POLITECHNIKA OPOLSKA

PRACA KONTROLNA

PRZEDMIOT: Układy logiczne

Kierunek studiów:	Informatyka			Rok stud.: II
Specjalność:
Rok akad.: 2003/04			Semestr.: zimowy

NUMER TEMATU:
TEMAT PRACY:
Napędy Optyczne

P r o j e k t w y k o n a l i
nazwisko		imię	nazwisko		imię
1.			2.

ocena		data	ocena		data
1.			1.
2.			2.

Zajęcia odbywały się w dniu: sobotę
Termin oddania projektu: 10.01.2004	Projekt oddano:

SPIS TREŚCI

1. WSTĘP	3
2. COMPACT DISC	5
3. ZAPIS DANYCH OPTYCZNY	8
4. DIGITAL VERSATILE DISC	9
5. WYMIARY DYSKÓW DVD	10
6. OPTYKA	11
7. POJEMNOŚĆ	12
8. ORGANIZACJA ŚCIERZEK	14
9. SYSTEM PLIKÓW	15
10. DVD VIDEO	15
11. REJONIZACJA FILMÓW DVD	19
12. DVD AUDIO	20
13. KOMPATYBILNOŚĆ	23
14. FLUORESCENT MULTILAYER DISC	25
15. PAMIĘCI HOLOGRAFICZNE	26
16. CHEMIA I OPTYCZNE PAMIĘCI KOMPUTERÓW	27
17. W JAKIM KIERUNKU BĘDZIE PODĄŻAŁ ROZWÓJ TECHNOLOGII	28

Wstęp

Do pamięci optycznych zaliczyć należy wszelkie te formy pamięci, w których odczyt i interpretacja zapisanych danych odbywa się na drodze optycznej (najczęściej z wykorzystaniem laserów). W celu odczytania danych emitowane jest promieniowanie w zakresie widzialnym lub bliskim widzialnemu (np. podczerwień, nadfiolet) w kierunku nośnika danych. Na powierzchni lub wewnątrz nośnika dochodzi do interakcji promieniowania z materiałem i w zależności od właściwości tego materiału określona część promieniowania zostaje odbita. Odbite promieniowanie jest interpretowane przez właściwe elementy optyczne (np. fotodiody) do postaci bitów. W bardzo uproszczonym schemacie działania pamięci optycznej można przyjąć, że materiał z jakim oddziałuje promieniowanie odbija (wartość bitu = 0) lub nie odbija (wartość bitu = 1) promieniowania. Poniżej zaprezentowano rysunek ilustrujący proces odczytu danych dla pamięci optycznych.

Rys.1.

Porównanie powierzchni płyty CD i DVD

Historia cyfrowego formatu

Kiedy w 1982 roku na rynku pojawiły się płyty CD (compact disc), świat oszalał na punkcie "cyfrowej muzyki". Taki sposób zapisu był ogromnym krokiem naprzód w dążeniu do jak najlepszej jakości dźwięku dostępnej na nośniku. Różnica na korzyść płyty kompaktowej, w stosunku do kasety magnetofonowej była ogromna. Szacuje się, że od wprowadzenia na rynek płyt CD, sprzedano 400 mln odtwarzaczy i 6 mld krążków. Są to wartości przybliżone, natomiast na dzień dzisiejszy rzeczywisty wynik może być większy. Rozwinięciem formatu jest postać CD-ROM (końcówka: read-only memory), pozwalająca na odczyt w napędach komputerów 650 MB danych - tyle bowiem wynosi pojemność 74 minutowego krążka. Ten bardzo wygodny i pojemny nośnik (w stosunku do standardowej dyskietki 3,5" jest to komfort nieporównywalny) był doskonałym sposobem na archiwizację danych. Wraz z postępem i rozwojem technologii, wprowadzono na rynek pierwsze nagrywarki CD-R/RW (recordable/rewritable) do użytku domowego. Od tego momentu posiadacz takiego urządzenia mógł z powodzeniem przenieść pewną zawartość swojego dysku twardego na płytkę CD-R bądź RW, skopiować ulubioną płytę z muzyką, nagrać album ze zdjęciami itp. Było to bardzo wygodne, a z czasem także, coraz tańsze. Jednakże świat nie stoi w miejscu, a wymagania klientów rosną.

Potrzeba matką wynalazków

Te, niegdyś "aż" 650 MB, zaczęło nie wystarczać. I tak, pod koniec 1995 roku, w wyniku porozumienia firm związanych z branżą, powstał format DVD (Digital Video Disc). Czytniki DVD zachowały kompatybilność z CD. Ponadto sposób zapisu takiej płyty pozostał ten sam, co w przypadku krążka CD. Płyty DVD charakteryzują się większą pojemnością, a odczyt jest dziewięciokrotnie szybszy. Rewolucyjny format może zmieścić do 17 GB danych. Jednak to nie pojemność przyczyniła się do rozwoju formatu, lecz zapisane na DVD filmy. Cyfrowa technologia zaowocowała nowymi możliwościami. Obecnie standard ten wypiera z rynku przestarzały VHS i rozróżniamy następujące jego postacie:

Zauważmy, że najbardziej pojemny nośnik (porównywalny z dostępnymi na rynku dyskami twardymi) potrafi wyręczyć 27 płytek CD-ROM! I na tym polega rewolucyjność tego formatu - komfort jest jeszcze większy. Taki sposób zapisu i przenoszenia danych jest doskonałą alternatywą przede wszystkim dla firm, jak również wymagających użytkowników komputera w domu. Jednak nie jest to już takie proste, jak w przypadku CD-R/RW. Owszem, z technicznego punktu widzenia, nagrywarka DVD nie posiada barier technologicznych i wypuszczenie jej na rynek nie jest niczym trudnym. Teraz dał o sobie znać także marketing - w dzisiejszych czasach nieodzowny element na rynku i bariera trudna do pokonania.

CD-ROM (compact disc - read only memory)

W roku 1987 dwa wielkie przedsiębiorstwa - Philips i Sony - połączyły swoje siły w celu stworzenia nowego produktu - kompaktowego dysku audio (CD). Firmy opracowały standard, na który składała się specyfikacja nagrania , próbkowania, a przede wszystkim obowiązujący do dziś rozmiar nowych dysków : 4 3/4 cala. Jak głosi plotka rozmiar ten wybrano dlatego ,że właśnie na takim dysku można było zmieścić Dziewiątą Symfonię Beethovena. Dysk mający średnicę 12 cm (4 3/4 cala) , nieco ponad milimetr grubości i waży około 14 g(1/2 uncji). Fizycznie dysk składa się z uformowanego metodą wtryskową krążka z czystego poliwęglanu, bardzo cienkiej warstwy metalu , zwykle aluminium i ochronnej powłoki lakierowej lub plastikowego krążka zabezpieczającego znajdujące się pod nim dane. Warstwa metaliczna jest tą warstwą z której napęd CD-ROM odczytuje informacje. Dysk CD-ROM może przechowywać do 680 MB danych (co odpowiada pojemności 1500 dyskietek) - tekstu, obrazu, grafiki, dźwięku i animacji.

  Napęd dysków CD-ROM zawiera mechanizm laserowy , moduły elektroniczne służące do sterowania, do korekcji błędów i do komunikacji z komputerem, zazwyczaj również gniazdo słuchawkowe z regulatorem głośności, a poza tym przycisk wysuwający dysk oraz - jeśli napęd nie jest wbudowany do komputera - zasilacz sieciowy i ewentualnie wentylator chłodzący. We wnętrzu napędu CD-ROM mieszczą się: głowica optyczna, tarcza obracająca dysk i system przetwarzania (procesor) sygnałów. Głowica optyczna wysyłająca promień światła laserowego w kierunku dysku, zamocowana jest na sankach lub na przechylnym ramieniu; składa się ona z diody laserowej, soczewki i czujnika optycznego. Aby dokładnie wychwycić minimalne różnice w strukturze ścieżki, wykorzystywany do odczytu laser diodowy musi emitować strumień o wyjątkowo małej długości fali. Wystarczające jest promieniowanie podczerwone. Taki promień świetlny jest wprawdzie niewidoczny dla oka, ale szkodliwy. Z tego też względu nie należy nigdy otwierać odtwarzacza CD podczas odczytywania kompaktów. Napęd CD-ROM pracuje w następujący sposób: Laserowa dioda emituje w kierunku lustra wiązkę światła o małej mocy. Na komendę mikroprocesora siłownik odpowiednio przesuwając lustro ustawia wiązkę lasera na odpowiedniej ścieżce. Odbite od powierzchni dysku światło skupia się w pierwszej soczewce znajdującej się pod dyskiem, odbija się od lustra i kieruje się w stronę pryzmatu. Pryzmat kieruje powracającą wiązkę lasera do kolejnej soczewki skupiającej. Ostatnia z soczewek kieruje promień lasera do fotodetektora , który przekształca światło w impulsy elektryczne. Nadchodzące impulsy elektryczne są rozkodowywane przez mikroprocesor i wysyłane w charakterze danych do komputera.

Napęd CD-ROM obraca dysk ze zmienną prędkością, zależną od położenia głowicy optycznej, co pozwala na odczytanie danych ze stałą prędkością (ok. 1,3 metra ścieżki na sekundę), niezależnie od ich położenia na dysku. Metodę tę oznacza się krótko jako CLV (ang. Constant Linear Velocity) - stała prędkość liniowa. Dysk obraca się ze zmienną prędkością w zależności od położenia lasera względem środka dysku, aby uzyskać jednakową szybkość odczytywania danych z całego dysku. Jednak im bliżej środka, tym większa szybkość kątowa jest potrzebna, by dane były przesyłane ze stałą wartością. Inna metoda to CAV ( Constant Angular Velocity ) - stała prędkość obrotowa. Nie pociąga ze sobą konieczności zmiany prędkości obrotowej więc ma zasadniczą wadę - dane ze środka płyty czytane są dużo wolniej niż na jej zewnętrznych brzegach. Bliżej zewnętrznej krawędzi dysku laser obejmuje podczas jednego obrotu większą ilość danych, niż bliżej środka, co oznaczałoby zmienną ilość danych odczytywanych podczas jednego obrotu. Metoda ta nie obciąża silnika napędu, oznacza jednak, że wraz ze zmianą położenia lasera zmienia się szybkość transferu danych. Obecnie stosowana technika to PCAV (Partial CAV) - częściowo stała prędkość kątowa stanowiąca połączenie dwóch poprzednich technik. Polega ona na tym, że do pewnego miejsca na dysku (zazwyczaj do około pierwszych 40% dysku) użyta jest stała prędkość kątowa CAV, czyli transfer stopniowo wzrasta od wartości początkowej np. 8x do wartości pośredniej np.16x. Wówczas napęd przestawia się na stałą prędkość liniową CLV i do końca dysku zachowuje stały transfer np.20x.

Informacja o lokalizacji plików jest zapisana w tablicy ścieżek (ang. path table) oraz w tablicy katalogów (ang. directory table), znajdujących się w części opisowej na początku dysku. Obie tablice tworzone są podczas produkcji dysku i nie można zmieniać ich zawartości.

CD-R

CD-R (Compact Disc Record Able ) płyta kompaktowa zapisywalna WORM (Write Once Read Many) Dysk CD-R zamiast warstwy aluminium zawiera warstwę zielonkawoniebieskiego barwnika cyjanowego lub bardziej trwałego barwnika ftalocyjanowego, zmieniającego właściwości optyczne pod wpływem silnej wiązki lasera ( moc wiązki zapisującej jest około 10 razy większa niż moc wiązki odczytującej). Barwnik ten ma te same właściwości odbijania światła co niezapisany dysk CD. Kiedy laser zapisujący dane zaczyna wypalać dane na dysku, jego wiązka rozgrzewa warstwę złota, oraz leżącą pod nią warstwę barwnika. Po wypaleniu, obszar taki rozprasza światło w ten sam sposób jak wgłębienie w szklanej powłoce matrycy dysku lub masowo produkowanego dysku CD-ROM. W praktyce więc, w miejscu, w którym zapisano dane nie istnieje żadne wgłębienie - jedynie rozpraszająca światło plamka będąca wynikiem reakcji chemicznej powstałej podczas wypalania warstw złota i barwnika.

Rys.2.

Proces odczytu płyty CD lub DVD, widok płyty CD-R

Na rysunku tym przedstawiono nośnik zawierający warstwę odblaskową ukrytą w podłożu ją zabezpieczającym. Padające światło na dany punkt warstwy odblaskowej ulega odbiciu od tej warstw co jest rejestrowane przez czujnik promieniowania. W przypadku gdy rozpatrywany punkt jest zaczerniony (zmienione są właściwości odblaskowe) wówczas promieniowanie ulega rozproszeniu i nie jest odbijane od warstwy odblaskowej. W wyniku skanowania wszystkich punktów umieszczonych na danej ścieżce uzyskuje się zróżnicowanie amplitudy sygnału elektrycznego generowanego przez czujnik promieniowania proporcjonalnie do rejestrowanego promieniowania. Nośnikiem informacji jest zatem warstwa odblaskowa o modyfikowanych właściwościach odblaskowych.

Typowe realizacje pamięci optycznych to dyski kompaktowe (krążki) o średnicy 12cm (czasem 8cm) oznaczane skrótem CD (Compact Disc). Grubość typowego dysku wynosi 1,2 mm. Na dysku znajduje się jedna spiralna ścieżka. Do odczytu danych stosuje się laser o długości emitowanego promieniowania w zakresie 780 nm - 790 nm, co w rezultacie daje stosowany odstęp pomiędzy kolejnym ścieżkami rzędu 1600 nm oraz długość punktu zaczernienia (plamki) rzędu 840 nm - 3560 nm. Pierwsze zastosowanie krążków CD to znane obecnie płyty CD zawierające cyfrowy zapis muzyki. Dyski takie oznaczane są często skrótem CD-Audio. Dla potrzeb przechowywania danych opracowano wersję krążków CD oznaczaną jako CD-ROM. Dyskietki te o pojemności 650-680MB mają charakter pamięci ROM, czyli są zapisywane jednokrotnie poprzez wytwórcę dyskietki. Stosowane napędy odczytujące CD-ROMy oznaczane są najczęściej poprzez podanie wielokrotności podstawowej szybkości transmisji danych (szybkości odczytu danych) wynoszącej 150kB/s. Przykładowo, oznaczenie czytnika dyskietek kompaktowych (lub potocznie kompaktów) jako 36x oznacza zdolność tego urządzenia do odczytu danych z płyty CD z prędkością 36x150kB/s, czyli 5,4MB/s. Obserwuje się stały postęp w zwiększaniu szybkości odczytu danych z płyt CD (dostępne są już czytniki CD z prędkością 50x). Średni czas dostępu dla płyt CD jest ciągle jeszcze większy niż dla dysków stałych i waha się w granicach 400ms-30ms.

Podobnie jak dla pamięci półprzewodnikowych ROM również dla płyt CD stworzono możliwości zapisu tych pamięci. Kolejnym krokiem rozwoju po CD-ROM były płyty CR-R (CD Recordable). Płyty te (podobnie jak pamięci PROM) umożliwiają jednokrotne zapisanie przez użytkownika płyty i wielokrotny odczyt (WORM - Write Once Read Many, raz zapisz, czytaj wielokrotnie). Konstrukcja płyty CD-R tylko nieznacznie różni się od płyty CD-ROM, wprowadzając dodatkową warstwę, którą można jednokrotnie odpowiednio zaczerniać za pomocą lasera w procesie zapisu danych. Kolejny postęp w rozwoju dyskietek CD to format CD-RW (ReWritable) umożliwiający wielokrotny zapis i odczyt. Zastosowano tu połączenie dwóch technik magnetycznej i optycznej. Szerzej na temat tej technologii w kolejnym podrozdziale poświęconym pamięciom magnetooptycznym. Większość obecnie dostępnych napędów CD umożliwia odczyt wszystkich formatów CD, a więc CD-Audio, CD-ROM, CD-R oraz CD-RW.

ZAPIS DANYCH OPTYCZNY

Dane przechowywane są w formie mikroskopijnych rowków (ang. pits) i miejsc płaskich - brak rowka (ang. lands). Rowki mają zawsze tę samą głębokość i szerokość choć ich długość i długości przerw rozdzielających je mogą się zmienić. Pit ma około 1 mikrona szerokości - rozmiar 500 atomów wodoru ułożonych jeden obok drugiego - zaś pojedynczy dysk CD-ROM zawiera w przybliżeniu 2.8 miliarda pits. Spiralna ścieżka okrąża dysk 20000 razy. Odczytywanie informacji umieszczonych na CD odbywa się dzięki odbijaniu się światła lasera o niskiej mocy od aluminiowej powierzchni. Czujnik optyczny ‘zauważa‘, w których miejscach światło odbija się, a w których jest pochłaniane lub rozpraszane. Pochłanianie lub rozpraszanie światła powodują wytłoczone na powierzchni dysku rowki. Jeśli światło zostało odbite oznacza to, że rowka nie ma, czyli powierzchnia dysku jest w danym miejscu gładka . Czujnik światła zbiera informacje o odbitym lub rozproszonym świetle i przekazuje je mikroprocesorowi, który zamienia je na dane potrzebne użytkownikowi. Ścieżki CD nie są ułożone koncentrycznie lecz tworzą długą spiralę wiodącą od osi centralnej dysku do zewnętrznej krawędzi. Ma ona długość blisko 3 mil (ok.5 km). Spirala jest podzielona na sektory o jednakowej wielkości i gęstości zapisu. Pliki nie są dzielone na fragmenty, lecz zajmują kolejne sektory jednej i tej samej ścieżki. Płyta kompaktowa odbija pełne spektrum światłą czyli tęczę, jest to spowodowane rozszczepieniem światła z powodu tysięcy przecinających ją ścieżek. Rozpraszają one promienie światła niczym pryzmat, rozdzielając światło białe na fale o różnych długościach. Płyta kompaktowa zawiera do 16000 ścieżek na cal.

• Parametry fizyczne dysku

• Pojemności płyt DVD

• DVD-Video

• DVD-Audio

• DVD-R, DVD-RAM, DVD+RW

• Koniec prezentacji

Początki

DVD rozpoczęło swą karierę w 1994 roku jako dwa konkurujące ze sobą systemy:

• Super Disc (SD) [Matsushita/Toshiba/Warner]

• Multimedia CD (MMCD) [Philips/Sony]

XII.1994 - zgoda na tworzenie wspólnego standardu DVD
VIII.1995 - specyfikacje: DVD-ROM i DVD-Video v1.0
X.1995 - uzgodnienia zabezpieczeń przed kopiowaniem
XI.1996 - pierwszy sprzedany odtwarzacz DVD-Video (Japonia)
X.1997 - utworzenie DVD-Forum (120 członków, teraz ok. 220 )
II.1998 - specyfikacja DVD-Video v1.1 i DVD-ROM v1.01
VII.1998 - specyfikacja DVD-Audio v0.9
XI.1998 - specyfikacja DVD-R i DVD-RAM v1.9
IV.1999 - specyfikacja DVD-Audio v1.0

Wymiary dysków DVD

Tabela.1.Wymiary dysków DVD w porównaniu do CD

		DVD 12cm/8cm	CD
Średnica zewnętrzna	mm	120/80	120
Zewnętrzna średnica warstwy odbijającej	mm	117/78	117
Zewnętrzna średnica obszaru danych	mm	116/76	116
Wewnętrzna średnica obszaru danych	mm	48/48	50
Wewnętrzna średnica warstwy odbijającej	mm	45/45	46
Średnica otworu	mm	15/15	15
Grubość podłoża	mm	0,6	1,2
Grubość dysku	mm	1,2	1,2
Grubość warstwy oddzielającej w dyskach dwuwarstwowych	mm	40 do 70	-
Masa	g	13 do 20 (12cm) 6 do 9 (8cm)	14
Maksymalna szybkość obrotów	Hz	25,5 (12cm)	8 (12cm)
Minimalna szybkość obrotów	Hz	10,5	3,5
Liniowa szybkość odczytu	m/s	3,49 (SL) 3,84 (DL)	1,2 do 1,4

Optyka

Tabela.2. Różnice pomiędzy płytą DVD a CD

		DVD	CD
Długość fali lasera odczytującego	nm	650 lub 635	790
Apertura numeryczna soczewek		0,60	0,45
Współczynnik odbicia powierzchni dysku	%	min 70 (SL) 25 do 40 (DL)	min 70
Szerokość pit-a	mm	0,5	0,5
Odległość między śladami ścieżki	mm	0,74	1,6
Minimalna długość pit-a	mm	0,40 (SL) 0,44 (DL)	0,833 do 0,972
Maksymalna długość pit-a	mm	1,87 (SL) 2,13 (DL)	3,054 do 3,560

Optyka - przedstawienie graficzne

Rys.3.

Porównanie powierzchni płyty CD i DVD

Podstawowe szybkości transmisji danych, korekcja błędów

Tabela.3. Podstawowe szybkości transmisji danych, korekcja błędów

Odczyt strumienia bitów z dysku	26,16Mbit/s
Po demodulacji 8/16	13,08Mbit/s
Bajty korekcji błędów	2,00Mbit/s
Strumień danych użytkowych	11,08Mbit/s
Rozmiar sektora danych	2048B
Rozmiar sektora do korekcji danych	32kB
Zdolność do korekcji błędów przy zarysowaniach powierzchni dysku do szerokości:	6 mm (SL) 6,5 mm (DL)

Pojemności płyt DVD

Tabela.4 Pojemności płyt DVD

Oznaczenie	Pojemność	Ilość warstw	Ilość stron	Komentarz
DVD-5	4,7 GB	1	1
DVD-9	8,54 GB	2	1
DVD-10	9,4 GB	1	2
DVD-18	17,08 GB	2	2	Trudna w produkcji
DVD-R	4,7/9,4 GB	1	1/2	Zapisywalna
DVD-RAM	2,6/5,2 GB	1	1/2	Wielokrotnie zapisywalna
DVD-RW	4,7/9,4 GB	1	1/2	Wielokrotnie zapisywalna

DVD-5

Rys.4.

Odczyt z płyty DVD jednowarstwowej, jednostronnej

Najprostsza z rodziny DVD płyta - pojedyncza warstwa odbijająca, odczytywana z jednej strony dysku. Dysk dla zapewnienie znormalizowanej grubości 1,2mm posiada dwie warstwy podłoża, umożliwia to stworzenie nadruku na niewykorzystywanej stronie nie tylko „klasycznie” - przez nadruk na powierzchni dysku, ale też przez odpowiednie ukształtowanie drugiej warstwy metalicznej nie przenoszącej informacji.

DVD-9

Rys.5.

Odczyt z płyty DVD dwuwarstwowej, jednostronnej

Stosowanie dwóch warstw po jednej stronie dysku wymusza wydłużenie o 10% wszystkich nagrywanych śladów dla ułatwienia odczytu danych. Odczyt z jednej strony dysku umożliwia stosowanie zwykłych nadruków na powierzchni dysku.

DVD-10

Rys.6.

Odczyt z płyty DVD jednowarstwowej, dwustronnej

Odczyt danych z obu stron dysku uniemożliwia stosowanie nadruków na powierzchni dysku, stąd tworzenie etykiet jest utrudnione. Spora część czytników DVD wymaga przekładania płyty na drugą stronę . Pojemność tej płyty jest dwukrotnie większa niż płyty DVD-5.

DVD-18

Rys.7.

Odczyt z płyty DVD dwuwarstwowej, dwustronnej

Najtrudniejsza w produkcji płyta, jednakże nie posiadająca aktualnie odpowiednika wśród innych nośników informacji.

Organizacja ścieżek na płytach
DVD - DL

Rys.8A.

PTP - Parallel Track Path Ścieżki „nawijane” w tą samą stronę - zapewniają mniejszy czas dostępu do danych na płytach DVD-ROM

Rys.8B.

OTP - Opposite Track Path Ścieżki „nawijane” w przeciwnych kierunkach - zapewniają brak przeskoku np. przy odtwarzaniu filmu przy przełączaniu strumienia danych z końca ścieżki jednej warstwy na początek ścieżki drugiej warstwy

DVD - system plików

Na płytach DVD stosowana jest odmiana systemu plików UDF (Universal Disc Format - opracowany przez Optical Storage Technology Association) zwana MicroUDF. Zapewnia pełną obsługę płyt read-only jak i zapisywalnych: jednokrotnie i wielokrotnie.

Docelowo na płytach DVD-Video, Audio, RAM i RW ma być tylko UDF, jednak dla zapewnienia kompatybilności ze starymi systemami operacyjnymi nie obsługującymi UDF (np. Windows 95) stosowany jest dodatkowo system plików ISO9660 (niekoniecznie z Joliet Extensions), czyli tzw. UDF-Bridge.

Główne katalogi w systemie UDF na DVD:

• VIDEO_TS - filmy DVD-Video

• AUDIO_TS - dźwięk DVD-Audio

• OTHER - cała reszta danych nie objętych specyfikacją DVD DVD-ROM

Oczywiście Microsoft zechciał wcisnąć gdzie się da (np. DVD-RAM) swój nie najlepszy FAT i FAT32, ale nie jest to podstawowy format plików dla DVD

DVD-Video

• 133 minuty filmu w standardzie MPEG-2 z dźwiękiem surround (a przy braku kodowania zaledwie 3 minuty )

• Formaty obrazu: normalne i szerokokątne

• Dźwięk - do 8-miu wersji językowych

• Napisy - do 32-ch wersji językowych

• Przyjazny dla użytkownika system menu sterującego odtwarzaniem

• Do 9-ciu różnych ujęć tej samej sceny

• Cyfrowe i analogowe zabezpieczenia przed nielegalnym kopiowaniem

• Blokada rodzicielska dla „cenzurowanych” filmów

Strumienie danych z dysków DVD-Video

Tabela.5 Strumienie danych z dysków DVD-Video

Rodzaj danych	Ilość strumieni	Maksymalny transfer	Opis
Obraz	1	9,08Mb/s	MPEG-1 lub MPEG-2, zarówno film jak i nieruchome obrazy
Dźwięk	do 8	6,144Mb/s	Kilka formatów dźwięku, zarówno stereo jak i surround
Podpisy	do 32	3,36Mb/s	Obrazy nieruchome kodowane z głębią 2 bity/pixel, nakładane na właściwy obraz.
Sterowanie	1		Interakcja z użytkownikiem

Formaty filmów na dyskach DVD-Video

Tabela.6 Formaty filmów na dyskach DVD-Video

	MPEG-1	MPEG-2	Dźwięk (wymagany/[dodatkowy])
PAL/Secam (25 klatek/sek)	352x576 352x288	720x576 704x576 352x576 352x288	LPCM/MPEG1/MPEG2/AC3 [LPCM/AC3/inne]
NTSC (24/30 klatek/sek)	352x480 352x240	720x480 704x480 352x480 352x240	LPCM/AC3 [LPCM/AC3/MPEG/inne]
	CBR	VBR lub CBR

Kodowanie dźwięku na dyskach DVD-Video

Dolby Digital (Dolby AC-3)

Tabela.7 Kodowanie dźwięku na dyskach DVD-Video - Dolby Digital (Dolby AC-3)

Tryb	Kanały	Strumień danych (kb/s)
1/0	Mono	64 do 448
2/0	Stereo	128 do 448
3/0	Stereo+środkowy	192 do 448
2/1	Stereo+tylny	192 do 448
3/1	Stereo+środkowy+tylny	256 do 448
3/2	Stereo+środkowy+surround	320 do 448

MPEG

Tabela.8 Kodowanie dźwięku na dyskach DVD-Video - MPEG

Tryb		Kanały - przód	Kanały - tył
1/0	MPEG-1	Mono	-
2/0	MPEG-1	Stereo	-
3/0	MPEG-2	Stereo+środkowy	-
2/1	MPEG-2	Stereo	Mono
3/1	MPEG-2	Stereo+środkowy	Mono
2/2	MPEG-2	Stereo	Stereo
3/2	MPEG-2	Stereo+środkowy	Stereo
5/2	MPEG-2	5 kanałów	Stereo

MPEG-2 może być kodowany jako CBR (64 do 912kb/s) lub VBR, częstotliwość próbkowania 48kHz

LPCM

Tabela.9 Kodowanie dźwięku na dyskach DVD-Video - LPCM

Częstotliwość próbkowania	Rozdzielczość	Ilość kanałów	Strumień max.
48 kHz	16 bitów	8	6,144 Mb/s
48 kHz	20 bitów	6	5,76 Mb/s
48 kHz	24 bity	5	5,76 Mb/s
96 kHz	16 bitów	4	6,144 Mb/s
96 kHz	20 bitów	3	5,76 Mb/s
96 kHz	24 bity	2	4,608 Mb/s

Rejonizacja świata filmów DVD

Rys.9.

Rejonizacja świata filmów DVD

DVD-Audio

Tabela.10 DVD-Audio

	Dźwięk na DVD-Audio	Dźwięk na DVD-AudioV
Sposób kodowania	LPCM lub spakowane (bezstratnie) PCM	LPCM lub Dolby Digital
Częstotliwości próbkowania (kHz)	44,1/48/88,2/96/176,4/192	48/96
Ilość bitów	16/20/24	16/20/24
Max. liczba kanałów	6 (do 96 kHz) lub 2 (do 192 kHz)	8
Max. strumień danych	9,6Mb/s (LPCM)	6,144Mb/s

Możliwe dołączanie obrazów nieruchomych, tekstów stałych/ruchomych, sekwencji wizyjnych

Czasy odtwarzania DVD-Audio

Tabela.11 Czasy odtwarzania DVD-Audio (niektóre przykłady, czas podany w minutach)

Konfiguracja	SL	DL	SL+MLP	DL+MLP
48kHz, 24 bity, 2 kanały	258	469	344	622
192kHz, 24 bity, 2 kanały	64	117	86	155
96kHz, 24 bity, 6 kanałów	43	78	74	133
96kHz, 24 bity, 3 kanały+ 48kHz, 24 bity, 2 kanały	64	116	111	201

MLP = Meridian Lossless Packing - bezstratna kompresja danych, proste dekodowanie

Super Audio CD

• Projekt Philipsa/Sony

• Pasmo sygnału fonicznego 100kHz, dynamika 120dB

• Pełna jakość dla wszystkich kanałów

• Kodowanie DSD (Direct Stream Digital)

• Watermarking, ochrona przed nielegalnym kopiowaniem

• Dodatkowe teksty, grafika, video

„hybrid CD/DVD” czyli płyta audio odczytywalna zarówno w czytnikach DVD jak i w standardowych odtwarzaczach CD - dwie płyty w jednej.

SACD wykorzystuje taki sam format sektorów, korekcję błędów, modulację i system plików jak DVD.

Rys.10.

CD/DVD” czyli płyta audio odczytywalna zarówno w czytnikach DVD jak i w standardowych odtwarzaczach CD - dwie płyty w jednej.

DVD-R (recordable)

Tabela.12 DVD-R porównanie dwóch wersji

Parametr	Wersja 1.0	Wersja 1.9/2.0
Strony	1 lub 2	1 lub 2
Pojemność (GB)	3,95 na stronę	4,7 na stronę
Sposób zapisu	Laser 635nm	Laser 635nm
Moc lasera	6-12 mW	6-12 mW
Minimalna długość pit-a	0,44 mm	0,4 mm
Odległość między śladami ścieżki	0,8 mm	0,74 mm

Istnieją dwie metody dogrywania plików: z wykorzystaniem i bez wykorzystania formatu plików ISO9660. W obu przypadkach minimalna ilość dogrywanych danych to 32kB, czyli rozmiar sektora korekcji danych.

DVD-RAM

Tabela.13 DVD-RAM porównanie dwóch wersji

Parametr	Wersja 1.0	Wersja 1.9/2.0
Strony	1 lub 2	1 lub 2
Pojemność (GB)	2,6 na stronę	4,7 na stronę
Minimalna długość pit-a	0,41 mm	0,28 mm
Odległość między śladami ścieżki	0,74 mm	0,615 mm
Ilość sektorów ZCLV	24	35

• Dyski DVD-RAM mogą być zapisywane wyłącznie w specjalnych kasetach ochronnych, nie wszystkie kasety umożliwiają wyjęcie dysku do odczytu w zwykłym czytniku DVD

• ZCLV to metoda podziału dysku na sektory: w każdym z sektorów wykorzystywana jest technika zapisu CAV (stała prędkość kątowa), szybkość kątowa zmienia się od sektora do sektora tak, by zapewnić stałą średnią prędkość liniową.

• DVD+RW

• Opracowane przez: Sony/Philips/Hewlett Packard w 3 miesiące po zatwierdzeniu DVD-RAM

• Może wykorzystywać, ale nie wymaga kaset ochronnych

• Niekompatybilne z DVD-RAM. Zwolennicy zarówno jednego jak i drugiego standardu twierdzą, że ich produkty NIGDY nie będą współpracowały z płytami w drugim systemie.

• Istnieje jeszcze DVD-R/W - opracowanie Pioneera, wykorzystuje podobne parametry mechaniczne i optyczne jak DVD-R, zapewnia większy współczynnik odbicia niż DVD-RAM i DVD+RW, może być odczytywany w zwykłych czytnikach DVD. Przyjęte do rozpatrzenia jako kandydat do rodziny standardów DVD.

Kompatybilność

Tabela.14 Kompatybilność płyt

	Dysk
Napęd	CD-ROM	CD-R	CD-RW	DVD-ROM	DVD-RAM	DVD-R	DVD+RW
DVD-ROM	TAK	Zal	TAK	TAK	Zal	TAK	Zal
DVD-R	TAK	TAK	Zal	TAK	Nie	TAK	Nie
DVD-RAM	TAK	TAK	TAK	TAK	TAK	TAK	Nie
DVD+RW	TAK	TAK	TAK	TAK	Nie	TAK	TAK

Zal = zależnie od urządzenia

W połowie 2000 roku żadne z urządzeń zapisujących płyty DVD nie było w stanie zapisywać płyt CD-R i CD-RW.

DVD

DVD powstał w roku 1994 w koncernie Philips-Sony i Toshiba. Ogromną pojemność płyt DVD uzyskano dzięki temu, że ścieżki są ułożone z niemal dwukrotnie większą gęstością niż na dysku CD. Dodatkowo dwukrotne zmniejszenie powierzchni zajmowanej przez jednostkę informacji sprawia, że objętość nowego nośnika wzrasta siedmiokrotnie. W napędzie DVD najważniejszy jest laser. Używa on światła o krótszej fali niż standardowy napęd CD-ROM, może czytać mniejsze pakiety danych ze spiralnej ścieżki, której zwoje znajdują się bliżej siebie niż na płycie kompaktowej. Nośnik jest połowę cieńszy niż w standardowej płycie, dzięki czemu można było złączyć dwie jego warstwy, tworząc dwustronny, dwuwarstwowy dysk tej samej grubości co płyta CD, zdolny jest on pomieścić 17 GB (27 razy więcej niż CD). Stosuje się technikę dwuwarstwową, a górna warstwa jest wykonana z półprzepuszczalnego materiału - złota powłoka na lustrzanej warstwie srebrnego koloru. Jeśli mają być odczytywane dane z dolnej warstwy, zmieniana jest długość fali. Promień o mniejszej mocy odczytuje warstwę złotą, większej mocy srebrną. Aby przełączanie między warstwami było płynne i bez zakłóceń, pierwsza warstwa odczytywana jest od środka na zewnątrz dysku, a druga w kierunku przeciwnym. Dzięki temu w momencie przełączania pomiędzy warstwami nie zachodzi potrzeba szybkiej zmiany położenia lasera, ani prędkości obrotowej dysku. Ponadto dla zachowania płynności odczytu wprowadzono pamięć buforowaną.

dostęp - w komputerach sposób zwrócenia się do dowolnej komórki lub obszaru pamięci w celu zapamiętania lub odczytania danych lub zapisu.

dostęp sekwencyjny - sposób zwrócenia się do określonej komórki lub obszaru pamięci, przy którym dla zapisania lub odczytania danych nie jest konieczne uprzednie odczytanie danych w obszarze pamięci poprzedzającym określoną komórkę lub obszar pamięci.

dostęp bezpośredni - sposób zwrócenia się do określonej komórki lub obszaru pamięci, przy którym do zapisania lub odczytania danych konieczne jest odczytanie wszystkich danych z obszaru pamięci poprzedzającego określoną komórkę lub obszar pamięci. D.s. jest w zasadzie jedynym sposobem dostępu do zbiorów taśmowych.

Dysk DVD-ROM posiada identyczne rozmiary geometryczne jak dysk CD-ROM niemniej w celu osiągnięcia wyższych pojemności wprowadzono kilka istotnych zmian:

• zastosowano lasery o krótszej długości fali promieniowania (635nm-650nm) co umożliwiło skrócenie odstępu między ścieżkami do 740 nm oraz pomniejszenie rozmiaru długości plamki zaczernienia do około 400nm;

• zastosowano zmniejszoną o połowę grubość warstwy informacyjnej (odblaskowej) co umożliwia zastosowania dodatkowej warstwy (zapis dwustronny),

• zastosowano dodatkowe warstwy odblaskowe o innych właściwościach odblaskowych, dzięki czemu możliwe stało się zastosowanie dwóch różnych długości fal do odczytu danych w tym samym czasie (zapis dwuwarstwowy).

Podobnie jak dla nośników CD istnieją wersje CD-R tak dla DVD opracowano wersję wielokrotnego zapisu o nazwach DVD-RAM oraz DVD-RW. Proponowane na rynku nośniki DVD-RAM umożliwiają zapis do 2,6 GB w wersjach jednostronnych lub 5,2 GB w wersjach dwustronnych (np. Creative, Panasonic, Samsung, Toshiba). Czas dostępu dla tych rozwiązań jest rzędu 120ms (DVD-ROM - 80ms), a szybkość transmisji danych wynosi 3MB/s (20x). Dla DVD-RW powstał w 1999 roku standard ECMA 274 (ftp://ftp.ecma.ch/ecma-st/Ecma-274.pdf) opisujący jednostronne oraz dwustronne nośniki i metody zapisu danych DVD-RW. Zgodnie ze standardem pojemności dysków wynoszą 3GB / stronę. Dostępne są już napędy obsługujące zapis DVD-RW, jak np. DVD Writer 3100i firmy Hewlett Packard.

Stosowane napędy DVD umożliwiają również odczyt wszystkich typów CD.

Fluorescent Multilayer Disk

Trwają obecnie badania nad nowymi wersjami pamięci optycznych. Do najbardziej obiecujących należy zaliczyć technologię o nazwie FMD (Fluorescent Multilayer Disk) wykorzystującą fluorescencję w procesie odczytu danych (http://www.c-3d.net/product.htm). Pierwsze produkty o nazwie FMD-ROM łamią barierę jaką napotkały dyski DVD-ROM, związaną z maksymalną ilością warstw. Dla dysku FMD możliwe jest zastosowanie wielu warstw, każda charakteryzująca się innym oddziaływaniem z promieniowaniem generowanym przez laser czytający (różne materiały fluorescencyjne). W wyniku oddziaływania lasera emitowane jest z różnych warstw promieniowanie widzialne (w wyniku fluorescencji) o różnych długościach fal. Ta różnorodność umożliwia określenie warstwy skąd dane promieniowanie jest emitowane. Dyski FMD-ROM składają się z 10 warstw o pojemnościach 14GB na warstwę. Oznacza to łączną pojemność rzędu 140GB. Firma C3D, twórcy technologii, szacuje że możliwe będzie wykorzystanie nawet 100 warstw w jednym krążku FMD (krążek o rozmiarach identycznych z CD), co daje pojemność ponad 1TB!

 

Rys.11.

Dysk FMD

Pamięci holograficzne

Płyty CD czy DVD nawet w części nie wykorzystują ogromnych możliwości, jakie daje światło dla przechowywania informacji. Niedługo jednak to się zmieni. W 2005 roku dostępne mają być bowiem optyczne nośniki nowej generacji.

Rys.12.

Dysk Blu-ray

Obecnie najbardziej pojemne dwustronne, dwuwarstwowe płyty DVD są w stanie zmieścić około 17 gigabajtów informacji. Opracowane niedawno krążki Blu-ray umożliwiają zapisanie 27 lub 50 gigabajtów danych.

Tabela.15 Pojemności nośników

Właściwości	CD	DVD	Blu-ray
Pojemność (płyta jednowarstwowa) 1 MB = 1000 KB	680-735 MB	4,7 GB	27 GB
Pojemność (płyta dwuwarstwowa) 1 MB = 1000 KB	-	8,5 GB	50 GB
Czas odtwarzania materiału wideo MPEG-2 (DVD)	18-20 minut	133 minuty	13 godzin
Szybkość transmisji danych (prędkość 1x)	150 KB/s	1350 KB/s	4,5 MB/s
Średnica nośnika	12/8 cm	12/8 cm	12/8/3 cm
Typ lasera	podczerwony (780 nm)	czerwony (650 nm)	niebieski (405 nm)

Niestety, jest to wciąż mniej, niż możemy pomieścić na jednym dysku twardym! Czy zatem jesteśmy skazani na wizję półki uginającej się pod ciężarem zgromadzonych na niej setek nośników informacji? Otóż nie - z pomocą przychodzi nam holografia.
Wspomniana technika pozwala na zapis i odczyt trójwymiarowych informacji (np. przestrzennych obrazów przedmiotów), zarejestrowanych przez światło lasera na kliszy fotograficznej. Powstałe zdjęcie, nazywane hologramem, nie wygląda tak jak klasyczna fotografia - oglądając ją, zobaczymy tylko szereg jasnych i ciemnych prążków, nazywanych prążkami interferencyjnymi. Jeśli jednak oświetlimy hologram laserem, to odtworzony zostanie w całości przestrzenny obraz zarejestrowanego obiektu.
Oczywiście, zamiast przedmiotu można sfotografować matrycę ciemnych oraz jasnych punktów, które będą optycznymi odpowiednikami zer i jedynek. Jeżeli następnie setki takich hologramów zarejestrujemy na jednym krążku, mamy wówczas do czynienia z holograficznym nośnikiem danych HMD (Holographic Media Disk). Niezależne prace nad tą technologią prowadzą trzy amerykańskie firmy - Aprilis, InPhase oraz Polight Technologies.
Wszystkie trzy korporacje opracowały własne rozwiązania, bazujące na 12-centymetrowych krążkach (średnica płyt CD/DVD) pokrytych specjalną światłoczułą substancją, mogącą zarejestrować obraz fotograficzny o dużej rozdzielczości. Konstrukcja firmy InPhase umożliwia zapisanie 100 GB danych. Nieco większą pojemnością charakteryzują się płyty korporacji Aprilis - krążek jest w stanie zgromadzić od 60 do 200 gigabajtów danych. Największą pojemnością nośnika HMD może się zaś pochwalić firma Polight Technologies - jej produkt mieści aż 500 GB informacji! Teoretyczna pojemności płyty HMD wynosi 1 TB (terabajt). Jak się szacuje, krążki takie będą dostępne już w 2005 roku. Wówczas ruszy też produkcja holograficznych nagrywarek HMD.

Chemia i optyczne pamięci komputerów

Od kilkudziesięciu lat trwają poszukiwania układów fotochemicznych, które mogłyby służyć do przechowywania informacji i stanowić konkurencję dla pamięci magnetycznych.

Potrzebny jest taki układ, w którym informację dałoby się:
a) zapisać
b) odczytać
c) skasować

Wydaje się, że właśnie przybliżono się do tego celu (Nature 1990-10-18). Nowy typ pamięci może być oparty na pochodnych azobenzenu. Na płytkę metalową należy nanieść warstwę trans-azobenzenu. Pod wpływem światła laserowego (nadfioletowego) trans-azobenzen przechodzi w swój izomer cis. Izomer cis ma inną barwę niż izomer trans i zapisaną laserem informację można łatwo i szybko odczytać. Niestety cis-azobenzen powoli wraca do formy trans i zapisowi grozi samorzutne skasowanie! Jeśli jednak nasza płytka zanurzona jest w wodnym roztworze odpowiedniego elektrolitu, to wystarczy przyłożyć do niej odpowiednie napięcie i zajdzie reakcja elektrodowa redukcji:

Co najważniejsze, reakcji tej w odpowiednich warunkach ulega tylko izomer cis. Zapisana informacja ulega więc utrwaleniu, gdyż hydrazobenzen jest również łatwy do odróżnienia od trans-azobenzenu, a do tego trwały.

Jeżeli zapisane informacje chcemy skasować, zmieniamy potencjał płytki tak, by hydrazobenzen uległ utlenieniu.

Zapisywanie informacji. Oba izomery azobenzenu mają płaskie cząsteczki.
Podstawniki R, R' są skomplikowane i nie rysujemy ich tutaj.

	+ 2H^+ + 2e^- -->
cis-azobenzen		hydrazobenzen

Utrwalanie informacji (redukcja elektrochemiczna)

+ 2H⁺ + 2e^-
Kasowanie informacji (utlenianie elektrochemiczne)

Przy tej czynności nasza płytka staje się anodą (utlenianie zawsze przebiega na anodzie). Bystry Czytelnik niechybnie zauważył że hydrazobenzen, choć otrzymany z formy cis "nie pamięta o swym rodowodzie" i utleniany daje trwalszy trans-azobenzen. A więc następuje powrót do sytuacji wyjściowej - płytka pokryta jest równomiernie trans-azobenzenem, nie ma śladu po zapisanych informacjach.

Próbne warstwy azobenzenowe wytrzymały kilkaset cykli zapis-odczyt. To jeszcze niewiele, ale brzmi zachęcająco. Komentatorzy zwracają uwagę, że opisana metoda daje możliwość zapamiętania 10⁸ bitów (zawartość kilku książek) informacji na 1cm² błony, a przy zaproponowanych już udoskonaleniach nawet 10 tysięcy razy więcej. Zainteresowanie, które wzbudziło to odkrycie, wydaje się więc zrozumiałe.

W jakim kierunku będzie podążać rozwój technogii zapisu danych?

Przyszłością nośników wydają się pamięci holograficzne.

Z badań nad hologramami wynikają same korzyści. Przede wszystkim hologramy oznaczają ogromne ilości pamięci. W odpowiednim materiale optycznym - na ogół stosuje się kryształy - lasery zapisują elektroniczne wzorce jako strony. Na każdej stronie znajduje się miejsce dla milionów bitów, a na nośniku wielkości małej monety mieszczą się tysiące takich stron. Łącznie na niewielkim obszarze przechowuje się tryliony bitów, co odpowiada terabajtom pamięci. Nie mniej interesujące są możliwości dostępu do tak składowanych informacji. Wszystkie dane zawarte na jednej stronie są udostępniane równocześnie. Możliwe jest zapisywanie i odczytywanie ich w tym samym czasie. Ponieważ każdy zapisany bit jest rozłożony w większej objętości kryształu, hologramy są o wiele bardziej odporne na defekty niż poprzednie nośniki. Teoria jest prosta: do zapisu danych na nośniku, są potrzebne 2 koherentne promienie laserowe, przenoszące światło o określonej długości fali. Jeden z nich promień podstawowy (object beam) jest prowadzony przez przestrzenny modulator światła - na przykład kryształ LCD. Światło podlega tu modulacji zgodnie z informacją, którą ma przenieść, a na końcu trafia na światłoczuły nośnik. W tym miejscu promień podstawowy nakłada się na promień odniesienia (reference beam) .Wynik interferencji obu promieni jest zapamiętywany w nośniku w postaci przestrzennej modulacji współczynnika załamania. To jest hologram. Gdy promień odniesienia oświetli następnie nośnik - rozproszy się i utworzy kopię promienia podstawowego. Po skierowaniu go do fotodetektora odzyskiwana jest cała zapisana wcześniej informacja. Dane są zapisywane i zatwierdzane przy użyciu zielonego promienia laserowego, do odczytu służy światło czerwonego lasera.

1

DIGITAL
VERSATILE
DISC

Compact
DISC

Region 1

USA, Kanada

Region 2

Europa, bliski wschód, Południowa Afryka, Japonia

Region 3

Południowo-wschodnia Azja, Taiwan

Region 4

Ameryka środkowa i południowa, Meksyk, Australia, Nowa Zelandia

Region 5

Rosja, większość krajów Afryki, Indie, Pakistan

Region 6

Chiny

---