(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

DVD — цифровой оптический носитель нового поколения

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 10-12-2013

Метки: , , , , ,

Технология DVD не имеет принципиальных отличий от технологии CD. Информация здесь записывается таким же способом – на информационной дорожке рабочего слоя формируются питы информации (вспомним, что единица информации, логический нуль или логическая единица двоичного цифрового кода – это бит, а физический носитель этой единицы, выступ или тёмное пятно на информационной дорожке диска – это пит), посредством которых на носитель записывается звук, видео или иная оцифрованная информация. Однако отличия всё-таки есть – в информационной ёмкости носителя. Диск DVD содержит в несколько раз больше информации, чем стандартный CD.

Вообще, технология DVD чрезвычайно любопытна. Она была задумана как универсальная технология для записи и воспроизведения любого типа информации. Это ясно из названия – Digital Versable Disk или цифровой универсальный диск. Чтобы понять отличия DVD, обратимся к технологии-прародительнице этого стандарта, к традиционному компакт-диску. При воспроизведении звука (или считывании любой оцифрованной информации) в дисководах CD в качестве источника света применяется миниатюрный лазер. В отличие от любых других источников света лазер излучает световые волны очень узкого диапазона колебаний, а потому не подвержен эффектам интерференции и дифракции. На момент изобретения лазерной технологии в распоряжении разработчиков были только полупроводниковые лазеры, которые излучали достаточно объёмный луч, который для надёжного считывания требовал широкой информационной дорожки. Но наука не стоит на месте – к середине 90-х годов были разработаны и выпущены лазеры (в дисководах применяются лазерные светодиоды, которые светятся при прохождении через них электрического тока) с очень узким лучом, который облегчал позиционирование считывающей головки над достаточно узкой информационной дорожкой. Разница в ширине дорожки CD и DVD позволяет увеличить информационную ёмкость оптического носителя в разы.

Но уплотнение информационной дорожки диска это только половина дела. Увеличить информационную ёмкость диска можно и другим способом, в частности, увеличив количество рабочих слоёв и, соответственно, количество информационных дорожек. Для этого считывающий дисковод оснащается считывающей головкой со сдвоенным излучающим лазером и двойной оптической системой. А диск DVD имеет две информационные дорожки, расположенные одна над другой. При этом верхняя дорожка полупрозрачна и не препятствует прохождению лазерного луча сквозь неё. При считывании информации с внутренней дорожки в работу включается второй лазер, луч которого сфокусирован именно на поверхности глубинного слоя. Применяются и более сложные в техническом плане схемы, когда один и тот же луч фокусируется оптикой считывающей головке на разных слоях диска. Но и это ещё не всё. Рабочих слоя может быть два, но не с одной, а сразу с двух сторон диска. Таким образом, общая информационная ёмкость диска DVD возрастает в четыре раза!

К сожалению, судьба технологии DVD оказалась драматичной. Если разработчики CD имели дело с чистым листом бумаги, поскольку были пионерами в области оптической записи информации, то к моменту разработки DVD (первая половина 90-х годов прошлого столетия) на этом рынке было огромное количество игроков. И каждый из них предлагал свой вариант универсального оптического диска. В результате сегодня существует несколько несовместимых между собой стандартов носителей DVD, для каждого из которых нужна соответствующая аппаратура записи и воспроизведения. Однако современные DVD плееры способны работать с абсолютным большинством самых распространённых форматов, поэтому большой проблемы с читаемостью дисков у нас не возникнет.

Теперь, собственно, о форматах. Прежде всего – базовый формат DVD. Этот стандарт подразумевает четыре разновидности дисков DVD, отличающихся общей ёмкостью. Это односторонний однослойный диск ёмкостью 4,7 гигабайта (сравните с 640 мегабайтами стандартного CD-ROM). Односторонний двухслойный диск емкостью 9,4 гигабайта. Двухсторонний однослойный диск емкостью 9,4 гигабайта. И двухсторонний двухслойный диск ёмкостью 17 гигабайт.

По назначению и способу записи диски DVD подразделяются на несколько типов. Диски DVD-RAM предназначены для использования в персональных компьютерах, записываются только в заводских условиях (штампуются, как диски CD-ROM) и соответствует любой из перечисленных разновидностей расположения информационных дорожек, описанных выше. Диски DVD-ROM могут быть воспроизведены только в компьютерных приводах DVD и с дисководами CD несовместимы.

Диски DVD-video используются в бытовой видеоаппаратуре – в наших плеерах DVD. Именно с этими дисками нам чаще всего и приходится иметь дело. Эти диски тоже предназначены только для чтения. Они бывают одно и двухсторонними, но однослойными. Двухслойные диски для записи фильмов не применяются, поскольку это усложняет конструкцию плеера, снижает совместимость дисков с подавляющим количеством бытовых устройств. Кроме того, двухслойные диски обладают избыточной информационной ёмкостью, которая для записи фильмов с многоканальным и многоязычным звуковым сопровождением и дополнительными (бонусными) опциями, вроде фотоальбомов, рекламных трейлеров (фрагментов фильмов), многоязычными титрами и так далее попросту не нужна. Вторая сторона диска используется для записи  второго фильма. Обычно диск с двумя фильмами стоит дешевле, чем два отдельных фильма. Правда, в этом случае на диске нет этикетки, а краткая информация о содержании диска отпечатана рядом с шильдиком диска – в центральной его части. Диски DVD-video могут работать в приводах DVD-ROM, превращая компьютер в видеоплеер.

Диски DVD-R и DVD+R предназначены для однократной записи. Это однослойные односторонние диски ёмкостью 4,7 гигабайта, которые могут быть прочитаны на любом современном DVD видеоплеере. Если вы решите заняться самостоятельной записью DVD на своём домашнем компьютере, то это именно тот формат, который вам нужен. Кроме того, выпускаются плееры с функцией записи видео на диски одного из перечисленных форматов. Устройства достаточно дорогие, но привлекательные. Само собой разумеется, что DVD-R и DVD+R совместимы с компьютерными дисководами этих же форматов и с приводами DVD-ROM.

Диски DVD-RW и DVD+RW предназначены для многократной записи (то есть перезаписи) информации на компьютерных дисководах соответствующих форматов. Это однослойные односторонние диски ёмкостью 4,7 гигабайта, которые могут быть прочитаны на любом бытовом плеере DVD и компьютерных дисководах DVD-ROM. Перезапись информации производится так же, как и в дисководах CD-RW (об этом чуть ниже).

Диски DVD-RAM также предназначены для многократной записи цифровой информации, но они несовместимы с бытовыми видеоплеерами и требуют специальных дисководов на персональных компьютерах. Эти диски несовместимы с обычными дисководами DVD-ROM, а потому находят ограниченное специальное применение.

Наконец, диски нового формата DVD-audio, предназначенные для записи звука с повышенной частотой дискретизации 48/96/192 килогерц (поддерживаются и традиционные для CD-audio частоты 44,1/88,2/176,4 килогерц) и разрядность в 16/20/24 бит. Диски этого формата призваны вытеснить традиционные компакт-диски, но пока мирно сосуществуют со звуковыми CD. Современные видеоплееры DVD совместимы с этим форматом (хотя при покупке нового проигрывателя лучше уточнить это в технических характеристиках системы).

Добавим, что нынешняя видеоаппаратура DVD относится ко второму поколению, то есть способно считывать информацию с дисков CD-ROM, CD-R и CD-RW. Аппаратура первого поколения с дисками CD-R и CD-RW была несовместима.

Как производится запись на перезаписываемые диски? Тут следует заметить, что технологии записи CD-R и DVD-R (равно как и DVD+R) схожи, так же схожи и технологии CD-RW и DVD-RW (и, опять же, DVD+RW). Различия только в плотности записи, в расположении и размерах информационной дорожки. А основные принципы одни и те же.

Начнём с дисков для однократной записи. Вместо алюминиевого рабочего слоя здесь применён слой из органического красителя (цианинового, фталоцианинового и их разновидностей). Считывающая головка дисковода дополнена записывающим лазером, излучение которого более интенсивно, чем у считывающего лазера. В момент записи в работу включается записывающий лазер, луч которого фокусируется на поверхности рабочего слоя. Поскольку световой поток имеет более высокую температуру, краситель плавится и мутнеет. Таким образом, формируются питы информации, а информационная дорожка представляет собой последовательность мутных (имеющих меньший коэффициент отражения) и неповреждённых участков красителя, которые соответствуют логическим единицам и логическим нулям двоичного кода. При считывании записанной информации детектор дисковода реагирует на изменение яркости отраженного от мутных и неповреждённых участков информационной дорожки.

В дисках для многократной записи применяется технология переменной фазы вещества информационной дорожки. В качестве материала рабочего слоя в дисках CD-RW и их разновидностей DVD используется аморфное вещество, которое находится в полужидком состоянии. Под воздействием лазерного луча оно переходит в твёрдое состояние (происходит смена фазы), имеющее более высокий коэффициент отражения. Так формируется информационная дорожка диска – в виде последовательности твердых (с высокой отражающей способностью) и жидких (с низкой отражающей способностью) участков аморфного вещества. При перезаписи информации лазер равномерно нагревает вещество информационной дорожки, переводя его в исходное состояние. Затем процесс записи может быть повторен.

Как видите, в технологиях оптической записи цифровой информации нет ничего сложного, хотя, не будем забывать, что это одно из последних великих изобретений двадцатого века. Впрочем, любое гениальное изобретение на первый взгляд кажется простым. В самом деле – кусочек пластмассы, а на нём видеофильм. Проще не бывает.

Оптическая запись цифровой информации — изобретение компакт-диска

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 21-11-2013

Метки: , , , ,

Главные недостатки аналоговой звукозаписи – ухудшение качества с каждым прослушиванием и с каждой перезаписью. Копия всегда оказывается хуже оригинала. И с этим приходится только мириться. Кстати, речь может идти не только о записи звука, но и о любой другой информации. Фотопленка, в которой зерна галогенидов серебра темнеют в соответствии со степенью их засветки, подвержена механическим повреждениям – царапинам, деформациям эмульсии и подложки. При длительном хранении пленка пересыхает и растрескивается. На качестве изображения сказывается химическая деградация светочувствительного слоя. Частицы реактивов продолжают работать и после тщательной промывки негатива или позитива – спустя годы бумажная фотография желтеет, а пленочный негатив утрачивает контраст (окраска темных и светлых участков негатива выравнивается, негатив постепенно становится однородно серым).

Да что там пленка, возьмите обычную бумагу, основной для нас и наиболее распространенный носитель информации. Даже самая высококачественная бумага с годами меняет свои физические свойства, типографская краска выцветает, и книга выглядит совсем иначе, чем выглядела в момент выхода её из типографии. Еще один пример – живописные полотна. Если бы великие художники средневековья увидели бы сегодня свои картины, они бы их не узнали. Впрочем, мы тоже никогда не видели и уже никогда не увидим, как выглядели эти картины в момент их создания.

Вечных материалов не существует, поэтому не существует и абсолютно надежного способа сохранения информации на длительное время. Правда, есть одна существенная оговорка — если сохранность информации каким-либо образом зависит от физических и химических свойств материала, на котором она записана. Неожиданный (казалось бы) пример можно без особого труда отыскать в нашей обыденной жизни. Каким образом зафиксировать звуки человеческой речи, чтобы сохранить их на протяжении веков?

Воспользоваться письмом. Когда мы произносим написанный на бумаге текст, мы, по сути, воспроизводим звучание речи человека, который создал эту текстовую запись. При этом сохранность носителя никоим образом не влияет на сохранность информации – мы сможем прочитать текст и с пожелтевшего пыльного листа, и с ослепительной глянцевой страницы. Результат будет одним и тем же. Главное, не забыть сам язык и его фонетические основы.

При записи человеческой речи в текстовом виде используются дискретные порции информации, то есть буквы, каждой из которых соответствует определенный звук. При цифровом методе записи тоже используются элементарные (то есть минимально возможные) дискретные порции, называемые битами информации. Каждый бит имеет всего два значения, которые можно описать как наличие информации или её отсутствие – то есть как единицу или как нуль (их называют логическими единицей и нулем). Последовательность битов складывается в двоичный код, которым можно описать любое состояние любого объекта – то есть записать любую информацию.

Любая информация, звуковая, видео, текстовая, численная, может быть разделена на дискретные единицы. В текстовой информации такой единицей  будет буква (символ, знак), в числовой – цифра, в звуковой – звук определенной высоты, громкости и продолжительности. Каждая из этих единиц может быть описана в двоичном виде, как последовательность логических нулей и единиц. И, в конечном счете, запись любой информации сводится к фиксации на каком-либо носителе последовательности битов, имеющих всего два значения без каких бы то ни было промежуточных состояний.

Чтобы лучше понять, что, собственно, это дает, представим себе процесс копирования той же магнитофонной записи с ленты на ленту, но в цифровом виде. Переменное магнитное поле можно изобразить в виде кривой линии – синусоиды. Её форма повторяет форму звуковой волны, переведенной в электрический сигнал обмоткой микрофона. Так вот при перезаписи форма синусоиды исходного сигнала и форма синусоиды скопированного на другую магнитофонную ленту сигнала будут неизбежно отличаться. Виной тому и чуть различные свойства самого носителя (характеристики магнитной ленты меняются даже на протяжении одного ролика), и параметры аппаратуры, и многие другие факторы (например, температура воздуха в помещении, где производилась перезапись, или наличие посторонних магнитных полей, которые есть везде и всегда).

При перезаписи звука, переведенного в двоичный программный код – в последовательность логических нулей и единиц – мы переписываем именно нули и единицы. На том месте, где должен быть нуль, будет присутствовать нуль. А откуда взяться единице, если на выводах обмотки записывающей головки отсутствует электрический сигнал? Причем, сигнал этот должен быть определенной величины – если возникнет какая-либо наводка, величины этого паразитного сигнала будет недостаточно, чтобы он был распознан, как логическая единица. И на ленту все равно будет записан логический нуль.

Получается, что качество записи цифровой информации не зависит от характеристик носителя. Сколько бы раз мы не проигрывали цифровую звукозапись, сколько бы раз её ни дублировали, звук будет абсолютно тем же, что и в момент исходной записи.

Теоретические основы цифрового метода сохранения информации выглядит простой и логичной. Как быть с практической реализацией? О, тут все очень и очень сложно! Недаром цифровые вычислительные устройства – простенькие калькуляторы – появились позже, чем был освоен космос, а цифровой проигрыватель появился позже персонального компьютера. Количество проблем, с которыми столкнулись разработчики первых цифровых звукозаписывающих устройств, поражает. Но с каким изяществом были решены эти проблемы!

Первое – каким образом разделить аналоговый электрический сигнал, создаваемый микрофоном, на элементарные единицы, соответствующие определенным звукам? Очевидно, при помощи некого эталона, в котором бы описывались все распознаваемые человеческим ухом звуки. Можно было воспользоваться технологией электронного синтезатора звука, который мог на основе двоичного кода генерировать звук определенного тона и громкости. Но в этом случае воспроизведение соответствовало бы звучанию оригинала весьма приблизительно – звук получался одноголосым и искусственным. Тогда была придумана технология сэмплирования. Все основные звуки были разделены по тональной окраске на элементарные фрагменты, названные сэмплами, которые были сведены в единую стандартизированную таблицу. Эти звуки записывались в электронную память цифрового записывающего устройства. Аналоговый сигнал разделялся на фрагменты, число которых определялось частотой дискретизации. Чем больше число дискретизации, тем большее количество сэмплов задействовано в процессе оцифровки звука, и звучание оцифрованной записи получается точней. Специальный электронный прибор, называемый аналого-цифровым преобразователем (АЦП) сравнивал тональность звукового фрагмента с таблицей сэмплов и присваивал каждому из этих фрагментов определенный цифровой код, формируя последовательность логических нулей и единиц. Эта последовательность и записывалась потом на носитель.

При воспроизведении использовался обратный процесс. Считанные с носителя импульсы поступали в цифро-аналоговый преобразователь, который на основе закодированной в последовательности логических нулей и единиц информации извлекал из микросхемы табличного синтезатора тот или иной сэмпл. Короткие звуковые фрагменты складывались в звук определенного тона, громкости и продолжительности. Поскольку частота дискретизации была достаточно большой, удалось добиться точного звучания, в полной мере  соответствующего звучанию записанного оригинала.

Это крайне упрощенное описание технологии оцифровки и воспроизведения звука, которое дает лишь общее (и весьма приблизительное) представление. На практике все получилось сложней. Во-первых, пришлось разрабатывать сами цифровые преобразователи, являвшиеся, по сути, миниатюрными специализированными компьютерами. Во-вторых, нужно было стандартизировать технологию, чтобы не допустить разнобоя в способах оцифровки звука. В-третьих, даже для опытного мелкосерийного производства устройств для цифровой звукозаписи необходима соответствующая техническая база. На бумаге нарисовать можно что угодно, но если промышленность не выпускает нужных электронных компонентов, построить действующий аппарат будет не из чего.

Получилось так же, как и в случае с кассетным магнитофонным проигрывателем (ему посвящена отдельная глава), одна технология потянула за собой развитие множества смежных технологий. И фантастическая на первый взгляд идея практически вечного хранения любой информации стала реальностью.

Заметим специально – шел 1979 год. Не было ни подходящего носителя цифровой информации, ни особой потребности рынка. Бал правил «винил» – пластмассовые грампластинки выпускались огромными тиражами, а аппаратура для воспроизведения музыки, записанной механическим способом, достигла невероятных технологических высот. Тем не менее, именно в 1979 году ведущие электронные компании мира и, прежде всего, Sony и Philips, объединяются и разрабатывают спецификации нового метода звукозаписи – в цифровом виде и на оптический носитель, который мы сегодня называем «компакт-диском» (от CD – compact disk). Это выглядит абсолютно фантастично, но в то время никто и не помышлял о применении компакт-дисков в компьютерах в качестве носителя информации. Персональных компьютеров было очень мало (массовый выпуск Apple II только набирал обороты), да и они обходились гибкими дискетами (очень небольшой ёмкости) и бытовыми магнитофонами. Компьютеры того времени не нуждались даже в жестком диске – объемы перерабатываемой информации были по современным меркам ничтожно малы. И положение это сохранялось вплоть до 1984 года, когда на рынок вышло второе поколение персоналок IBM PC XT (первый IBM PC был выпущен в августе 1981 года), и появился первый Макинтош.

Разработчики новых стандартов понимали, что задают правила игры на рынке электронных устройств на много лет вперед (во всяком случае, они надеялись на это и, как оказалось, не ошиблись). Определив основы технологии – лазерная запись на пластмассовый диск – они были вынуждены решать целый ряд непростых задач. Каким должен быть физический размер диска? Может, диаметром 8 сантиметров? А может, больше? Не сделать ли оптический диск размером со стандартную долгоиграющую грампластинку? Ведь люди привыкли к грампластинкам, значит, новинку будет легче продать? Или сделать диск совсем миниатюрным – благо технология оптической записи это позволяет?

Вероятно, среди разработчиков новой технологии были заядлые компьютерщики, потому что размер оптического диска практически совпал с размерами популярных в то время гибких 5,25-дюймовых дискет. Позже это облегчило интеграцию приводов CD в персональные компьютеры. Но представьте себе, как выглядели бы сегодня наши «персоналки», если бы в качестве ориентира была бы выбрана стандартная долгоиграющая виниловая грампластинка.

Далее – каким образом организовать запись цифровой информации на оптический диск? Было два видимых пути – запись замкнутыми кольцевыми дорожками, разбитыми на радиальные секторы, как на магнитных дисках (гибких и жестких), или спиралевидная непрерывная дорожка, как в грампластинках. И тут, по всей видимости, победили любители традиционной грамзаписи. Запись на CD производится в виде спиралевидной дорожки, но раскручивающейся в обратную, нежели в грампластинках, сторону – от центра к краю.

Это решение позволило упростить кинематическую схему записывающего устройства и проигрывателя, поскольку не нужны были сложные в массовом изготовлении шаговые двигатели, перемещающие блок головок над поверхностью диска. Но в то же время пришлось начальную часть спиральной дорожки отдать под служебные надобности привода компакт-дисков. В самом начале информационной дорожки компакт-диска располагается информация о содержании и расположении звуковых композиций (а позже и о расположении на диске другой цифровой информации). Наконец, емкость диска была выбрана такой, чтобы на нее умещались 74 минуты звучания при информационном потоке в 150 килобайт в секунду (что составляет 640 мегабайт цифровой информации). Согласно легенде (великие открытия и изобретения часто окружены слухами и легендами) столько длилось звучание симфонического концерта, который не удавалось разместить на одной виниловой грампластинке (максимальная емкость которой по 45 минут с каждой стороны). Как видите, при разработке технологии многое определил случай.

Прошло всего десять лет, и оптическая цифровая звукозапись полностью вытеснила из употребления механическую грамзапись. Всего десять лет! Дорогие и ненадежные на первых порах проигрыватели CD стали доступным массовым товаром. Появились и незапланированные разработчиками применения оптической записи. Во-первых, приводы компакт-дисков стали устанавливаться в персональные компьютеры в качестве сменных накопителей CD-ROM (compact disk read-only memory – память только для чтения). Во-вторых, появились первые дисковые устройства для воспроизведения видеофильмов, записанных оптическим способом.

Что же касается собственно звукозаписи, то цифровой оптический метод на годы определил развитие огромной индустрии развлечений. Все музыкальные студии, все архивные и музейные организации перевели свои звуковые архивы в цифровой формат. Для звукозаписывающих компаний CD стал настоящим Клондайком. Старые записи, спрос на которые давно упал до нуля, были оцифрованы, записаны на компакт-диски и снова нашли своего покупателя. Более того, в массовом производстве компакт-диски оказались настолько дешевы, что издержки снизились до считанных центов, а норма прибыли многократно возросла. Это было на руку и самим компаниям, и авторам музыки, и исполнителям.

В конечном же счете выиграли потребители, то есть мы с вами. Качество цифровой записи несопоставимо выше, чем качество аналоговой магнитофонной или грамзаписи. Срок хранения оптических дисков практически неограничен (не совсем так, но об этом поговорим позже). Сами диски компактны и удобны в использовании, их легко хранить, легко составлять из них обширные музыкальные коллекции. Наконец, немаловажно и осознание того, что твои деньги получит исполнитель и автор, а не производитель пластмассы. Технология производства компакт-дисков и в самом деле стоит копейки, в отличие от технологии производства «винила», где очень многое зависит от качества матрицы, с которой печатается тираж пластинок, а сама матрица живет крайне недолго.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru