Текст книги "CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии"

Автор книги: Владо Дамьяновски

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 42 страниц)

На печати мы имеем даже более высокое разрешение на миллиметр, чем мы можем получить на любом мониторе. Именно поэтому нам часто кажется, что кадр, распечатанный на качественной фотобумаге с использованием принтера высокого разрешения, визуально выглядит значительно лучше, чем тот же кадр на обычном мониторе, используемом в видеонаблюдении. В основном это связано с тем, что когда мы смотрим на монитор, то располагаемся от него несколько дальше, чем при чтении этой книги.

Итак, давайте представим, что изображение от телекамеры высокого разрешения отображается на качественном видеомониторе, у которого в спецификациях указана горизонтальная разрешающая способность около 500 ТВ-линий. Если у данного монитора диагональ экрана, например, 38 см (15 дюймов) то это означает, что он способен отображать примерно 666 вертикальных линий по 30-сантиметровой ширине экрана (30 см = 11.8 дюйма). Если 666 линий мы поделим на 11.8 дюйма, то получим разрешение равное 56 точек на дюйм (56 dpi)!

Это практически самое высокое разрешение, которое мы можем получить при отображении аналогового видеосигнала, и оно определяется самим видеостандартом (PAL/NTSC).

Чтобы качественно распечатать телевизионный кадр, соответствующий стандарту ITU-601, на струйном принтере, нам также необходимо знать основы технологии струйной печати. Это нам позволит выбрать нужное качество печати на принтере. Как и следовало ожидать, размер кадра на печати и его разрешение мы легко сможем рассчитать, так как мы знаем разрешение нашего принтера. Пусть это будет 1440 точек на дюйм. Впрочем, следует предостеречь нашего читателя от желания принимать на веру все технические характеристики, указанные в инструкциях к подобным устройствам. Эти значения не всегда соответствуют действительности и нашим ожиданиям. Те точки на дюйм, которые указаны в технических характеристиках вашего принтера (например, 720 или 1440 dpi), обозначают мельчайшие точки, которые могут быть отпечатаны одним соплом (голубого, пурпурного, желтого или черного цвета) печатающей головки струйного принтера. Ситуацию еще более запутывает тот факт, что это не те же самые точки на дюйм, к которым мы привыкли, когда речь идет о полиграфической печати. «Натуральные» цвета струйной печати получаются в результате процесса псевдосмешения цветов (точечных растров) для создания плавных переходов на цветном изображении, что представляет собой распыление краски и смешивание полученных точек различных размеров, чтобы получить результирующий цвет. На самом деле цветные струйные принтеры представляют собой бинарные устройства, в которых синие, пурпурные, желтые и черные точки находятся в состоянии «включено» (печатать) или «выключено» (не печатать) без каких-либо промежуточных состояний. Такой подход концептуально отличается от подхода, использованного в электронно-лучевых трубках мониторов, где люминофор может светиться с различной яркостью.

«Бинарный» струйный принтер, работающий в цветовой системе CMYK, может печатать только 5 «чистых» цветов: голубой, пурпурный, черный и желтый, а также и белый. При этом белый цвет – это всего лишь фоновый цвет бумаги (предполагается, что она действительно белая), но он также используется при формировании цветов. Очевидно, что такая цветовая палитра не может использоваться для качественной цветной печати. Впрочем, то же самое касается новых струйных фотопринтеров, у которых используется два дополнительных цвета (светло-синий и светло-пурпурный) для более естественной передачи оттенков кожи человека. Поэтому здесь в дело вступают алгоритмы формирования полутонов (half toning), которые делят все разрешение принтера на ячейки полутонов и затем варьируют количество точек в этих ячейках, чтобы имитировать переменный размер точек. Аккуратно сочетая ячейки, которые содержат различные пропорции точек в цветовой системе CMYK, струйный полутоновый принтер способен обмануть человеческий глаз, заставив его увидеть палитру из миллионов цветов, вместо нескольких основных.

Есть одно очень простое правило, позволяющее нам вычислить нужные значения. Многие профессионалы цифровой обработки изображения, такие, как специалисты компании Adobe, предлагают делить разрешение, указанное в спецификациях струйного принтера на 4, чтобы получить реальное разрешение. На практике это означает, что струйный принтер с разрешением 720 точек на дюйм может передавать 180 цветных точек на дюйм. Для того чтобы получить самое высокое разрешение, нужно использовать соответствующую фотобумагу, которую рекомендует компания-производитель струйного принтера.

Здесь следует сделать еще одно важное замечание. Когда мы экспортируем оцифрованное сжатое изображение, чтобы использовать его в качестве доказательства (для правоохранительных органов, в суде), то необходимо иметь это изображение в исходном формате или хотя бы экспортировать его в растровый формат BMP, который не вносит дополнительных артефактов компрессии. Когда мы сравниваем различные алгоритмы компрессии, то наиболее объективно мы поступим, сравнивая изображения, распечатанные на фотобумаге с использованием одного и того же высококачественного струйного принтера. Также мы можем сравнивать их на экране, но они должны быть предварительно экспортированы в формат BMP.

Рис. 9.53. В настоящее время высококачественные цветные принтеры достаточно дешевы и должны присутствовать в любой системе видеонаблюдения

Распознавание лиц и автомобильных номеров

Одним из наиболее частых требований к системам видеонаблюдения является возможность узнать человека, определить нарушителя или, например, группу людей, совершающих противоправные действия.

Вторым по значимости требованием является возможность распознавать автомобильные номера.

Конечно, телекамеры и цифровые видеорегистраторы могут применяться не только в сфере видеонаблюдения, но поскольку это все же наиболее типичный случай применения, то мы остановимся подробнее на требованиях, которые предъявляются к проектированию и установке системы видеонаблюдения для обеспечения успешного распознавания лиц и автомобильных номеров.

Основная проблема, с которой мы здесь сталкиваемся, связана с очень ограниченным числом пикселов в телекамерах, применяемых в видеонаблюдении, и в самой рекомендации ITU-601. Как уже было упомянуто в начале главы, число это составляет примерно 400 000 пикселов, поэтому в большинстве случаев мы будем использовать одну и ту же хитрость, которая заключается в подборе правильного места и объектива для телекамеры, чтобы она смогла увидеть достаточно деталей для распознавания людей и автомобильных номеров. Обычно заказчики системы видеонаблюдения склонны полагать, что с помощью одной телекамеры можно охранять все, видеть все и распознавать все. Эту тему уже неоднократно обсуждали, но она попрежнему является камнем преткновения при подготовке разных проектов. Когда мы все работаем исходя из очень ограниченной сметы (а бюджет всегда будет очень важным соображением при проектировании), то прослеживается очевидная тенденция закладывать в проект минимально возможное количество телекамер. Тем не менее, когда что-то случилось и потребовалось кого-то опознать по записи, то в первую очередь виноватым может оказаться проектировщик системы видеонаблюдения, что с ее помощью невозможно распознать лицо человека или номер машины, даже если они попали в поле зрения телекамеры.

Вот простой совет: не идите на компромисс, а займитесь образованием ваших клиентов. Только так они смогут понять, зачем потребовались дополнительные телекамеры. Например, если нужно, установите две телекамеры для наблюдения за входом в фойе. Одна будет выполнять функцию обзорной, другая (с меньшим углом зрения) будет четко фиксировать лица всех входящих в фойе людей. Сначала это может показаться избыточным, но как только будет опознан и задержан первый злоумышленник, система видеонаблюдения докажет свое право на существование. Именно для этого и устанавливают системы видеонаблюдения.

Как подобрать объектив с нужным углом обзора для успешного распознавания, мы уже давно знаем из опыта проектирования аналоговых систем видеонаблюдения, и это не является чем-то фантастическим. Здесь же мы лишь подчеркнем тот факт, что при оцифровке видео будет иметь место некоторая потеря качества изображения, которую необходимо учитывать при проектировании системы.

На самом деле существуют различные национальные стандарты по видеонаблюдению, которые определяют, при каких условиях будет возможно распознавание лиц и автомобильных номеров. Для разных стран эти стандарты совершенно необязательно будут идентичны, поэтому мы воспользуемся австралийскими стандартами по видеонаблюдению, которые наиболее близки автору этой книги. Они должны дать вам достаточно информации для применения их рекомендаций на практике и, возможно, они также дадут вам пищу для дальнейших размышлений.

При записи оцифрованного изображения рекомендуется использовать полный кадр и самое высокое качество (т. е. 704x576 пикселов, что эквивалентно 720x576 пикселов из рекомендаций ITU). По возможности для повышения вертикального разрешения используйте при записи полные телевизионные кадры, а не телевизионные поля, хотя приведенные ниже рекомендации вполне применимы и при записи полями. Если в качестве объекта наблюдения мы берем человека, а установленная система видеонаблюдения имеет разрешение не менее 400 ТВ-линий (большинство из них будут иметь около 460 ТВ-линий), то рекомендованы следующие минимальные размеры объекта:

– Для идентификации человека (незнакомого) он должен занимать не менее 100 % высоты экрана. При этом предполагается, что лицо человека (голова) составляет примерно 15 % высоты человека. Если используется оцифрованное изображение, то голова должна занимать не менее 90 пикселов по высоте, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения.

– Для распознавания человека (знакомого) человек должен занимать не менее 50 % высоты экрана. Если используется оцифрованное изображение, то высота человека должна составлять не менее 288 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения.

– Для обнаружения нарушителя человек должен занимать не менее 10 % высоты изображения. Если используется оцифрованное изображение, то высота человека должна составлять не менее 60 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения.

– Для наблюдения за толпой человек должен занимать не менее 5 % высоты изображения. Если используется оцифрованное изображение, то высота человека должна составлять не менее 30 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения.

– Для визуального распознавания автомобильных номеров нужно, чтобы высота символов номерной пластины была не менее 5 % высоты экрана. Если используется оцифрованное изображение, то высота символов должна составлять не менее 30 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения.

На испытательной таблице CCTV Labs имеются элементы, которые позволяют проверить соответствие вашей системы видеонаблюдения приведенным выше рекомендациям.

Рис. 9.54. Минимальные размеры объектов относительно вертикали экрана для идентификации и распознавания

Операционные системы и жесткие диски

Для того чтобы компьютер мог работать, ему требуется соответствующее аппаратное обеспечение и такое программное обеспечение, которое сможет «понимать» все устройства компьютера. При загрузке компьютера мы в первую очередь видим различные таблицы BIOS (Basic Input/Output System, базовая система ввода/вывода), в которых указаны его аппаратная конфигурация, жесткие диски, видеоадаптеры, клавиатура, мышь, последовательные и параллельные порты и т. д.

После того как BIOS определит аппаратную конфигурацию компьютера, он обращается к специальной секции жесткого диска, которая называется загрузочной областью, где ищет операционную систему.

Операционная система (ОС) – это программное обеспечение, которое обычно находится на жестком диске, и, после того как оно загружено в память компьютера, предоставляет пользователю графический интерфейс и позволяет взаимодействовать всем компонентам компьютера, загружая для них драйверы.

Также ОС позволяет вводить и исполнять команды в том виде, как они определены пользователем или программой. Само название «операционная система» говорит о ее предназначении, в ее среде работают все приложения и специализированные программы, такие, как процессоры таблиц, графические и текстовые редакторы.

Многие цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении построены на базе компьютера и используют одну из нескольких популярных ОС, а функция видеозаписи в них реализована за счет специализированной программы и плат видеоввода. В цифровых видеорегистраторах на базе ПК чаще всего используются такие ОС, как Windows и Linux. Существуют и другие ОС, как, например, Unix, Solaris и Mac OSX, но они не нашли применения в видеонаблюдении, поэтому в рамках книги они не рассматриваются.

Некоторые цифровые видеорегистраторы загружают ОС не с жесткого диска, а из микросхемы памяти (обычно, флэш-память или энергонезависимая память EPROM). Иногда вы увидите, что производители цифровых видеорегистраторов будут писать в технических характеристиках, что в их устройствах используется такие ОС, как Real Time Operating System (RTOS) или встраиваемые ОС (Embedded OS). Цифровые видеорегистраторы со встраиваемыми ОС несколько проще в эксплуатации. Встраиваемые ОС меньше по размеру и быстрее загружаются. Если в цифровом видеорегистраторе используется обычная ОС, то в случае сбоя жесткого диска ее придется устанавливать заново. Этого не придется делать в случае со встраиваемыми ОС, так как небольшой размер позволяет хранить их в микросхеме энергонезависимой памяти, что повышает общую надежность. Впрочем, у таких цифровых видеорегистраторов есть одно серьезное ограничение, встраиваемые ОС сложнее обновлять, и они не столь гибкие, как ОС, загружаемые с жесткого диска.

В индустрии безопасности требования, предъявляемые к стабильности ОС, всегда были очень высоки. Требования же к долгосрочному и бесперебойному функционированию оборудования в видеонаблюдении иногда еще выше, чем требования, предъявляемые к веб-серверу с большим количеством посетителей, и всегда выше, чем требования, предъявляемые к офисному или домашнему компьютеру.

Веб-сервер еще можно отключить на несколько минут или даже часов для технического обслуживания, но в видеонаблюдении цифровой видеорегистратор должен работать непрерывно в течение многих месяцев, а возможно, и лет. А это очень непростая задача. Интенсивность записи и считывания информации с жесткого диска у цифрового видеорегистратора значительно выше, чем, например, у веб-сервера, так как потоки видеоинформации значительно больше, чем потоки информации с веб-страниц или электронной почты. Не все операционные системы и даже не все компьютерные комплектующие пригодны для длительного бесперебойного функционирования. Одной из причин, по которой большинство веб-серверов в Интернете работают под управлением Linux, является долгосрочная стабильность этой ОС. Конечно, нельзя сказать, что популярные и широко распространенные ОС семейства Windows совершенно непригодны для нашей цели, но читатель должен знать, что, по статистике, идентичные конфигурации компьютеров на базе процессоров Intel (а таких процессоров большинство на рынке ПК), работают быстрее под управлением Linux, нежели чем под управлением Windows.

Linux – еще сравнительно молодая операционная система, созданная финским студентом по имени Линус Торвальд. Эта ОС была разработана на основе Unix, одной из старейших и надежнейших ОС, которая, к сожалению, под лицензией. Своим успехом и столь быстрым развитием Linux обязан концепции открытого кода, то есть исходный код операционной системы бесплатно доступен каждому в рамках Стандартной Общественной Лицензии GNU. Когда появилась первая версия Linux и стала доступной всем бесплатно, единственное требование автора этой ОС заключалось в том, что каждое усовершенствование системы или новый драйвер, разработанные другими людьми, должны быть доступны каждому.

Тысячи разработчиков программного обеспечения, студентов и энтузиастов единодушно приняли идею открытого кода ОС. Именно поэтому Linux со временем становится все более популярным и все время совершенствуется, а, кроме того, для этой ОС выходит все больше разнообразных приложений, и постоянно расширяется список поддерживаемого оборудования. Стабильность Linux – это всего лишь черта, унаследованная от концепции Unix, но и она постоянно повышается с выходом новых версий ядра и файловых систем. Существует большое количество вариантов Linux, которые называются дистрибутивами, но используют одно и тоже ядро (kernel, которое и является настоящим ядром операционной системы).

Однако, каждый дистрибутив имеет различный набор из дополнений, программ, инструментов и графических оболочек, которые поставляются бесплатно.

Когда Linux используется в цифровом видеорегистраторе, то это выгодно не только с позиций сиюминутной коммерческой выгоды, но и с позиции долгосрочных вложений, так как и в будущем вам не потребуется платить какие-либо лицензионные отчисления за ОС. Если в цифровом видеорегистраторе выйдет из строя системный жесткий диск (а это может произойти с любым жестким диском независимо от используемой ОС), то установка новой версии Linux не потребует от вас никаких платежей и многократного ввода серийных номеров с регистрации в Интернете, как это бывает в случае с Windows.

Некоторые производители цифровых видеорегистраторов используют версии Windows, которые были доработаны и адаптированы с учетом их специфических требований. Эти версии будут значительно стабильнее и надежнее стандартной версии Windows от Microsoft.

Существует мнение, что встраиваемые ОС еще более надежны и стабильны, так как они хранятся в энергонезависимой памяти и им не страшны сбои жесткого диска.

В случае сбоя жесткого диска или электропитания цифровой видеорегистратор со встраиваемой ОС быстро перезагрузится и продолжит запись. ОС переустанавливать не нужно даже в том случае, если жесткий диск полностью выйдет из строя, а потребуется только его заменить. Для некоторых это будет оптимальным решением. Впрочем, у него существует и ряд ограничений: в таких цифровых видеорегистраторах сложно обновлять ОС и драйверы, а потому возникают сложности с подключением новых устройств. Кроме того, здесь будет отсутствовать ряд не основных, но полезных функций. Обычно цифровые видеорегистраторы с полностью установленной ОС (Windows или Linux) имеют значительно больше различных функций и программ, так как они не ограничены размером флэш-памяти. Встраиваемые ОС из-за размеров флэш-памяти имеют ограниченную функциональность.

Рис. 9.55. В настоящее время можно насчитать не менее пары сотен моделей цифровых видеорегистраторов, которые используются в системах видеонаблюдения

Современные ПК с полным набором программ потребуют от 2 до 5 гигабайт жесткого диска. Здесь учитывается не только размер установленной ОС, но и все необходимые приложения, такие, как процессоры таблиц, текстовые и графические редакторы, веб-броузеры и другое необходимое для работы ПО. Кроме того, значительный объем будет занимать информация, созданная пользователем, а ее объем будет во многом зависеть от того, работаете ли вы только с текстовыми файлами или с текстом и изображениями или даже с видео.

Цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении, являются своего рода исключением из этого правила, так как они будут использовать максимально доступный объем жесткого диска.

Сейчас уже доступны жесткие диски емкостью 300 Гбайт, что позволяет нарастить суммарный объем внутренних жестких дисков для одного цифрового видеорегистратора свыше 1 Тбайт, используя 4 таких диска.

Некоторые крупномасштабные системы могут включать в себя даже внешние SCSI или RAID-массивы. Типичный цифровой видеорегистратор, который мы применяем в видеонаблюдении, будет работать постоянно, днем и ночью, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, без выключения и перезагрузки (в идеальном случае). Сами цифровые видеорегистраторы бесспорно являются симбиозом программного обеспечения и жестких дисков. Если одно или другое даст сбой, то мы получим нефункционирующий цифровой видеорегистратор и потерю важных записей.

Рис. 9.56. Одно из самых важных электромеханических устройств цифрового видеорегистратора

Необходимость более полного понимания технологии жестких дисков и их ограничений сейчас особенно остро чувствуется в видеонаблюдении. Даже самая стабильная ОС будет зависеть от надежности аппаратного обеспечения. Если оно выйдет из строя, то ОС тоже не будет функционировать, даже если с технической точки зрения сбой произошел не по вине ОС. В любом компьютере самыми уязвимыми с точки зрения надежности являются движущиеся детали, а именно охлаждающие вентиляторы и вращающиеся жесткие диски. Эти компоненты компьютера чаще всего выходят из строя по причине износа и стирания, а также от повышенной температуры, пыли, влажности, ударов и тряски. Некоторые из этих проблем успешно решаются только некоторыми производителями цифровых видеорегистраторов. К сожалению, приходится констатировать тот факт, что к моменту написания этой книги большинство производителей цифровых видеорегистраторов даже не рассматривают этих проблем. И только очень немногие производители, движимые конкуренцией на рынке, готовы затратить больше усилий и средств, используя более качественное аппаратное обеспечение и закладывая на стадиях разработки и производства способы и средства его защиты. В большинстве же случаев все будет зависеть от поставщиков и инсталляторов и от того, как они сумеют объяснить заказчикам важность создания, поддержания постоянных комфортных условий для функционирования оборудования, которое должно находиться в чистых и хорошо кондиционируемых помещениях.

Жесткие диски – это самая важная часть цифрового видеорегистратора, которая имеет движущиеся части (вращающиеся диски). В первую очередь жесткие диски важны потому, что на них хранится записанная информация, поэтому в этой главе мы уделим им особое внимание.

Анализ всех особенностей различных ОС, которые в настоящее время используются в цифровых видеорегистраторах, далеко выходит за рамки нашей книги, но мы остановимся на файловых системах, которые используются в различных ОС для хранения информации (в том числе файлов с видеоизображением) на жестких дисках.

Жесткие диски

Жесткие диски являются очень важной частью любого современного компьютерного устройства, к числу которых относятся и цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении. Следовательно, необходимо понимать принципы их работы, основные технические характеристики и знать об ограничениях, накладываемых технологией. Жесткий диск или накопитель на жестких магнитных дисках (это полное название) предназначен для долговременного хранения информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ, RAM), которая теряет всю информацию после выключения питания компьютера, жесткий диск хранит информацию постоянно, что позволяет сохранять на нем программы, файлы и другую нужную информацию. Кроме того, жесткие диски имеют значительно больший объем, чем оперативная память. Сейчас на одном жестком диске уже может храниться около 400 Гбайт информации.

Жесткий диск состоит из 4 основных элементов: пластинки, шпиндель, считывающие/записывающие головки и интегрированная электроника. Пластинки представляют собой твердые диски из металла или пластика, обе стороны которого покрыты тонким слоем оксида железа или другого намагничиваемого материала. Эти пластинки надеты на центральную ось или шпиндель, который вращает все пластинки с одинаковой скоростью. Считывающие/записывающие головки закреплены на специальных держателях по обе стороны каждого диска и могут перемещаться от центра до края пластинки. Это движение в сочетании с высокой скоростью вращения пластинок, позволяет головкам получить доступ ко всем областям пластинок. Интегрированная электроника позволяет переводить команды, поступающие от компьютера, и позиционировать головки в соответствующие области пластинок, осуществляя процесс считывания и записи нужной информации.

Компьютеры записывают данные на жесткие диски в виде последовательности двоичных битов. Каждый записанный на жестком диске бит закодирован ориентацией частиц оксидного слоя пластинки. При записи данных компьютер посылает серию битов на жесткий диск. Когда диск принимает эту последовательность, то он использует записывающую головку, чтобы намагнитить соответствующие области оксидного слоя пластинки и таким образом осуществляет запись. Биты не обязательно хранятся в той последовательности, в какой они были отправлены на жесткий диск. Например, данные одного файла могут быть записаны в разных областях и на разных пластинках жесткого диска, а когда компьютер требует информацию, записанную на жестком диске, головки жесткого диска будут спозиционированы на все нужные участки пластинки. В процессе считывания информации головки жесткого диска определяют ориентацию элементов оксидного слоя на пластинке, затем эта информация декодируется и пересылается компьютеру. Считывающие/записывающие головки жесткого диска могут получить доступ к любому участку пластинок в любое время, что позволяет считывать и записывать данные произвольно, а не последовательно, как в случае с магнитной лентой. Поскольку жесткие диски характеризуются произвольным доступом, они могут считать или записать информацию в течение нескольких миллисекунд.

Рис. 9.57. Основные механические детали жесткого диска

Для того чтобы операционная система компьютера «знала», где искать нужную информацию на жестком диске, он разбивается на отдельные области, что позволяет компьютеру легко и быстро найти нужные последовательности битов.

Такой способ разметки жесткого диска называется форматированием. Форматирование подготавливает жесткий диск к записи файлов таким образом, что нужная информация может быть быстро считана, когда это потребуется.

Прежде чем можно будет использовать новый жесткий диск, его необходимо отформатировать. Форматирование – это метод организации записанной на диск информации, зависящий от операционной системы.

Существует два вида форматирования жестких дисков: низкоуровневое и высокоуровневое. Низкоуровневое форматирование осуществляется прежде, чем высокоуровневое.

Рис. 9.58. Два основных формата жестких дисков: жесткие диски 3.5" используются в настольных компьютерах, а жесткие диски 2.5" применяются в ноутбуках

Форматирование осуществляется разметкой поверхности на секторы, кластеры (группа секторов) и дорожки в соответствии с используемой операционной системой. Дорожки представляют собой окружности, отмеченные на каждой стороне пластинки (такие же дорожки можно видеть на виниловой пластинке или компакт-диске). Дорожки отличаются номерами. Их нумерация начинается с нулевой дорожки, расположенной ближе других к внешнему краю пластинки. Дорожки разделяются на меньшие участки – секторы, используемые для хранения фиксированных объемов данных. Секторы обычно форматируются таким образом, что содержат 512 байтов данных (1 байт состоит из 8 бит). Цилиндр состоит из набора дорожек, которые находятся на одном и том же расстоянии от шпинделя на всех сторонах магнитных пластинок. Например, третья дорожка на каждой стороне у каждой магнитной пластинки находится на одном и том же расстоянии от шпинделя. Если представить, что эти дорожки вертикально соединены, то мы получим форму цилиндра. Программное и аппаратное обеспечение компьютера очень часто работает, используя цилиндры. Когда данные организованы на жестком диске цилиндрами, к ним можно быстро получить доступ без многократного позиционирования головок жесткого диска. Поскольку позиционирование головок производится достаточно медленно по сравнению со скоростью вращения магнитных пластинок и переключением между головками, запись цилиндрами значительно сокращает время доступа к информации на жестком диске.

Рис. 9.59. Цилиндры формируются из дорожек на обеих сторонах магнитных пластинок

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, магнитные свойства покрытия пластинки с течением времени постепенно ухудшаются. Со временем головкам жесткого диска становится все труднее считывать и записывать информацию в секторы магнитной пластинки. Секторы, которые стали непригодны для хранения данных, называют дефектными (bad sectors). К счастью, качество современных жестких дисков таково, что дефектные секторы на них встречаются относительно редко. Более того, современные компьютеры умеют определять, когда сектор испортился и отмечать его как дефектный. После этого сектор больше не будет использоваться для хранения данных, а вместо него будет выбран другой сектор из резервной области.

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, требуется произвести высокоуровневое форматирование, которое помещает на диск файловую систему, что позволяет операционной системе, такой, как Windows или Linux, использовать доступное пространство для хранения файлов.

Различные операционные системы используют разные файловые системы, поэтому высокоуровневое форматирование определяется используемой операционной системой.

Рис. 9.60. Разбивка жесткого диска на разделы (партиции)

Если мы форматируем весь жесткий диск только под одну файловую систему, то это автоматически ограничивает количество и типы операционных систем, которые могут быть установлены на него. Но если мы разбиваем диск на несколько разделов (партиций), то каждый из разделов может быть отформатирован под разные файловые системы, что позволит установить на один жесткий диск несколько разных операционных систем. Кроме того, разбивка жесткого диска на разделы позволяет использовать дисковое пространство более эффективно.

Для того чтобы считывать или записывать данные, головка жесткого диска должна быть позиционирована над нужной дорожкой вращающейся магнитной пластинки. Те значения времени поиска (seek time), которые указывают производители жестких дисков, обычно учитывает еще и время, нужное для того, чтобы магнитная головка перестала вибрировать после перемещения (время стабилизации, settling time).

Затем учитывается время, которое потребуется, чтобы нужный сектор оказался под магнитной головкой (задержка вращения, rotational latency). Современные диски используют позиционирование с ускорением, это означает что, получив команду сменить дорожку, магнитная головка начинает ускоряться до тех пор, пока она не пройдет половину пути до искомой дорожки, затем до подхода к нужной дорожке происходит замедление. Поэтому среднее время поиска всего лишь в несколько раз больше минимального времени поиска. Максимальное время поиска обычно примерно в два раза больше среднего времени поиска, поскольку головка достигает максимальной скорости перемещения, прежде чем дойдет до средней дорожки. Минимальное время поиска дорожки – это время, которое тратится на перемещение головки на соседнюю дорожку. При чтении больших блоков информации, как, например, при считывании архивных записей нашим цифровым видеорегистратором, именно этот параметр будет определять производительность жесткого диска. Среднее время доступа более важно при произвольном считывании небольших объемов информации (например, при перемещении по дереву директорий).