Инновации в конструктивных решениях устройств ПК на примере DVD-диска

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИННОВАЦИИ В КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЯХ УСТРОЙСТВ ПК НА ПРИМЕРЕ DVD-ДИСКА

INNOVATION IN THE DESIGN DECISIONS OF AN EXAMPLE DVD-ROM

Шамакаева Н.П.

Балаковский инженерно-технологический институт

Национального исследовательского ядерного университета

"Московский инженерно-физический институт"



Содержание

Введение

Краткие теоретические сведения

Файловая структура DVD-дисков

Технология DVD-дисков

Основные различия DVD+R(W) и DVD-R(W)

Многосессионная запись

Заключение

Список литературы



Введение

Целью работы являются максимальная интенсификация и активизация самостоятельной работы студента на основе применения методик информационного обеспечения, выполнения комплекса лабораторных исследований в направлении изучения технологий, на которых основан стандарт DVD.



Краткие теоретические сведения

Аббревиатура DVD первоначально расшифровывалась как Digital Video Disk. Стандарт DVD разработан ещё в 1995 году консорциумом, в который входили такие компании, как Hitachi, JVC, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, Toshiba и некоторые другие. Несмотря на название, на DVD-диски можно записывать всё, от музыки до данных, поэтому в последнее время всё чаще встречается и другая расшифровка этого названия - Digital Versatile Disk, в вольном переводе означающая "цифровой универсальный диск". Главное отличие DVD-дисков от CD-дисков - это объём информации, которая может быть записана на таком носителе. Если ёмкость обычного CD-диска составляет всего 640 мегабайт, то на DVD-диск может быть записано от 4,7 до 13 и даже до17 Гбайт. Достигается это несколькими способами. Для чтения DVD-дисков используется лазер с меньшей длиной волны - 650 нм, чем для чтения CD-дисков - 780 нм, что позволило существенно увеличить плотность записи. Кроме того, стандартом предусмотрены двухслойные диски, у которых на одной стороне данные записаны в два слоя, при этом один слой полупрозрачный, и второй слой читается "сквозь" первый. С повышением плотности записи и уменьшением длины волны считывающего лазера изменились и требования к толщине защитного пластмассового слоя, для DVD-дисков он составляет всего 0,6 мм, в отличие от 1,2 мм, используемых в CD-дисках. Однако, чтобы сохранить привычные размеры диска и избежать излишней хрупкости DVD-дисков, они заливаются пластиком с двух сторон, чтобы итоговая толщина диска составила те же 1,2 мм, как у простых CD- дисков. Это позволило записывать данные на обе стороны DVD-дисков и таким образом удваивать их ёмкость.

Основные виды DVD-дисков:

DVD-5, 12cм, 4,7 Гбайт данных, один слой на одной стороне. DVD-9, 12cм, 8,5 Гбайт данных, два слоя на одной стороне. DVD-10, 12cм, 9,4 Гбайт данных, на обеих сторонах по одному слою. 4 DVD-18, 12cм, 17 Гбайт данных, на обеих сторонах по два слоя. Основное применение DVD-дисков - это хранение фильмов. Кроме того, на DVD можно хранить любые данные.

DVD-видео

Это цифровое видео, сжатое по алгоритму MPEG-2 и записанное на DVD-диск. Формат - 25 кадров в секунду с разрешением 720х576 точек при глубине цвета 24 бита (PAL) или 30 кадров в секунду с разрешением 720х480 точек при глубине цвета 24 бита (NTSC). Из-за разницы в разрешении и fps (частота кадров в секунду) фактический поток информации одинаков в обоих случаях, 10 368 000 пикселов в секунду. В несжатом виде это поток 30 Мбит в секунду. Двухчасовой фильм будет занимать более 100 Гбайт. Поэтому используется сжатие по стандарту MPEG-2. Кроме уменьшения размеров файлов, это позволяет снизить поток данных до 3-4 мегабайт в секунду. Алгоритм сжатия MPEG-2 очень эффективен, удаляется примерно 97 % избыточной информации практически без ущерба для качества картинки, благодаря чему на DVD- диске можно разместить до 4-х часов высококачественного видео плюс до 8 вариантов звукового сопровождения, плюс до 32 вариантов субтитров на разных языках.

У DVD есть возможность задания возрастных ограничений на про- смотр, интерактивность, быстрый переход в нужное место, возможность наблюдать сцену с различных точек (этот режим называется multi-angle) и неограниченная по длине пауза идеального качества. Звук на DVD-дисках записывается в самых различных форматах. Это и PCM (для записей, где требуется точность передачи звуковой картины, например музыкальное видео), и Dolby ProLogic, и Dolby Digital (от 2,0 до 5,1 и Dolby Digital EX).

Звуковое сопровождение в форматах Dolby Digital, Dolby Digital EX и DTS широко используется в современных кинотеатрах. Все эти три фор- мата объединяет одно - они воспроизводят несколько независимых каналов пространственного компрессированного звука, создавая тем самым реалистичную картину происходящего.



Файловая структура DVD-дисков

Файлы на DVD бывают трёх видов: IFO, BUP и VOB. В VOB-файлах (Video OBjects) как в архивах хранится целый набор данных: видео, звук, субтитры, причём всё это может быть не в одном экземпляре. IFO и BUP - это служебные файлы, содержащие информацию о том, что и где находится внутри VOB-файлов, и в каком порядке это надо проигрывать. Из них IFO (InFOrmation) - это основной файл, а BUP (BackUP) просто резервная копия IFO-файла.

Так как в IFO-файле содержится информация о конкретном VOB (или их наборе), то называться он должен точно так же (за исключением расширения, естественно), как и относящийся к нему VOB. Названия файлов должны быть на DVD стандартизированы не менее жёстко, чем форматы самих файлов. Сделано это для совместимости со стационарны- ми DVDплеерами. Первый файл, к которому обращается плеер, это VIDEO_TS.IFO, который располагается в директории VIDEO_TS. Этому файлу может соответствовать VIDEO_TS.VOB, а может и не соответствовать. Если VOBфайл есть, то в нём обычно расположены предупреждения о запрете на копирование содержимого диска. Иногда там можно увидеть заставку фирмы, выпустившей диск или фильм. А иногда можно ничего не увидеть, наличие VOB-файла с названием VIDEO_TS вовсе не обязательно. Следующими по счёту идут файлы c названиями VTS_0X_X. В них и находится фильм. Размер файла на DVD-диске обычно ограничен 1 гигабайтом. Размер фильма гораздо выше, поэтому его приходится раз- бивать на несколько файлов. Что к чему относится можно определить по названиям файлов. Первая цифра в названии: VTS_01_1 указывает номер видеоряда, а вторая номер файла, если фильм поделен на несколько фай- лов.

Так, например, VTS_01_1.VOB и VTS_04_1.VOB - это разные видео- файлы, а VTS_02_1.VOB и VTS_02_2.VOB относятся к одному и тому же видео файлу.

Чтобы узнать точно, что именно где находится, надо проиграть файл в

DVD-плеере, который умеет играть отдельные VOB-файлы (например, PowerDVD последних версий). Обычно самый большой набор из гигабайтных файлов, относящийся к одному и тому же видео, и есть фильм.

Непосредственно фильм начинается с VTS_XX_1.VOB, VTS_XX_0.VOB обычно содержит меню диска.

Авторинг

Во время авторинга создаётся структура будущего диска, включающая файлы с расширением .IFO (InFormation Object) - иерархические меню, файлы с расширением .VOB (Video OBject), представляющие собой мультиплексированные (смешанные) потоки видео-, аудио- и навигационной информации, а также опционально файлы .BUP (Back UP) - резервные копии .IFO. Образ DVD является конечным результатом работы программы авторинга.

Для профессионального авторинга используется программа

SonicScenarist. Кроме того, для авторинга можно использовать более простые программы: DVDLabPro; AdobeEncodeDVD; NeroVision. Мастеринг

В процессе мастеринга из образа создается мастер-копия DVD-диска, необходимая для его тиражирования в дубликаторах DVD-дисков. DVD записывается с использованием файловой системы UDF (Universal Disk Format) и, также как Video-CD, содержит несколько папок. Наличие одной из них, VIDEO_TS, где должны находиться VOB- и INF-файлы, проигрыватель DVD проверяет в самом начале. Эти файлы, в принципе, необходимы и достаточны для полноценного просмотра диска (INF задаёт необходимый порядок следования VOB, которые, кстати, не превышают 1GB). На коммерческих дисках VOB-файлы кодируются с применением системы шифрования CSS (Content Scrambling System) для исключения их незаконного копирования, на перезаписываемых дисках она не применяется.

Формат UDF (Universal Disk Format - универсальный дисковый формат) позволяет использовать записываемые и перезаписываемые компакт-диски как обычные жесткие диски, записывая, редактируя и удаляя любые файлы. При том используется специальное программное обеспечение. Однако диски, записанные в формате UDF, не будут читаться в некоторых операционных системах, если не установлен дополнительный драйвер. Формат UDF основан на международном стандарте ISO 13346, который должен заменить устаревший формат ISO 9660, ранее разработанный для использования в компакт-дисках. В 2000 году на основе UDF был разработан формат MicroUDF, адаптированный для использования в DVD. Этот формат наиболее удобен при работе с DVD. При использовании MicroUDF на одном DVD-диске можно одновременно хранить видеофильмы, звуковые записи, фотографии в цифровом виде и любые компьютерные файлы. При этом данный диск должен читаться любой операционной системой. Однако на период перехода к новому стандарту используется файловая система UDF

Bridge, являющаяся комбинацией MicroUDF и ISO 9660. DVD-диск содержит файлы различных типов и делится на зоны видео (папка Video_TS), аудио (папка Audio_TS) и остальных типов данных. В зависимости от устройства, в которое вы вставляете DVD-диск, используется одна из зон диска, а остальные игнорируются.

Aspect Ratio

Это соотношение сторон экрана - длины к высоте. Обозначается двумя цифрами, например, 4:3, что означает, если изображение поделить на 4 равные части по горизонтали, то, сложив эти 3 части, мы получим размер по вертикали. 4:3 - это привычное соотношение обычного монитора и телевизора. Этот Aspect Ratio не единственный. В настоящее время на DVD встречаются следующие форматы:

1,33:1 (размер обычного телевизора - 4:3)/ 1,55:1/ 1,66:1/ 1,75:1/

1,77:1(размер широкоэкранного телевизора - 16:9)/ 1,80:1/ 1,82:1/ 1,85:1/ 1,88:1/ 1,90:1/ 1,92:1/ 1,95:1/ 1,97:1/ 2,00:1/ 2,10:1/ 2,20:1/ 2,22:1/ 2,25:1/ 2,30:1/ 2,32:1/ 2,35:1/ 2,38:1/ 2,40:1/ 2,45:1/ 2,50:1/ 2,55:1.

Letterbox

Размер кадра видео, лежащего на DVD, стандартизирован и соответствует aspect ratio 4:3. Для того чтобы получить другой aspect ratio, есть несколько методов. Letterbox означает, что сверху и снизу изображение закрывается чёрными полосами, до тех пор, пока оставшийся просвет не примет нужные пропорции. Ширина этих полос зависит от требуемого aspect ratio. Чем дальше он от 4:3 (1.33:1), тем шире полосы.

PAN&SCAN

Так называется технология, которая позволяет показывать фильмы с любым aspect ratio на стандартных (4:3) телевизорах. Принцип её действия - просто не показывается часть изображения слева и справа. Однако, если резать по центру, вполне возможна ситуация, когда не будет показа- но что-либо важное. Для решения этой проблемы на дисках, которые поддерживают Pan&Scan, ставится метка на изображении, которая определяет местоположение 4:3 окна. Местоположение может меняться на каждой новой сцене. Таким образом, режиссёр может решать, какую часть изображения стоит показывать на 4:3.

Anamorphic

Анаморфное изображение означает, что широкоформатное изображение хранится на DVD-диске в сжатом по горизонтали виде. Делается это потому, что стандартный размер кадра для DVD имеет соотношение сторон 4:3, поэтому, чтобы вместить в этот формат широкоформатное изображение, приходится добавлять чёрные полосы сверху и снизу (Letterbox). Таким образом, когда изображение хранится в анаморфном (сжатом) виде, то не приходится тратить пикселей для записи простого чёрного цвета, и больше остаётся для детализации картинки.

То, что изображение именно анаморфное, плеер должен определить сам. Если этого не произойдёт, то в настройках плеера есть раздел Aspect Ratio, и анаморфный режим можно включить вручную. Региональная защита

С целью предотвращения нелегального распространения DVD- видеодисков, ассоциация разработчиков DVD-дисков ввела в спецификацию DVD несколько методов защиты.

Наиболее распространённой является региональная защита. Суть её такова. Разработчики поделили мир на несколько регионов:

0. Регион соответствует мультизонным приводам.

1. Канада, и США.

2. Япония, Европа, Южная Африка, Ближний Восток (и Египет).

3. Юго-Восточная Азия, Восточная Азия (включая Гонконг).

4. Австралия, Новая Зеландия, Тихоокеанские Острова, Центральная Америка, Южная Америка, Карибские острова.

5. Бывший Советский Союз, Индийский полуостров, Африка (также Северная Корея, Монголия).

6. Китай.

7. Зарезервированный.

8. Экстерриториальная зона (самолеты, круизные лайнеры и пр.), но она практически не используется.

Любое устройство для воспроизведения DVD-дисков (в том числе и компьютерные DVD-приводы), изготовленное в настоящее время, обязано поддерживать региональную защиту, кроме того, подобную же защиту должны поддерживать и все программные средства, предназначенные для проигрывания DVD-видео.

Такие устройства и программы при каждом проигрывании DVD- диска сравнивают код региона, записанный на диске, со своим внутренним кодом, и, если он не совпадает, то отказываются проигрывать диск.

dvd диск оптический

Технология DVD-дисков

В настоящее время используются две технологии изготовления лазерных дисков:

1. Инжекционное литье под давлением (часто используется термин "replication" - репликация). Изготовление тиражей компакт-дисков про- исходит на специально оборудованной фабрике с использованием сложного и дорогостоящего оборудования. С мастер дисков (оригиналов, которые присылаются на завод в качестве прототипа, с которого выполняется тираж) изготавливаются матрицы (литьевые формы, с которых изготавливается тираж). Оборудование промышленного инжекционного литья под давлением создает диск, на котором питы и флэты образованы углублениями в под- ложке. Затем на получившуюся поверхность напыляется алюминий, служащий отражающим слоем. В результате, в теле подложки получается рельефная отражающая поверхность.

2. Запись лучом лазера, или DVD±R - технология (часто используется термин "duplication" - дубликация). В простейшем случае для того чтобы сделать один или несколько лазерных дисков, достаточно иметь персональный компьютер (ПК), оборудованный DVD-рекордером.

При массовом трижировании используются специальные устройста - дубликаторы компакт - дисков, обеспечивающие высокое качество и производительность. Такой технологии изготовления дисков, как «штамповка» не существует - часто, но ошибочно употребляемый термин. Так же часто (уже с точки зрения русской орфографии) встречается неверное написание слов «дупликация» и «дупликатор» - следует писать «дубликация» и «дубликатор». В случае репликации качество дисков определяется производителем, то есть используемыми материалами и технологическим процессом фабрики, где диски изготавливаются. В случае дубликации сложнее, так как в этом случае качество дисков определяется на двух принципиально разных этапах: изготовление самого DVD-диска на фабрике (1), запись DVD-диска пользователем (2).

Форматы DVD

Сегодняшний стандарт DVD позволяет реализовать несколько различных конструкций диска. Это односторонние или двусторонние диски, с одним или двумя несущими информацию слоями на каждой стороне.

Один слой толщиной 0,6 мм может уместить до 4,7 Гбайт информации, а весь диск до 17 Гбайт.

DVD-5 это первая рыночная версия DVD-диска: односторонний диск с однослойной записью и емкостью 4,7 Гбайт.

DVD состоит из0,6 мм пленки, покрытой алюминием и наклеенной на чистую подложку. Технология напыления та же, что используется при изготовлении обычного CD. Алюминиевая пленка имеет толщину 55 нанометров, как и для аудио - CD и CD-ROM.

Рис. 1. Структура DVD-5

DVD-9 это двухуровневый односторонний диск с емкостью 8,5 Гбайт. Для производства такого диска необходимо создать полупрозрачный слой, который отражает 18-30 % лазерного излучения. Этого достаточно, чтобы можно было считывать информацию с верхнего слоя. И в т же время полупрозрачный слой будет пропускать достаточно излучения, чтобы сигнал от нижнего уровня с высокой отражательной способностью тоже читался.

Информационные уровни разделяет высокооднородный клей (толщина клеевой прослойки составляет 40-70 микрон), используемый для соединения двух половин диска. Это постоянное необходимо, чтобы различить сигнал, отраженный от одного и другого уровней.

Использование полупрозрачного слоя диктует более жесткие требования к материалу и используемой технологии. С одной стороны, оптимальным материалом для полупрозрачного слоя является золото. С другой стороны,применение вместо золота другого материала поможет сократить издержки производства на 70%. Сегодня в качестве альтернативы золоту используется кремниевый и серебряный сплав.

Рис. 2. Структура DVD-9

DVD-10 - однослойный двухсторонний диск с емкостью 9,4 Гбайт. Это двойной DVD-5 без чистой подложки. Два диска, покрытых металлическими пленками, соединенными вместе.

Рис. 3. Структура DVD-10

Структура DVD-18 в принципе та же самая, как у DVD-9, но DVD-18 (двойная емкость) может читаться с обеих сторон.

Рис. 4. Структура DVD- 18

Оптическая запись

Основной записи и хранения данных на дисках DVD-RAM и DVD-RW является технология изменения фазового состояния вещества.

При записи и считывания информации используется различие отражательной способности поверхности в зависимости от того, находится ли она в кристаллическом или аморфном состоянии.

Рис. 5. Послойная структура одной половины DVD- диска

При считывании информации с диска измеряется различие между темными аморфными и яркими прозрачными зонами. Эту технологию вполне можно назвать оптической - для чтения и записи достаточен всего лишь лазер.

За последние годы оптическая запись, использующая изменение фазового состояния вещества, значительно продвинулась. Теперь это полноценная технология для создания перезаписываемых носителей информации.

Помимо общих преимуществ, обусловленных бесконтактным считыванием информации, технология оптической записи совместима с широко распространенным стандартом CD.

Луч лазера вызывает кристаллографические изменения в активном слое оптического диска (в результате облучения вещество меняет свое состояние с кристаллического на аморфное и на оборот).

Рис. 6. Запись информации

Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал (температура нагрева превышает температуру плавления материала, Т Т_плавл). Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации (Т_крист). Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации. Таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в амфорном состоянии.



Рис. 7. Стирание данных

Для стирания надо вернуть вещество в кристаллического состояние.

Опять же с помощью лазера аморфное вещество нагревают до температуры Т, которая меньше температуры плавления, но больше температуры кристаллизации (Т_крист< Т < Т_плавл). Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течении времени (t_отж), достаточного для восстановления кристаллического состояния вещества. Это время должно быть больше, чем так называемое время кристаллизации (t_крист t_крист < t_отж). Если необходима очень быстрая запись, например на DVD-RV, то жизненно необходима быстрая кристаллизация. Поэтому время t_крист должно быть ниже 100 наносекунд, а это строго ограничивает выбор используемого материала. Оптимально использование различных сплавов Ge, Sb и Te - они не только удовлетворяют требования к времени кристаллизации, но и обладают большим оптическим контрастом между аморфной и кристаллической фазами. Кроме того, они имеют проблемные температуры кристаллизации и плавления (Т_крист = 150 - 200⁰С, Т_плавл = 600⁰С).

Механизм записи

Существенной частью каждого метода, основанного на изменении длительности импульса, является использование многоимпульсной стратегии записи. Каждая записываемая метка формируется посредством мощьных лазерных импульсов (З_зап= 12 мВm, длительность импульса - 15 нс). Между импульсами интенсивность лазерного излучения уменьшается. Таким образом, после каждого импульса расплавляемый материал охлаждается до температуры, ниже температуры кристаллизации, формируя область с амфорной фазой. Стирание (т.е. кристаллизация) достигается посредством длительного импульса лазера (Р_стир < Р_зап). Чтение информации осуществляется уже при гораздо меньшей мощности лазера - (Р_чтения = 05, - 0,6 мBm).

Рис. 8. Методика прямой перезаписи информации

Метка записывается посредством серии мощных импульсов. Стирание достигается длинным лазерным воздействием с Р_стир < Р_записи.

DVD- диски для однократной записи

По своему строению DVD ± R - диск напоминает слоеный пирог, «начинка» которого состоит из активного, отражающего и защитного слоев, которые последовательно наносятся на основы из поликарбоната - пластиковый кружок с отверстием для фиксации на шпинделе читающего привода. При этом основа DVD±R - диска ничем не отличается от той, что применяется в технологии изготовления DVD- дисков литьем: характеристики пластмассы должны быть таковы, чтобы луч лазера, проходящий сквозь нее, должным образом фокусировался и не вызывал разрушения диска.



Рис. 9. Структура DVD±

Активный (или регистрирующий) слой - слой, на котором, собственно, и происходит запись информации, то есть именно он подвергается воздействию лазерным лучом, который «прожигает» (burn) питы (pits), кодирующие информации (логические нули и единицы). Иными словами, во время записи активный слой под воздействием лазерного луча меняет свою структуру, а последующая необратимость изменений активного слоя - суть есть надежность хранения информации.

Одним из типов активных слоев, широко использующихся на сегодняшний день, является цианин (cyanine). Цианин является изначальным типом, на который ссылается стандарт Orange Book, и широко используется уже 10 лет. Фталоцианин (phtalocyanine) используется почти так же долго, как и цианин, и является его производной. Диск на основе фталоцианина менее чувствителен к воздействию света после записи, что способствует увеличению срока хранения информации.

На основе цианина выпускаются и иные активные слои, обладающие теми или иными специфическими особенностями. Так, например, концерном Mitsubishi Chemical был разработан активный слой Metal Azo. Диски на его основе продаются под торговой маркой Verbatim и имеют характерный густо-синий цвет со стороны рабочей поверхности. Особенностью Metal Azo является меньшая чувствительность DVD±R-дисков к воздействию солнечного спектра.

Metal Azo также показывает впечатляющие результаты как по со- вместимости, так и по надежности. Но в своей основе все типы активных слоев имеют один и тот же синтетический органический краситель с раз- личными добавками для придания ему специальных свойств.

Активный слой DVD±R-диска является ключевым моментом при определении его совместимости с записывающими устройствами. Особенно это стало актуальным после того, как скорости записи DVD±R-рекордеров стали расти все быстрее: DVD±R-диски и DVD±R-рекордеры должны ус- певать друг за другом, улучшать свои характеристики параллельно. В дополнение к различным типам слоев, используемых при производстве носителей, возможны вариации структуры спиральной дорожки, по которой проходит лазерный луч во время записи информации.

Над активным слоем DVD±R-диска находится светоотражающий слой, который во многом определяет совместимость диска с читающими устройствами. Светоотражающий слой - тончайшая пластинка из золота или серебра. Вернее, изначально в виде материала для отражающего слоя использовалось только промышленное золото, однако впоследствии оно было вытеснено серебром, которое не только значительно дешевле, но и обладает большим коэффициентом светоотражения. Таким образом, после замены золота на серебро DVD±R-диски значительно подешевели, а их качество не только не пострадало, но даже улучшилось. Правда, в не- которых случаях, когда к дискам предъявляются специальные требования (например, время хранения информации медицинских архивов), все же применяются "золотые" диски. Защитный слой - слой, наносимый поверх светоотражающего, - служит для механической защиты DVD±R-диска и нанесения на него этикетки (label). В простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Надпись, сделанная на диске активным маркером, может привести к потере информации из-за проникновения чернил сквозь тонкий слой лака - начнется пагубная для диска химическая реакция. Однако в последнее время некоторые производители DVD±Rдисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность.

Основные различия DVD+R(W) и DVD-R(W)

DVD±R - это однократно записываемые диски. Они бывают двух типов: диски общего назначения (general purpose) и диски для авторинга (authoring). DVD±R общего назначения, в отличие от дисков для авторинга, содержат встроенную систему защиты от нелегального копирования. Диски общего назначения можно записывать на обычном DVD-рекордере. Для записи авторинговых дисков используются специальные рекордеры.

Записанные таким образом диски не содержат защиты от нелегального копирования и используются только для последующего тиражирования на заводах. Объем DVD±R общего назначения - 4,7 Гбайт.

DVD-RW - это формат перезаписываемых DVD-дисков. Один DVDRW-носитель можно стирать и записывать до 1000 раз. Объем данного диска также составляет 4,7 Гбайт.

DVD+R(W) - диски разработаны организацией DVD+RW Alliance, в которую вошли несколько известных компаний (например, Sony, Philips и другие). Спецификации указанных дисков появились в 2001 (RW) и 2002 (R) годах, т.е. значительно позже свих конкурентов. Это позволило разработчикам спецификаций формата "плюс", создать технически более со- вершенные носители. По аналогии с форматом "минус" данные диски бывают однократно записываемыми (DVD+R) и перезаписываемыми (DVD+RW). Один носитель DVD+R(W) вмещает также 4,7 Гбайт информации. DVD+RW-диски поддерживают до 1000 циклов перезаписи.

Следует отметить, что форматы DVD-R(W) и DVD+R(W) не совместимы.

Однако считываться записанные диски могут в большинстве современных DVD-проигрывателей. Дело в том, что различия форматов сказываются, главным образом, на записи дисков, а не на их считывании.

Основные отличия DVD-R(W)- и DVD+R(W)-дисков с технической стороны рассмотрены ниже.

Адресация и хранение служебной информации

Для записи DVD привод обычно получает от диска три типа данных:

1. Данные для трекинга (отслеживания дорожек), которые позволяют приводу записывать питы точно на дорожку.

2. Данные адресации, которые позволяют приводу записывать информацию в отведенные места на диске.

3. Данные о скорости вращения диска.

В DVD-R(W)-дисках информация трекинга и скорости заключена в "дрожании" (wobble) дорожек, а адресация и другая служебная информа- ция содержится в предзаписанных питах между канавками (land pre-pits, LPP).

Наличие LPP определяют по скачкам амплитуды специального сигнала "дрожания" (рис. 10). Указанные скачки происходят при нахождении головки рядом с предзаписанным питом. Частота дрожания (wobble frequency) для DVD-R(W)-дисков составляет 140,6 кГц.

Рис. 10. Предзаписнные питы land pre-pits на DVD±R(W)

В дисках DVD+R(W) используется более высокая частота дрожания 817,4 кГц, а служебная информация содержится в изменении фазы сигнала дрожания, т.е. хранится в самой дорожке (рис. 11). Такой метод записи служебной информации называется "адресация в преднанесенных канавках" (ADress In Pre-groove, ADIP).

Рис. 11. Изменение фазы сигнала дорожки на DVD±R(W)

Из теории обработки сигналов известно, что метод относительно- фазовой модуляции имеет большую устойчивость к шумам, чем метод амплитудной модуляции. Поэтому с точки зрения устойчивости к внешним воздействиям DVD+R(W)-диски более надежны.

Более того, с ростом скорости записи, нахождение LPP по амплитуде становится сложнее, чем определение изменения фазы сигнала дрожания.

С точки зрения создания дисков, DVD-R(W) тяжелее изготавливать, так как требуется производить два технологических цикла вместо одного, а также необходимо с очень высокой точностью записывать LPP.

Диск DVD+R(W) передает в привод большее количество информации, что, в конечном итоге, приводит к улучшению качества записи. В DVD-дисках используется алгоритм оптимального управления мощностью (optimum power control, OPC), который позволяет считывать наилучшие параметры для записи конкретного носителя и производить их тестирование. Эти параметры, например мощность лазера в зависимости от длины волны, содержатся в блоках LPP на DVD-R(W) или в словах ADIP на DVD+R(W). Количество регулируемых параметров для обоих форматов дисков одинаково, однако в носителях DVD+R(W) параметры задаются с большей точностью. Кроме того, в формате «плюс» можно задавать параметры для 4х различных скоростей записи, тогда как в конкурирующем формате только для одной (параметры записи зависят от скорости). К тому же область тестирования OPC на DVD+R(W)-дисках больше, чем на DVD-R(W) (32 768 против 7088 секторов).

Сопряжение (linking)

Если по какой-либо причине запись на диск была приостановлена и должна быть возобновлена, необходимо произвести сопряжение новых данных с записанными ранее. В DVD+R(W)-дисках сопряжение производится более точно. В носителях формата "минус" область сопряжения находится среди пользовательских данных, поэтому некоторые из них при этом неизбежно теряются. В носителях формата "плюс" область сопряжения не затрагивает пользовательских данных.

Многосессионная запись

Для того чтобы многосессионные DVD-R(W) могли считываться обычными DVD-ROM-проигрывателями, область пользовательских данных содержит специальные граничные зоны border-in и border-out.

Размеры граничных зон могут изменяться от 32 до 96 Мбайт для пер- вой зоны, от 6 до 18 Мбайт для последующих зон. Таким образом, DVDR(W)-диск с тремя записанными сессиями будет содержать до 132 Мбайт (96 + 18 +18) избыточной служебной информации, что составляет более 2 % от его общего объема. Многосессионные DVD+R(W)-диски также со- держат специальные зоны, которые называются Intro и Closure зонами, однако их размер всегда составляет 2 Мбайт.

Таким образом, DVD+R(W)-диск с тремя записанными сессиями будет содержать всего 4 Мбайт дополнительной служебной информации (первая Intro-зона не записывается, вместо нее используется Lead-In (вводящий трек), аналогично не записывается и последняя Closure зона, так как используется Lead-Out (выводящий трек)).

Методы коррекции ошибок

Как бы хорошо ни был сделан DVD-диск, ему присуще некоторое количество ошибок, которые неизбежно будут появляться в процессе считывания информации. Следовательно, если описать возможные ошибки, измерить их количественные значения, то судить о качестве дисков можно совершенно объективно. Технология DVD-дисков (вне зависимости от метода их производства - инжекционное литье или запись лазером) использует базовую систему коррекции ошибок, которая называется "Перемежающийся код Рида - Соломона" (CIRC - Cross Interleaved Reed Solomon Code). Алгоритм CIRC реализован на программно-аппаратном уровне во всех устройствах, позволяющих читать DVD-диски. При этом алгоритм коррекции исполняет специальный чип, а микропрограмма, по которой он работает, называется "firmware" и обычно записывается в ПЗУ или ППЗУ привода. CIRC состоит из двух уровней коррекции ошибок: C1 и C2. На этих двух уровнях могут появляться ошибки, обозначаемые как E11, E21, E31, E12, E22, E32. CIRC использует два принципа обнаружения и коррекции этих ошибок: избыточность (redundancy) и перемежение (interleaving).

Избыточность составляет около 25 % от полезной информации. Это значит, что для хранения, скажем, 4 Мбайт полезной информации используется около 5 Мбайт дискового пространства. Перемежение заключается в том, что логически единая информация делится на блоки и рас- полагается не подряд, а на относительно большой площади компакт- диска. Так, например, один информационный блок (frame) из 24 байтов физически хранится в 109 блоках.

Ошибки первого уровня (Level 1)

Ошибки E11, E21 и E31 обнаруживаются на первом уровне коррекции, обозначаемом как C1. Появление E11 означает, что был обнаружен один неверно декодированный символ (байт) на уровне C1.

Соответственно, появление ошибки E21 указывает на два неверных байта, а E31 - на три байта. После обнаружения ошибки происходит ее коррекция. На уровне C1 возможно исправить ошибки E11 и E21.

Ошибка E31 не может быть исправлена на C1 и передается для коррекции на второй уровень.

Таким образом, при обозначении ошибки используется индекс E (от "error" - ошибка) и двухзначный индекс, где первая цифра обозначает количество неверно считанных символов, а вторая цифра указывает на тот уровень коррекции, на котором эта ошибка обнаруживается и корректируется.

Ошибки второго уровня (Level 2)

Ошибки E12, E22 и E32 обнаруживаются на втором уровне коррекции, обозначаемом как C2. Появление E12 означает, что был обнаружен один неверно декодированный символ (байт) на уровне C2. Соответственно, E22 указывает на два байта, E32 - на три байта. Ошибки E12 и E22 могут быть скорректированы на C2. Ошибка E32 является фатальной и не может быть исправлена.

Поэтому вне зависимости от формата записи диска, а также независимо от технологии, по которой диск был изготовлен - литье под давлением или запись лазерным лучом, - диски с ошибкой E32 считаются дефектными.

Дополнительные сложности наличие ошибки E32 вызывает в случае ее появления на мастер дисках (оригиналах, которые присылаются на за- вод в качестве прототипа, с которого выполняется тираж). Во-первых, E32 приводит к невозможности точного считывания данных, что ставит под угрозу отбраковки весь тираж. Во-вторых, оборудование мастеринга, обнаружив E32 в процессе работы, может просто остановиться и весь процесс потребуется начинать заново, что приводит к увеличению расходов на изготовление матрицы (литьевой формы, с которой изготавливается тираж) и затягиванию сроков изготовления тиража в целом.

BLER

Аббревиатура BLER раскрывается как "Block Error Rate" и обозначает частоту появления информационных блоков, которые имеют ошибочные символы (байты), обнаруженные на уровне C1. Показатель BLER - параметр, который хорошо отражает качество диска в целом, так как за- висит от множества факторов, проявляющихся в процессе изготовления дисков.

Стандарт "Красная книга» (Red Book, IEC 908) определяет максимальный BLER не более 220 блоков в секунду. При этом вычисляется среднее значение при измерении на интервалах по 10 секунд. В зависимости от BLER диски делятся на пять классов (grade) качества:

Grade A (BLER < 6) - диски высокого качества;

Grade B (BLER < 50) - диски хорошего качества;

Grade C (BLER < 100) - диски удовлетворительного качества;

Grade D (BLER < 220) - диски, которые можно использовать, но чтение информации с которых затруднено или велика опасность выхода диска из строя (потеря информации);

Grade F (BLER > 220) - диски, использование которых просто опасно: они могут даже вызвать "зависание" компьютера и сбой в работе DVDплеера - например, вы не сможете извлечь диск из привода без использования аварийного метода.

Поэтому ведущие производители компакт-дисков стараются изготавливать свою продукцию с BLER < 50 (Grade B). DVD-технология позволяет легко наладить производство тиражей с BLER < 20 без дополнительных затрат. А если применять только диски известных производителей, то 100 %-ный выход дисков высшего класса качества (Grade A) практически обеспечен.

При записи мастер дисков, предназначенных для последующей от- правки на репликацию, следует использовать DVD-диски класса Grade A+, у которых BLER

Но класс (grade) дисков определяется не только одним BLER, но и еще рядом параметров. Диски Grade A и Grade B не должны содержать ошибок E22 - если в диске с отличным показателем BLER присутствует хотя бы одна ошибка E22, то это автоматически позиционирует его качество не выше Grade C. Ошибка E32 не допускается ни в Grade A, ни в Grade B, ни в Grade C, появление E32 на дисках может означать полную непригодность такого диска к эксплуатации. BLER - это не показатель только диска, а показатель всего тракта "диск - система считывания".

То есть ошибки чтения диска возникают не только из-за дефектов диска, но и из-за дефектов системы считывания. Поэтому, рассматривая параметр BLER по отношению к диску, важно знать, что диск считывается на абсолютно исправном и высокоточном приводе, ошибки которого столь малы, что ими можно пренебречь. Подобные приводы устанавливаются в высококачественной бытовой и профессиональной аппаратуре, а также в анализаторах качества DVD-дисков.

Dropout

Данная ошибка возникает, когда уровень возвращаемого сигнала на фотоприемник менее 75 % от нормального значения. При этом понятие "нормального значения" уже предусматривает понижение интенсивности сигнала с учетом коэффициента отражения. Dropout появляется в результате физических дефектов диска. Точного определения допустимого значения dropout в стандартах нет.

Push-pull tracking

Наиболее надежное считывание информации с компакт-диска достигается за счет точной фокусировки и позиционирования луча лазера по центру дорожки. Тем более, что размер питов (pits) на диске меньше, чем длина волны лазера, с помощью которого считывается информация. Если измерить разницу возвращенного сигнала между левой и правой частью дорожки, то в идеале должен получиться нуль - луч лазера находится точно по центру. Чем более отлично от нуля значение push-pull tracking (в зависимости от отклонения луча лазера от центра в ту или иную сторону, значение push-pull tracking может быть положительное или отрицательное), тем менее надежным будет считывание данных. Параметр push-pull tracking характеризует точность геометрии питов (pits); его значение, наиболее близкое к нулевому, в значительной степени способствует точности работы механизма отслеживания дорожки читающим приводом. Для того чтобы получить хорошее значение push-pull tracking при записи дисков лазерным лучом, следует использовать DVD-рекордеры с высоко- точным механизмом фокусировки лазера. DVD±R-диски отличаются тем, что уже до записи имеют сформированную дорожку, по которой двигается лазерный луч. Наиболее точные приводы, которые устанавливаются в измерительных и студийных системах, используют трехлучевые лазеры: центральный луч считывает информацию, а два других отслеживают до- рожку и производят корректировку позиционирования.

Eccentricity (эксцентриситет)

Эксцентриситет - смещение геометрического центра диска (ось шпинделя) и геометрического центра спиральной дорожки, нанесенной на диск. В идеале эти центры должны совпадать. На практике возникает некоторое расхождение, которое должно укладываться в допуск не более 50

микрон. Reflectivity (коэффициент отражения) В процессе чтения информации с DVD-диска лазерный луч с волной определенной длины (для DVD-дисков используется волна длиной 650 нм) направляется на поверхность диска, а затем производится его считывание. Reflectivity - параметр, показывающий отношение отраженной мощности к исходящей. Наилучшим теоретическим значением является единица - от поверхности компакт-диска отражается 100 % мощности луча. На практике же такое значение недостижимо, да и не особо нужно, так как надежное считывание информации происходит при Reflectivity = 0,65 (или 65 %), что и является хорошим значением параметра.

Birefringence (двойное преломление)

Эффект двойного преломления возникает из-за дефектов изготовления поликарбонатной основы (подложки) диска.

Примеси в материале, излишние внутренние напряжения, появляющиеся в процессе литья, - эти и другие факторы могут привести к тому, что при чтении информации луч лазера отражается неточно, что приводит к рассеянию сигнала.

Jitter

Геометрическое представление бинарной информации на поверхности DVD-диска состоит из углублений (pits) и ровных участков (lands). Существует временной параметр перехода луча лазера по маршруту pits - lands или lands - pits, который должен быть для диска постоянным настолько, насколько это возможно.

По определению "Оранжевой книги" (Orange Book) значение jitter после записи должно быть менее 35 нс.

В настоящее время параметр «jitter» получил двоякое толкование, так как он в одинаковой степени зависит как от качества DVD-привода, так и от качества самого DVD-диска.

Поэтому иногда jitter используют как характеристику качества чтения данных со стороны привода, а иногда им характеризуют диск.



Заключение

В заключении следует отметить, что максимальная интенсификация и активизация самостоятельной работы студента на основе применения методик информационного обеспечения, выполнения комплекса лабораторных исследований в направлении изучения технологий, на которых основан стандарт DVD.



Список используемых источников

1. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения/ Учебное пособие.- М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 224 с.

2. Артюшенко В.М., Шелухин О.И., Афонин М.Ю. Цифровое сжатие видеоинформации и звука / Под ред. В.М. Артюшенко. - М., 2003. - 426 с.

3. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юркин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео/ - М.: «Диалог-МИФИ», 2003. - 384 с.

4. Цифровое преобразование изображений: Учебное пособие для ву- зов / Р.Е. Быков, Р. Фрайер, К.В. Иванов, А.А. Манцветов; Под ред. проф. Р.Е. Быкова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 228 с.

5. Ян Ричардсон. Мир цифровой обработки. Видеокодирование. H.264 и MPEG-4 стандарты нового поколения/ - М.: Техносфера, 2005.- 368 с.

6. Птачек М. Цифровое телевидение: Теория и техника / Пер. с чеш.; Под ред. Л.С. Виленчика. - М.: Радио и связь, 1990. - 528 с.

7. Новаковский С.В., Котельников А.В. Новые системы телевидения. Цифровые методы обработки видеосигналов/- М.: Радио и связь, 1992. - 88 с.

8. Тимофеев Б.С. Цифровое телевидение: Учебное пособие/ - СПб.: Изд-во СПбГУ-АП, 1998. - 49 с.

9. Брайс Р. Руководство по цифровому телевидению/ - М.: ДМК Пресс, 2002. - 288 с.

10. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит, 2001. - 784 с.

Размещено на Allbest.ru