Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Плюсы и минусы оптических носителей

Архив
автор : Сергей Леонов   17.12.2000

CD-R, CD-RW, CD-ROM - все это разные способы сохранить (с потерей качества) информацию с компакт-диска или другого источника звука. Особенность: CD-ROM выполняется на компьютере, а CD-R - на бытовом рекордере, причем буковка «W» означает возможность стереть и перезаписать диск пару-тройку раз. По аналогии с CD-R уже появились DVD-R, но меры правообладателей по защите от копирования их материала приводят к тому, что все упомянутые копии могут однажды вдруг не «считаться» на вашем конкретном проигрывателе.

Журнал «Аэрофлот», ноябрь 2000

Статья, абзац из которой вынесен в эпиграф, попалась мне в самолете по дороге на «Comdex», но, вдоволь насмеявшись, я оставил «журнал для пассажиров» в кармашке впереди стоящего кресла. А вот на обратном пути, изучая материалы выставки, специально нашел этот номер и прихватил с собой - наверное, для того, чтобы показать, сколь велика путаница понятий и терминов, вызванная быстрым развитием технологий оптических носителей. Надеюсь, наши читатели, даже если и летают Аэрофлотом, правильное представление о технологиях CD все же имеют. Ну а что касается DVD, то здесь я попробую внести свой скромный вклад в дело образования, тем более что одна из технологий была представлена на выставке достаточно детально.

Тема урока

«DVD - самый модный сегодня формат цифровой записи. Инженеры пока еще далеки от исчерпания резерва DVD, не могут создать даже достойную ему аппаратуру воспроизведения и вообще пребывают в некоторой растерянности.»

Журнал «Аэрофлот», ноябрь 2000.

Начнем с того, что DVD - не формат цифровой записи, а формат носителя. «D» и еще одна «D» - это понятно, Digital и Disk. «V», изначально расшифровываемая как «Video», позже обрела значение «Versatile» (многоцелевой, универсальный), а теперь многие предлагают и вообще не раскрывать аббревиатуру - дескать, она самодостаточна, как, например, KGB. Но если вы думаете, что речь пойдет об обычном DVD (или о KGB), то ошибаетесь. Инженеры в растерянности от DVD вовсе не пребывают - технологию, появившуюся на рынке (в виде готовых устройств) еще в 1996 году, описывать в конце века вроде бы уже поздно, хотя большинство «потребителей» (в меньшей степени это касается наших соотечественников, жадных до подробностей) плохо представляют даже структуру обычного компакт-диска, зная достоверно разве что о наличии в приводе лазера. Мы же коснемся относительно новых устройств - перезаписываемых дисков формата DVD и приводов для работы с ними, а точнее - предлагаемого, но еще не утвержденного формата DVD+RW, разработка которого началась в далеком 1995 году и к концу нынешнего века все же вылилась в конкретные решения  [1].

Экономика

Приоритет в области перезаписываемых технологий остается пока за CD-носителями и приводами, чья доля общемировых продаж в 2000 году составила около 68% от всего объема оптических записывающих устройств. Такая ситуация объясняется в первую очередь агрессивной маркетинговой политикой производителей устройств и носителей формата CD, цены на которые с наступлением DVD стремительно падают. Но в то же время и популярность устройств DVD-ROM растет чрезвычайно быстро: в третьем квартале 2000 года уже больше 48% портативных компьютеров и около 18% десктопов было продано с предустановленными приводами DVD-ROM, а по некоторым оценкам, количество устройств DVD в мире к концу следующего года составит не менее 160 миллионов. Следующим неизбежным шагом будет переход на записываемые или перезаписываемые технологии для того же носителя, но до единого стандарта в этой области пока, увы, не близко.

История

На сегодняшний день существует три основных формата перезаписываемых DVD-дисков: DVD-RAM, DVD-RW и DVD+RW. Все три допускают многократную перезапись, и все три имеют в сегодняшних версиях емкость 4,7 Гбайт на одну сторону носителя.

DVD-RAM (Random Access Memory) поддерживается компаниями Hitachi, Panasonic и Toshiba. Формат изначально разрабатывался для записи данных, хотя уже есть устройства записи видео на базе DVD-RAM-накопителей. Носитель представляет собой диск в картридже (есть модификация и без картриджа, но встречается она гораздо реже). Упаковка диска в кассету объясняется тем, что носитель чувствителен к повреждениям поверхности, а примененные методы кодирования при наличии дефектов могут не обеспечивать целостности данных (имеется в виду однозначная идентификация того, что считанные данные достоверны). Приводы DVD-RAM обычно позволяют читать диски формата DVD-Video, DVD-ROM и CD. Обратная совместимость, к сожалению, отсутствует: выпускаемые сегодня приводы DVD-ROM не могут читать диски DVD-RAM, тем более не могут воспроизводить записанную на DVD-RAM-дисках видеоинформацию бытовые DVD-видеоплейеры.

DVD-RW (ReWritable) - формат, разработанный компанией Pioneer и поддерживаемый ныне еще и корпорацией Sharp. Устройства используют диск без картриджа, а записанные в этом формате носители частично совместимы с существующим парком DVD-видеоплейеров и DVD-ROM. Формат, однако, изначально предназначен для целей, прямо противоположных DVD-RAM, а именно в качестве средства записи потоковой аудио- и видеоинформации, и потому имеет серьезные ограничения при использовании в устройствах хранения данных с произвольным доступом. К тому же изначально спецификация DVD-RW была несовместима с DVD-ROM, и даже последняя редакция этого стандарта имеет существенные ограничения, такие как время записи (не более двух часов с фиксированным битрейтом), необходимость «закрытия» диска (по аналогии с CD-R) для обеспечения совместимости и другие.

Технологии DVD-RAM и DVD-RW сегодня уже реализованы «в железе». Первые DVD-RAM-накопители для компьютеров были выпущены весной 1998 года (правда, тогда они имели емкость 2,6 Гбайт для одностороннего носителя и 5,2 Гбайт для двухстороннего). Устройства второго поколения (DVD-RAM Version 2) емкостью 4,7 Гбайт на одну поверхность появились в конце 1999 года, а в 2000 году подоспели и двухсторонние носители, имеющие соответственно емкость 9,4 Гбайт. DVD-RW существуют в виде устройств записи изображения (мои попытки подобрать однословный русский аналог сочетанию «Video Recorder» постоянно упираются в слово «видеомагнитофон», но это явно не аналог. Увы, такова участь аутсайдера технологической гонки - пополнять родной словарь чужими терминами).

Еще три понятия, используемые далее, требуют пояснения.

DVD-R (Recordable) - разработанная в 1998 году компанией Pioneer технология однократной записи DVD-диска, одобренная DVD Forum (в двух вариантах: лазер с длиной волны 635 нм и с длиной волны 650 нм). Подобно CD-R требует предварительного создания образа диска и используется для записи мастер-дисков DVD Video и DVD-ROM.

DVD Video - формат записи на DVD-диск высококачественного видео в стандарте MPEG2 и многоканального звукового сопровождения. Поддерживает многоязычное звуковое сопровождение, многоязычные титры и прочие потребительские возможности.

DVD Audio - появившийся в середине 2000 года формат записи цифрового звука на DVD-диск, подобный формату CD Audio. Предлагает возможность записи звука, оцифрованного с квантованием 16, 20 или 24 бита при частоте квантования от 44,1 до 192 кГц. DVD-Audio-диски могут также содержать видеофрагменты, графическую и текстовую информацию.


Параметр

DVD-Video / DVD-ROM

DVD+RW

Односторонний

Двухсторонний

Длина волны лазера, нм

650

650

650

Полезная емкость, Гбайт

4,7

8,54

4,7

Шаг дорожек, мкм

0,74

0,74

0,74

Минимальная длина пита, мкм

0,4

0,44

0,4

Отражающая способность, %

45-85

18-30

18-30

Модуляция, %

>60

>60

>60

Асимметрия

от -0,05
до +0,15

от -0,05
до +0,15

от -0,05
до +0,15

Джиттер, %

<8

<8

<9

Толщина диска, мм

0,57-0,63

0,57-0,63

0,58-0,62

Радиальная погрешность, град.

0,8

0,8

0,7

Частота потока данных, МГц

26,16

26,16

26,16

Линейная скорость считывания, м/с

3,49 (1x)

3,84

1-2,4x


Математика

Альянс компаний Hewlett-Packard, Mitsubishi Chemical/Verbatim, Philips, Ricoh, Sony и Yamaha  [2] нашел красивый маркетинговый ход, обозначив совместно разработанную технологию как DVD+RW, что заставляет пользователя воспринимать дефис в аббревиатурах других технологий не иначе, как «минус». «Плюс» должен был подчеркнуть основную идею: создать формат, отвечающий двум основным критериям - совместимость и слияние. Под первым имеется в виду как обратная совместимость привода с существующим парком носителей (что не было слишком сложной задачей, учитывая совместимость со старыми носителями приводов DVD-ROM), так и обратная совместимость парка компьютерных DVD-накопителей и DVD-видеоплейеров с носителем нового типа. Под вторым критерием скрывается идея обеспечить более тесное слияние потребительской электроники и компьютерных приложений, чтобы один и тот же носитель можно было использовать в тех и других устройствах, причем не просто смотреть кино на экране компьютерного монитора, а иметь возможность добавления субтитров, перезаписи или редактирования аудиосигнала, выполнения перевода, изменения меню и выполнять прочие действия без полной перезаписи и перемонтажа на радость видеопиратам  [3].

Если вопросы совместимости дисков и приводов уже более или менее обкатаны на технологии CD-RW, то оговоренное при разработке двойное предназначение - в качестве систем записи потокового аудио и видео в реальном времени и в качестве компьютерных устройств хранения данных с произвольным доступом - наложило явно противоречивые требования. С одной стороны, это огромные файлы, запись и чтение которых должны производиться в реальном времени без обрыва потока, с другой - множество мелких файлов со сложной структурой каталогов, а также требование обеспечения целостности данных. Но воплотить в жизнь и то, и другое разработчикам, кажется, удалось.

Три из вышеперечисленных компаний, поддерживающих формат DVD+RW (Hewlett-Packard, Philips и Ricoh) совместно представили на «Comdex Fall 2000» действующие прототипы устройств DVD+RW  [4]. Главный упор был сделан на подтверждение совместимости формата с существующими устройствами, для чего DVD+RW-диск был записан на персональном компьютере с помощью прототипа DVD+RW-привода, а затем воспроизведен на стандартном бытовом DVD-видеоплейере. Еще одна демонстрация включала запись DVD+RW-диска на прототипе бытового DVD+RW видеозаписывающего устройства с последующим воспроизведением на компьютерном приводе DVD-ROM и бытовом DVD-видеоплейере. Не демонстрировавшаяся, но обещаемая совместимость привода со старыми носителями включает диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD Video и CD Audio. Если альянс не столкнется с какими-либо непредвиденными трудностями при реализации технологии, то готовые устройства и сами диски следует ожидать на рынке летом-осенью 2001 года. Впрочем, мы-то с вами знаем, что радужным перспективам не всегда суждено сбываться быстро.

[i37622]


1 (обратно к тексту) - Спецификация пока не получила одобрения самой авторитетной организации в области DVD - DVD Forum - международного сообщества производителей устройств, носителей и программного обеспечения этого стандарта, однако разработчиков сей факт не слишком сильно беспокоит. По их заявлениям, решающим фактором будет мнение потребителей, и никакой специальной поддержки или одобрения стандарта не потребуется.
2 (обратно к тексту) - По последним данным, к альянсу присоединилась еще и компания Thomson Multimedia.
3 (обратно к тексту) - При том что существующая ныне система защиты содержимого DVD от копирования CSS (Сontent Scrambling System) уже взломана, новый стандарт не предлагает ничего взамен на уровне своих спецификаций, рассчитывая на появление новых методов, которыми будут дополнены спецификации DVD Video, DVD Audio и CD Audio.
4 (обратно к тексту) - Впрочем, это была не первая демонстрация технологии. Первый действующий прототип устройства, записывающего на носитель объемом 4,7 Гбайт, показала компания Ricoh на выставке «CeBIT» весной этого года, а позже, на «PC Expo 2000», демонстрировалась и совместимость записанного диска с DVD-ROM и бытовыми DVD-плейерами. Компания Philips также показала запись и чтение дисков DVD+RW на выставках «CES», «IFA» и «Cedia».

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).

Изобразительное искусство

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.

Информатика

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.

Домашнее задание

  • 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


5 (обратно к тексту) - Необходимость быстрого охлаждения лимитирует минимальную линейную скорость записи (примерно 10 Мбит/с), что создает дополнительные трудности на логическом уровне. При записи потоковой видеоинформации с переменным битрейтом указанная скорость зачастую превышает скорость потока данных, и в этом случае приходится прерывать процесс, однако об этом - чуть позже.
© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2022
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.