Un vasto mundo de movimientos diminutos | Michael Rubinstein | TEDxYouth@BeaconStreet

Conozcan el "microscopio de movimiento", una herramienta de procesamiento de video que reproduce leves cambios de movimiento y color imposibles de ver a simple vista. El investigador de video Michael Rubistein nos muestra una tras otra, secuencias que nos dejan boquiabiertos de cómo esta tecnología puede rastrear el pulso y el ritmo cardiaco de una persona simplemente de una pieza de video. Véanlo recrear una conversación mediante la amplificación de los movimientos de ondas sonoras que rebotan de una bolsa de papas. Hay que ver para creer las aplicaciones inspiradoras y siniestras de esta tecnología.

En los últimos siglos, los microscopios
han revolucionado nuestro mundo.

Nos han revelado un diminuto mundo
de objetos, vidas y estructuras,

que son muy pequeños
para verlos a simple vista.

Una enorme contribución
a la ciencia y la tecnología.

Hoy quisiera presentarles
un nuevo tipo de microscopio,

un microscopio de cambios.

No usa la óptica de
un microscopio ordinario

para agrandar objetos pequeños,

sino una cámara de video
y procesamiento de imágenes

para revelar cambios
de color y movimientos

diminutos en personas y objetos,

cambios que serían imposibles
de ver a simpe vista.

Nos permite ver nuestro mundo
de una forma completamente nueva.

¿Qué quiero decir con cambios de color?

Nuestra piel, por ejemplo,
cambia de color muy ligeramente,

cuando la sangre fluye por ella.

Ese cambio es increíblemente sutil,

por eso cuando ven a los demás,

cuando ven a la persona
sentada junto a Uds.

no ven que su piel o su cara
cambie de color.

Cuando vemos este video de Steve,
nos parece una imagen estática.

Pero cuando lo vemos mediante
nuestro nuevo microscopio especial

repentinamente vemos una imagen
completamente diferente.

Lo que ven aquí son los leves
cambios de color de la piel de Steve,

magnificados 100 veces
para hacerlos visibles.

De hecho vemos el pulso humano.

Podemos ver la frecuencia
del pulso de Steve,

y también cómo fluye
la sangre en su cara.

Podemos hacer eso
no sólo para ver el pulso

sino para recuperar
el ritmo cardiaco y medirlo.

Y lo podemos hacer con cámaras
comunes sin tocar a los pacientes.

Aquí vemos el pulso y ritmo cardiaco
de un bebé recién nacido

a partir de un video que tomamos
con una cámara DSLR común

y la medición obtenida del ritmo cardiaco

es tan precisa como la que se obtiene
de un monitorio estándar de hospital

y ni siquiera tiene que ser
un video grabado por nosotros.

En esencia podemos hacerlo
con otros videos también.

Tomé una secuencia de "Batman inicia"

sólo para mostrar
el pulso de Christian Bale.

(Risas)

Es de suponer que tiene maquillaje,

la luz aquí lo dificulta;

aun así, del video,
pudimos extraer su pulso

y se muestra bastante bien.

¿Cómo lo hacemos?

Analizamos los cambios
de luz que se registran

en cada pixel del video en el tiempo

y luego empalmamos esos cambios.

Los magnificamos para poder verlos.

El truco es que esas señales,

esos cambios que buscamos
son en extremo sutiles,

por eso debemos ser
cuidadosos al separarlos.

del ruido que siempre hay en los videos.

Así que usamos técnicas
de procesamiento ingeniosas

para obtener mediciones precisas
del color de cada pixel en el video

y la forma como cambia
el color con el tiempo

para luego amplificar esos cambios.

Los agrandamos para crear videos
realzados o magnificados,

que en efecto nos muestran esos cambios.

Pero resulta que podemos hacer eso
no sólo para cambios leves de color,

sino también para movimientos leves,

y eso se debe a que la luz grabada
por nuestras cámaras,

cambiará no sólo si el color
del objeto cambia,

sino también cuando el objeto se mueve.

Esta es mi hija cuando tenía
dos meses de edad.

Es un video que grabé hace tres años.

Como todo padre primerizo, queremos
saber que nuestros bebés están bien,

que están respirando y
que están vivos, claro está.

Así que también teníamos
uno de esos monitores de bebé

para poder ver a mi hija cuando dormía.

Y esto es lo que verían con
un monitor de bebé estándar.

Pueden ver al bebé durmiendo

y no hay mucha más información.

No hay mucho que podamos ver.

¿No sería mejor o más útil
o más informativo

si en cambio pudiéramos ver esto?

Grabé estos movimientos
y los magnifiqué 30 veces.

Y puedo ver claramente que mi hija

en efecto está viva y respirando.

(Risas)

Aquí tienen una comparación en paralelo

del video fuente, el video original,

en el que no hay mucho que podamos ver;

pero una vez magnificados,
la respiración se hace más visible.

Y resulta que hay muchos fenómenos

que podemos revelar y magnificar
con nuestro microscopio de movimiento.

Podemos ver cómo pulsan
nuestras venas y arterias del cuerpo,

que nuestros ojos están
en movimiento constante

en este movimiento tembloroso.

Y ese es de hecho mi ojo

y este video fue tomado justo
después de que nació mi hija;

pueden ver que no había
dormido mucho. (Risas)

Incluso si una persona está quieta,

hay mucha información
que podemos extraer

sobre sus patrones de respiración,
leves expresiones faciales.

Quizá pudiéramos usar esos movimientos

para que nos digan algo de
nuestros pensamientos y emociones.

También podemos magnificar
movimientos mecánicos diminutos

como las vibraciones en máquinas

que pueden servir para detectar
problemas mecánicos

o ver cómo edificios y estructuras
reaccionan con el viento o fuerzas.

Todas ellas son mediciones
que hacemos de varias formas,

pero medir esos movimientos es una cosa

y en efecto verlos cuando ocurren

es algo totalmente diferente.

Desde que descubrimos
esta nueva tecnología,

pusimos nuestro software
a disposición en línea

para que otros puedan
usarla y experimentar con ella.

Es muy sencilla de usar.

Puede funcionar con sus propios videos.

Nuestros colaboradores
en Quantum Research

incluso crearon este sitio web

donde pueden subir sus videos
y procesarlos en línea.

Así, aunque no tengan
experiencia en programación,

pueden fácilmente experimentar
con este nuevo microscopio.

Quisiera mostrarles
un par de ejemplos

de lo que otros han hecho con él.

Este video lo hizo para
YouTube, el usuario Tamez85,

a quien no conozco,

pero él o ella usó nuestro código

para magnificar los leves movimientos
del vientre durante el embarazo.

Es un poco escalofriante.

(Risas)

La gente lo ha usado para magnificar
las venas de sus manos.

No es ciencia real a menos
de que usen conejillos de indias

y aparentemente este conejillo
de indias se llama Tiffany.

Y este usuario de YouTube afirma
que es el primer roedor

del planeta cuyo movimiento
ha sido magnificado.

También pueden hacer arte.

Este video me lo envió
una estudiante de diseño de Yale.

Quiso ver si había diferencias

en los movimientos
de sus compañeros de clase.

Les pidió que estuvieran quietos
y luego magnificó sus movimientos.

Es como ver fotos fijas que toman vida.

Lo agradable de todos estos ejemplos

es que no tenemos
nada que ver con ellos.

Sólo ofrecimos una nueva herramienta,
una forma nueva de ver el mundo

y la gente encuentra formas nuevas,
creativas e interesantes de usarla.

Pero no nos quedamos ahí.

Esta herramienta no sólo nos permite
ver el mundo de una nueva manera

también redefine lo que podemos hacer

y estrecha los límites de lo que podemos
hacer con nuestras cámaras.

Como científicos
nos empezamos a preguntar,

¿qué otros fenómenos físicos
producen movimientos diminutos

que podamos ahora medir
con nuestras cámaras?

Uno de esos fenómenos al
que nos enfocamos es el sonido.

El sonido, como sabemos, es en esencia

cambios en la presión de aire
que viaja por el aire.

Esas ondas de presión golpean objetos
y crean diminutas vibraciones

que es como escuchamos
y grabamos el sonido.

Pero resulta que el sonido también
produce movimientos visuales

que no son visibles para nosotros,

pero sí para una cámara
con el procesamiento correcto.

He aquí dos ejemplos.

Aquí estoy demostrando
mis aptitudes de canto.

(Cantando)

(Risas)

Tomé un video en alta velocidad
de mi garganta mientras tarareaba.

Si miran fijamente el video

no hay mucho que puedan ver,

pero al magnificarlo 100 veces,
vemos los movimientos

y ondulaciones involucrados
del cuello al producir sonido.

Esa señal está ahí en el video.

También sabemos que los cantantes
pueden romper una copa de vino,

si dan la nota correcta.

Aquí tocaremos una nota

en la frecuencia de
resonancia de esta copa

con un parlante a un lado.

Tocamos la nota y magnificamos
el movimiento 250 veces.

Podemos ver claramente
cómo vibra la copa

y resuena en respuesta al sonido.

No es algo que se suela ver a diario.

Instalamos una demo justo afuera,

así que los animo a que pasen,

que jueguen Uds. mismos
para que lo vean en vivo.

Pero esto nos hizo
reflexionar en una idea loca.

¿Podemos invertir este proceso
y recuperar sonido del video

analizando las diminutas vibraciones
que las ondas sonoras crean en objetos

y convertirlos de vuelta en
los sonidos que los produjeron?

De esta forma podemos convertir
objetos cotidianos en micrófonos.

Y eso hicimos exactamente.

Esta es una bolsa vacía
de papas sobre una mesa

y convertiremos esta bolsa
de papas en un micrófono

filmándola con una cámara de video

y analizando los leves movimientos
que las ondas sonoras hacen.

Este es el sonido que tocamos.

(Música: "María tenía un corderito")

Este es un video a alta velocidad
grabado de esa bolsa de papas.

Otra vez, está tocando.

No hay forma de que puedan ver
que suceda algo en ese video

con sólo mirarlo,

pero este es el sonido
que pudimos recuperar analizando

los leves movimientos del video.

(Música: "María tenía un corderito")

Le llamo... gracias.

(Aplausos)

Le llamo el micrófono visual.

De hecho extraemos señales
de audio de las señales de video.

Sólo para darles un sentido
de la escala del movimiento,

un sonido fuerte hará
que esa bolsa de papas

se mueva menos de un micrómetro,

esto es una milésima de un milímetro.

Así de pequeños son los movimientos
que ahora podemos sacar

con tan solo observar
los rebotes de luz en los objetos

que grabamos con nuestras cámaras.

Podemos recuperar sonidos
de otros objetos como plantas.

(Música: "María tenía un corderito")

Lo mismo que el habla.

Esta es una persona hablando.

Voz: María tenía un corderito
cuya lana era blanca como la nieve

y adonde fuera María,
el corderito seguro la seguía.

Michael Rubinstein: Y aquí tienen
esa alocución recuperada

de este video con
la misma bolsa de papas.

Voz: María tenía un corderito,
cuya lana era blanca como la nieve

y adonde fuera María,
el corderito seguro la seguía.

MR: Usamos "María tenía un corderito",

porque se dice que esas fueron
las primeras palabras

que Tomás Edison dijo
con su fonógrafo en 1877.

Ese fue uno de los primeros dispositivos
de grabación de sonido de la historia.

Básicamente dirige
el sonido a un diafragma,

que hace vibrar una aguja
que graba el sonido en papel estaño

enrollado en un cilindro.

Esta es una demostración de grabación

y reproducción de sonido
con el fonógrafo de Edison.

(Video) Voz: Probando,
probando, uno, dos tres.

María tenía un corderito
cuya lana era blanca como la nieve

y adonde fuera María,
el corderito seguro la seguía.

Probando, probando, uno, dos tres.

María tenía un corderito
cuya lana era blanca como la nieve

y adonde fuera María,
el corderito seguro la seguía.

MR: Y ahora, 137 años después,

podemos obtener sonido con
una calidad bastante similar

tan solo mirando objetos que vibran
con el sonido usando cámaras

e incluso podemos hacerlo con la cámara

a casi 5 metros del objeto detrás
de un vidrio insonorizado.

Este es el sonido que pudimos
recuperar en este caso.

Voz: María tenía un corderito
cuya lana era blanca como la nieve

y adonde fuera María,
el corderito seguro la seguía.

MR: Claro está que la vigilancia es
la primera aplicación que imaginamos.

(Risas)

Pero quizá también sería
útil para otras cosas.

Quizá en el futuro,
podamos usarlo por ejemplo,

para recuperar sonido del espacio

porque el sonido no puede viajar
en el espacio, pero sí la luz.

Apenas estamos explorando

otros posibles usos
para esta nueva tecnología.

Nos permite ver procesos
físicos que conocemos,

pero que nunca hemos podido verlos
con nuestros propios ojos hasta ahora.

Este es nuestro equipo.

Todo lo mostrado hoy es
resultado de una colaboración

con este grandioso equipo
de gente que ven aquí.

Son bienvenidos a
visitar nuestro sitio web

para que los prueben Uds. mismos

y exploren con nosotros este mundo
de movimientos diminutos.

Gracias.

(Aplausos)