Устройства хранения информации

Буферная память

Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональных компьютерах. Основное отличие в том, что при выборе тех или иных микросхем основное внимание уделяется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно), сколько надежности и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из производителей не пришла в голову мысль увеличить объем этой памяти. При этом в буфер может помещаться и обрабатываться не один, а несколько кадров. Таким образом, значительно сокращается интервал, необходимый для подготовки камеры к следующей съемке, практически время затрачивается только на зарядку вспышки. Если не использовать вспышку, то становится доступным режим непрерывной съемки, когда камера делает несколько (до 10) кадров с высокой скоростью (до 3 кадров в секунду) и помещает их в буфер, где они обрабатываются и потом записываются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспечивает высокую пропускную способность, то возможен режим видеосъемки — затвор при этом остается открытым на все время съемки.

Характеристики получаемого видеоролика в основном такие: разрешение 320x240, частота 15 кадров в секунду, продолжительность до 30 секунд.

После того как программное обеспечение камеры создало на основе данных с ПЗС-матрицы полноцветное изображение, возникает задача его сохранения. Графические файлы очень велики и поэтому требуется их дополнительная обработка — сжатие. При этом используется алгоритм JPEG (Joint Photographic Experts Group). Суть этого алгоритма сводится к трем основным шагам. На первом шаге кодировка RGB, основанная на представлении каждого цвета сочетанием красного, синего и зеленого оттенков, заменяется на кодировку YUV. В этом формате компонент Y отвечает за яркость, a U и V — за цветовой оттенок. Подобная схема применяется в телевещании — как уже было сказано, человеческий глаз больше реагирует на яркостные характеристики изображения, чем на цветовые.

На втором шаге следует разбиение изображения на отдельные участки размером 8x8 пикселов, затем над каждым участком производится математическая операция — дискретное косинус-преобразование. В результате изображение представляется в виде гармонических колебаний разной частоты и амплитуды.

А на третьем шаге происходит то, из-за чего компрессия JPEG называется «сжатием с потерями качества» — частотно-амплитудные характеристики каждого блока анализируются с учетом повторяемости цветов в изображении и особенностей человеческого зрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верхней части спектра. При этом удается исключить до половины яркостной информации и до 3/4 цветовой. Естественно, что даже при минимальном сжатии, когда человеческий глаз не в состоянии отличить изображение в формате JPEG от оригинала, восстановить изображение с точностью до пиксела невозможно (а, в общем-то, и не нужно). Чем выше коэффициент сжатия, тем большее количество яркостных и цветовых характеристик исключается, тем меньше получаемый файл и тем больше шансов обнаружить при просмотре визуальные искажения (артефакты) JPEG. Эти искажения проявляются в виде размытия контрастных границ, проявления блочной структуры кадра и других нежелательных явлений.

В качестве альтернативы формату JPEG в некоторых камерах используется так называемый формат RAW, когда в долговременную память записывается «отпечаток» ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуется специальная программа, поставляемая фирмой-производителем камеры. Не всегда эти программы обладают достаточным количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные обстоятельства привели к появлению у фотокамер функции записи в формате TIFF. Он тоже позволяет производить сжатие кадра, но в отличие от JPEG потери информации при этом не происходит. Но даже с минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.

Стоит ли отказываться от формата JPEG и, закупив достаточное количество модулей долговременной памяти большого объема, использовать только TIFF? Опираясь на собственный опыт, автор может уверить, что использование минимального уровня сжатия JPEG практически не сказывается на качестве кадра. В то же время неудачно подобранная экспозиция, баланс белого либо фокус могут испортить кадр значительно серьезнее. Так что иногда бывает лучше отснять несколько кадров в формате JPEG и выбрать из них самый удачный, чем убедиться в неудачности единственного кадра TIFF.

Поскольку практически все современные модели цифровых фотокамер оснащены цветным ЖК-дисплеем, есть возможность рассмотреть отснятые кадры. Некоторые фотоаппараты поддерживают функцию масштабирования, то есть просмотра увеличенного изображения по частям. Таким образом, неудачные кадры
можно удалить сразу же. А для хранения необходимых пользователю изображений требуется долговременная память, к рассмотрению которой мы и переходим.

Устройства долговременного хранения

К устройствам долговременного хранения предъявляется ряд жестких требований. Во-первых, необходима возможность продолжительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при операциях записи/считывания/стирания. В-третьих, время записи/считывания/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых, габариты должны быть минимальными. И наконец, самое главное — устройство обязано быть стопроцентно надежным. Перечисленным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-память.

Флэш-память

Этот тип памяти является промежуточным между ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, в англоязычной литературе — ROM, read-only memory), которое хранит информацию без источников питания, но не позволяет ее модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информацию модифицировать, но хранить ее не может. Флэш-память использует питание только при считывании данных и их модификации, причем для считывания необходимо менее высокое напряжение, а для записи — повышенное.

Карты PCMCIA

Самыми первыми устройствами, использовавшими этот вид памяти (если исключить военное применение), были портативные компьютеры (ноутбуки). Был принят стандарт PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — Международная ассоциация карт памяти для персональных компьютеров), описывающий форм-фактор и интерфейс подключения карт расширения постоянной памяти для ноутбуков. В отличие от модулей расширения ОЗУ, карты PCMCIA предназначались для хранения данных без дополнительных источников питания, а также переноса данных между портативными компьютерами. Спецификация оказалась настолько удачной, что в этом же стандарте стали выпускаться модемы, сетевые карты и т. д., а сам стандарт приобрел новое название — PC Card. На данный момент существуют три типа карт PCMCIA. Все они характеризуются 85,6 мм длиной и 54 мм шириной, а вот толщина у них разная — у типа I она 3,3 мм, у типа II — 5 мм и у типа III — 10,5 мм. Флэш-память, как правило, выпускалась I и II типа, а в форм-факторе III типа выпускались сменные жесткие диски, о которых будет сказано далее.

Большинство из ранних моделей цифровых фотокамер были оборудованы несменной флэш-памятью, так как небольшие размеры кадров позволяли это. Первыми PCMCIA-слотами обзавелись сравнительно крупные по габаритам и требующие больших объемов памяти профессиональные фотоаппараты. Затем эти разъемы стали появляться и в любительских моделях, но к этому моменту возникло два новых стандарта, позволивших ми-ниатюризировать модули памяти.

CompactFlash

С увеличением плотности записи флэш-памяти выяснилось, что запасы по габаритам карт PCMCIA в ряде случаев избыточны. В то же время в большинство любительских камер PCMCIA-слоты просто не помещаются. В 1994 году компания SanDisk представила флэш-память нового типа — CompactFlash. Фактически
это был модуль PCMCIA, «втиснутый» в новые габариты — 43x36x3,3 мм. Вес составил около 15 г. Разъем PCMCIA имел 68 контактов, CompactFlash — 50, тем не менее между собой они сохранили полную электрическую совместимость. При помощи механического переходника модули CompactFlash легко устанавливались в PCMCIA-слоты, что упрощало коммутацию, по крайней мере, с портативными компьютерами.

Рис. 4.2. Модуль CompactFlash

От модулей PCMCIA CompactFlash унаследовал двойное напряжение питания — 3,3 и 5 В, а также размещение контроллера управления памятью прямо на карте. Благодаря этому, какой бы емкости модуль CompactFlash пользователь ни приобрел, он может быть уверен, что его старый фотоаппарат будет работать с новой памятью. Для передачи изображений в компьютер без использования камеры применяются различные переходники. Наиболее распространены вышеупомянутый механический переходник PCMCIA, а также устройство чтения модулей CompactFlash через порт USB.

Чаще всего модули этого типа встречаются в фотоаппаратах Kodak, Canon и Nikon. С появлением CompactFlash тип II (толщина 5 мм) развитие стандарта фирмой IBM приобрело несколько необычное направление, об этом будет рассказано далее.
Широкое применение эти модули получили в среде мини-компьютеров. Электронная совместимость с картами PCMCIA позволила использовать форм-фактор CompactFlash для модемов, сетевых карт и даже миниатюрных и довольно примитивных фотокамер. Но последние — устройства уже совсем другой категории.

SmartMedia

Абсолютно новое устройство разработали компании, входящие в консорциум SSFDC — Solid State Floppy Disk Card (среди них Olympus, Toshiba и Fuji). Как следует из названия (приблизительный перевод — карты твердотельных флоппи-дисков), разрабатываемые устройства SmartMedia должны были быть дешевыми, легкими и компактными, контроллер управления памятью планировалось размещать в фотоаппарате. Среди отрицательных сторон такого подхода стоит отметить невозможность установки новых модулей большой емкости в старые модели камер. Тем не менее удалось в минимальные (45x37x0,76 мм) габариты легкого (всего 2 г) пластикового корпуса уместить сначала 2 и 4, а затем 8, 16, 32 и даже 64 Мбайт. Поначалу стоимость мегабайта SmartMedia оказалась даже чуть дороже мегабайта CompactFlash. Теперь же, если взять модули одной емкости разных типов, то SmartMedia окажется дешевле на 30 %. Различают модули на 3,3 В и на 5 В (в последнее время не применяются). Для того чтобы не перепутать, у модулей на 5 В срезан левый верхний угол, у 3,3-вольтовых — правый верхний. Кроме того, наклеив круглый кусочек фольги (в комплекте с каждым модулем поставляются 4 таких наклейки) на определенную область модуля, пользователь может закрыть данные от записи/стирания.

Рис. 4.3. Модуль SmartMedia

Для передачи данных в портативный компьютер используется адаптер стандарта CMCIA. В отличие от аналогичного устройства для CompactFlash, данный переходник содержит контроллер работы с памятью, поэтому он дороже, а старые модели адаптеров не всегда могут работать с новыми модулями памяти. Так же как и для CompactFlash, существуют переходники для связи через порт USB. Кроме того, благодаря миниатюрности модулей SmartMedia был разработан уникальный переходник FlashPath. По внешнему виду он напоминает обычный гибкий диск 3,5 дюйма. В него помещается модуль SmartMedia, после чего FlashPath вставляется в 3,5-дюймовый дисковод и информация считывается с него, как с обычного гибкого диска. Для работы этот адаптер использует две «часовых» батарейки (так называемые «таблетки»). Многие специалисты в области цифровой фотографии подозревают, что переходник этот был разработан в ответ на серию камер Sony Mavica (о них будет рассказано далее).

MultiMedia Card

Вдохновленные успехом SmartMedia, в 1998 году фирмы Ericsson, Hitachi, Motorola, Nokia и Siemens объединились в MultiMedia Card Association (MMCA) — Ассоциацию карт мультимедиа. Новые карты памяти должны были стать самыми компактными и обладать минимальным энергопотреблением. Сфера применения — мини-компьютеры и сотовые телефоны (обратите внимание на список фирм-участниц ассоциации!), диктофоны и плейеры (в формате МРЗ), устройства GPS и, как ни странно, цифровые фотоаппараты. Габариты карт— 24x32x1,4 мм. На данный момент существует большое количество мини-компьютеров с разъемами под ММС, есть и сотовые телефоны с поддержкой этого стандарта. А вот фотокамер в течение первых трех лет было выпущено не так много — не более десятка моделей.

В основном модули ММС прижились в цифровых видеокамерах, добавляя к возможности видеосъемки функцию фотографирования. В качестве примера можно назвать цифровую видеокамеру Panasonic NV-C7 MiniDV, оборудованную слотом для ММС. Эта модель позволяет снимать кадры с разрешением 1200x900 или 640x480. Естественно, поскольку оптика видеокамеры отличается (и довольно существенно) от оптики фотоаппарата, качество фотографии в большинстве случаев оставляет желать лучшего.

Благодаря применению в цифровых видеокамерах модули ММС получили довольно широкое распространение. Поэтому в последнее время часть разработчиков цифровой фототехники стала все больше использовать память этого стандарта в своих камерах. В основном это те производители, модели которых не были долгое время «привязаны» к стандартам SmartMedia или CompactFlash. Для передачи данных в компьютер для модулей ММС разработаны как PCMCIA- и USB-, так и FlashPath-переходники.

Рис. 4.4. Модули ММС

Memory Stick

Фирма Sony, как всегда, «пошла другим путем». Ее модули Memory Stick отличаются внешним видом (размер 50x21,5x2,8 мм, вес около 4 г, визуально больше всего напоминают пластинку жевательной резинки), фиолетовым цветом и наличием переключателя защиты записи/стирания. Естественно, что модули эти распространены в основном в пределах техники Sony — начиная от органайзеров и заканчивая видеокамерами. Был разработан также уменьшенный вариант Memory Stick Duo (20x31x1,6 мм), для совместимости со стандартными слотами Memory Stick в комплект поставки входит расширительная планка. В последнее время Sony лицензирует использование Memory Stick в устройствах других фирм, а также по примеру CompactFlash создает периферийные устройства в этом форм-факторе. На данный момент разрабатываются: устройство GPS (31x112x11,5 мм; 29 г; приемник на 16 каналов), фотокамера (4x77x15 мм; 12,5 г; ЭОП — 100 000-пиксельная КМОП-матрица разрешением 332x288), а также распознаватель отпечатков пальцев (21,5x50x2,8 мм; 4 г).

Рис. 4.5. Модуль Memory Stick

xD-Picture Card

Двое участников консорциума SSFDC, Fuji и Olympus, решили ответить на вызов, брошенный MultiMedia Card Association. Новый стандарт, разработанный в середине 2002 года, назывался xD-Picture Card и описывал самые миниатюрные карты, их габариты составляли 20x25x1,7 мм. Особый акцент делался также на большую емкость носителей (максимум 8 Гбайт) и высокую скорость обмена данными.
Выигрышной стороной xD-Picture Card было то, что все новые фотоаппараты Fuji и Olympus, совместимые с новыми картами, позволяли использовать также устаревшие модули SmartMedia. При этом дополнительного объема в корпусе фотоаппарата не требовалось, так как в один и тот же слот можно было устанавливать как старые, так и новые носители, только контактные группы у них располагались с разных сторон.
Одновременно с картой были представлены переходники. Два из них были привычными (PCMCIA и USB), а вот третий вызвал особенный интерес. Он выполнялся в виде карты CompactFlash и был совместим со всеми устройствами данного типа. Таким образом, Fuji и Olympus удалось создать носитель, совместимый с двумя из существующих типов — SmartMedia и CompactFlash.

Рис. 4.6. Модуль xD-Picture Card

На декабрь 2002 года на рынке имелись модули с максимальной емкостью 128 Мбайт. К началу 2003 года должны появиться карты на 256 Мбайт.

Другие виды носителей

Среди альтернативных методов хранения информации преобладают разнообразные устройства с магнитными методами записи. Условно их можно разделить на две группы. В первой группе используются различные сменные носители — от обычного гибкого диска 3,5 дюйма до магнитооптического картриджа. При этом не очень высокая емкость носителя компенсируется ценой и доступностью. Во второй группе используются миниатюрные жесткие диски («винчестеры»). Сравнительно высокая цена этих устройств частично оправдывается большой емкостью и высокими скоростями записи.

Устройства со сменными носителями

Из устройств данного типа наибольшего успеха (правда, непродолжительного) добилась фирма Sony, выпустившая линейку моделей Mavica.

В качестве носителя информации в них использовались обычные дискеты 3,5 дюйма. Поначалу дешевизна и распространенность дискет сулила успех этим фотокамерам, но в дальнейшем выявились неустранимые недостатки данной схемы. Во-первых, габариты и вес дисковода, даже в миниатюризировашгом исполнении фирмы Sony, не позволяли сделать по-настоящему портативный фотоаппарат. Во-вторых, из-за высокого энергопотребления конструкторам пришлось оснастить камеру мощным литиево-ионным аккумулятором, подобным тем, которые используются в видеокамерах. Причем эта конструктивная необходимость была обыграна в рекламных сообщениях как преимущество в комплектации, хотя на самом деле при использовании обычных батареек формата АА (большинство фотоаппаратов использует именно их) Mavica вряд ли смогла бы проработать больше 10 минут. В-третьих, скорость доступа к данным оставляла желать лучшего. В-четвертых, дискеты сами по себе недостаточно надежный хранитель информации, ну а если в процессе записи кадра камеру нечаянно встряхнуть... Но что по-н'астоящему «убило» эту серию, так это стремительно возросшее разрешение ПЗС-мат-риц, повлекшее за собой многократное увеличение размера файлов. В подобных условиях пользователю приходилось носить с собой не одну коробку дискет, что устраивало далеко не всех. А с падением цен на флэш-память камеры Mavica потеряли последнее преимущество — многократную дешевизну каждого мегабайта памяти. Камеры этой серии производятся до сих пор, но последние модели оснащены также отсеком для Memory Stick. Поэтому дисковод в них играет роль своеобразного переходника или же носителя «на самый крайний случай».

Рис. 4.8. Камера Mavica

Развитием серии Mavica было появление моделей серии MVC-CD — в качестве носителя в них используются 3,5-дюймовые CD-R- и CD-RW-диски (емкостью 156 Мбайт). Естественно, что все конструктивные недостатки Mavica перекочевали и в эту камеру, причем энергопотребление и чувствительность к вибрации возросли.

В попытке реанимировать «дискетную» технологию фирма Panasonic представила камеру PV-SD4090, использовавшую в качестве носителей дискеты SuperDisk емкостью 120 Мбайт. Разрешение у этой камеры было 1280x960, она оснащалась трехкратным вариообъективом, помимо SuperDisk поддерживались и обычные дискеты. Основная проблема состояла в том, что компьютер должен тоже был оборудоваться дисководом SuperDisk, а такие встречаются нечасто. Кроме того, цена модели была относительно высокой. Развитием серии стала модель PV-SD5000 с разрешением 2048x1536 и трехкратным вариообъективом. Главными недостатками обеих камер были большие габариты и вес, а также высокое энергопотребление.
Нельзя не упомянуть фотоаппарат Agfa ePhoto CL30 Click!. Дискета Click! является уменьшенным вариантом популярной 100-мегабайтной дискеты Iomega Zip. Несмотря на невысокую емкость (40 Мбайт), миниатюрные габариты дисковода Click! позволили уместить его внутри PCMCIA-карты II типа. Разумеется, вскоре появилась камера, оборудованная данным дисководом. За основу была взята модель Agfa CL30 (1152x864), к названию которой добавилось обозначение нового носителя — Click!. Новая камера была лишена главных недостатков, характерных для этого класса фотоаппаратов, — больших габаритов и массы. Но за все приходится платить — по отзывам экспертов, дисководы Click! отличаются самым низким уровнем надежности по сравнению с другими аналогичными устройствами.

Компаниям» Olympus, Sanyo и Hitachi-Maxwell был разработан новый стандарт магнитооптического дисковода — iD-Photo, который отличался малыми габаритами (59x56x4,8 мм), высокой скоростью доступа (от 10 до 50 Мбайт/с) и большой емкостью — 730 Мбайт.

Рис. 4.10. Диск iD-Photo и камера Sanyo IDC-1000Z

На базе этого устройства одна из компаний-разработчиков, Sanyo, спроектировала цифровую фотокамеру IDC-1000Z. Ее оптическая подсистема состоит из трехкратного вариообъектива, разрешение поначалу не впечатляет — всего лишь 1360x1024. Однако преимущество данной модели не в разрешении, в режиме непрерывной съемки камера позволяет фотографировать со скоростью от 7,5 кадров в секунду (1 ЗбОх 1024) до 30 кадров в секунду (640x480). Количество кадров, сохраняемых на диске, варьируется от 1000 (1360x1024) до 6000 (640x480). В режиме видеосъемки пользователь может выбрать от наиболее качественного (640x480; 30 кадров в секунду; клипы по 8 минут) до наиболее экономного (160x120; 15 кадров в секунду; клипы по 120 минут) форматов. Если добавить к этому наличие микрофона и громкоговорителя, а также порты USB и FireWire, то налицо идеальный вариант «репортерской» камеры — с большими объемами памяти и возможностью продолжительной непрерывной видеосъемки. Габариты камеры 93x88x139 мм, вес 620 г.

Устройства, использующие жесткие диски

Гораздо раньше, чем дискеты, в качестве долговременных носителей в цифровых камерах стали использоваться жесткие диски («винчестеры»). Разумеется, это были не те монстры форм-фактором 3,5 дюйма, которые используются в персональных компьютерах. В профессиональных фотоаппаратах применялись жесткие диски для PCMCIA-слотов портативных компьютеров. Они выпускались в форм-факторе PCMCIA тип III (толщина 10,5 мм), обеспечивали высокую емкость и скорость доступа, надежность хранения и сравнительно небольшое энергопотребление. Однако, как и в случае с Sony Mavica, габариты решили все — то, что годилось для большого профессионального фотоаппарата, было неприменимо для компактной бытовой камеры.

Тем временем электронные устройства все миниатюризнрова-лись, стандарты на модули памяти развивались, и появился CompactFlash тип II. От предыдущего он отличался большей толщиной — 5 мм. Компания IBM, имевшая большие разработки
в области жестких дисков, уменьшила до предела механику, увеличила плотность записи и уменьшила энергопотребление своих устройств. В результате появилась возможность уместить в габариты CompactFlash тип II жесткий диск емкостью 340 Мбайт. Естественно, что по сравнению с флэш-памятью потребляемая им мощность выше, да и надежность механического устройства всегда ниже, чем надежность устройства чисто электронного. Но в целом характеристики Microdrive (так называется новое устройство), особенно скорость доступа и стоимость за мегабайт, позволяют уверенно конкурировать с модулями флэш-памяти. А появившиеся в последнее время модели Microdrive емкостью 512 Мбайт и 1 Гбайт обладают лучшим соотношением «цена/ емкость».