które następnie poddaje analizie. Z płaskiej, zwykłej dwuwymiarowej fotografii Deckard nie tylko wydobywa powiększane detale, ale podczas analizy jest w stanie zmieniać kąt widzenia, odsłaniając rzeczy, które na analizowanej fotografii w istocie nie są widoczne. Efekt zastosowany w filmie z 1982 r. może się podobać i dziś, ale przecież to tylko fikcja stworzona na potrzeby fantastycznej fabuły – takie rzeczy są niemożliwe. Zaraz, zaraz… na pewno?

Na początku było światło

Wykonanie jakiejkolwiek fotografii – bez względu na to, czy mamy na myśli dagerotyp (protoplasta fotografii w ogóle), fotografię analogową czy też nowoczesne zdjęcie cyfrowe – wymaga przede wszystkim jednego: światła. To, że jesteśmy zdolni do postrzegania rzeczywistości, jest możliwe tylko dzięki fotonom odbitym od wszelkich obiektów otaczającego nas świata i padającym na siatkówkę oka,

gdzie w wyniku skomplikowanych reakcji biochemicznych następuje wydzielenie neurotransmiterów i przekazanie bodźców wzrokowych do ośrodka wzrokowego w naszym mózgu. Bez fotonów, czyli właśnie światła, nie moglibyśmy niczego zobaczyć, a czy da się zobaczyć samo światło, a nie wyłącznie efekty jego działania? Okazuje się, że tak i ma to znaczące konsekwencje dla zupełnie nowych metod obrazowania otaczającej nas rzeczywistości.

Kluczem jest prędkość

Jedno z najsłynniejszych zdjęć o krótkim czasie ekspozycji stanowiło ilustrację do prowadzonego przez profesora Edgertona wykładu pt.

Jedno z najsłynniejszych zdjęć o krótkim czasie ekspozycji stanowiło ilustrację do prowadzonego przez profesora Edgertona wykładu pt. „Jak robimy sok jabłkowy na MIT”. Czas ekspozycji to 1/3 mikrosekundy (milionowa część sekundy). Ilość światła w tak krótkim odcinku czasu jest na tyle mała, że zdjęcie robiono niemal w zupełnych ciemnościach. Obiekt oświetlano za pomocą niezwykle szybkiego mikrobłysku.

Z pewnością wielu miłośników fotografii cyfrowej próbowało zrobić zdjęcia z bardzo krótkim czasem ekspozycji lub zarejestrować wideo w zwolnionym tempie. Na rynku dostępnych jest już wiele urządzeń– kamer i aparatów – umożliwiających uchwycenie kadrów tak szybkich, że umykają one naszej percepcji. Niemniej nawet najszybsze obecnie aparaty czy kamery (zdolne do uchwycenia jak najkrótszej chwili na zdjęciu lub filmie) oferują możliwości daleko mniejsze od tych, którymi już kilkadziesiąt lat temu dysponował profesor Harold Eugene „Doc” Edgerton z MIT (Massachusetts Intitute of Technology).

Edgerton zainteresował się ultraszybką fotografią jeszcze przed drugą wojną światową, w 1937 roku, kiedy poznał amerykańskiego fotografa albańskiego pochodzenia Gjona Miliego, który w swojej pracy wykorzystywał jako źródło oświetlenia dla tworzonych zdjęć m.in. stroboskopy, czyli generatory migającego światła. Edgerton doprowadził wykorzystanie stroboskopów i ultraszybkich doświetleń w fotografii do takiej perfekcji, że środowisko naukowe (a dokładniej ekipa badacza głębin morskich Jacquesa Cousteau, z którą Edgerton współpracował) nadało mu przydomek „Papa Flash”. Wyniki uzyskiwane przez Edgertona były na tyle imponujące, że przez wiele lat był on zatrudniony przez amerykańską AEC (Atomic Energy Commission) i nadzorował dokumentowanie próbnych eksplozji nuklearnych. Do najbardziej znanych fotografii wykonanych przez profesora Edgertona należy ta z 1964 r. (sprzed ponad półwiecza!), prezentująca zatrzymany w kadrze pocisk kalibru 7,62 mm przebijający jabłko.

Właściwa synchronizacja

Wśród dostępnych na rynku aparatów cyfrowych za

Wśród dostępnych na rynku aparatów cyfrowych za „szybkie” uznaje się modele zdolne do rejestracji zdjęć z czasem ekspozycji 1/16 000 sekundy. W porównaniu z możliwościami uzyskiwanymi dziś w laboratoriach to jednak żaden wynik.

Zdjęcie z pociskiem i jabłkiem zrobione przez profesora Edgertona miało czas ekspozycji wynoszący zaledwie 1/3 mikrosekundy, czyli 1/3 milionowej części sekundy. Wyzwaniem była odpowiednia synchronizacja mikrobłysku – Edgerton zastosował mechanizm oparty na mikrofonie, który po zarejestrowaniu odgłosu strzału wyzwalał elektrycznie microflash (skonstruowaną przez firmę Edgertona – EG&G – specjalną ultraszybką lampę błyskową). Oczywiście pocisk wylatuje z lufy z prędkością ponaddźwiękową, dlatego niezbędne było wykonanie obliczeń, w jakiej odległości mikrofon powinien znajdować się od lampy, by błysk pojawił się w pożądanym momencie. Imponujące osiągnięcia Edgertona w zatrzymywaniu w kadrze niesamowitych i bardzo szybkich zjawisk (jak choćby eksplozje nuklearne) stały się inspiracją dla zespołu profesora Ramesha Raskara

– twórców tzw. femtofotografii.

Profesor Raskar daje pokaz

W 2012 roku gościem zaproszonym na jedną z prezentacji prowadzonych w ramach naukowych konferencji TED (Technology, Entertainment and Design) organizowanych przez amerykańską fundację non profi t Sapling Foundation był profesor Ramesh Raskar, pracownik naukowy uczelni MIT, tej samej, w której zatrudniony był również zmarły w 1990 profesor Edgerton. Prezentacja Raskara niemal od razu została zaklasyfikowana przez redaktorów TED jako „jaw-dropping”, czyli dosłownie jako pokaz, po którym można „zbierać szczękę z podłogi”. Trudno się dziwić, gdy dowiemy się, co tak naprawdę zademonstrował urodzony w Indiach amerykański naukowiec. Otóż zespołowi Raskara udało się skonstruować urządzenie zdolne do rejestracji biliona (1012) klatek na sekundę. Ponieważ ludzki umysł nie jest w stanie bezpośrednio pojąć tak dużych liczb, trzeba odwołać się do konkretnego przykładu.

Wspominaliśmy wcześniej o słynnej fotografii Edgertona z nabojem przebijającym jabłko. Kamera zespołu Raskara jest zdolna do rejestracji obrazu milion razy szybciej. Innymi słowy, gdyby za jej pomocą nagrać wideo przedstawiające przelot naboju przez owoc, zarejestrowany z prędkością biliona klatek na sekundę film trwałby… rok. Taki film raczej nikogo by nie zainteresował. Tym, co spowodowało – jak to ujęli redaktorzy TED – „opad szczęki” u widzów, jest możliwość sfotografowania w zwolnionym tempie… samego światła. Tak, światło pokonuje w ciągu sekundy 300 tysięcy kilometrów – to niemal tyle co z Ziemi do Księżyca. Zespół Raskara zdołał utrzymać tę niesamowitą prędkość w obiektywie swojej „femtokamery”. Na jednym z filmów udostępnionych w witrynie projektu zarejestrowano przelot laserowego impulsu przez butelkę. Zdarzenie absolutnie niemożliwe do zaobserwowania w normalnych warunkach nie tylko udało się zarejestrować, na dodatek całe nagranie prezentuje podróż fotonów w… zwolnionym tempie. Jak oni to zrobili?

Zadanie dla komputerów

Kolejne zdjęcia profesora Edgertona. Trudno domyślić się, co przedstawiają, gdyż tego typu zjawisk raczej nigdy nie zaobserwujemy bezpośrednio – to fotografia wykonana ułamek sekundy po rozpoczęciu testowej eksplozji nuklearnej (operacja

Kolejne zdjęcia profesora Edgertona. Trudno domyślić się, co przedstawiają, gdyż tego typu zjawisk raczej nigdy nie zaobserwujemy bezpośrednio – to fotografia wykonana ułamek sekundy po rozpoczęciu testowej eksplozji nuklearnej (operacja „Tumbler Snapper”, rok 1952). Zdjęcie wykonano specjalną kamerą Rapatronic zbudowaną przez firmę EG&G, której Edgerton był jednym ze współzałożycieli. Kamera była urządzeniem analogowym zdolnym do rejestracji ujęć z niezwykłą jak na owe czasy szybkością. Czas ekspozycji: trzy milionowe części sekundy.

Femtofotografia nie mogłaby powstać, gdyby nie potężne moce obliczeniowe współczesnych komputerów. Kilkusekundowe nagranie femtofotograficzne (czy też raczej femtowideograficzne) jest

tak naprawdę wynikiem analizy milionów ujęć rejestrujących strumienie fotonów. Żadna migawka ani jakiekolwiek źródło światła nie może być przecież szybsze od samego światła, zatem oszałamiające efekty wizualne to rezultat nagrywania i synchronizacji wielu milionów powtarzanych ujęć, z których – jak to ujął sam Raskar– „wyplatane” są filmy pozwalające obserwować strumienie światła w zwolnionym tempie. Pojedyncza sekunda takiego nagrania to wiele gigabajtów danych, które są przetwarzane za pomocą opracowanych przez zespół Raskara algorytmów uwzględniających naukową wiedzę na temat kwantowo-falowej natury światła. Nie ulega wątpliwości, że osiągnięcie naukowców MIT i współpracujących z nimi badaczy z Universidad de Zaragoza (Uniwersytet w Saragossie) oraz zdolność do rejestracji kadrów z szybkością biliona klatek na sekundę robią olbrzymie wrażenie, ale rodzi się pytanie: po co nam to?

Świeżość pomidora

Zbudowane przez zespół prof. Raskara urządzenie nie wygląda jeszcze jak kamery czy aparaty promowane przez współczesnych producentów elektroniki – to typowy sprzęt laboratoryjny. Jednak

Zbudowane przez zespół prof. Raskara urządzenie nie wygląda jeszcze jak kamery czy aparaty promowane przez współczesnych producentów elektroniki – to typowy sprzęt laboratoryjny. Jednak „ścieżka kariery” każdego urządzenia konsumenckiego, zwłaszcza wyposażonego w wyrafinowaną elektronikę, zaczynała się właśnie w laboratoriach.

Prof. Raskar oprócz wyjątkowych nagrań zrealizowanych przez jego laboratorium przedstawił również szereg potencjalnych zastosowań femtofotografii. Jednym z ciekawszych, mogących mieć powszechne

zastosowanie, jest np. badanie świeżości pożywienia. Dzisiejsze metody szacowania przydatności artykułów do spożycia oparte na statystyce są niezbyt efektywne. Ocenia się, że niemal 30 proc. przeterminowanych artykułów spożywczych jest utylizowanych, mimo iż nadają się one do spożycia. Problem próbuje się rozwiązać na wiele sposobów – jednym z pomysłów zaproponowanych przez naukowców z Uniwersytetu w Gandawie jest umieszczanie wewnątrz opakowań spożywczych mikrochipów (o powierzchni około milimetra kwadratowego) pełniących rolę ultraczułych detektorów biochemicznych nastawionych na wykrywanie produktów przemiany materii bakterii gnilnych. Teoretycznie pozwoliłoby to na stwierdzenie – bez otwierania opakowania – czy dany produkt jest jeszcze świeży. Opisana metoda ma jednak wady, bo nie uwzględnia np. świeżej żywności. Idea proponowana przez prof. Raskara wypada tu zdecydowanie lepiej. Na jednym z filmów naukowiec zademonstrował przepływ fotonów na powierzchni pomidora. Analizując, w jaki sposób światło jest pochłaniane i odbijane przez owoc (pomidor w znaczeniu botanicznym jest owocem), łatwo stwierdzić, czy jest on świeży czy też nie. W analogiczny sposób można sprawdzać świeżość innych produktów – metoda nie wymaga dodawania jakiejkolwiek elektroniki do samej żywności. Oczywiście na razie aparatura zbudowana przez zespół Raskara nie nadaje się do zastosowań komercyjnych, zarówno ze względów ekonomicznych, jak i czysto logistycznych. Z tym że pierwsze komputery zajmowały powierzchnię połowy stadionu, a dla obecnych opuszka małego palca to aż nadto duża przestrzeń, do tego dysponują one nieporównywalnie większą mocą obliczeniową. Możemy wyobrazić sobie np. smartfon z wbudowaną femtokamerą – każdy konsument będzie mógł za pomocą takiego urządzenia i odpowiedniej aplikacji bezinwazyjnie sprawdzić jakość żywności.

Zobaczyć niewidzialne

Jeszcze ciekawsze zastosowanie femtofotografi i to możliwość obserwacji tego, co w rzeczywistości nie znajduje się w polu widzenia obserwatora (np. jest ukryte za przeszkodą). Nie chodzi przy tym o stosowanie jakiegoś promieniowania przenikliwego – cały czas opieramy się na świetle widzialnym. W tym przypadku idea nieco przypomina działanie radaru, w którym obraz jest generowany na podstawie analizy odbić emitowanego sygnału. Kamera emituje impuls laserowy, który następnie odbija się od przeszkody i zgodnie z korpuskularno-falową naturą światła rozchodzi się we wszystkich kierunkach – część światła wraca i jest rejestrowana. Oczywiście pojedynczy impuls zawiera znikomą ilość informacji, ale dzięki niezwykłej szybkości (przypomnijmy: bilion klatek na sekundę) i wysyłaniu olbrzymiej liczby impulsów (zgodnie z informacjami opublikowanymi przez amerykańskich badaczy ich urządzenie emituje impuls laserowy co ok. 13 nanosekund) scena zostaje odpowiednio pokryta światłem.

Z odbitego światła można nie tylko odczytać obraz widziany przez operatora femtokamery, lecz również ujawnić i zarejestrować obiekty w miejscach zasłoniętych przez przeszkody. Możliwe więc

stało się zarejestrowanie obiektów niewidocznych dla obserwatora, ale osiągalnych dla odbitych kwantów światła. Ponadto dzięki szybkości ekspozycji możliwy jest pomiar odległości pomiędzy poszczególnymi odbiciami, co oznacza, że możliwe jest zobaczenie ukrytych obiektów, a wygenerowany komputerowo obraz powstały wskutek analizy milionów impulsów świetlnych jest obrazem przestrzennym. Zastosowania? Mnóstwo: poszukiwanie ocalałych z katastrof, obserwacje trudno dostępnych miejsc czy budowanie samochodów unikających kolizji z niewidocznymi dla kierowcy przeszkodami (np. nadjeżdżającym zza rogu budynku innym pojazdem). Prace Ramesha Raskara i jego współpracowników zostały zaprezentowane szerszej publiczności w 2012 roku, akcja „Łowcy androidów” dzieje się w roku 2019. Biorąc pod uwagę postępujący rozwój technik obliczeniowych, być może uda się do tego momentu zbudować urządzenia femtofotografi czne, które wyjdą poza stadium laboratoryjne. Po raz kolejny świat nauki udowodnił, że niemożliwe jest możliwe.

Close

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.