Δες αόρατη κίνηση, άκου άηχους ήχους. Ενδιαφέρον ή ανατριχιαστικό; Δεν μπορούμε να αποφασίσουμε

Σας παρουσιάζουμε το «μικροσκόπιο κίνησης», ένα εργαλείο επεξεργασίας βίντεο που μπορεί να προβάλει μικροαλλαγές στην κίνηση και το χρωματισμό που είναι αδύνατο να δούμε με γυμνό μάτι. Ο ερευνητής βίντεο Μάικλ Ρουμπινστάιν μας δείχνει μερικά εκπληκτικά βιντεοκλίπ, δείχνοντας πώς αυτή η τεχνολογία μπορεί να ανιχνεύσει τον παλμό και τους χτύπους της καρδιάς ενός ατόμου απλά από ένα σύντομο απόσπασμα βίντεο. Δείτε τον να αναπαράγει μια συζήτηση από ηχητικά κύματα που αντανακλούν πάνω σε ένα σακουλάκι από τσιπς. Τις μαγευτικά εκπληκτικές και αλλόκοτες εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας πρέπει να τις δείτε για να τις πιστέψετε.

Στους πρόσφατους προηγούμενους αιώνες
μικροσκόπια άλλαξαν ριζικά τον κόσμο μας.

Μας φανέρωσαν ένα μικρόκοσμο
αντικειμένων, ζωής και δομών

που είναι υπερβολικά μικρά
για να τα δούμε με γυμνό μάτι.

Αποτελούν τεράστια συμβολή
στην επιστήμη και την τεχνολογία.

Σήμερα θέλω να σας παρουσιάσω
ένα νέο είδος μικροσκοπίου,

ένα μικροσκόπιο προβολής αλλαγών.

Δεν βασίζεται στους φακούς,
όπως τα κανονικά μικροσκόπια,

για να μεγεθύνει τα πράγματα,

αλλά μέσω μιας βιντεοκάμερας
και επεξεργασίας εικόνας

μας φανερώνει μικροσκοπικές κινήσεις και
αλλαγές χρώματος πραγμάτων και ανθρώπων,

που είναι αδύνατο να διακρίνουμε
δια γυμνού οφθαλμού.

Μας επιτρέπει να δούμε τον κόσμο μας
από εντελώς νέα προοπτική.

Τι εννοώ λέγοντας αλλαγές χρωματισμού;

Για παράδειγμα,
το δέρμα μας αλλάζει ελαφρά χρώμα

όταν το αίμα ρέει κάτω από αυτό.

Αυτή η αλλαγή εκπληκτικά αδιόρατη,

γι' αυτό όταν κοιτάζετε άλλους ανθρώπους,

όταν κοιτάζετε τον διπλανό σας,

δεν βλέπετε το δέρμα ή
το πρόσωπό του ν' αλλάζει χρώμα.

Βλέποντας τον Στιβ σ' αυτό το βίντεο,
μοιάζει σαν μια στατική εικόνα,

αλλά όταν δούμε το βίντεο
μέσα από το νέο ειδικό μικροσκόπιο

ξαφνικά βλέπουμε
μια εντελώς διαφορετική εικόνα.

Εδώ βλέπετε μικρές αλλαγές
στο χρώμα του δέρματος του Στιβ,

μεγαλωμένες 100 φορές
ώστε να γίνουν ορατές.

Μπορούμε πραγματικά να δούμε
τον ανθρώπινο παλμό.

Μπορούμε να δούμε
πόσο γρήγορα χτυπάει η καρδιά του,

αλλά και τον πραγματικό τρόπο
που το αίμα ρέει στο πρόσωπό του.

Και θα το κάνουμε όχι μόνο
για να οπτικοποιήσουμε τον σφυγμό

αλλά για να μπορέσουμε τελικά

να μετρήσουμε την καρδιακή μας συχνότητα.

Μπορούμε να το κάνουμε με απλές κάμερες
και χωρίς να ακουμπήσουμε τον ασθενή.

Εδώ βλέπετε το σφυγμό και την καρδιακή
συχνότητα ενός νεογέννητου μωρού

από βίντεο που τραβήξαμε
με μια κανονική DSLR κάμερα

και η τιμή μέτρησης που παίρνουμε

είναι το ίδιο ακριβής όσο αυτή
από το κανονικό όργανο σε ένα νοσοκομείο.

Και δεν χρειάζεται να είναι βίντεο
που τραβήξαμε εμείς.

Μπορούμε να το κάνουμε και με άλλα βίντεο.

Έτσι πήρα ένα απόσπασμα
από την ταινία του Μπάτμαν

απλά για να δείξω το σφυγμό
του Κρίστιαν Μπέιλ.

(Γέλια)

Πιθανότατα είναι μακιγιαρισμένος

και ο φωτισμός δεν διευκολύνει

και όμως, μόνο από το βίντεο,
μπορούμε να πάρουμε το σφυγμό

και να τον δείξουμε αρκετά καλά.

Πώς τα καταφέραμε αυτά;

Βασικά αναλύουμε τις αλλαγές χρωματισμού
στο καταγεγραμμένο φως

σε κάθε εικονοστοιχείο
σε όλη τη διάρκεια του βίντεο

και μετά ενισχύουμε τις αλλαγές.

Τις μεγαλώνουμε
ώστε να μπορούμε να τις δούμε.

Το δύσκολο σημείο είναι
ότι αυτά τα σήματα,

οι αλλαγές που αναζητάμε
είναι σχεδόν αδιόρατες,

έτσι πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί
στο διαχωρισμό από τον θόρυβο

που πάντα υπάρχει στα βίντεο.

Με κάποιες έξυπνες τεχνικές
επεξεργασίας εικόνας

παίρνουμε ακριβή μέτρηση του χρώματος
κάθε εικονοστοιχείου στο βίντεο,

μετά τον τρόπο που αλλάζει το χρώμα
κατά τη διάρκεια

και κατόπιν ενισχύουμε τις αλλαγές.

Τις μεγαλώνουμε για να φτιάξουμε
αυτά τα ενισχυμένα ή μεγεθυμένα βίντεο

που όντως δείχνουν αυτές τις αλλαγές.

Αλλά τελικά μπορούμε να το κάνουμε
όχι μόνο για τις μικρές αλλαγές στο χρώμα

αλλά επίσης για μικροσκοπικές κινήσεις,

και αυτό επειδή το φως
που καταγράφεται από την κάμερα

αλλάζει, όχι μόνο
με την αλλαγή χρώματος του αντικειμένου

αλλά επίσης με την κίνησή του.

Αυτή ήταν η κόρη μου όταν ήταν δύο μηνών.

Είναι βίντεο που τράβηξα πριν τρία χρόνια.

Και ως νέοι γονείς, θέλουμε να είμαστε
σίγουροι ότι τα μωρά μας είναι υγιή,

ότι αναπνέουν, ότι είναι ζωντανά, φυσικά.

Έτσι πήρα μια οθόνη μωρού

για να βλέπω την κόρη μου όταν κοιμόταν.

Κάτι τέτοιο βλέπετε
με μια κοινή οθόνη μωρού.

Μπορείτε να δείτε το μωρό να κοιμάται
αλλά τίποτα περισσότερο.

Δεν υπάρχει και κάτι να δείτε.

Δεν θα ήταν καλύτερα,
πιο ενημερωτικό και πιο χρήσιμο,

αν μπορούσαμε να βλέπουμε κάτι τέτοιο.

Εδώ πήρα τις κινήσεις
και τις ενίσχυσα κατά 30 φορές,

και τότε μπορούσα ξεκάθαρα να δω
ότι η κόρη μου ζούσε και ανέπνεε.

(Γέλια)

Δείτε τα παράλληλα.

Ξανά λοιπόν, στο αρχικό βίντεο

δεν μπορείτε να δείτε πολλά,

αλλά αφού μεγεθύνουμε την κίνηση,
η αναπνοή γίνεται πολύ πιο ορατή.

Έτσι είναι πολλά τα φαινόμενα

που φανερώνουμε και μεγεθύνουμε
με το νέο μικροσκόπιο κίνησης.

Βλέπουμε τις φλέβες και τις αρτηρίες
να πάλλονται μέσα στο σώμα μας.

Βλέπουμε ότι τα μάτια μας
κινούνται συνεχώς

σε αυτήν την ταλαντευόμενη κίνηση.

Αυτό είναι το δικό μου μάτι,

και αυτό το βίντεο τραβήχτηκε
μετά τη γέννηση της κόρης μου,

έτσι βλέπετε ότι δεν κοιμόμουν και πολύ.
(Γέλια)

Ακόμη και όταν κάποιος κάθεται ακίνητος,

μπορούμε να εξάγουμε πολλές πληροφορίες

για το ρυθμό αναπνοής,
μικρές εκφράσεις του προσώπου.

Ίσως μέσα από αυτές τις κινήσεις

να μάθουμε κάτι
για τις σκέψεις και τα αισθήματά μας.

Μπορούμε επίσης να μεγεθύνουμε
μικρές μηχανικές κινήσεις,

όπως τις δονήσεις μηχανών,

που θα βοηθήσουν τους μηχανικούς
να διαγνώσουν μηχανικά προβλήματα,

ή να δουν την ταλάντευση κτιρίων και δομών
από τον άνεμο ή άλλες δυνάμεις.

Είναι όλα πράγματα που ξέρουμε ήδη
να μετράμε με διάφορους τρόπους,

αλλά το να μετράς μια κίνηση,

και το να βλέπεις την κίνηση σε εξέλιξη,

είναι τελείως διαφορετικά πράγματα.

Από τότε που ανακαλύψαμε
αυτή τη νέα τεχνολογία

κάναμε τον κώδικα διαθέσιμο στο διαδίκτυο
ώστε και άλλοι να πειραματιστούν με αυτόν.

Είναι απλός στη χρήση.

Δουλεύει και στα δικά σας βίντεο.

Οι συνεργάτες μας στο περιοδικό
Quantum Research διαθέτουν ιστότοπο

όπου μπορείς να μεταφορτώσεις βίντεο
και να το επεξεργαστείς,

έτσι και χωρίς εμπειρία
σε πληροφορική ή προγραμματισμό,

μπορείς εύκολα να πειραματιστείς
με το νέο μικροσκόπιο.

Θα σας δείξω μερικά παραδείγματα

του πώς το χρησιμοποίησαν κάποιοι.

Αυτό είναι βίντεο από χρήστη του YouTube
που λέγεται Tamez85.

Δεν τον γνωρίζω,

αλλά αυτός ή αυτή χρησιμοποίησε τον κώδικα

για να μεγεθύνει μικρές κινήσεις
της κοιλιάς κατά την κύηση.

Είναι λιγάκι ανατριχιαστικό.

(Γέλια)

Κάποιοι μεγέθυναν παλλόμενες φλέβες
στα χέρια τους.

Και φυσικά δεν κάνεις επιστήμη
χωρίς ινδικά χοιρίδια,

έτσι αυτό το ινδικό χοιρίδιο
είναι η Τίφανυ,

και ο χρήστης του Youtube ισχυρίζεται
ότι είναι το πρώτο τρωκτικό

στο οποίο εφαρμόστηκε μεγέθυνση κίνησης.

Μπορείς να κάνεις και τέχνη με αυτό.

Αυτό το βίντεο στάλθηκε από
φοιτήτρια σχεδίου του Γιέιλ.

Ήθελε να διαπιστώσει αν υπάρχει διαφορά

στο πώς κινούνται οι συμφοιτητές της.

Τους έβαλε να σταθούν όλοι ακίνητοι
και μετά μεγέθυνε τις κινήσεις τους.

Είναι σαν να βλέπεις σταθερές εικόνες
να ζωντανεύουν.

Το ωραίο με όλα αυτά τα παραδείγματα

είναι ότι δεν έχουν καμία σχέση μ' εμάς.

Εμείς απλά διαθέσαμε αυτό το νέο εργαλείο,
ένα νέο τρόπο να δούμε τον κόσμο,

και κατόπιν οι άνθρωποι βρήκαν νέες,
ενδιαφέρουσες και δημιουργικές χρήσεις.

Αλλά δεν σταματήσαμε εκεί.

Με αυτό το εργαλείο,
όχι μόνο βλέπεις τον κόσμο αλλιώς,

αλλά επίσης εκτείνει τις δυνατότητές μας

και διευρύνει τα όρια του τι μπορούμε
να κάνουμε με μια κάμερα.

Έτσι ως επιστήμονες,
αρχίσαμε να αναρωτιόμαστε

ποια άλλα είδη φυσικών φαινομένων
παράγουν μικροκινήσεις

που θα μπορούσαμε να μετρήσουμε
με μια κάμερα;

Ένα φαινόμενο στο οποίο
πρόσφατα εστιάσαμε είναι ο ήχος.

Ξέρουμε ότι ο ήχος είναι

αλλαγές στην ατμοσφαιρική πίεση
που ταξιδεύουν μέσω του αέρος.

Τα κύματα πίεσης προσκρούουν
σε αντικείμενα και προκαλούν δονήσεις,

και έτσι ακούμε και καταγράφουμε τον ήχο.

Ο ήχος όμως προφανώς παράγει
επίσης οπτικές κινήσεις.

Είναι κινήσεις αόρατες μεν σ' εμάς

αλλά με τη σωστή επεξεργασία
είναι ορατές σε μια κάμερα.

Παραθέτω δύο παραδείγματα.

Ο υποφαινόμενος επιδεικνύω
τα ωδικά μου προσόντα.

(Τραγούδι)

(Γέλια)

Τράβηξα υψηλής ταχύτητας βίντεο
τον λάρυγγά μου ενώ μουρμούριζα.

Επαναλαμβάνω ότι, και να δείτε το βίντεο
δεν θα δείτε και πολλά,

αλλά αφού το μεγεθύνουμε επί 100
μπορούμε να δούμε κινήσεις και κυματισμούς

στο λαιμό που έχουν σχέση
με την παραγωγή του ήχου.

Το σήμα βρίσκεται μέσα στο βίντεο.

Επίσης ξέρουμε ότι ο τραγουδιστής
μπορεί να σπάσει ποτήρι

με τη σωστή νότα.

Εδώ θα παίξουμε μια νότα

που είναι στη συχνότητα αντήχησης
εκείνου του ποτηριού,

από ένα ηχείο δίπλα σε αυτό.

Όταν παίξουμε τη νότα
και τη μεγεθύνουμε 250 φορές

μπορούμε να δούμε καθαρά
πώς δονείται το ποτήρι

και αντηχεί ανάλογα με τον ήχο.

Δεν είναι κάτι που βλέπεις καθημερινά.

Αλλά μας έβαλε σε σκέψεις.
Μας έβαλε μια εξωφρενική ιδέα.

Μπορούμε να αναστρέψουμε τη διαδικασία
και να ανακτήσουμε τον ήχο από το βίντεο

αναλύοντας τις μικροδονήσεις που προκαλούν
τα ηχητικά κύματα πάνω στα αντικείμενα

και κατ' ουσίαν να τις μετατρέψουμε πάλι
στον ήχο που τις προκάλεσε.

Έτσι μπορούμε να μετατρέψουμε
καθημερινά αντικείμενα σε μικρόφωνα.

Και αυτό ακριβώς κάναμε.

Εδώ είναι ένα άδειο σακουλάκι από τσιπς
που βρισκόταν στο τραπέζι,

και εμείς θα το μετατρέψουμε σε μικρόφωνο

καταγράφοντάς το με βιντεοκάμερα

και αναλύοντας τις μικροκινήσεις
που τα ηχητικά κύματα προκαλούν σε αυτό.

Ορίστε και ο ήχος που παίξαμε στο δωμάτιο.

(Μουσική: «Αρνάκι άσπρο και παχύ»)

Αυτό είναι το υψηλής ταχύτητας βίντεο
με το σακουλάκι των τσιπς.

Παίζει ξανά.

Δεν υπάρχει περίπτωση
να δείτε να συμβαίνει κάτι στο βίντεο

απλά κοιτώντας το,

αλλά εδώ είναι ο ήχος
που μπορέσαμε να ανακτήσουμε

αναλύοντας τις μικροκινήσεις στο βίντεο.

(Μουσική: «Αρνάκι άσπρο και παχύ»)

Εγώ το λέω -- Ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα)

Εγώ το λέω οπτικό μικρόφωνο.

Πράγματι εξάγουμε ηχητικά σήματα
μέσα από οπτικά σήματα.

Και για να αντιληφθείτε
το μέγεθος της κίνησης εδώ,

ένας πολύ δυνατός ήχος θα κινήσει
το σακουλάκι λιγότερο από ένα μικρόμετρο.

Είναι το ένα εκατομμυριοστό του μέτρου.

Τόσο μικροσκοπικές είναι οι κινήσεις
που μπορούμε πλέον να εξάγουμε

απλά παρατηρώντας
πώς το φως αναπηδά στα αντικείμενα

και καταγράφεται στην κάμερα.

Μπορούμε να ανακτήσουμε ήχο
από άλλα αντικείμενα, όπως τα φυτά.

(Μουσική: «Αρνάκι άσπρο και παχύ»)

Ανακτούμε επίσης και λόγο.

Εδώ ένας άνθρωπος μιλάει
μέσα σ' ένα δωμάτιο.

Φωνή: Αρνάκι άσπρο και παχύ,
της μάνας του καμάρι,

εβγήκε εις την εξοχή,
και στο χλωρό χορτάρι.

Μάικλ Ρουμπινστάιν:
Και πάλι ο ήχος που ανακτήθηκε

μέσω βίντεο
από το ίδιο σακουλάκι των τσιπς.

Φωνή: Αρνάκι άσπρο και παχύ,
της μάνας του καμάρι,

εβγήκε εις την εξοχή,
και στο χλωρό χορτάρι.

ΜΡ: Χρησιμοποιήσαμε το «Αρνάκι»

επειδή υποτίθεται ότι ήταν τα πρώτα λόγια

που είπε ο Τόμας Έντισον
στο φωνόγραφο το 1877.

Ήταν μια από τις πρώτες συσκευές
καταγραφής ήχου στην ιστορία.

Βασικά κατεύθυνε τους ήχους
σ' ένα διάφραγμα

το οποίο δονούσε μια βελόνα
που χάραζε τον ήχο πάνω σε αλουμινόχαρτο

τυλιγμένο γύρω από ένα κύλινδρο.

Μια επίδειξη καταγραφής και αναπαραγωγής
ήχου με το φωνόγραφο του Έντισον.

(Βίντεο) Φωνή:
Δοκιμή, δοκιμή, ένα δύο τρία.

Αρνάκι άσπρο και παχύ,
της μάνας του καμάρι,

εβγήκε εις την εξοχή,
και στο χλωρό χορτάρι.

Δοκιμή, δοκιμή, ένα δύο τρία.

Αρνάκι άσπρο και παχύ,
της μάνας του καμάρι,

εβγήκε εις την εξοχή,
και στο χλωρό χορτάρι.

ΜΡ: Σήμερα, μετά από 137 χρόνια,

μπορούμε να έχουμε ήχο παρόμοιας ποιότητας

αλλά απλά παρακολουθώντας με κάμερα
αντικείμενα που πάλλονται λόγω του ήχου,

ακόμη κι αν η κάμερα είναι 15 μέτρα μακριά

και πίσω από ηχομονωτικό τζάμι.

Αυτό τον ήχο καταφέραμε να πάρουμε
σ' αυτή την περίπτωση.

Φωνή: Αρνάκι άσπρο και παχύ,
της μάνας του καμάρι,

εβγήκε εις την εξοχή,
και στο χλωρό χορτάρι.

ΜΡ: Και φυσικά η παρακολούθηση
είναι η πρώτη εφαρμογή που σκεφτόμαστε.

(Γέλια)

Μπορεί όμως να χρησιμεύσει
και σε άλλα πράγματα.

Ίσως στο μέλλον να μπορέσουμε
να το χρησιμοποιήσουμε

για να ανακτήσουμε ήχο
διαμέσου του διαστήματος,

επειδή ο ήχος δεν ταξιδεύει στο διάστημα,
αλλά το φως ταξιδεύει.

Μόλις αρχίσαμε να εξερευνούμε

άλλες πιθανές χρήσεις
αυτής της τεχνολογίας.

Μας επιτρέπει να δούμε φυσικές διεργασίες
που ξέρουμε ότι υπάρχουν,

αλλά δεν μπορούσαμε έως τώρα
να δούμε με τα μάτια μας.

Αυτή είναι η ομάδα μας.

Όλα όσα είδατε σήμερα
είναι προϊόν συνεργασίας

αυτής της θαυμάσιας ομάδας ανθρώπων
που βλέπετε εδώ,

και σας προσκαλώ και παρακινώ
να επισκεφτείτε τον ιστοχώρο μας,

να το δοκιμάσετε και οι ίδιοι

και μαζί μας να εξερευνήσετε
τον κόσμο της μικροκίνησης.

Σας ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα)