Тенденции в цифровой фотографии. Часть 5 (Память)

Тенденции в цифровой фотографии: Часть 1. Объективы Часть 2. Вспышки Часть 3. ПЗС-матрицы Часть 4. Пиксели Часть 5. Память

Любой, достаточно сложный электронный прибор представляет собой в том или ином виде компьютер, поскольку обеспечивает или обработку информации, или какую-то реакцию в ответ на её изменение. В частности, любой плёночный фотоаппарат, обеспечивающий автоматический обсчёт экспозиции и наведение на резкость, оборудован простейшим либо сложнейшим (в зависимости от класса) микропроцессором - а зачастую и не одним. Эти устройства, анализируя информацию с датчиков, фокусируют объектив и рассчитывают диафрагму и выдержку - причём для последней операции используется специализированная база данных.

И уж тем более не обойтись без компьютера цифровой фотокамере, хранящей сами снимки в виде двоичной информации. Более того, даже набор компонентов такого фотоаппарата вполне привычен для любого пользователя, знакомого с начинкой компьютера. Среди узлов цифровой камеры можно встретить ПЗУ, ОЗУ, скромную в энергопотреблении КМОП-память, энергонезависимую флэш-память, накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД), чаще называемые "винчестерами", и даже такую экзотику, как флоппи-дисководы и приводы CD-RW.

Очевидно, большинству читателей знакомо назначение вышеперечисленных устройств - все они, так или иначе, служат для оперативного либо долговременного хранения данных. Однако может возникнуть вопрос, каким образом эти компоненты применяются в цифровой фототехнике - особенно с учётом того, что часть из них отличается как отменной "прожорливостью" (по части электроэнергии), так и внушительными габаритами.

Чтобы рассказ шёл от простого к сложному, желательно вести рассмотрение хронологически - как относительно развития самих камер, так и касательно процессов, происходящих в цифровом фотоаппарате.

ПЗУ, ОЗУ и КМОП-память

Итак, если вспомнить самый первый любительский цифровой фотоаппарат, который появился в 1990 году и назывался Dycam Model 1 (хотя более известен был под именем Logitech FotoMan FM-1), то его внутренняя организация будет напоминать наиболее примитивные компьютеры того времени. В ПЗУ хранятся как набор управляющих "фотографической" частью программ (то есть алгоритмов расчёта экспозиции), так и утилиты, обеспечивающие формирование изображения на основе данных, поступающих от АЦП, а также последующее сжатие информации.

Все программы, хранящиеся в ПЗУ, после включения фотоаппарата загружаются в его ОЗУ. Здесь же производится и хранение снимков - энергонезависимыми средствами хранения информации Dycam Model 1 не располагал, и при разряде пары "пальчиковых" батареек, являвшихся основным источником питания камеры, все отснятые кадры пропадали. Разумеется, такое положение вещей категорически не могло устраивать пользователей, поэтому следующие модели цифровой фототехники уже имели устройства, позволявшие хранить снимки неограниченно (или почти неограниченно) долго без каких-либо источников энергии. Впрочем, и ПЗУ, и ОЗУ в этих фотоаппаратах сохранились - первый тип памяти по-прежнему хранил программы, а вот функции второго несколько расширились.

Дело в том, что цифровые фотоаппараты обрели цвет. Однако цвет этот для каждого кадра необходимо было восстановить - интерполировать, а для такого рода операций обязательно необходима оперативная память, так что снимки по-прежнему попадали в ОЗУ, только на этот раз не для хранения, а для обработки. Данная обработка состояла из формирования снимка на основе данных АЦП, восстановления цвета, а также сжатия информации. Полученные снимки хранились во встроенной энергонезависимой флэш-памяти фотоаппарата.

В ОЗУ выполнялась не только обработка снимков. Участок этой памяти выделялся и назначался на роль сервисной памяти - в ней хранились все настройки фотоаппарата, сделанные пользователем. Первые модели цифровых камер были довольно простыми, поэтому выбранные пользователем разрешение, степень сжатия и режим работы вспышки при выключении питания фотоаппарата терялись - настроить эти параметры при последующем включении не составляло особого труда. А вот когда появились функции экспокоррекции и баланса белого, решено было сделанные пользователем настройки всё-таки сохранять в участке ОЗУ, отведённом под сервисную память - как минимум до следующей замены батареек. С ростом разрешения ПЗС-матриц стало очевидным, что хранить снимки во встроенной флэш-памяти - заведомо ограничивать пользователя по части доступного количества кадров. Поэтому камеры обзавелись сменными модулями флэш-памяти, от чего выиграли не только пользователи, но и производители. Во-первых, повысился спрос на фотоаппараты (появилась возможность брать их в отпуск), во-вторых, возник рынок модулей памяти, а в третьих, получили распространение различные устройства, позволяющие считывать данные с модуля без использования камеры. Данные устройства, именуемые считывателями, имели самые разнообразные конструкции (далее они будут рассмотрены подробнее), хотя одна черта у них была общей - они обеспечивали доступ к снимкам, организованным в виде файлов.

Соответственно, на ОЗУ фотоаппарата легла ещё одна нагрузка - в нём производилось преобразование снимка в тот или иной файловый формат. Наиболее распространёнными являются файлы формата JPEG, TIFF и RAW. Следует отметить также, что к моменту появления сменных носителей некоторые производители стали снабжать свои камеры функциями повышения/понижения яркости, контрастности и чёткости изображения, а также перевода снимка в чёрно-белый формат. Все эти преобразования осуществлялись после восстановления цвета и, откровенно говоря, заметно лучших результатов можно было бы добиться при использовании специализированного ПО для обработки изображений

Чаще всего кадры сохраняются в файлах формата JPEG. Эта аббревиатура скрывает под собой название организации (Joint Photographic Experts Group), разработавшей довольно эффективный алгоритм сжатия информации. Этот алгоритм состоит из следующих шагов:

• перевод цветового пространства снимка из RGB (использующего для отображения всех цветов оттенки красного, синего и зеленого) в YUV (где Y - яркость пиксела, а U и V - данные о цвете). При этом в первую очередь обеспечивается сохранность информации о яркости пиксела, а для человеческого зрения это важнее, чем данные о цвете.
• разбиение кадра на блоки 8Х8 пикселов с последующим дискретным косинус-преобразованием данных блоков, которое перевод снимок в набор гармонических колебаний с различными амплитудой и частотой.
• анализ амплитудно-частотных характеристик на предмет повторяемости цветовых полей с последующим исключением 50 процентов яркостных и 75 процентов цветовых данных.

Именно из-за последнего шага JPEG относится к алгоритмам со сжатием с потерей данных. Иными словами, даже при минимальном коэффициенте сжатия полностью исходное изображение восстановить невозможно. А при максимальных коэффициентах сжатия теряется слишком большая часть как яркостной, так и цветовой информации и на изображении всё отчётливее видны артефакты JPEG - "расплывшиеся" границы контрастных областей, дробление кадра на блоки 8Х8 пикселов и так далее.

В отличие от JPEG-алгоритма, сжатие, используемое в формате TIFF, не приводит к потерям данных. Используемые при этом алгоритмы очень похожи на те, что применяются в программах-архиваторах и обеспечивают стопроцентное восстановление изображения. Однако TIFF-файлы занимают заметно больше места, даже по сравнению JPEG-файлами с минимальным сжатием, в то же время ошибки при расчёте экспозиции или наводке на резкость портят кадр значительно сильнее, чем JPEG-артефакты. Из этого следует вывод - следует отснять как можно больше кадров и отобрать самые достойные, а с этой точки зрения формат JPEG предпочтительнее.

Файлы формата RAW представляют собой "слепки" с ПЗС-матрицы без каких-либо преобразований - в первую очередь, не производится интерполяция цвета. При этом несжатые файлы занимают места больше, чем файлы TIFF, а для их обработки на компьютере требуется специализированное и функционально ограниченное ПО. Впрочем, на текущий момент большинство производителей обеспечивают сжатие RAW-файлов, причём зачастую они получаются компактнее, чем TIFF-файлы. А для большего удобства при дальнейшей обработке изображения выпускаются плагины для Adobe Photoshop, позволяющие при обработке RAW-изображения использовать всю мощь этого пакета.

Возникает вопрос - "а для чего вообще нужен RAW-формат?" Дело в том, что иногда и динамический диапазон матрицы, и её АЦП позволяют получить изображение с большей разрядностью цвета, чем стандартные 24 бита, используемые в JPEG и TIFF форматах. И как раз для сохранения 30, 36 или 48-битного снимка RAW подходит лучше всего - избыточные разряды всегда можно использовать для коррекции "передержки" либо "недодержки".

Наряду с разрешением ПЗС-матриц неуклонно повышалось также их быстродействие. В конечном итоге скорость считывания данных с сенсора стала такой, что появилась возможность реализовать режим непрерывной съёмки, при котором камера делает серию снимков с минимальными интервалами между ними. А поскольку при большом разрешении даже для короткой серии требуется довольно внушительный объём памяти, размеры ОЗУ заметно выросли. С тех пор данный тип памяти стал называться буферной памятью. Одновременно с режимом непрерывной съёмки модели стали оснащаться функциями эксповилки, блокировки экспозиции, многозоновым автофокусом и другими полезными вещами. При этом с ростом разрешения вырастало и энергопотребление, поэтому батарейки приходилось менять особенно часто. И каждый раз при этом приходилось полностью настраивать камеру. Такое положение дел пользователей решительно не устраивало, в результате решено было использовать в качестве сервисной КМОП-память с весьма скромным энергопотреблением - ей и в самом деле "достаточно было одной "таблетки" (имеется в виду часовая батарейка). Опытные читатели догадались, что решение было позаимствовано из мира персональных компьютеров, в которых настройки материнской платы также хранятся в подпитываемой "таблеткой" КМОП-памяти.

Однако то, что хорошо для компьютера, не всегда подходит цифровой фотокамере. Отсек для "таблетки" занимал место в корпусе, на одну из панелей требовалось вывести люк для замены батарейки, а конструкция фотоаппарата в целом усложнялась. Поэтому потребовалось иное решение, которое, в конечном итоге, было найдено.

Флэш-память

Как уже было сказано, основной отличительной чертой флэш-памяти является её энергонезависимость - она в состоянии хранить информацию в течение очень долгого срока без каких-либо источников энергии. В этом её сходство с ПЗУ, однако в отличие от последней, флэш-память допускает модификацию хранящихся в ней данных. Достигается это тем, что при считывании информации используется низкое напряжение, а при записи - высокое.

Сочетание таких свойств привело к тому, что в цифровых фотоаппаратах флэш-память стала основным устройством долговременного хранения снимков. В ранних камерах флэш-память была встроенной и после её заполнения требовалась выгрузка снимков в персональный компьютер. С возрастанием размеров файлов распространение получили сменные модули памяти, однако встроенная флэш-память в фотоаппаратах тоже сохранилась.

Как уже было сказано, использование в качестве сервисной КМОП-памяти на "таблетках" усложняло конструкцию и увеличивало габариты. Поэтому решено было использовать в качестве сервисной встроенную флэш-память камеры - при этом вопрос обеспечения питанием автоматически пропадал. Более того, возникла возможность для решения ещё двух вновь возникших проблем.

Во-первых, вследствие вполне понятной "торопливости" производителей (ведь рынок надо завоёвывать) нередко выяснялось, что часть функций работает не совсем так, как надо. Такая же проблема встречается и у материнских плат компьютеров и "лечится" она путём перепрошивки базовой системы ввода/вывода (BIOS), которая с известных пор хранится не в ПЗУ, а во флэш-памяти. Данное решение перекочевало и в цифровые фотоаппараты, и теперь для исправления "неадекватного поведения" при расчёте экспозиции или наводке на резкость достаточно обзавестись самой свежей программной "заплаткой" и "наложить" её на встроенное программное обеспечение камеры, хранящееся во флэш-памяти.

Во-вторых, рост разрешения матриц негативно сказался на объемах выпуска - всё больший процент уходил в брак по причине обилия "залипших" пикселов. В то же время спрос на цифровую фототехнику продолжал расти. Поэтому нормы браковки сделали более либеральными, а чтобы пользователи не смущались от "залипших" пикселов, фотоаппараты стали оснащаться режимом, сканирующим дефектные элементы ПЗС-матрицы и запоминающим их координаты в сервисной флэш-памяти. А при генерации полноцветного изображения занесённые в "список залипших пикселов" элементы исключались из рассмотрения.

Сменные модули флэш-памяти

Итак, к тому моменту, когда разрешение ПЗС-матриц подошло к мегапиксельному рубежу, большинство производителей любительских цифровых камер перешло на сменные модули флэш-памяти. Впрочем, следует отметить, что инициатива по переходу на сменные носители данных принадлежала разработчикам цифровых "зеркалок".

Именно в зеркальных цифровых камерах Kodak DCS-420 образца 1994 года впервые появились слоты, предназначенные для установки PCMCIA-карт. В свою очередь, данные карты, оснащённые флэш-памятью, были ещё раньше разработаны для портативных компьютеров "Международной ассоциацией карт памяти для персональных компьютеров" (Personal Computer Memory Card International Association, PCMCIA). Стандарт, рекомендованный данной организацией, описывал как форму и вольтаж разъёмов, так и габариты карт. Планировалось также, что в данном форм-факторе и с использованием этого же разъёма будут выпускаться модемы, сетевые карты, SCSI-адаптеры и другие устройства. Позднее стандарт был переименован в PC Card.

Карта стандарта PCMCIA

В конечном итоге сформировалось три типа карт PCMCIA. Все они имеют равные длину и ширину (85,6Х54 мм), а вот толщина у них разная: тип I толщиной 3,3 мм, тип II -5 мм, и тип III - 10.5 мм. Различаются карты также по напряжению питания - 3,3 либо 5 вольт. Карты с флэш-памятью были, в основном, I и II типов.

Несмотря на то, что габариты PCMCIA-слотов годились больше для внушительных по размерам "зеркалок", место для них нашлось и в корпусах некоторых любительских камер - например, Kodak DC-50. Однако значительно большего успеха добился появившийся в 1994 году стандарт CompactFlash, ставший развитием PCMCIA.

Появление карт данного типа стало возможным благодаря повышению плотности записи в микросхемах флэш-памяти. В результате размеры микросхем уменьшились, а фирма SanDisk решила создать новый тип карт памяти, сохранив при этом совместимость с форматом PCMCIA - хотя число контактов сократилось с 68 до 50, электрически модули CompactFlash были полностью совместимы с предшественниками. А для механического соответствия достаточно было переходника CompactFlash- PCMCIA в форме PCMCIA-карты, в который, благодаря своему малому размеру (43X36X3 мм), вставлялись новые модули Ну а всю конструкцию в сборе можно было поместить в слот ноутбука и считать снимки непосредственно в компьютер, не используя ни соединительных проводов, ни ПО для обмена данными с камерой.

Модуль CompactFlash

Как и карты PCMCIA, модули CompactFlash изначально различались по напряжению питания - 3,3 и 5 вольт. Потом добавилось ещё одно отличие - появились карты CompactFlash тип II, толщина которых составляла уже 5 мм. Благодаря этому появилась возможность значительно увеличить ёмкость модулей, при этом в очередной раз заслужила похвал прозорливость разработчиков стандарта.

Дело в том, что контроллер памяти располагался непосредственно в модуле CompactFlash, примерно так же, как и в винчестерах. Благодаря этому новейшие карты повышенной ёмкости могли быть установлены в относительно старую фотокамеру. Такая гибкость применения обеспечила стандарту CompactFlash непревзойдённое долголетие.

Однако размещение контроллера на карте имеет и минусы. Во-первых, при этом возрастает себестоимость устройства. Во-вторых, в результате у производителей становятся "развязанными руки" и карты они маркируют, указывая "неформатированную ёмкость" (например, "64 Мбайт"), хотя реально для размещения данных свободными остаются от 60 до 63 Мбайт.

После распространения интерфейса USB популярными стали считыватели данных CompactFlash-USB. Более того, появились модули CompactFlash, располагавшие набором микросхем, реализовывавшим USB-интерфейс. Данные модули комплектовались кабелем, имевшим два разъёма - один предназначался для подключения к USB-порту компьютера, а второй, 50-контактный, позволял прямо к кабелю присоединить карту CompactFlash и считывать с неё данные в компьютер безо всяких дополнительных устройств.

Пожалуй, в области миникомпьютеров модули CompactFlash получили распространение ничуть не меньшее, чем в цифровой фототехнике. Более того, заложенные в интерфейс резервы (по правде говоря, доставшиеся "в наследство" от PCMCIA) позволили реализовать в рамках данного формата не только модули памяти, но и модемы и сетевые карты.

В целом стандарт CompactFlash по большей части удовлетворяет всем современным требованиям и отличается высокой популярностью, хорошей скоростью обмена и большими резервами по наращиванию объёмов памяти.