Плюсы и минусы оптических носителей

Физика

С точки зрения физических характеристик носителя подобная задача обеспечения совместимости уже решалась при создании перезаписываемых носителей CD-формата (CD-R и CD-RW). Носитель DVD+RW использует тот же самый метод изменения фазового состояния (кристаллическое/аморфное) вещества, из которого состоит чувствительный слой, что и CD-RW. Веществом для такого слоя служит сплав серебра, индия, сурьмы и теллура. Разумеется, соответствует неперезаписываемым дискам и геометрия дорожки: спиральная, идущая от сердцевины к краю. Сам диск состоит обычно из восьми слоев, включая поликарбонатную основу с двух сторон и печатаемую сверху этикетку (рис. 1).

Существенным отличием записываемых дисков от «штампованных» является еще один «информационный слой» - сервисный, видимый только записывающим устройствам (для чтения эта информация попросту не нужна - тип модуляции потока данных позволяет считывающему устройству удерживать дорожку и обеспечивать синхронизацию, довольствуясь только информацией от слоя данных, если таковые есть). Сервисный слой представляет собой спиральную волнообразную канавку на подложке, сигнал от боковых стенок которой воспринимается дополнительными фотоприемниками. Информация наносится при изготовлении матрицы методом фазовой модуляции радиального положения канавки и содержит адресные метки (четыре метки на каждый блок данных по 32 Кбайт), позволяющие рекордеру и следить за дорожкой, и с высокой точностью определять текущее положение головки независимо от наличия данных.

Опишем вкратце процесс записи, который, впрочем, аналогичен используемому в CD-RW. В исходном состоянии чувствительный слой находится в кристаллическом состоянии. В процессе записи сфокусированный луч лазера нагревает чувствительный материал выше точки плавления (500-700 градусов Цельсия), после чего, быстро охлаждаясь благодаря высокой теплопроводности диска, мишень остается в аморфном состоянии  [5]. Для возврата в кристаллическое состояние чувствительный слой должен быть нагрет до температуры меньшей, чем температура плавления, но большей, чем температура кристаллизации (около 200 градусов), причем в течение времени, превышающего время кристаллизации (рис. 2).

Материал чувствительного слоя имеет в аморфном и кристаллическом состояниях разные коэффициенты преломления, кроме того, отражающая способность чувствительного слоя в аморфном состоянии значительно ниже, чем в состоянии кристаллическом, за счет чего эти состояния и можно различить оптическим способом; именно это используется при считывании данных в накопителях DVD+RW, DVD-ROM, а также DVD-видеоплейерах.

Таким образом, лазер записывающего устройства использует три уровня мощности: обычный фоновый режим, при котором производится считывание сервисной разметки и данных; импульс максимальной мощности - запись; и менее мощный, но более длительный импульс - стирание (рис. 3). Для записи не требуется производить предварительного стирания, однако при производстве диска процедура полной кристаллизации чувствительного слоя путем нагрева лазером предусмотрена.

Чувствительный слой напыляется на подложку в окружении двух слоев диэлектрика. Химический состав чувствительного слоя определяет такие важные параметры, как время и температуру кристаллизации, толщина слоя - коэффициент отражения, а состав и толщина окружающих диэлектрических слоев - теплопроводность и, соответственно, время охлаждения в процессе записи. Учитывая, что при производстве все эти параметры могут изменяться в довольно широких пределах, для устройств записи предусмотрена специальная процедура OPC (Optimum Power Control), позволяющая определить и установить оптимальные уровни мощности лазера для конкретной пары привод-носитель и выбранной скорости записи.

На уровне спецификации оговорены и параметры двухсторонних дисков, хотя альянс компаний-разработчиков пока не ведет речь об устройствах, способных таковые использовать, оставляя этот вопрос на усмотрение конкретных производителей.

Некоторые ключевые физические параметры, обеспечивающие совместимость, приведены в таблице.

Как видно из таблицы, единственным физическим параметром DVD+RW-диска, не соответствующим спецификации одностороннего DVD-ROM, является отражающая способность, но и она не выходит за пределы, установленные для двухстороннего DVD-ROM-диска. А так как устройства DVD-ROM в соответствии со спецификацией должны читать и двухсторонние диски, то проблемы совместимости остаются на совести производителей, не придерживающихся спецификаций. Следует отметить, что отражающая способность записываемых носителей CD-формата тоже ниже, чем у CD-ROM, чем, собственно, и вызвана неспособность многих проигрывателей компакт-дисков читать копии Audio-CD, сделанные на однократно и многократно записываемых носителях этого формата.

Кроме прочего, технология предусматривает запись дисков не только в режиме с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocity - CLV), но и с постоянной угловой скоростью (Constant Angular Ve locity - CAV), что позволяет ускорить запись данных в компьютерных применениях. Дабы не слишком отступать от оптимальной длительности записывающего и стирающего импульсов, в зависимости от линейной скорости изменяется длительность паузы, а длительность самих импульсов остается примерно постоянной (рис. 4).

Если с точки зрения физики никаких особенных технологических новшеств вроде бы и нет (все они были в меньшем масштабе обкатаны на технологии CD-RW), то в части логики их предостаточно. Вернее, оказалось предостаточно проблем, которые с большими либо меньшими потерями для себя или будущего потребителя и пришлось разработчикам решать. Причем основные трудности возникли при совмещении формата DVD Video с реальным временем, то есть при реализации процесса записи.

Что разработчики хотели получить:

• запись потокового видео (и одновременное форматирование носителя) в реальном масштабе времени;

• возможность воспроизведения записанных дисков на существующих DVD-плейерах, причем без явной потери производительности относительно предварительно подготовленных (pre-mastered) дисков;

• возможность непосредственной обработки дисков с записью на компьютере, что как минимум включает:

  • возможность добавления данных к уже имеющимся (без организации множественных сессий, как это имело место в форматах CD),

  • частичную перезапись данных,

  • редактирование интерактивных меню,

  • базовые функции редактирования данных.

Между записью предварительно подготовленного видеофрагмента формата DVD Video и записью его же, но в реальном времени, лежит огромная пропасть. Рассмотрим вкратце традиционный процесс формирования DVD-видеодиска (рис. 5).

Первая стадия включает оптимизацию битрейта видеопотока, кодирование видео- и аудиопотоков и, если контроль качества изображения не выявил дефектов, мультиплексирование этих потоков вместе с добавлением так называемых навигационных пакетов (пустых на данный момент) в общий поток MPEG2. Навигационные пакеты содержат информацию, используемую DVD-видеоплейерами для выполнения операции ускоренного поиска как вперед, так и назад, а именно ссылки на предыдущие и последующие навигационные пакеты, расположенные на расстоянии от 0,5 с до двух минут от текущего пакета. Из-за того что битрейт потока непостоянен, расстояние в битах между навигационными пакетами также непостоянно.

На второй стадии структура потока уже полностью определена, и можно заполнить пустые навигационные пакеты конкретными адресами и прочими необходимыми данными. Результатом этого является так называемый VOBS-файл (Video Object Set) и дополнительный файл (IFO), содержащий информацию о содержимом VOBS и его структуре.

Третья стадия включает интеграцию созданных файлов со служебной информацией формата DVD-диска (Video Manager Information), добавление интерактивных меню для выбора фрагмента записи (представляющих собой растровые изображения - в соответствии со стандартом MPEG2) и генерацию информации, необходимой для создания файловой системы.

Наконец, на последней стадии все полученные данные собираются в единый образ будущего диска.

Рассматривая вышеприведенную процедуру в применении для записи в реальном времени, можно выделить три трудно реализуемых момента: формирование ссылок на последующие навигационные пакеты, обеспечение минимально допустимой скорости записи (о чем упоминалось выше) и редактирования интерактивных меню (в связи с тем, что получение текстовой информации, преобразованной в растровое изображение, обратно для редактирования невозможно).

Первая проблема, традиционно решаемая путем заполнения навигационных пакетов на втором проходе, в DVD+RW решается путем разделения указателей «вперед» на близкие и дальние. Близкие (несколько секунд) определяются благодаря задержке видеопотока в буфере на необходимое время, а дальние рассчитываются по определенному предсказывающему алгоритму, который хотя и не обеспечивает абсолютной точности «попадания», но позволяет сохранить совместимость с DVD-плейерами без заметной потери функциональности (рис. 6).

Вторая проблема серьезнее. Формат MPEG2 предусматривает переменную скорость поступления данных (битрейт), которая достигает максимума для быстро меняющихся и сильно детализированных сцен, и может падать в несколько раз для сцен статических. Эта особенность обеспечивает значительное увеличение времени записи на DVD-диск (до четырех часов на одну сторону) при сохранении качества, но требует от записывающего устройства, работающего в реальном времени, способности прерывать процесс записи и восстанавливать его через некоторое время, что обусловлено невозможностью уменьшить до нужной величины линейную скорость записи. Записывающее устройство при этом накапливает поступающие данные в буферной памяти и производит запись на носитель «пакетами». Прерывание же процесса записи для устройства с последовательным доступом (каковым изначально и были оптические диски CD и DVD) чревато известными по традиционным пишущим приводам CD-R «потерянными» сегментами (обычно равными размеру сектора - 2 Кбайт), во время прохождения которых производится синхронизация тактового генератора записи. Самым же неприятным последствием такого способа является несовместимость записи с существующими DVD-видеоплейерами: вследствие отсутствия буферной памяти они требуют подачи на декодер MPEG2 безобрывного потока данных. Для решения этой проблемы специально для формата DVD+RW была разработана технология Lossless Linking, основной идеей которой является модуляция управляющей «канавки» с высокой частотой (817 кГц при «единичной» скорости вращения) и синхронизация сигнала записи не по сигналу данных, а по сигналу с управляющей дорожки. Такой метод обеспечивает стыковку окончания старого и начала нового участка записи с промежутком не более 1 мкм (то есть всего 2,5 пита).

Третья проблема преодолевается путем сохранения информации о фрагменте в специальном файле на диске, куда включаются все подробности - название, дата и время создания, длительность фрагмента, качество записи (Standard, Long Play) и ключевой кадр фрагмента. Сами же меню обновляются на основе этой информации непосредственно по окончании записи фрагмента.

С компьютерной совместимостью все оказалось гораздо проще: отработанная опять же на записываемых CD старая добрая файловая система UDF (Universal Disk Format) пригодилась и здесь. Тем более что она стандартизована и опубликована ассоциацией OSTA (Optical Storage Technology Association) в качестве замены значительно менее гибкой ISO9660 и разрабатывалась для применения с будущими оптическими накопителями огромного объема, а значит, имеет шансы продержаться на своем месте достаточно долго.

• DVD Forum. DVD Specifications for Read-Only Disks - Part 1. Physical Specifications. Version 1.01, 1997

• DVD Forum. DVD Specifications for Read-Only Disks - Part 2. File System Specifications. Version 1.01, 1997

• DVD Forum. DVD Specifications for Read-Only Disks - Part 3. Video Specifications. Version 1.1, 1997

• DVD Forum. DVD Video Recording for Rewritable and Recordable Disks - Part 3. Video Recording. Version 1.0, 1999

• Van Vlerken, J.J.L.M. and de Kimpe, W. «Format Detection for DVD+ReWritable 4.7Gb». IEEE International Conference on Consumer Electronics. Digest of Technical Papers, June 13-15, 2000, Los Angeles, USA

• www.dvdrw.com