Какие стандарты компакт-дисков и DVD-дисков вы знаете

Теперь вы можете спросить, как все это связано с информацией, хранящейся на компакт-диске?

Как вы знаете, информация в основном представлена ​​в цифровой форме в виде битов или единиц и нулей. Для компакт-диска выбранная система немного необычна: наличие (или отсутствие) выпуклости не означает единицу или ноль. Скорее переход от выпуклости к плоской области или от плоской области к выпуклости представляет собой единицу, в то время как отсутствие перехода (то есть относительно длинная область, которая является либо выпуклостью, либо плоской) не представляет ноль. Следующий вопрос заключается в том, как эта информация считывается с компакт-диска: как устройство для чтения компакт-дисков определяет, есть ли выпуклость или плоская область?

Решение чтения данных с компакт-диска довольно простое и основано на простом отражении.Мы все использовали зеркало, чтобы отражать солнечный свет на стену, а затем заставлять отраженный свет двигаться, изменяя угол зеркала. В устройстве чтения компакт-дисков источником света является полупроводниковый лазер с фиксированной длиной волны 780 нм. Обратите внимание, что 780 нм находится в инфракрасном диапазоне и не виден человеческому глазу; невооруженным глазом вы не сможете увидеть, как лазер проигрывателя компакт-дисков светит на компакт-диск. Лазер создает узкий пучок света, падающий на нижнюю поверхность компакт-диска. Луч проходит через поликарбонат, отражается алюминием, затем возвращается через поликарбонат и выходит из компакт-диска, достигая фотодиодного детектора. Лазер испускает луч под небольшим углом к ​​поверхности компакт-диска, поэтому наличие или отсутствие выступа изменит угол, под которым луч отражается к детектору. Это изменяет интенсивность отраженного света, регистрируемого детектором, и, таким образом, будет наблюдаться наличие или отсутствие выпуклости. Схема справа пытается это показать; угол отражения на схеме сильно преувеличен, чтобы показать отражение: на практике угол довольно мал.

CD по сравнению со стандартными и Blu-ray DVD

С точки зрения материалов и функционирования единственная разница между CD и DVD заключается в размерах. Основные идеи и основные технологии по существу идентичны. Однако, как вы знаете, DVD-диски имеют такой же физический размер, что и (стандартные) компакт-диски, которые могут хранить гораздо больше информации, чем компакт-диски: как это достигается? Основная идея заключается в более компактном хранении данных. В частности, неровности могут быть короче, поэтому на единицу длины можно хранить больше, а гусеницы расположены ближе (с меньшим шагом), чтобы их можно было плотно упаковать. Численно выпуклости для DVD имеют длину около 400 нм, а не около 800 нм для компакт-диска. А шаг спиральной дорожки теперь составляет 0,74 микрометра (740 нм) вместо 1,6 микрометра. Чтобы иметь возможность сфокусировать лазер на этих меньших бугорках, необходима более короткая длина волны света: в оптике есть основной принцип, согласно которому при наилучших условиях фокусировки световой луч может быть сфокусирован на пятно, которое всегда примерно равно большой, как его длина волны. Таким образом, более короткая длина волны означает меньшее сфокусированное пятно света и, следовательно, способность видеть более мелкие детали. Лазеры, используемые в проигрывателях DVD, работают на длине волны 650 нм (вместо 780 нм в компакт-дисках). Длина волны 650 нм видна человеческому глазу и соответствует красному цвету: вы, наверное, заметили, что на поверхность DVD внутри плеера падает красный свет.

Диски Blue-ray также являются разновидностью DVD-дисков: опять же, они имеют тот же физический размер, что и стандартные компакт-диски и DVD-диски, но могут хранить еще больше информации. Опять же, все идеи одинаковы, но все функции (неровности и шаг дорожек) меньше, чем у стандартных DVD. Также лазер должен иметь более короткую длину волны и работать на длине волны 405 нм. Это видно и в сине-фиолетовой области, отсюда и название!

Записываемые/перезаписываемые CD и DVD

До сих пор мы описывали, как работают компакт-диски и DVD-диски, если они предназначены для постоянного хранения: информация на носителе закодирована в физической высоте выступов и поэтому не может быть изменена. Этот тип постоянного хранилища отлично подходит для хранения музыки, фильмов или постоянных резервных копий. Но что, если кто-то хочет записать свои собственные компакт-диски или DVD-диски или, возможно, использовать носитель для перезаписываемого хранилища? Как вы, наверное, знаете, перезаписываемые (одноразовая запись) и перезаписываемые компакт-диски и DVD-диски уже некоторое время доступны на рынке. Но как они на самом деле работают с точки зрения материалов?

Глядя на приведенное выше описание, мы отмечаем, что основной механизм считывания данных с компакт-диска или DVD-диска заключается в том, что лазерный луч отражается от поверхности и измеряется отраженный свет: выпуклости на поверхности изменяют отражение. Но это не ограничивается физическими ударами: любое изменение материала среды, которое меняет отражение, будет иметь тот же эффект. Поэтому в (перезаписываемых) компакт-дисках и DVD-дисках нет физических выпуклостей или различий по высоте, но вместо этого материал меняет свои свойства, чтобы иметь различную отражательную способность со шкалами размеров, имитирующими настоящие выпуклости. Чтобы быть точным, для (перезаписываемых) компакт-дисков и DVD-дисков схематичное поперечное сечение показано ниже: в дополнение к алюминиевому слою есть дополнительные слои (из которых материал с фазовым переходом является критическим), где все изменения отражательной способности происходят. (Диэлектрик очень прозрачен, поэтому он не оказывает значительного влияния на то, что происходит.) Если материал с фазовым переходом довольно прозрачен, лазерный луч проходит через него, отражается от слоя алюминия позади него и отражается обратно. Однако, если материал с фазовым переходом непрозрачен или поглощает, большая часть лазерного излучения поглощается с небольшим отражением, и поэтому издалека можно наблюдать изменение отражательной способности.

Итак, что это за «материал с фазовым переходом»?Это материалы, которые можно легко уговорить существовать в двух разных фазах в виде твердых тел при комнатной температуре. Одна представляет собой кристаллическую фазу, а другая — аморфную фазу (определение приведено ниже). Обе фазы имеют одинаковый химический состав: одинаковое количество атомов различных элементов; просто атомы в этих двух фазах расположены по-разному. Кристаллическая фаза прозрачна, а аморфная непрозрачна.

Теперь вы можете спросить: в чем разница между кристаллической и аморфной фазами? Разве твердая фаза материала не имеет единую структуру на атомном уровне? На практике большинство природных материалов или искусственных материалов находятся в одной твердой фазе. Но это не значит, что они могут быть только такими. Все дело в том, насколько материал упорядочен на атомарном уровне, а это, в свою очередь, связано с тем, насколько быстро он остыл из расплавленной формы: чем медленнее скорость охлаждения, тем более упорядочена твердая фаза. атомном уровне.

Лучше всего рассматривать конкретный пример. Кварц и стекло представляют собой наиболее распространенный пример сравнения кристаллических и аморфных форм одного и того же материала. Оба сделаны из диоксида кремния (химическая формула SiO₂). SiO₂ очень распространен на Земле и является основным компонентом земной коры, песка и большинства горных пород. Кварц является наиболее стабильной кристаллической формой SiO₂: под кристаллическим мы подразумеваем, что атомы связаны друг с другом упорядоченным образом, и этот мотив повторяется снова и снова во всем твердом теле. В фазе кристаллического кварца все атомы Si и O связаны друг с другом очень упорядоченным образом. Каждый Si связан с четырьмя O, а каждый O с двумя Si, а длины связей и углы между связями регулярно повторяются по всему материалу. Это очень похоже на обычную плитку, которую вы видите в ванной или душе, где плитка выложена в виде повторяющегося мотива, а рисунок цветов плитки повторяется снова и снова. Аморфная фаза, с другой стороны, имеет в основном такое же количество и типы связей между атомами Si и O: каждый Si имеет четыре связи с четырьмя O, и каждый O имеет две связи с двумя Si, но углы и длины связей равны переменная по всему материалу. Это гораздо сложнее представить, но это тип мозаики, в которой плитки не все одинакового размера, и они не совсем правильно расположены вместе, и вы просто пытаетесь продолжить шаблон мозаики, так что в итоге получается неправильная структура. где практически все плитки имеют правильное количество соседних плиток (хотя иногда могут быть некоторые пустоты или дополнительные плитки), но нет повторяющегося мотива. Если вы начнете с расплавленного диоксида кремния и очень медленно охладите его, вы получите кварц: атомы беспорядочно хихикают из-за тепловой энергии, и вы даете им достаточно времени, чтобы найти нужных партнеров и соединиться с ними правильным образом. порядок и ориентация для формирования хорошего кристалла. Однако если охлаждать расплав слишком быстро, атомы не успевают собраться в упорядоченную структуру, и конечная структура оказывается аморфной. Это очень похоже на игру «музыкальные стулья», где, например, половина игроков в синих рубашках, а половина игроков в красных, и мы просим каждого синего игрока сесть между двумя красными игроками (и наоборот): если вы дадите людям достаточно время передвигаться и находить нужных соседей, искомая закономерность найдена; но если дать слишком мало времени, а затем настаивать на том, чтобы все сели как можно быстрее, скорее всего, рассадка будет не в желаемом порядке. См. изображение ниже для визуализации кристаллической и аморфной фаз (и их использования для записи информации, как указано ниже).

Теперь кварц и стекло оптически очень похожи: оба они очень прозрачны. Таким образом, вы не можете использовать стекло и кварц в качестве материала с фазовым переходом. Основное различие между ними, помимо организации на атомном уровне, заключается в том, что стекло будет течь при достаточном нагревании, что делает его таким полезным в технике и искусстве, тогда как кварц — это твердое тело, которое не течет и не изгибается до очень высокой температуры плавления. точка. В науке и технике аморфный материал, который начинает легко течь после нагревания до соответствующей температуры, называется стеклом (технический термин, который включает обычное стекло, а также многие другие материалы, такие как многие пластмассы и полимеры). ).

Пока единственный способ создать кристалл или стекло — контролировать скорость охлаждения из расплава. И обычно так делают. Но есть некоторые варианты, которые полезны для (пере)записываемых CD/DVD, которые мы сейчас объясним.Кристаллическое твердое тело можно расплавить, подняв его температуру выше точки плавления, которую мы будем обозначать температурой T_m: это температура, при которой атомы, составляющие твердое тело, решают отказаться от обычного связывающее устройство (которое имеет низкую энергию, но также и низкую энтропию) для перехода в жидкое состояние (более высокая энергия, но также более высокая энтропия). Обратный процесс запуска с расплавом и охлаждения ниже T_m больше зависит от скорости охлаждения: как объяснялось выше, если делать это медленно, получается кристалл, а если быстро, то получается стекло. Медленное охлаждение, предназначенное для получения кристалла, называется отжигом, а быстрое охлаждение, предназначенное для получения аморфной фазы, называется закалкой. А теперь представьте, что кто-то сделал быстрое охлаждение и закончил стаканом. Если поднять температуру до промежуточной температуры, которая ниже T_m, но выше температуры кристаллизации T_c, атомы аморфной фазы теперь имеют достаточно тепловой энергии для перемещения немного и изучить новые конфигурации; при наличии достаточного времени они могут начать образовывать кристаллические фазы. Обратите внимание, что эта T_c не является истинной температурой фазового перехода (как T_m): это скорее температура, выше которой кристаллизация протекает «быстро» на интересующая нас шкала времени. Таким образом, можно рассмотреть следующие операции: начиная с кристалла, нагревают его выше T_m, чтобы получить расплав, а затем быстро охлаждают до температуры ниже T _c чтобы получить стакан; чтобы заменить стекло кристаллом, стекло нагревают выше T_c, но ниже T_m и немного ждут образования кристаллов, а затем снова могут остыть. Для материалов с фазовым переходом, используемых в CD и DVD, T_c составляет около 200°C, а T_m находится в диапазоне 500–700°C.

Это очень длинный список требований! А некоторые противоречат друг другу, поэтому приходится идти на компромиссы. Но есть классы материалов, которые отвечают всем требованиям. Все они представляют собой сплавы, обычно содержащие Te (теллур) и Sb (сурьма) вместе с другими элементами. Некоторые типичные формулы: TeGeAs, Ge₂Sb₂Te₅, TeSnSe, TeGeSnO или AgInSbTe. Более полный список показывает, что все они представляют собой сплавы на основе Te и Se. И Te, и Se являются хорошо известными материалами для производства стекла, а химическая модификация и легирование предназначены для оптимизации свойств плавления/оптических/механических свойств/отжига/закалки.

Поскольку у нас за плечами вся эта наука о материалах, последний вопрос более прагматичен: как можно записать и/или стереть информацию на CD или DVD? И как кодируется информация? Выбранное соглашение заключается в том, что когда материал с фазовым переходом является кристаллическим, информация не кодируется: информация кодируется, когда его части являются аморфными.

Для этой цели используется устройство для записи компакт-дисков или DVD-дисков, оснащенное тремя разными лазерами (вместо одного лазера в устройстве для чтения компакт-дисков или DVD-дисков). Вот что делает каждый лазер, а также как он работает с материалом для кодирования информации:

Бенджамин Бриттон, доцент и художник-электронщик Университета Цинциннати, дает следующее объяснение:

DVD VS CD. Цифровые универсальные диски (DVD) могут хранить больше информации, чем компакт-диски (CD), потому что они имеют меньшие ямки, расположенные ближе друг к другу. Именно рисунок этих ямок, выжженных на поверхности диска, кодирует 1 и 0, которые проигрыватель переводит в звук и/или изображения.

Технологические инструменты могут показаться запутанной смесью алфавитов. Такие термины, как ZIP, CD или DVD, обычно используются для описания средств, доступных для хранения и обмена информацией, от текста до аудио и полнометражных фильмов. Из всех них DVD, что означает цифровой универсальный диск, должен стать самым популярным и надежным средством для хранения данных, особенно высококачественного цифрового видео. DVD-диски теперь быстро проникают в американские дома как современное средство развлечения для просмотра голливудских фильмов.

Прежде чем углубляться в механизм работы DVD, было бы лучше объяснить почему. Другими словами, почему отрасль заменяет предыдущие стандарты единиц хранения, включая компакт-диски (сокращение от компакт-диска)? Проще говоря, емкость DVD намного больше. Таким образом, DVD имеет такое значение для видео и других отраслей, как компакт-диск. Высококачественное цифровое видео просто никогда не поместится на компакт-диск. Он даже не может удобно разместиться на жестком диске компьютера.

Действительно, для высококачественного цифрового видео требуется до 100 мегабайт (МБ) пространства данных каждую минуту, в зависимости от степени используемого сжатия. MPEG2, формат, обычно используемый для воспроизведения видео на компьютере, сжимает одну минуту видеоданных примерно до 30 МБ. Таким образом, для двухминутного видео требуется 60 МБ, а для двухчасового фильма — 3600 МБ. Сравните это с максимальным объемом памяти компакт-диска, который составляет около 640 МБ.

Кодирование данных на DVD может показаться черной магией, но на самом деле это не так уж сильно отличается от кодирования данных на видеопленку. Видеокассета хранит и воспроизводит информацию, основанную на физическом размещении и расположении частиц оксида железа на материале ленты. Точно так же DVD хранит и воспроизводит информацию на основе определенного «точечного рисунка» на его поверхности. Очень точный лазер выжигает эти точки — на самом деле невероятно маленькие ямки — на мастер-DVD. Именно малый размер точек обеспечивает большую емкость DVD-диска.

На практике, скажем, у меня был проект виртуальной реальности размером 75 МБ на диске. Если я хочу опубликовать свой проект или выставить его в музеях по всей стране, мне понадобится надежное средство для просмотра. Таким образом, мне необходимо разместить его на DVD, и не на одном DVD, а на тысячах для распространения.

Поэтому я делаю один DVD дома, а затем отношу свой диск в компанию по тиражированию, такую ​​как Panasonic, CinRam, Nimbus или Diner. Неудивительно, что большинство поставщиков услуг оптической индустрии расположены на Западном побережье. Но есть и районные дома. Они передают информацию с моего диска с помощью программных алгоритмов тому, что называется записывающим устройством, которое направляет лазер, который наносит на стеклянный DVD-диск маркировку данных, состоящую из точек, которые различаются в зависимости от расстояния между ними, а также яркости и темноты. Интервал и изменение яркости и темноты точек — это то, что делает данные читаемыми на компьютере или на DVD-плеере телевизора точно так же, как разнообразие форм и интервалов между этими буквами и словами позволяет вам читать это объяснение.

Затем с этого мастер-диска делается фотография, и на ее основе делается гравировка. В свою очередь травление используется для создания металлического штампа. Допустим, я хочу сделать 1000 DVD-версий моих иллюстраций виртуальной реальности или 2 миллиона DVD-копий моего последнего голливудского фильма. Тиражный центр просто использует металлический штамп, чтобы отпечатать шаблон на пластиковом покрытии всех этих DVD-дисков.

ДАННЫЕ. Единственная ямка аудио компакт-диска, показанная на этой сканирующей электронной микрофотографии, шире, чем ямка DVD. Ямы меньшего размера позволяют хранить больше информации на DVD.

То, что большинство людей находит в местных прокатах фильмов или видеомагазинах, называется DVD-5. Он назван так потому, что хранит почти пять гигабайт (ГБ) информации. Есть также DVD-9 и DVD-18. DVD-9 имеет двойную емкость по сравнению с DVD-5, потому что это, по сути, два диска, помещенных один поверх другого. Лазер, который «считывает» информацию, сначала интерпретирует данные на верхнем диске, а затем меняет угол, чтобы перевести данные на второй. DVD-18 работает так же, за исключением того, что оба диска двусторонние. Вместо того, чтобы просто считывать информацию с одной стороны, лазер считывает обе стороны, что-то вроде наших старых виниловых пластинок.

Два заключительных замечания о том, почему Голливуд выбирает DVD как носитель для выпуска своей продукции. Первые DVD более долговечны, чем стандартная кассета VHS. Если вы занимаетесь прокатом фильмов, это означает более долгосрочную прибыль, поскольку вам не придется платить за замену версий после нескольких просмотров. (Дополнительным преимуществом этого является то, что местной франшизе не придется беспокоиться о том, перемотаете ли вы его назад или нет.) " и воспроизводить пиратские копии фильмов на DVD - проблема, от которой страдает голливудский видеорынок за границей.

Дополнительную информацию о DVD предоставили Сильвия Моутс, Сяо Тан и Виктор Маккрари из Национального института стандартов и технологий (NIST):

ШТАМПОВКА CD-ROM. На этой микрофотографии показан коммерческий штамп, в который производители компакт-дисков заливают расплавленный поликарбонатный пластик, чтобы сформировать углубления и выступы на отдельном диске.

DVD (цифровой видеодиск) — это технология, основанная на оптическом хранении данных, аналогичная компакт-диску (CD). Хранение оптических данных — это метод хранения цифровой информации (единиц и нулей) с использованием света для считывания информации. Аналоговая информация преобразуется в цифровую информацию, которая затем кодируется на диске от внутреннего края к краю. Цифровые данные кодируются с помощью ям на записывающем слое диска. Кодирование выполняется с использованием метода, называемого EFM (модуляция от восьми до четырнадцати) на компакт-дисках и EFMPlus (модуляция от восьми до шестнадцати) на DVD.

Впадины и разделители между ними, называемые площадками, различаются по длине, чтобы представить цифровую информацию, хранящуюся на диске. Ямы расположены в виде дорожки, которая образует спиральный узор на записывающем слое диска. Диск вращается по кругу внутри проигрывателя, а лазер оптической головки медленно движется наружу и остается сфокусированным на ямах. Лазерный луч отражается обратно к детектору, когда попадает на землю, и рассеивается от детектора ямами.Переход между ямой и площадкой соответствует «1» в цифровом битовом потоке.

DVD может хранить более двух часов видео на одном слое диска. По сравнению с 74 минутами данных, которые может хранить компакт-диск, эта емкость представляет собой значительное улучшение. (Семидесяти четырех минут достаточно, чтобы вместить Девятую симфонию Бетховена на весь компакт-диск.) Наименьшие ямки на DVD имеют ширину около 0,4 микрона (0,0001575 дюймов), тогда как минимальная ширина ямок на компакт-диске составляет 0,83 микрона. Ямы расположены в дорожках (называемых шагом дорожек), которые на DVD (0,74 микрона) расположены намного ближе, чем на компакт-диске (1,6 микрона). При такой конструкции однослойный односторонний DVD-диск может содержать 4,7 ГБ по сравнению с 650 МБ на одном компакт-диске.

ОТСЛЕЖИВАТЬ ШАГ. Выемки, выжженные на записываемом компакт-диске, показанные на сканирующей электронной микрофотографии выше, имеют более грубые края по сравнению с выемками на компакт-дисках с коммерческими штампами.

Меньший размер ямы на DVD означает, что лазерный луч, используемый в проигрывателе DVD, должен иметь более короткую длину волны, чем в проигрывателе компакт-дисков. Но это требование допускает двойную совместимость: DVD-плееры предназначены для воспроизведения как DVD-дисков, так и компакт-дисков. К сожалению, эта совместимость является обратной, поэтому проигрыватели компакт-дисков не будут воспроизводить DVD-диски.

При таких малых площадях питов количество возможных ошибок при чтении диска безгранично. В результате быстро развивались хранилища с исправлением ошибок. В технологии компакт-дисков на диске используется кодирование с исправлением ошибок (ECC) как средство исправления проблем при их возникновении. Алгоритмы ECC настроены на обнаружение и полное исправление ошибок в данных. Этот же метод используется для исправления ошибок в технологии DVD.

Большой объем информации, хранящейся на DVD-видео, в основном связан с меньшим размером питов и более узким интервалом между дорожками, но в игру вступает еще один фактор, а именно сжатие. Группа экспертов по движущимся изображениям разработала усовершенствованный алгоритм сжатия видео, называемый MPEG2. Эта разработка основана на временном сжатии, которое сравнивает каждый кадр видео со следующим кадром и сохраняет только изменения в сцене. Он сохраняет один кадр в задержке, чтобы постоянно отображать фон сцены и иметь больше места для хранения изменений в сцене. MPEG2 также использует дискретное косинусное преобразование, которое берет изображения и определяет их частоту, а затем сжимает любые повторяющиеся частоты.

Сжатие видео дает больше места для хранения дополнительных параметров просмотра, и это большая часть того, что делает DVD таким невероятным достижением в технологии. DVD-видео, обеспечивающее полное впечатление от кинотеатра, поставляется с объемным звуком Dolby Digital (AC-3) [Dolby Digital (AC-3) является торговой маркой Dolby Laboratories Licensing Corporation]. Другие опции включают выбор широкоформатного (16:9) или полноэкранного (4:3) просмотра, звуковых дорожек на разных языках и просмотра с субтитрами. DVD-видео также может позволить зрителю выбрать рейтинг, R или PG, благодаря предварительно запрограммированным нарезкам сцен на самом диске. Зрители также могут посмотреть неразрезанную версию фильма или просмотреть дубли из оригинала. Все эти варианты можно выбрать в начале фильма. Затем DVD плавно переходит от одной сцены к другой в порядке, выбранном зрителем. Режиссер и продюсер определяют количество и тип доступных опций, поэтому каждый отдельный DVD может иметь некоторые, все или ни одной из этих опций.

Еще одним значительным улучшением видеохранилища DVD является разрешение 525 строк, которое намного превышает разрешение, предлагаемое лазерными дисками, и почти вдвое превышает разрешение стандартной видеокассеты VHS. Это разрешение зависит от возможностей используемого телевизионного монитора, но монитор не обязательно должен иметь высокое разрешение, чтобы зритель мог пользоваться преимуществами DVD. Еще одним преимуществом является то, что к DVD-диску не прикасаются физически, пока он вращается в проигрывателе, поэтому нет износа или потери точности воспроизведения с течением времени. Напротив, видеокассеты затрагивают механизм воспроизведения и в конечном итоге ломаются, что ухудшает качество изображения.

Тем не менее, DVD и CD не являются непроницаемыми. Поскольку данные хранятся по спирали, пользователям следует избегать стирания диска круговыми движениями; при очистке диска протирайте его изнутри в радиальном направлении к краю. По сравнению с видеокассетами, долговечность и простота хранения DVD-дисков делают их гораздо более разумным и удобным для пользователя носителем.

Читайте также:

  
• Как настроить внешний жесткий диск
  
• Замена оперативной памяти ноутбука Dell
  
• Служба Eset загружает процессор
  
• Что означает горячая видеокарта
  
• Как восстановить жесткий диск через биос