21 декабря 2011 г.

Триллион кадров в секунду

На днях по СМИ и блогам прошла новость про сверхскоростную чудо-камеру, созданную в MIT, которая может снимать видео со скоростью триллион кадров в секунду. Вот страничка на сайте MIT про эту разработку, где можно найти кучу видеороликов и дальнейшие ссылки на литературу. Поскольку я немножко разбирался с быстропротекающими процессами, когда готовился вот к этой лекции, мне есть что сказать по этому поводу.

Если одним предложением, то разработка действительно интересная, но на мой взгляд, авторы её распиарили совершенно нечестным образом. В результате подавляющее большинство людей, услышав про эту камеру, представят себе совсем не то, чем она на самом деле является. На самом деле, это устройство не позволяет заснять с заявленной скоростью отдельный быстропротекающий процесс. Вот некоторые пояснения.

1. Сначала отсеем бред. Бредом являются заголовки СМИ типа «Создана камера, снимающая со скоростью света» или еще хуже «камера, способная заснять скорость света». Это всё получилось из очень неуклюжей, на мой взгляд, формулировки авторов работы, что их камера якобы позволяет увидеть пролетающий мимо луч света. (Собственно, такие заголовки как раз и доказывают, что эта их попытка популяризации была плохой.)

2. Еще одно неудачное заявление: «во вселенной нет ничего, что было бы слишком быстрым для нашей камеры». Это, мягко говоря, больше преувеличение. Посмотрим на числа. Это устройство позволяет получать (как именно, см. ниже) последовательность кадров, отстоящих друг от друга по времени на 2 пикосекунды. Но для современной физики это огромный промежуток времени. Уже давно влегкую изучают и фемтосекундные явления, а не так давно уже забрались и в аттосекундный диапазон. А в ядерной физике и физиче частиц с помощью косвенных методов можно изучать процессы, длящиеся еще на несколько порядков меньше.

Так что есть огромное разнообразие процессов, которые слишком быстротечны для этой камеры. Просто они протекают на микроскопических масштабах, на уровне атомов или ядер. Так что в своем заявлении авторы на самом деле имели в виду только макроскопически процессы.

3. Теперь насчет того, как работает это устройство. Я пересказывать в деталях не буду, на сайте группы всё объяснено. Я лишь кратко обрисую принцип работы.

Основой устройства является стрик-камера. Это устройство, которое не просто посылает изображение на экран, а очень быстро поворачивает его на экране, в результате чего на экране возникает временная развертка быстропротекающего процесса (вот простенький апплет, иллюстрирующий работу стрик-камеры). Однако для того, чтобы изображение не накладывалось на себя, приходится снимать только одномерную полоску. Поэтому на двумерном экране (на CCD матрице) одно направление — это реальное пространственное измерение, а второе направление — время.

Вообще, стрик-камеры — это совершенно стандартная технология, она используется уже не одно десятилетие, а сами камеры выпускаются промышленно. Временное разрешение у топовых стрик-камер обычного типа тоже заметно лучше, в фемтосекундном диапазоне. А в последнее десятилетие активно разрабатывается и используется технология «аттосекундной стрик-камеры». Собственно, тот эксперимент, про который я рассказывал в аттосекундом диапазоне, тоже можно назвать стрик-камерной технологией.

Единственное новшество, которое внесли изобретатели из MIT, состоит в том, что они получают разветку во времени не одно-, а двумерного изображения. Т.е. они показывают не светящуюся полоску, а нормальные снимки. Правда, снимают-то они все равно одномерные полоски, но только эти полоски раз за разом смещаются вниз по изображению (они просто поворачивают зеркальце). Поэтому реальный кадр, а тем более те видики, которые они показывают, получаются не непосредственно в устройстве, а лишь после многократного повторения эксперимента и после компьютерной обработки огромного числа полосок. Это вычисленные, а не снятые кадры.

4. Является ли это устройство видеокамерой?
Из пояснения должно стать понятно, что это устройство не может заснять однократный процесс. Для того, чтобы получить в нем видеоролик, требуется повторять один и тот же эксперимент раз за разом, и надеяться, что он всегда будет развиваться одинаково. Кстати, для того, чтобы получить то видео со световым импульсом, распространяющемся в бутылке, авторам потребовался час работы!

Необходимость повторять эксперимент огромное количество раз сужает тот набор вещей, которые можно так увидеть. Вы, например, не увидите, как разлетаются отдельные кусочки вещества, как на снимках настоящей камерой с миллионом кадров в секунду. Просто потому, что каждый раз ошметки будут вылетать в разные стороны, вы лишь увидите размазанное распыление вещества в целом. (Это словно фотография не отдельного человека, а усредненное фото миллиона отдельных лиц.)


В общем, я подчеркну — никакой способности «видеть» развитие единичного процесса во времени эта камера не дает, увы. Поэтому и видеокамерой ее можно называть только с большой натяжкой. И значит сравнивать с настоящими камерами, которые выдают непрерывный поток кадров (нынешний рекорд — 6 млн. кадров в секунду) просто нельзя, это совсем разные приборы.

Но в конце я еще раз подчеркну: несмотря на мою критику пиара, сам по себе устройство получилось интересное, изображения оно выдает симпатичные, и наверняка пригодится в разных областях. Но только это не видеокамера, которая снимает быстропротекающий процесс с заявленной скоростью.

15 комментариев:

  1. Спасибо за пояснения! Хочется уточнить вот какой момент:
    Насколько итоговые видео, которое они выложили отражают физику [распространения] света? Т.е. что они вообще иллюстрируют?
    В частности, на одном из видео кажется, что свет распространяется "волнами". Это просто эффект, обусловленный конструкцией установки?

    ОтветитьУдалить
  2. Они просто освещают предметы короткими световыми импульсами. Каждый такой импульс идет как световой фронт и последовательно освещает разные части предметов.

    ОтветитьУдалить
  3. Что-то я не сообразил сразу - вероятно эффект "волн" из-за того, что предметы имеют округлые формы и свет от них отражается соответственно..
    (как на снимке)

    ОтветитьУдалить
  4. Аналог существует около ста лет http://ilib.mccme.ru/djvu/bib-kvant/substance.htm
    Описан эксперимент по фиксировании искры на пленку, как раз за счет быстрого разворачивании серии изображений на экране. Стр. 119.
    Но представленный Вами аппарат конечно же удобнее для работы. Раньше использовали (да по моему и до сих пор) камеру с фотопленкой. Снимали в частности процесс кристаллизации in-situ и рекристаллизации кремния после облучения лазером или мощной лампой через микроскоп.
    http://www.unn.ru/pages/issues/vestnik/99990192_West_fisika_2003_1(6)/B_1-5.pdf

    ОтветитьУдалить
  5. До конца не дочитал. Длительные процессы нельзя заснять.

    ОтветитьУдалить
  6. Спасибо, Игорь. Как всегда - очень доступно для не специалистов.

    ОтветитьУдалить
  7. Игорь, позвольте вопрос: а в чем заключается технологическая (или принципиальная?) сложность построения двумерной матрицы из таких вот маленьких стрик-зеркал, которые будут синхронно поворачиваться, отражая летящие в них фотоны (на практике, конечно, пучки фотонов), и проецировать каждое на свой маленький светочуствительный условно-одномерный экранчик?
    Ну, то есть. Берем обычную видеокамеру, но вместо светочуствительной матрицы ставим матрицу мельчайших (насколько позволяет технология) зеркал, которые с течением процесса синхронно и быстро поворачиваются, и каждое из них разворачивает временную последовательность летящих в него фотонов в пространственный отрезок на своем (условно)одномерном экранчике.
    Потом собираем это в кучу и получаем короткое (в зависимости от длины отрезка-экрана, хотя он ведь может быть и кривой, и ломанной...) двумерное кино "единичного процесса", снятое "за один проход". Без супербыстрощелкающих затворов.
    Понятно, что на размер этих зеркалец и приводов, обеспечивающих их синхронный поворот, есть технологические ограничения. Понятно, что обеспечить каждому зеркальцу отдельный экранчик сложно (но можно) пространственно. Но эти ограничения, вроде бы , влияют только на пространственное разрешение кино в результате? Временное же разрешение зависит, в данном случае, только от скорости вращения зеркал?
    Или я все-таки что-то не понял в самой сути технологии?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Анонимный29/1/12 22:11

      Вы только что описали технологию матриц, применяемых в DLP проекторах. Там как раз используется массив микроскопических зеркал управляемых индивидуально, чтоб сформировать нужное изображение на экране. Совместить такой массив со светочувствительной матрицей очень легко.

      Удалить
  8. Анонимный21/12/11 14:08

    У меня есть книга про научную фотографию, года 82-83. Там есть фото поверхности бетельгейзе (4 пятна разного цвета) и фото световой пули пикосекундного лазера в молоке. Вполне нормальное фото.
    Тоже кадр собран из полосок? Если помню описание, там свет делает прозрачным краситель и это работает как затвор. Т.е. не стрик-технология?

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный22/12/11 14:24

    >> Там есть фото поверхности бетельгейзе (4 пятна
    >> разного цвета) и фото световой пули пикосекундного
    >> лазера в молоке

    Вы могли бы выложить эти фото? Было бы очень интересно посмотреть...

    ОтветитьУдалить
  10. Группа немецких и американских ученых теоретически рассмотрела возможность использования создающихся установок для наблюдения неустойчивости вакуума под действием электрического поля рентгеновских лазеров более 10**17 В/м. Результаты расчетов показывают, что если планируемые параметры строящихся установок будут реализованы, то можно будет наблюдать рождение электрон-позитронных пар из вакуума, хотя число генерируемых пар будет на три порядка меньше, чем если бы была достигнута критическая величина электрического поля. Это было в проекте в 2001 году. А как дела в этом направлении физики сейчас.

    ОтветитьУдалить
  11. Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS http://arxiv.org/abs/1112.5154

    Мне почему-то казалось, что все частицы в Стандартной модели, кроме бозона Хигса открыты...

    ОтветитьУдалить
  12. Анонимный27/12/11 10:36

    Я бы не стал уж столь категорично говорить про "отсеять бред".
    Да, процесс множественной съемки одного и того же события, т.е. понятно, что ролик снят не за доли наносекунды. Но наблюдаемая физика процесса - как результат съемки - потрясает. И, по крайней мере, это хорошее начало к дальнейшему совершенствованию технологии.

    ОтветитьУдалить
  13. В общем, я подчеркну — никакой способности «видеть» развитие единичного процесса во времени эта камера не дает, увы.

    Ну тогда и так любимые вами коллайдеры, тоже неспособны "видеть" субатомные процессы. Там ведь тоже миллоны отдельных (разных!, хотя и однотипных) событий регистрируются, а потом на основе них делаются вычисления и выстраивается (реконструируется) общая картина единично процесса.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Коллайдер никто видеокамерой и не называет.

      Удалить