Оптические устройства записи-воспроизведения

Оптические устройства записи-воспроизведения

Семейство компакт-дисков включает в себя носители различных типов, оптимизированных для хранения и использования специфичных видов информации. Несмотря на разнообразие типов КД, всем им присущи общие черты, или характеристики.

Геометрические размеры. Все члены семейства КД представляют собой диск диаметром 120 мм, имеющий в центре отверстие диаметром 15 мм. Толщина диска - 1,2 мм.

Конструкция компакт-диска

Подложка из оптически прозрачного материала (поликарбонат), которая изготавливается методом литья под давлением. При изготовлении подложки на одной из ее поверхностей формируется информационный рисунок, состоящий из ямок (питов) и промежутков между ямками (лэндов). На информационный рисунок напыляется тонкий отражающий слой. Поверх отражающего слоя наносится слой лака, защищающий диск от повреждений. Как правило, на защитный лак наносится лейбл.

Для чтения информации с КД используется луч лазера инфракрасного диапазона (ИК). Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник. При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге, на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска.

Особенности оптического способа считывания информации:

1) Успешное считывание информации зависит от состояния поверхности КД. Царапины, пыль и загрязнения затрудняют, а иногда и делают невозможным считывание информации с КД.

2) Применение лазера ИК-диапазона позволяет использовать для изготовления КД не только прозрачный поликарбонат, но и цветной тоже, вплоть до очень темных. При этом темные материалы являются светонепроницаемыми только в видимом диапазоне светового спектра. В ИК-диапазоне такой материал остается прозрачным.

Питы и лэнды разной длины, чередуясь, составляют информационную дорожку в виде спирали, которая начинается от внутреннего радиуса КД. Расстояние между витками спирали составляет 1.6 мкм.

При проигрывании КД читающая система следит за дорожкой, при этом скорость вращения диска поддерживается такой, чтобы скорость перемещения дорожки относительно читающей системы оставалась постоянной. Этот параметр называется Скорость Сканирования (Scanning Velocity) и он должен быть в пределах 1.2 - 1.4 м/с. Именно такое значение скорости проигрывания (чтения) принято называть однократной скоростью. Такой режим проигрывания называется CLV (Constant Linear Velocity) - Постоянная Линейная Скорость. Для поддержания постоянной линейной скорости проигрыватель вынужден постоянно менять скорость вращения диска.

Появились устройства с большими значениями скоростей чтения. На определенном уровне скорости (~48х…52х) выплыли проблемы со скоростью доступа к информации на CD-ROM, связанные именно с режимом CLV. При чтении информации из произвольных участков CD-ROM привод вынужден был постоянно уменьшать или увеличивать скорость вращения диска. Чем тяжелее был диск, и чем выше была скорость чтения, тем больше было время доступа к определенному участку диска.

Решением этой проблемы стало введение режима CAV (Constant Angle Velocity) - Постоянная Угловая Скорость. В этом режиме скорость вращения диска остается постоянной, а скорость чтения информации меняется (растет от центра диска к краю). Производители приводов обычно указывают скорость на краю диска (например, для привода Plextor UltraPlex 40 Max при максимальной скорости вращения диска скорость чтения меняется в диапазоне 17х-40х). Режим CAV предъявляет повышенные требования к качеству КД и состоянию его поверхности (особенно на краю диска). Типичная ситуация - отпечаток пальца на краю диска, оставленный при извлечении диска из конверта, приводит при чтении к сбросу скорости вращения диска. При просмотре фильма MPEG 4 это, как правило, вызывает рывки изображения и обрывы звука.

Для чтения информации с КД может применяться два режима: CLV и CAV.

Информационная дорожка КД разбита на три зоны: вводная дорожка (Lead-In), программная зона (Program Area) и выводная дорожка (Lead-Out).

Основное отличие диска CD-ROM от CD Audio - структура кадра. Если для аудио-диска кадр размером 2352 байта полностью занят звуковыми отсчетами, то на CD-ROM для компьютерных данных из 2352 байт отведено только 2048 байт (User Data). Остальное - служебная информация.

1) Для CD-ROM необходим точный доступ к кадру. Для этого в кадр введены разделы Synchro и Header. Synchro - для распознавания начала кадра (сектора) CD-ROM, Header - содержит в себе точный адрес сектора в формате MSF.

2) Основная задача аудио-проигрывателя - непрерывное воспроизведение фонограммы. Если при воспроизведении возникают ошибки, проигрыватель пытается исправить их с помощью механизмов избыточности (код Рида-Соломона). Если механизма избыточности недостаточно для восстановления поврежденной информации, проигрыватель начинает интерполировать звук. Возникают искажения (слышимые или неслышимые), но воспроизведение продолжается.

Для CD-ROM интерполяция информации неприемлема. Информация должна быть или прочитана точно, или не прочитана вообще. Поэтому для CD-ROM предусмотрена дополнительная избыточность и средства детектирования ошибки. Это EDC (Error Detection Code) и ECC (Error Correction Code), которые принято называть третьим слоем восстановления ошибок.

Тип трека - определяет, какие треки находятся на диске - аудио или компьютерные. В стандартах семейства КД определены два типа: Audio-трек и Data-трек. Тип трека указывается в TOC для каждого трека. Также тип трека указывается в субкоде каждого кадра.

Полезная информация (User Data) занимает в кадре 2048 байт (2к). Тогда

Диск 74 мин -> 333000 - 150 (пауза трека 1) = 332850 секторов * 2к = 665700к = 650,09 МВ.

Диск 80 мин -> 360000 - 150 = 359850 секторов * 2к = 719700к = 702,8 МВ.

Для доступа к файлам на дисках CD-ROM формируется файловая структура (ФС). ФС - это набор служебных записей, описывающих местоположение и атрибуты файлов и папок. Файловые структуры бывают разные, и любая из них может быть размещена на CD-ROM.

Для обеспечения универсальности дисков CD-ROM была разработана файловая система ISO 9660. Диски с этой файловой системой совместимы с операционными системами ПК Windows, MacOS и Unix.

Mixed Mode CD (диск со смешанными режимами) является прямым потомком двух предыдущих - CD DA и CD-ROM .

На таком диске первый трек всегда имеет тип Data и содержит файловую структуру с компьютерными данными. За Data-треком располагаются аудио-треки. Особенность использования такого диска - аудио-треки начинаются со второго трека.

CD-ROM XA (eXtended Architecture) - можно обозначать тип цифровой информации, хранящейся в конкретном кадре диска. Связано это было с появлением специализированных проигрывателей мультимедийной информации, способных проигрывать видео со звуком и отображать неподвижные изображения (в частности, проигрыватели Video CD).

Кадры на диске CD-ROM XA имеют более сложную структуру, чем кадр CD-ROM. Есть два вида кадров (или две формы): Form 1 и Form 2. Кадр Form 1 похож на кадр CD-ROM.

Отличие от кадра CD-ROM состоит в том, что появился SubHeader (8 байтов). Назначение SubHeader в том, чтобы указывать проигрывателю, в какой форме хранится информация (Form1 или Form 2), какой тип информации находится в данном кадре (Data, Audio или Video) и должна ли информация из кадра выдаваться на внешнее устройство в конкретный момент времени (Real Time Sector). В цифровых форматах хранения видеофильмов звук и видео чередуются в определенном порядке. При этом они должны выдаваться на воспроизводящие устройства в строго определенные моменты времени, иначе нормального воспроизведения не получится. Кадры Form 1 используются для хранения системной информации, для хранения видео и звука используются кадры Form 2.

Кадр Form 2 отличается увеличенным размером зоны пользовательских данных (звук, видео), но реализовано это за счет отказа от кодов коррекции ошибок. Т.о. кадры Form 2 более чувствительны к ошибкам считывания и в этом плане похожи на кадры аудио-диска. Сходство усиливает и алгоритм их воспроизведения. Поскольку кадры Form 2 являются обычно кадрами реального времени (Real Time), для проигрывателя главная задача - вовремя выдать видео и звук на устройства отображения. Если кадр оказывается поврежденным, он пропускается (изображение на экране может «застыть»).

Применение формата CD-ROM XA обязательно при создании диска Video CD. Видео и звук на таком диске закодированы в соответствии со стандартом MPEG 1. Качество изображения видео в формате MPEG 1 примерно соответствует качеству формата VHS. Достоинство формата - стереозвук.

Формат Super Video CD. Для SVCD видеоряд кодируется в MPEG 2. Формат SVCD хорошо подходит для издания сборников видеоклипов. Современные DVD -проигрыватели поддерживают формат SVCD.

С появлением формата CD-ROM XA было введено понятие «Тип Диска». Для того чтобы проигрывающие устройства могли отличать диски CD-ROM XA от дисков остальных типов, в таблице содержания (TOC) компакт-диска указывается тип диска, который может принимать три значения:

Формат CD-I в настоящее время распространения не имеет (правда, на дисках LG Karaoke в TOC указан именно тип CD-I, но формат LG Karaoke - это собственный закрытый формат фирмы LG).

Multisession CD - формат CD-ROM XA используется также при создании дисков Multisession .

Термин «сессия» - дословно, сеанс, появился вместе с форматом CD - Recordable (Записываемый Компакт-Диск). Под сессией понимается сеанс записи компакт-диска, то есть запись на диске Lead-In, программной зоны и Lead-Out

Стандартом на записываемые КД разрешается размещение на КД нескольких сессий (до 99). Lead-In каждой сессии содержит свою собственную TOC, которая содержит список треков, входящих в эту и предыдущие сессии. Также в TOC каждой сессии указан тип этой сессии.

Формат Multisession разрешает производить запись на диск, который уже имеет сессию (сессии). Запись возможна при условии, что в TOC последней сессии имеется специальная метка, разрешающая запись еще одной сессии. При записи новой сессии в ней формируется новая файловая система, которая указывает местоположение вновь записываемых файлов и, кроме этого, как правило, указывает на местоположение файлов из предыдущих сессий (хотя может этого и не делать). Также в новой сессии могут быть записаны новые версии файлов, уже имеющихся в предыдущих сессиях (при этом в новой файловой системе указывается местоположение новой версии файла, а ссылка на старый файл не формируется - «псевдостирание»). Для операционной системы компьютера и для пользователя этот процесс выглядит как добавление или замена файлов. Диски, содержащие две сессии с компьютерными данными, крайне желательно не допускать к тиражированию. Для того чтобы понять причину подобного отношения, необходимо рассмотреть, как привод CD-ROM читает диск Multisession .

При записи первой сессии будущего диска Multisession в TOC первой сессии делается специальная метка, говорящая о том, что на диске может быть еще одна сессия (диск «не финализирован»). Привод CD-ROM, читающий такой диск, обнаружив эту метку, начитает читать ту область КД, где должен находиться Lead-In следующей сессии. Если Lead-In есть, делается попытка прочитать TOC следующей сессии. Если чтение этой области не удается, привод делает вывод, что следующей сессии нет, и работает с TOC первой сессии, показывая её файловую структуру. Если же чтение удается и во второй сессии тоже есть метка, цикл повторяется до тех пор, пока не будет обнаружена последняя сессия.

В случае если Lead-In какой-либо из сессий будет записан некачественно или в области размещения Lead-In будут повреждения, привод CD-ROM может принять ложное решение об отсутствии следующей сессии и показать файловую систему текущей сессии. В этом и состоит опасность тиражирования Multisession дисков с компьютерными данными. При наличии дефектов в области Lead-In второй и следующих сессий пользователь диска может получить старый набор информации с неоткорректированными файлами, либо неполный набор информации.

Формат Multisession при массовом тиражировании должен быть использован только тогда, когда без его применения нельзя обойтись!

Пример этому - диски формата CD Plus (они же Enhanced CD, CD Extra).

Структура таких дисков оговорена стандартом «Голубая Книга».

В первой сессии такого диска, имеющей тип ROM/Audio, размещаются аудио-треки, во второй сессии, имеющей тип CD-ROM XA, размещаются компьютерные данные (например, видеоклип).

Преимущества - аудиопроигрыватели видят только первую сессию, проигрывание начинается с трека 1. Привод CD-ROM всегда обращается к последней сессии, т.е. ко второй и отображает компьютерные данные.

При подготовке такого диска следует учитывать, что Lead-Out первой сессии и Lead-In второй сессии в сумме занимают 2.5 минуты дискового пространства. Для дисков, заполняемых «под завязку», это критично.

Нерассмотренными остались диски Playstation, Sega DreamCast, LG Karaoke. Исследование структуры этих дисков показало, что она отвечает стандартам Philips/Sony. Но формально эти диски не являются членами семейства КД и их структуру описывают соответствующие внутрифирменные стандарты закрытого типа.

Общими для устройств записи компакт-дисков является следующие принципы:

- изменения оптических свойств носителя информации под воздействием лазерного излучения;

- наличие на «чистом» диске специальной направляющей дорожки (groove).

В настоящее время в системе «компакт-диск» существует два вида дисков, позволяющих запись информации. Это CD-Recordable и CD-Rewritable.

В системе CD-Recordable между подложкой и отражающим слоем находится светочувствительное вещество (органический краситель). Изначально это вещество прозрачно. Под воздействием луча лазера определенной мощности вещество теряет прозрачность. Так формируется последовательность псевдо-«питов» и псевдо-«лэндов». Считывание производится с помощью луча лазера меньшей мощности.

Для того чтобы сформировать в процессе записи диска спиральную информационную дорожку, соответствующую всем требования стандарта, на чистом диске изначально присутствует специальная направляющая дорожка - Pregroove. В процессе записи следящая система рекордера ведет записывающую головку точно по этой направляющей дорожке, создавая спиральную информационную дорожку.

Кроме областей, предназначенных для записи сессий, на диске CD - R присутствуют специальные служебные зоны: PCA (Program Calibration Area) - зона, используемая для подбора оптимальной мощности лазера перед началом записи, и PMA (Program Memory Area) - зона, используемая для временного хранения информации о структуре создаваемого диска (требуется при использовании некоторых режимов записи).

В системе CD-Rewritable светочувствительный слой может находиться в одном из двух устойчивых состояний - кристаллическом или аморфном, соответственно пропуская луч лазера до отражающего слоя и обратно, или же рассеивая свет.

Если вещество находится в первом (кристаллическом состоянии), то считывающий луч лазера беспрепятственно проходит сквозь рабочий слой, отражается от отражающего слоя и в итоге попадает на фотоприемник, что соответствует логической "1". Если же вещество находится в аморфном состоянии, луч рассеивается, не попадая в итоге на фотоприемник, что соответствует логическому "0".

Для перевода вещества из одного состояния в другое используются специальные режимы нагрева и охлаждения лазерным лучом. Вначале вещество нагревается до высшей температуры T1, при этом оно теряет свою структуру, локально в точке фокусировки луча лазера становясь аморфным; если затем полностью выключить лазер, т.е. произвести резкое охлаждение T1 >> T комн., то вещество, остывая, так и останется в аморфном состоянии. Если же лазер не выключить, а только уменьшить его мощность и полностью выключить только через какое-то время, то за счет двухступенчатого охлаждения T1>>T2>>T_комн., вещество рабочего слоя успевает кристаллизоваться.

Режимы записи

1) Track - At - Once - Трек За Один Проход - рекордер записывает первый трек, после чего производится запись информации об этом треке в служебную область диска (PCA), затем производится запись следующего трека и т.д. В завершение, производится запись вводной и выводной дорожек. При использовании этого метода возможна запись отдельных треков в разное время и на разных рекордерах. Трек при этом оформляется в виде пакета, который начинается пятью блоками «вбегания» (Run-In Blocks) и завершается двумя блоками «выбегания» (Run-Out Blocks). Между пакетами вставляются связующие блоки (Link Blocks), в которых отсутствуют «питы» и «лэнды».

2) Disc-At-Once - Диск За Один Проход - рекордер последовательно записывает вводную дорожку, область программы и выводную дорожку. При этом выключения лазера не происходит. Этот режим наиболее приемлем для записи мастер-диска.

3) Session-At-Once - Сессия За Один Проход - развитие предыдущего режима записи. Абсолютно ему аналогичен за исключением того, что в TOC добавляется информация, разрешающая запись следующей сессии.

4) Incremental Packet Writing - Пакетная Запись с Приращением - похожа на режим TAO, только в пакет заключается не трек, а отдельный файл. Позволяет добавлять на диск по одному файлу за один сеанс записи. Режим удобен для пользователей, но абсолютно не приемлем для записи мастер-диска. Диск с такой структурой не может быть воспроизведен на литом диске. Во-первых, между файлами находятся Link -блоки, в области которых нет модуляции, и при попытке их чтения происходит ошибка записи. Во-вторых, Run-In, Run-Out и Link - блоки в этом формате не учитываются при вычислении адреса блока с информацией, они пропускаются при нумерации секторов. Поэтому, даже если переписать такой диск сектор за сектором в другом режиме, заменив эти блоки нулевыми, вся система адресации сместится и информация станет недоступна.