В предлагаемой статье мы хотели бы дать обзор новых профессиональных видеодисковых систем, предварив его кратким описанием системы как таковой.

Эффект граммофона

О дисковом воспроизведении видеоинформации поговаривали давно. Помните, в старинных русских народных... хрониках сказывается: "Катись, катись, яблочко, по золотому блюдечку, покажи...". Впрочем, это присказка. Всерьез инженеры взялись за разработку того, что сейчас называют видеодисками, сразу же после утверждения граммофона на рынке звуковоспроизведения. Однако переход от звука к видео оказался очень и очень не простым - ведь информационный поток возрастает раз в триста, соответственно, если не в квадрате, растут технические трудности реализации. Скептики, естественно, объявили задачу нерешаемой и отказывали в финансировании готовым рискнуть. Последние, не теряя надежд трудились не одно десятилетие, пока специалисты фирмы Philips первыми не доказали, что нет предела изобретательности, и к 1980-му году предъявили рынку первую видеодисковую систему. К успеху их вела надежда, что оптические видеодисковые проигрыватели быстро вытеснят из бытовой техники видеомагнитфоны. Увы, скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. Из-за относительно высокой цены проигрывателей и, пожалуй главное, высокой стоимости самих видеодисков (при том с несменяемой записью) в быту видеодиски получили ограниченное применение. Однако, будет справедливым подчеркнуть, что с таким козырем, как высокое качество изображения, заметно лучшее, чем в видеомагнитофонах VHS, они все же прочно утвердились на этом рынке.

Сразу же и очень активно за диски ухватились профессионалы - и тому была серьезная причина, которую мы рискуем окрестить как "эффект граммофона", внося свой вклад в святое дело засорения терминологии. Проведем мысленный (его не сложно осуществить и реально) эксперимент. Пусть мы хотим воспроизвести долгоиграющую пластинку, но не в том порядке, как на ней записаны песни. Составляем свою программу (чем не монтажный лист!) и садимся к проигрывателю. Перенося адаптер в нужные моменты (это едва ли отнимет больше времени, чем игле понадобится для пересечения разделяющего соседние фрагменты промежутка) мы легко обеспечим желаемую последовательность воспроизведения. Добившись успеха на граммофоне, попробуем то же на магнитофоне. Различие между грампластинкой и магнитной лентой, которое можно легко понять из предложенного эксперимента, относится к особо ценимым профессионалами преимуществам дисковой видеозаписи. Оно настолько ценно при решении проблем, например монтажа, что некоторые фирмы идут на создание систем на основе винчестеров - магнитных накопителей информации, систем сложных, дорогостоящих по сравнению с оптическими. А что делать? Нелинейный монтаж становится все более популярным.

Монтаж, архивы - в телевидении у оптических видеодисков потенциально много специальностей, где они способны обеспечить лучшие решения. Вот почему, несмотря на серьезные трудности (о них мы поговорим позже) в реализации, не прекращаются попытки преодоления препятствий на пути дисков в профессиональное телевидение.

Что такое хорошо и что такое плохо?

И запись оригинала, и тиражирование, и воспроизведение грамзаписей - процесс чисто механический. Он в принципе не мог обеспечить трехсоткратное увеличение потока обрабатываемой информации, необходимое для перехода к видео, поэтому потребовались более тонкие оптические средства. А они стали доступны лишь после утверждения лазерных технологий, которые и позволили достичь тех параметров, какие потребовались для оптической записи и воспроизведения видеосигналов на дисках. Уже первые оптические видеодиски отличались довольно высокими параметрами: вертикальное разрешение 420 - 450 строк, отношение сигнал/шум 45 дБ по видео и 60 дБ по звуку, полоса частот звука 50 - 20000 кГц. Не случайно параметры первых видеодисков, названных Laser Vision, после небольших уточнений были стандартизованы Международной электротехнической комиссией (IEC).

Видеосигнал на дисках записывается вдоль спиральных или круговых дорожек. Применение лазеров позволяет фокусировать записывающий или считывающий световой луч в пятно диаметром около или даже менее микрона. При этом, если по продольному разрешению магнитная и оптическая запись сопоставимы, то по поперечному у оптической преимущества в 20 - 50 раз. Так, стандартный шаг дорожек на видеодиске 1,67 мкм. Сигнал записывается в виде отдельных меток, называемых питами (pit). В зависимости от способа записи и материала питом может быть углубление или вздутие, участок с измененным коэффициентом отражения. Таким образом, сигналы дискретизованы и представлены принципиально двухуровневыми элементами - для цифровой записи это весьма удобно. При аналоговой записи пропорционально уровню сигнала изменяется длина пита. Такой способ модуляции в радиотехнике называется широтно-импульсным. Сигнал считывается оптичесой головкой, которая размещается на расстоянии 1-3 мм от поверхности диска, т.е. считывание бесконтактное, что полностью исключает механические повреждения поверхности и износ головки. Это еще одно преимущество оптической записи.
 

1 - прозрачные основы;
2 - рабочие слои;
3 - лазерный луч;
4 - профилированные дорожки;
5 - фокусирующий объектив.

Серьезным недостатком оптической записи следует считать довольно высокие уровни мощности светового луча, потребные при записи в реальном времени. Да, современные лазеры способны резать металлические плиты, но это громоздкие установки с водяным охлаждением. К тому же модуляция излучения сверхмощных лазеров - проблема все еще не решенная. Для студийных установок нужно что-нибудь попроще, а это означает относительно малые мощности излучения и, в конечном итоге, проблемы с выбором достаточно чувствительных к излучению материалов. Другая проблема - обратимость процессов записи-считывания или реверсивность циклов запись-считывание. Во многих случаях профессионального применения реверсивность является обязательной. Надо сказать, что несмотря на все усилия разработчиков (а здесь потрудились и те, кто в первую очередь ориентируется на компьютерную технику - потенциально огромнейший и крайне заинтересованный заказчик лазерных дисковых накопителей информации) удовлетворительного во всех отношениях решения эти проблемы не получили - будем надеяться пока! Все это, правда, несколько ограничивает интерес к оптическим видеодискам, но не отменяет полностью.

Кое-что о конструкции

В телевизионном производстве применяются, как правило, только те диски, которые допускают запись сигнала в реальном времени. При этом следует различать диски для однократной записи (WORM - write once, read many) и реверсивные. Запись осуществляется сфокусированным лазерным лучом. При однократной записи локальный разогрев сопровождается необратимым изменением рабочего слоя. Чаще всего он прожигается - отсюда и английское название записанной метки - pit, т.е. яма. Наилучшей является трехслойная структура рабочего слоя: на основу наносится отражающий слой, на который напыляется прозрачный диэлектрик, толщиной в четверть длины волны света и, наконец, тонкий полупрозрачный слой легкоплавкого металла. Последнее условие очевидно - важно разрушить верхний слой при минимальном по возможности его нагреве. При однослойном покрытии основы легкоплавким металлом используется около 40% мощности светового луча, в трехслойной структуре за счет интерференции - до 90 %. В качестве светочувствительного материала обычно используется теллур или его сплавы: теллур-селен, теллур-углерод, теллур-селен-свинец. Мощность лазерного излучения при использовании названных материалах составляет 2 - 10 мВт, что достаточно много.

Для однократной записи иногда используется процесс, при котором разрушается вплоть до испарения промежуточный диэлектрический слой трехслойной структуры, в результате чего формируется пузырек, более интенсивно отражающий свет, чем недеформированные участки, где сохраняется за счет интерференции условие минимума отражения. Еще один используемый прием - разрушение при плавлении мелкотекстурированной поверхности, при этом сглаженные при растекании расплава участки приобретают более высокий коэффициент отражения.

В реверсивных дисках обычно применяется термомагнитный эффект и соответствующие материалы. Термомагнитный эффект заключается в резком (в тысячи раз) росте магнитной восприимчивости вблизи, но ниже определенной температуры среды, называемой температурой Кюри. При нагреве выше точки Кюри магнитные свойства исчезают. Очевидно, что для магнитооптических реверсивных дисков следует подбирать материалы с низкой температурой Кюри. Это аморфные сплавы одного или двух элементов металлов редкоземельной группы (например, тербий, диспрозий или гадолиний) с металлом переходной группы (железо, кобальт). Толщина аморфной пленки 0,02 - 0,1 мкм.
 

1 - рабочие слои;
2 - вводная дорожка;
3 - выводная дорожка;
4 - секторы;
5 - радиальный шаг дорожки.

1 - отражающая металлическая пленка;
2 - прозрачный диэлектрик;
3 - полупрозрачная металлическая пленка;
4 - отражение света от необлученного участка (интерференционное гашение);
5 - отражение света от облученного участка (высокий коэффициент отражения);
6 - основа носителя.

Один из возможных процессов магнитооптической записи сводится к следующему. В исходном состоянии пленка магнитооптического материала намагничивается до насыщения. Лазерный луч, модулированный по интенсивности записываемым сигналом, фокусируется на поверхность пленки, разогревая ее. В зоне нагрева коэрцитивная сила резко снижается, поэтому создаваемое соленоидом слабое магнитное поле оказывается достаточным для перемагничивания. Так последовательность коротких лазерных импульсов позволяет записывать пит за питом. В настоящее время используются также процессы записи, при которых световой луч немодулирован и нужен только для локального разогрева рабочего слоя до температуры Кюри. Сигналограмма же записывается с помощью магнитной головки. Поскольку у точки Кюри коэрцитивная сила мала, достаточно слабого магнитного поля. Более того, зона нагрева определяется световым пятном, поэтому поле магнитной головки может быть рассеянным, а значит нет необходимости в контакте магнитная головка - рабочий слой.

Визуализация информации, зашифрованной в намагниченности рабочего слоя, осуществляется с помощью еще одного эффекта - Керра. Это эффект поворота вектора поляризации света при отражении от поверхности намагниченного материала. Угол поворота вектора поляризации зависит как от уровня, так и от направления вектора намагниченности и регистрируется с помощью оптического прибора, называемого поляризатором. Поляризатор преобразует поворот в соответствующее изменение интенсивности отраженного луча. Углы поворота поляризации малы: всего 0,5 - 2 градуса, а интенсивность при этом меняется пропорционально квадрату угла, деленного на 360. Таким образом, возникает сложная проблема регистрации очень малых изменений интенсивности света. В принципе проблема решаемая, однако простой ее не назовешь.

Магнитооптические материалы - в настоящее время основные, используемые в реверсивных дисках. Еще одно направление, от которого много ждут, но пока без особой взаимности - применение сред с фазовыми переходами типа "аморфный - кристаллический". Вблизи точки плавления многие кристалличесие среды переходят в аморфную фазу. Такой переход сопровождается заметным изменением коэффициента отражения. Реверсивные носители с фазовым переходом приятно отличает высокая контрастность при визуализации. Но благостное существенно омрачает ограниченный ресурс циклов запись-стирание. Нагревы до температуры близкой к плавлению не проходят бесследно: в материале накапливается усталость. Подбор материалов и их состава для записи с фазовыми переходами сходен с алхимией и известным эффектом качелей: тащишь ноги - вязнет голова. Так, приближение температуры плавления к оптимальной ведет к снижению ресурса реверсивности, напротив позаботившиеся о ресурсе страдают от необходимости повышать мощность записывающего луча. Разумного компромисса здесь пока найти не удалось, поэтому поиск продолжается.

В сравнении с проблемой выбора светочувствительного материала остальные инженерные задачи, связанные с оптическими видеодисками скорее надо определить как задачки. Однако определенной порции внимания требуют и они. Автотрекинг - одна из таких задачек. Дорожку с сигналограммой шириной немногим более микрона трудно найти, зато легко потерять. К счастью оптические устройства позиционирования луча, работающие с точностью не хуже десятых микрона в настоящее время не проблема! Применяется несколько способов радиального слежения за дорожкой, обеспечивающего информацию, необходимую для жесткого удержания считывающего светового пятна на дорожке. Наиболее надежным и точным, а также наиболее распространенным, по крайней мере в системах профессионального назначения, способ трех лучей. По этому способу кроме считывающего используется еще два световых пятна - одно из них размещается перед считывающим на расстоянии, равном длине пита, другое - отстает на то же расстояние. Лидирующее и отстающее пятна, кроме того, смещены с оси дорожки на половину ширины пита - одно влево, другое вправо. При следовании точно вдоль дорожки сигналы от дополнительных лучей равны по амплитуде, при смещении считывающего пятна с оси - их амплитуды различны. Разность сигналов и ее знак содержат полную информацию о смещении.

Задачу автотрекинга и поиска нужного фрагмента существенно облегчает предварительное форматирование оптического диска - для этого основу до напыления рабочих слоев профилируют, т.е. наносят тонкие бороздки, которые после записи будут выполнять роль защитных промежутков, а для системы слежения - хорошо видимых ориентиров.

Самым простым способом компенсации смещений считывающего луча, причиной которого могут стать радиальные биения достаточно быстро вращающегося диска, является соответствующее смещение всей оптической головки. Хотя нам не устают повторять, что самое простое и есть наилучшее, в действительности быстрые перемещения относительно массивного тела оптической головки могут оказаться недостаточно точными и потребовать мощных силовых элементов. Более изящное решение связано с применением перемещаемого электродинамическим механизмом фокусирующего объектива или гальванометрического зеркала. Иногда для поворота компенсирующего зеркала используют пьезоэлектрическую пластину.

Биения вращающегося диска приводят также к нарушению точной фокусировки, а в итоге к увеличению размера записывающего или считывающего пятна до недопустимых размеров. Избежать этой неприятности позволяет система автофокусировки, подобная используемым в фотоаппаратах.

В качестве источников излучения используются газовые и полупроводниковые лазеры. Фотоприемник в видеодисковой системе выполняет три функции: помимо основной - детектирование сигнала, он должен выделять информацию систем слежения за дорожкой и фокусом. Поэтому фотоприемники такой системы - многосекционные. Источник излучения, фотоприемник, исполнительные элементы систем слежения за дорожкой и фокусом образуют оптическую головку.

Существуют два варианта размещения информации на видеодисках, от которых зависит скорость вращения диска и такой существенный параметр, как объем информации. Первый связан с использованием постоянной угловой скорости вращения диска. Для телевидения этот вариант особенно удобен, поскольку на одной окружности размещается полный кадр. Таким образом номер кадра и номер круговой дорожки совпадают. В этом режиме достигается наиболее легкий и быстрый поиск нужного фрагмента, возможны и специальные режимы воспроизведения, например стоп-кадр. Скорость вращения диска зависит от используемого стандарта телевизионного разложения. В стандарте 625/50 она составляет 1500 оборотов в минуту, в стандарте 525/60 - 1800. Рабочая зона на видеодисках системы Laser Vision ограничена диаметрами 110 и 290 мм.

За удовольствие надо платить - эта расхожая истина как нельзя лучше приложима к режиму записи-воспроизведения с постоянной угловой скоростью - и плата весьма существенна: почти двойное уменьшение объема видеоинформации. Дело в том, что с ростом радиуса дорожки при постоянной угловой скорости размеры пита пропорционально возрастают, соответственно падает плотность записи. Поэтому там, где существенен именно объем видеоинформации используют режим с постоянной линейной скоростью. В этом случае размеры питов сохраняются на всех участках рабочей зоны, поэтому максимальной остается и плотность записи. Однако, телевизионный кадр занимает полную окружность только на самой нижней дорожке, на всех остальных - только часть ее. Угловая скорость вращения диска в этом случае переменная и падает с ростом диаметра круговой дорожки. В связи с этим усложняется конструкция приводов, сложнее поиск требуемых фрагментов, воспроизведение стоп-кадра возможно лишь через кадровый накопитель. Такова плата за максимальную плотность.

В настоящее время предлагаются видеодисковые системы с обоими режимами - выбор за потребителем.

Как уже отмечалось, питы идеально приспособлены для передачи цифрового сигнала, поэтому принципиальных возражений против цифровых видеодисков по сути нет. Однако есть естественные трудности, связанные с ограничением цифрового потока, который можно пропустить через оптический видеодиск: этот поток не превышает 2 Мбит/с и напрямую зависит от скорости вращения диска. Прямо скажем: поток невелик в сравнении со стандартным для цифрового телевидения 216 Мбит/с. Поэтому цифровые видеодиски используют процессы сжатия информации.