看到不可见的运动,听到沉默的声音。酷?令人毛骨悚然?我们不能决定
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0:01 - 0:09过去的几个世纪,显微镜改变了世界。
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0:09 - 0:14它揭示了肉眼难以看到的
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0:14 - 0:17物体,生命和结构的微观世界。
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0:17 - 0:20它对科技进步做出了巨大的贡献。
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0:20 - 0:23今天我要向您介绍一类新型显微镜,
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0:23 - 0:26观察变化的显微镜。
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0:26 - 0:29它不是通常所说的光学显微镜
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0:29 - 0:31可以放大微小物体,
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0:31 - 0:35它利用视频摄像机和图像处理
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0:35 - 0:41来揭示物体和人的微小的颜色和运动变化,
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0:41 - 0:44这些变化是光凭肉眼难以分辨的。
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0:44 - 0:48它可以让我们以全新角度看世界。
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0:48 - 0:50我所说的颜色变化是什么意思呢?
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0:52 - 0:53举例来说,我们的皮肤,当血液流动时
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0:53 - 0:55皮肤表面的颜色有微弱变化。
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0:55 - 0:58变化十分微小,
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0:58 - 1:00小到当你观察坐在
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1:00 - 1:02你身边的人的时候,
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1:02 - 1:06你不能看到他脸上皮肤的颜色变化。
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1:06 - 1:10我们看看史蒂夫的这段视频,看上去好像是静态图片,
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1:10 - 1:14但是一旦我们通过我们新的、特别的显微镜看这段视频,
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1:14 - 1:16我们会看到完全不同的影像。
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1:16 - 1:20您在这里看到的是史蒂夫皮肤颜色微小变化
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1:20 - 1:25放大100倍之后的肉眼可见的效果。
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1:25 - 1:28我们可以明确的看到人体的脉搏。
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1:28 - 1:31我们可以看到史蒂夫心脏跳动得多快,
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1:31 - 1:37我们还可以明确地看到血液是如何流经史蒂夫脸部的。
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1:37 - 1:39我们不仅可以看到脉搏,
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1:39 - 1:43还可以推测心跳速率,
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1:43 - 1:44得到我们心跳速率。
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1:44 - 1:49我们可以通过常用摄像机,不需碰触病人就可以实现。
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1:49 - 1:55这里您可以看到我们提取的新生儿宝宝的脉搏和心跳速率
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1:55 - 1:57这是从常规数码单反相机视频中提取的,
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1:57 - 1:59我们测出的心率
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1:59 - 2:04和医院监测器测出的一样精确。
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2:04 - 2:07而且我们的软件甚至不需要我们自己专门拍摄的视频。
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2:07 - 2:10我们可以对其他视频作同样处理。
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2:10 - 2:14这是我截取《蝙蝠侠:侠影之谜》(Batman Begins)的一小段片断
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2:14 - 2:15显示演员克里斯蒂安·贝尔(Christian Bale)的脉搏。
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2:15 - 2:17(笑声)
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2:17 - 2:19你知道,他应该是化了妆了,
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2:19 - 2:21灯光也是挑战,
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2:21 - 2:24但是我们同样从这段视频中提取到了他的脉搏
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2:24 - 2:26演示效果不错。
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2:26 - 2:28我们是如何做到的呢?
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2:28 - 2:33首先我们分析了录像中每个像素
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2:33 - 2:35的光线随时间发生的变化,
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2:35 - 2:37我们放大这些变化。
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2:37 - 2:39经过放大使我们肉眼可以看见这些变化。
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2:39 - 2:41棘手的部分是,那些信号,
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2:41 - 2:44那些我们要放大的信号十分微小,
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2:44 - 2:47所以我们必须把它们和视频中存在的噪音
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2:47 - 2:51区分出来。
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2:51 - 2:54所以我们应用了一些聪明的影像处理技巧
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2:54 - 2:58精确的测量每个像素中的颜色,
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2:58 - 3:00然后得出颜色随时间的变化,
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3:00 - 3:03再然后我们放大这些变化。
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3:03 - 3:07我们可以放大这些变化,增强视频、或放大视频,
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3:07 - 3:09这样就可以演示出变化。
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3:09 - 3:13事实上,我们不仅可以展示颜色的细小变化,
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3:13 - 3:16同样也可以展示微小的运动,
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3:16 - 3:19这是因为我们的摄像机
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3:19 - 3:22不仅记录物体的颜色变化,
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3:22 - 3:24同样也记录了物体的运动。
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3:24 - 3:28这是我女儿,那时她才两个月大。
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3:28 - 3:31这是我三年前拍的。
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3:31 - 3:34作为初为人父母,我们要确保孩子的健康,
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3:34 - 3:37当然是,确保呼吸,确保活着。
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3:37 - 3:39所以我也买了个婴儿监控器
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3:39 - 3:41这也我可以在她睡着时看到她。
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3:41 - 3:45这是标准婴儿监控器所看到的。
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3:45 - 3:48您可以看到孩子睡着了,但没有其他信息了。
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3:48 - 3:50我们看不到更多东西。
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3:50 - 3:53可不可以更好点儿,有更多信息,更有用,
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3:53 - 3:56就像这样。
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3:56 - 4:02这里我放大了运动30倍,
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4:02 - 4:06这样我就可以真切地看到我女儿还活着,在呼吸。
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4:06 - 4:08(笑声)
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4:08 - 4:10这是效果对比。
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4:10 - 4:13同样,在原始视频上,
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4:13 - 4:14我们看不到什么,
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4:14 - 4:18但是一旦我放大了运动,呼吸变得肉眼可见了 。
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4:18 - 4:20事实上,我们用我们的“运动显微镜”
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4:20 - 4:24可以揭示很多现象。
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4:24 - 4:28我们可以看到体内静脉和动脉的脉动。
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4:28 - 4:31我们可以看到我们的眼睛在不断运动
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4:31 - 4:33在晃动中。
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4:33 - 4:34这实际上是我的眼睛,
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4:34 - 4:37同样,这段视频拍摄于我女儿出生不久之后,
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4:37 - 4:42所以你可以看到我睡得不多。(血丝)(笑声)
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4:42 - 4:44即使当人在静止坐着,
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4:44 - 4:46我们也可以提取许多信息
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4:46 - 4:50如呼吸节律,面部表情微小变化。
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4:50 - 4:52也许这可以
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4:52 - 4:55告诉我们,我们的想法或情绪。
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4:55 - 4:58我们同样也可以方法微小的机械运动,
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4:58 - 5:00如引擎的震动,
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5:00 - 5:03这可以帮助工程师诊断机械问题,
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5:03 - 5:08或者看到建筑或结构的随风摇动。
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5:08 - 5:13我们知道这些变化可以通过其他方法测量,
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5:13 - 5:15但是测量是一回事,
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5:15 - 5:17肉眼看到的又是
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5:17 - 5:20另一回事。
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5:20 - 5:23自从我们开发者这项新技术,
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5:23 - 5:27我们便把代码放到了网上,这样其他人可以使用试验它。
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5:27 - 5:29用起来很简单。
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5:29 - 5:31可以处理你自己拍的视频。
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5:31 - 5:34我们的合作伙伴,量研科技(Quanta Research),甚至建了个网站
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5:34 - 5:37这里可以上传视频并在线处理,
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5:37 - 5:40这样即使你没有计算机科学或编程经验
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5:40 - 5:43也可以试验这种新型“显微镜”。
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5:43 - 5:46我要演示几个其他的例子
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5:46 - 5:48别人用它做了什么。
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5:48 - 5:54这段视频是一个叫Tamez85的YouTube用户作的
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5:54 - 5:55我不知道他是谁,
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5:55 - 5:58但是他(她)用我们的代码
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5:58 - 6:01方法了孕妇腹部的运动。
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6:01 - 6:03令人毛骨悚然。
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6:03 - 6:05(笑声)
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6:05 - 6:09人们用它放在自己的腕部脉搏。
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6:09 - 6:13你知道要能被称为科学必须用到豚鼠,
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6:13 - 6:17显然这只豚鼠叫蒂芙妮,
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6:17 - 6:20这位YouTube用户声称
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6:20 - 6:22这是地球上首个运动被放大的啮齿类动物。
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6:22 - 6:24你也可以用它进行艺术创作。
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6:24 - 6:28这是耶鲁大学设计系学生发给我的视频。
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6:28 - 6:30她想看看
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6:30 - 6:31她同学运动的方式有何不同。
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6:31 - 6:35她让他们静止站立然后放大他们的运动。
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6:35 - 6:39者看上去像是图片有了生命。
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6:39 - 6:41这些例子的有意思的地方是
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6:41 - 6:43我们没有进行干预。
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6:43 - 6:47我们只是提供了新工具,一种看世界的新方法,
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6:47 - 6:52然后人们就找到其他有意思、新的创造性地方法使用这个工具。
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6:52 - 6:54我们不满足于此。
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6:54 - 6:57这个工具不仅使我们有了看世界的新方法,
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6:57 - 7:00同样它还重新定义了
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7:00 - 7:03摄像机的功能限制。
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7:03 - 7:05作为科学家,我们开始思考,
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7:05 - 7:09其他物理现象造成的微小振动
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7:09 - 7:12现在我们可以用摄像机来测量?
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7:12 - 7:16其中一种现象就是,声音。
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7:16 - 7:18声音,我们知道
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7:18 - 7:20声音是一种压力波,依靠空气的压缩变化在空气中传播。
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7:20 - 7:24压力波碰到物体,就会引起物体本身的微小震动。
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7:24 - 7:26这就是我们听到了录音的原理。
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7:26 - 7:30这样,声音也会造成物体的视觉运动。
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7:30 - 7:33这些运动,肉眼难于分辨
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7:33 - 7:36但是通过处理摄像机却可见。
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7:36 - 7:37这里有两个例子。
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7:37 - 7:40这里我展示我伟大的歌唱技巧。
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7:41 - 7:43(歌唱)
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7:43 - 7:44(笑声)
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7:44 - 7:47我哼唱时,我录了一段高速视频。
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7:47 - 7:49如果您盯着视频看的话,
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7:49 - 7:51仅凭肉眼您是看不出什么端倪的,
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7:51 - 7:55但是当我把运动方法100倍后我们就可以看到颈部的运动和波纹
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7:55 - 7:59这是由于声音震动造成的。
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7:59 - 8:01信号就藏在这段视频中。
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8:01 - 8:04我们知道,歌唱家可以震碎酒杯
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8:04 - 8:05如果他们发出正确的音符。
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8:05 - 8:07我们播放一个音符
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8:07 - 8:10玻璃杯旁边音箱发出
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8:10 - 8:12的共振频率。
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8:12 - 8:16我们播放音符,然后方法运动250倍,
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8:16 - 8:19我们可以清楚的看到
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8:19 - 8:22玻璃杯是如何响应声音共振的振动的。
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8:22 - 8:25这是我们日常见不到的。
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8:25 - 8:28但是这激发了我们思考。给我们一个疯狂的主意。
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8:28 - 8:34我们能不能通过分析声音在物体上造成的微小振动
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8:34 - 8:38从视频中逆向重构出声音来呢,
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8:38 - 8:42重构出原来的声音呢?
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8:42 - 8:47依靠这种方法,我们可以把任何物体变成麦克风。
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8:47 - 8:49我们真的照做了。
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8:49 - 8:52这是一个空薯片袋,放在桌上,
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8:52 - 8:55我们要把这个薯片袋变为一个麦克风
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8:55 - 8:56用摄像机拍摄视频
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8:56 - 9:00然后分析视频中声音造成的微小振动。
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9:00 - 9:02这是我们在房间中播放的声音。
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9:02 - 9:07(音乐:“Mary Had a Little Lamb”)
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9:10 - 9:13这是我们摄制的薯片袋的高速视频。
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9:13 - 9:14同样,
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9:14 - 9:18您凭肉眼
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9:18 - 9:19是看不出来什么的,
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9:19 - 9:22但是我们可以通过分析视频中微小的振动
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9:22 - 9:24恢复出原有的声音。
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9:24 - 9:27(音乐:“Mary Had a Little Lamb”)
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9:41 - 9:42我叫它 —— 谢谢。
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9:42 - 9:48(掌声)
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9:50 - 9:52我叫它视觉麦克风。
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9:52 - 9:56实际上我们从视频信号中提取了音频信号。
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9:56 - 9:59为了让您了解运动的大小,
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9:59 - 10:04一个特别大的声音可以导致薯片袋一微米的变化。
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10:04 - 10:07也就是千分之一毫米。
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10:07 - 10:10这就是我们能够提取出来的微小运动
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10:10 - 10:14仅仅是通过摄像机录制的视频
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10:14 - 10:16观察光线在物体上的变化。
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10:16 - 10:19我们可以从物体上重构出原声音,如植物。
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10:19 - 10:25(音乐:“Mary Had a Little Lamb”)
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10:27 - 10:29我们也可以重构出讲话。
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10:29 - 10:32这是一个人在房间中讲话。
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10:32 - 10:36(声音:Mary had a little lamb
whose fleece was white as snow,) -
10:36 - 10:40and everywhere that Mary went,
that lamb was sure to go. -
10:40 - 10:43迈克尔·鲁宾斯坦:这是一个讲话
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10:43 - 10:46这段视频同样是由那个薯片袋重构出声音。
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10:46 - 10:51声音:Mary had a little lamb
whose fleece was white as snow, -
10:51 - 10:56and everywhere that Mary went,
that lamb was sure to go. -
10:56 - 10:58迈克尔·鲁宾斯坦:我们用儿歌“Mary Had a Little Lamb”
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10:58 - 11:00因为托马斯 爱迪生在1877年
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11:00 - 11:05第一次录制在留声机上的也是这首儿歌。
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11:05 - 11:08这是历史上第一个录音设备。
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11:08 - 11:11原理是把声音录在薄膜上
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11:11 - 11:15声音通过振动的针头刻录在锡箔上
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11:15 - 11:17锡箔被包裹在圆柱体上。
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11:17 - 11:23这是演示爱迪生留声机的录制和回放。
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11:23 - 11:26(视频)声音:Testing,
testing, one two three. -
11:26 - 11:30Mary had a little lamb
whose fleece was white as snow, -
11:30 - 11:34and everywhere that Mary went,
the lamb was sure to go. -
11:34 - 11:36Testing, testing, one two three.
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11:36 - 11:40Mary had a little lamb
whose fleece was white as snow, -
11:40 - 11:46and everywhere that Mary went,
the lamb was sure to go. -
11:46 - 11:50迈克尔·鲁宾斯坦:137年过去了,
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11:50 - 11:54我们可以重构出同样质量的声音
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11:54 - 11:58却是通过观察摄像机拍摄的物体振动实现的,
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11:58 - 12:00我们甚至可以把摄像机
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12:00 - 12:04放到15英尺外隔音玻璃后边。
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12:04 - 12:07这是我们在这种情况下还原的声音。
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12:07 - 12:13声音:Mary had a little lamb
whose fleece was white as snow, -
12:13 - 12:17and everywhere that Mary went,
the lamb was sure to go. -
12:17 - 12:21迈克尔·鲁宾斯坦:当然,监控是我们想到的第一个应用。
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12:21 - 12:24(笑声)
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12:24 - 12:28但是它应该还有其他用处。
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12:28 - 12:31可能,未来我们可以用它
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12:31 - 12:33太空中还原声音,
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12:33 - 12:37因为声音不可以在太空中传播,但光可以。
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12:37 - 12:39我们仅仅是刚刚开始探索
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12:39 - 12:42这项新技术的可能用途。
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12:42 - 12:45这让我们熟知的物理过程
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12:45 - 12:49变得肉眼可见了。
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12:49 - 12:50这是我们的团队。
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12:50 - 12:53今天我展示的一切
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12:53 - 12:55都是这群伟大的人的协作成果。
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12:55 - 12:58我鼓励您,欢迎您访问我们的网站,
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12:58 - 12:59亲身体验,
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12:59 - 13:02加入我们,一同探索微小振动的世界。
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13:02 - 13:04谢谢。
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13:04 - 13:05(掌声)
- Title:
- 看到不可见的运动,听到沉默的声音。酷?令人毛骨悚然?我们不能决定
- Speaker:
- 迈克尔·鲁宾斯坦
- Description:
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看看“运动显微镜”,一个视频处理软件,可以把运动或颜色的微小变化转化为肉眼可见。视频研究员迈克尔·鲁宾斯坦播放了一段令人惊异的视频,视频中展示了这项技术可以从一段视频获取某人的脉搏和心跳。看他通过放大声音在薯片袋上造成的震动,重构出声音。这项技术令人叹为观止的邪恶应用,您有必要眼见为实。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:18