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技术的进步往往会宠坏我们。仅仅几年前的个人电脑与今天的智能手机相比简直不值一提，而且，曾经百万像素图像是数字摄影的尖端技术，而千兆像素图像（由至少十亿像素或图像元素组成）开始在网络上以生动的细节呈现。
千兆像素图像也为执法部门和军方提供了巨大的潜力，可以提供详细的侦察和监视信息。如今，卫星或无人驾驶飞行器(无人机)拍摄的远程图像可以捕捉到车牌号码的细节，同时飞行高度过高，地面无法发现这些无人机。但国防高级研究计划局 (DARPA) 的顾问、弗吉尼亚州麦克莱恩 MITRE 公司的高级首席科学家 拉维·阿塔莱 表示，这些图像只能提供狭窄的视野。他将无人机图像比作通过“吸管”观看战场或城市，将卫星图像比作注射针。
“我们不再处理固定装置或陆军坦克部队或导弹发射井部队，”阿塔莱说。“[打击恐怖主义需要] 了解在中等城市大小的广阔区域内正在发生的事情。”
通过其“用于图像重建和利用的先进广域视场架构”计划，DARPA 过去一年一直在研究开发一种可以在单次快照中拍摄千兆像素质量图像的相机的方法。这种方法是新颖的，因为今天的千兆像素图像实际上是由几个百万像素大小的图像数字拼接在一起组成的，以便在大面积范围内提供高水平的细节。这通常使用置于电动支架顶部的长焦数字单反(SLR)相机来完成。软件控制相机的移动，相机捕获数百甚至数千张图像的马赛克，这些图像放在一起时，会创建一个单一的高分辨率场景，即使观看者放大特定区域，也能保持其清晰度。DARPA 计划在其计划中投资 2500 万美元，为期三年半，其中包括一个名为“利用计算进行最大程度可扩展的光学传感器阵列成像”(MOSAIC)的组件。
单次快照千兆像素数字摄影方法有其缺点。设备笨重、昂贵且复杂。此外，由于自动化相机可能需要几分钟甚至几个小时才能拍摄创建更大马赛克所需的所有单个图像，因此光照条件可能会发生变化，物体（汽车、人、飞机等）可能会进入和离开画面。并且拼接单个图像需要软件来匹配重叠点——任何错误都必须手动纠正。
此类图像还需要特殊的查看软件，这些软件可以在 谷歌地球、360world.eu、Gigapan.org（由匹兹堡的卡内基梅隆大学、NASA 和谷歌创建）和其他允许千兆像素数字照片上传、查看和在网络上共享的网站上找到。
千兆像素图像也不利于紧凑型、廉价型相机捕获。今天相机中使用的数字处理器和内存不足以管理千兆像素图像，千兆像素图像包含的信息量是百万像素图像的 1000 多倍。（一个 10 千兆像素的图像将占用 超过 30 GB 的硬盘空间。）虽然像素通常用于指代图像分辨率，但这种属性实际上只能通过考虑图像的整体尺寸以及每英寸或每厘米的像素数来衡量。例如，一张 20.3 厘米 x 25.4 厘米、每厘米 60 像素的图像 与 一张 10.2 厘米 x 12.7 厘米、每厘米 120 像素的图像具有相同的分辨率。
计算摄影
纽约哥伦比亚大学的研究团队在计算机科学教授 什里·纳亚尔 的领导下，认为如果他们能够降低此类图像的复杂性，单次快照千兆像素相机是可能的。“与其将其视为捕获最终图像，不如将其视为捕获计算最终图像所需的信息，”纳亚尔说。
在一篇即将发表的论文中，哥伦比亚大学的研究人员在匹兹堡举行的 4 月 IEEE 国际计算摄影会议 (ICCP) 上提出了三种相对紧凑的相机设计（其中两种他们实际上已经构建了原型）用于单次拍摄千兆像素成像——每种设计都依赖于球形透镜和一个或多个数字传感器。哥伦比亚大学计算机科学博士候选人奥利弗·科赛尔特说，这种透镜是最简单的透镜之一，因为它具有完美的对称性（导致更少的像差），并且由一个元件而不是必须配置为协同工作的多个透镜组成，他与纳亚尔一起工作。
纳亚尔、科赛尔特及其在计算机视觉实验室（哥伦比亚工程学院计算机科学系的一部分）的团队创建的第一台相机是单元件、单中心相机，它使用平移/倾斜电机顺序扫描单个传感器，以模拟平铺传感器阵列。第二台相机是一个实际使用并排排列的五个传感器阵列的系统，该系统产生连续的视场 (FOV)。在第二个系统中，每个传感器周围的封装在它们之间留出了一些空间。为了解决这个问题，研究人员在球形透镜和传感器之间添加了五个辅助中继透镜。这种配置使每个传感器的 FOV 略微重叠，从而确保数据中没有可能扭曲最终图像的间隙。
第三种设计将辅助中继透镜直接连接到球形透镜的一半（使其看起来凹凸不平而不是光滑），并在透镜的这一半周围包含大量小型传感器。这些传感器可以连接到略大于透镜本身的球形半壳的内侧。然后，球形透镜将放置在半壳内部，以便每个传感器都与中继透镜耦合。透镜光滑部分看到的任何图像都将由半壳内部的传感器捕获。
纳亚尔说：“我们想表明，使用当今相机的外形尺寸、重量和成本，有一条通往千兆像素相机、视频或静态图像的道路。” “过去人们认为，如果不构建非常复杂的系统，就无法做到这一点。我们想说的是，通过使用计算和简单的系统，你可以做到这一点。”
阿塔莱承认纳亚尔、科赛尔特及其团队正在进行的工作的潜力，他说：“计算摄影对于提供‘持久的广域监视’至关重要。”
其他单次快照方法
微软亚洲研究院是少数几个尝试单次快照千兆像素成像的其他研究小组之一。自 2007 年以来，那里的研究人员一直在开发一种名为 dgCam 的原型，其高功率手风琴式透镜配置使该设备看起来像一台老式大画幅相机。dgCam 可以拍摄 1.6 千兆像素的图像，预计不会进行商业销售，它还使用比哥伦比亚大学原型中使用的传感器大得多的传感器。dgCam 并非旨在成为一款紧凑型相机，而是旨在帮助博物馆存档、管理和研究古代绘画和图纸。
微软亚洲研究院视觉计算组的研究员、dgCam 的设计者和建造者 摩西·本-埃兹拉 说，大画幅相机——早期需要使用大型感光板和胶片，现在依赖于比哥伦比亚大学研究人员使用的传感器大得多的传感器——非常适合拍摄小型物体的详细照片。他说：“透镜在图像捕获过程中不会移动，这对于任何不完全平坦的物体的档案质量成像至关重要。” dgCam 扫描图像，并且与哥伦比亚大学的项目一样，使用计算算法来捕获有关这些图像的信息。
另一种拍摄千兆像素快照的大画幅方法是 Gigapixl 项目，物理学家格雷厄姆·弗林特大约在十年前创立了这个项目。Gigapixl 的相机使用 23 厘米 x 46 厘米的胶片——与 U-2 等军用间谍飞机中使用的胶片相同，用于捕捉图像——然后将胶片扫描并数字化，以创建高达 4 千兆像素大小的图像。
千兆像素数字图像技术仍处于起步阶段，但随着技术的发展，对其需求将迅速增长。 Securitas Security Services 的安全顾问，同时也是网站 gigapixel360.com 的运营者克里斯托弗·希尔斯说：“1999 年，百万像素相机还是一个梦想。” 现在高端数码相机可以拍摄 2500 万像素的图像。“我绝对相信这将是监控和视频发展的下一个重大步骤，”他补充道。“世界将始终朝着更大、更快、更便宜的图片和视频方向发展。”
幻灯片：哥伦比亚大学研究人员的原型和概念千兆像素相机