Прежде всего
хотелось бы сделать одно замечание. В
предлагаемой статье будут постоянно встречаться
и смешиваться термины "формат" и "стандарт",
но это не эклектика! Поэтому сразу хотелось бы
разъяснить их содержание. К формату относится
все связанное с геометрическим оформлением
носителя информации. В рассматриваемом случае
имеется в виду форма и размещение дорожек записи,
способ модуляции носителя и форма отдельных
информационных элементов (в рассматриваемых
случаях, конкретно, питов), размещение блоков
данных на носителе. Под стандартом понимают
полную совокупность стандартизуемых
электрических параметров записываемого сигнала.
Термины взаимосвязаны, во многом пересекаются, в
другом дополняют друг-друга. Отсюда вытекает
необходимость их параллельного использования. Почему
нужен новый стандарт?
Кто в 1982 г., когда фирма Philips показала первый компакт-диск, мог предполагать будущий феноменальный успех и стремительный рост рынка? Компакт-диски преобразовали музыкальную индустрию, они инициировали семейство новых областей использования, создав платформу, объединившую информационную технологию с потребительской электроникой. Признано, что такие диски - лучшие носители для звуковых и видеопрограмм, мультимедиа, компьютерных игр и даже фотографий, они идеальны при распространении программного обеспечения. Внушителен уже действующий в мире парк проигрывателей компакт-дисков - их более 500 млн.! Сказанное не означает, что диски как носители информации и проигрыватели не нуждаются в усовершенствовании.
Так, кинопромышленности нужны цифровые видеодиски для записи полнометражных лент с качеством не хуже, чем по стандарту CCIR-601, при этом речь идет как об обычных, так и широкоэкранных вариантах фильмов, звуковое сопровождение может быть аналоговым или оцифрованным. Обычным становится звуковое сопровождение на нескольких языках. Пока нет ни одной системы для ТВ проигрывания на базе оптических дисков, аналоговой или цифровой, линейной или интерактивной, которая могла бы удовлетворить перечисленным требованиям.
Сейчас идет процесс быстрого насыщения компьютеров средствами мультимедиа с видеоизображением, трехмерной анимацией и высококачественным звучанием. Для хранения и распределения такой информации необходим пятикратный запас по памяти. Можно сказать, что 90% современного использования CD-ROM нуждается в применении подобных сверхемких носителей. Значительно выросла потребность в новом и универсальном стандарте мультимедиа как для профессиональных, так и любительских целей.
Почему
лишь теперь?
Около 15 лет совершенствуются лазерные дисковые системы: подрос объем записи, скорость воспроизведения также выросла. Тем не менее выход на уровни современных требований стал возможен лишь недавно - после того, как в 1992 г. был осуществлен прорыв в микроэлектронике на новые технологии 0,35 мкм. Следствия этого прорыва многочисленны и здесь стоит присмотреться к тому, что он дал оптическим дисковым системам.
Наконец появились лазерные диоды, излучающие в видимой части спектра - 0,635 мкм, а не в инфракрасной - 0,78 мкм. Соответственно уменьшается шаг дорожек записи и линейные размеры одного пита, а значит при прочих равных условиях возрастает плотность. На подходе лазеры, излучающие в голубой части спектра, а это означает возможность, притом многократную, дальнейшего повышения плотности записи.
Заметно снижены размеры элементов на микросхемах стандартных размеров, а поэтому в каждом стандартном корпусе их больше. Возросла - и значительно - скорость обработки данных. В совокупности это означает доступность более мощных и эффективных средств кодирования, коррекций ошибок, канального кодирования. Новые технологии позволили реализовать алгоритмы глубокого сжатия данных так, что даже в домашнем видео появилась возможность применить стандарт сжатия MPEG-2.
После более, чем 10-летнего периода экспериментов, промышленность освоила рентабельное и относительно несложное производство оптических дисков и проигрывателей. В настоящее время оно постоянно обновляется: появляются новые технологии записи с более высокими параметрами по качеству при сниженной стоимости. Ряд работ был посвящен разработкам подобных технологий. Появилось много запатентованных методов, что указывает на необходимость оптимального стандарта мультимедиа следующего поколения.
Война
форматов
В начале 1995 г. компании Sony и Philips заявили о совместной разработке нового поколения цифровых видеодисков и разработке формата MultiMedia CD (MMCD). Toshiba приняла вызов и предложила свою версию формата и перспективного диска. Так началось драматическое противостояние компаний, которое в публикациях прошлого года было названо "войной форматов". К лету прошлого года, казалось, выявилось лидерство Toshiba. Важным преимуществом формата SD, разработанного этой фирмой, считался больший объем хранящейся на диске информации - 5 Гбайт и большее время проигрывания фильма - 142 мин при односторонней записи. По формату MMCD, соответственно, объем хранимой информации - 3,7 Гбайт, время проигрывания широкоэкранного фильма - 135 мин. Оба формата предполагали двухслойную запись, при которой приведенные параметры удваиваются.
Ситуацию обострило вмешательство в войну форматов компьютерной индустрии. Альянс, возглавляемый самыми мощными компьютерными фирмами, указал на существенный недостаток формата SD - двустороннее воспроизведение с двухслойного диска. Toshiba использовала в производстве двухслойных дисков технологию склеивания дисков половинной толщины, что позволило довести информационное поле диска до 10 Гбайт. Со своей стороны в формате MMCD была применена технология двухслойной записи при одностороннем считывании, которая была до конца отработана фирмой 3М и предполагала одностороннее считывание.
Требование одностороннего считывания для компьютерных фирм важно, поскольку это позволяет создавать малые по размеру дисководы для персональных компьютеров. Не менее важна и совместимость с перспективными лазерными проигрывателями. Toshiba не слишком долго сопротивлялась оказываемому давлению и согласилась на одностороннее считывание в формате SD. После этого интерес компьютерного Альянса к формату MMCD заметно поубавился.
Основным пунктом разногласий стала система модуляции или канального кодирования. Оба формата используют применяемый в обычных дисководах канальный код 8/14 или, что тоже самое, модуляционную систему EFM. На ее основе Philips и Sony предложили систему EFM plus, которая предусматривает введение двух дополнительных бит (код 8/16). Эти биты снижают вероятность ошибок при считывании. Система модуляции SD использует код 8/15, т.е. только один дополнительный бит - отсюда и приглянувшийся многим больший объем хранимой информации. Тем не менее, Philips и Sony к осени прошлого года нашли аргументы, позволившие изменить неудачно складывающуюся для них ситуацию. Они, в частности, указали, что система 8/15 более подвержена влиянию ошибок, особенно при записи - недостающий бит ограничивает способность лазерного луча точно отслеживать дорожку.
Однако компромисс был достигнут не сразу, поскольку многих настораживало, что системы EFM и EFM plus являются собственностью Sony. Члены альянса согласились предоставить этой фирме управление ситуацией на основе авторского права, но при условии что она и Philips не станут препятствовать внедрению новых форматов и стандартов, которые необходимы компьютерным фирмам, массовой электронике и кинопромышленности. Итак, после описанных баталий в середине сентября 1995 г. был принят компромиссный вариант, по которому дисковый носитель должен быть двухслойным, но считываться с одной стороны, как это и предусматривалось в MMCD.
По новому стандарту коррекция ошибок - проверенный в течении 20 лет код Рида-Соломона. Для канального кодирования избрана система модуляции EFM plus, а это далеко не формальный успех фирм Sony и Philips, поскольку дает важный механизм контроля за ситуацией на основе авторского права. Компромиссному формату присвоена аббревиатура MMSD - явное торжество дипломатических уступок!
В качестве эпилога к войне стандартов заметим: когда шли описанные разборки, несколько фирм объявило об успешной работе над многослойными дисками (до 10 и более слоев), что сулит огромные перспективы увеличения плотности записи информации.
Требования
к новому стандарту
Война форматов отодвинула ранее намеченные сроки реализации систем на базе высокоплотных дисков. Она завершилась вполне цивилизованными переговорами и мирными соглашениями при некотором перевесе соневско-филипсовской линии. Теперь представляется полезным дать систематическое изложение тех требований, исходя из которых новые форматы разрабатывались.
Формулируя новые требования стандарта
к цифровому видеодиску (DVD) c позиций бытового
использования члены Motion Picture Studio Advisory Committee
согласились в следующем:
• запись полнометражного кинофильма
должна осуществляться на одном диске;
• качество записи должно быть выше, чем в
любом из существующих форматов;
• важна совместимость систем
воспроизведения звука с существующими системами
объемного звучания, а также с цифровыми
звуковыми системами;
• звуковое сопровождение следует
рассчитывать на 3 - 5 дублирующих языков на одном
диске, субтитры - на 4-6 языков;
• следует обеспечить совместимость с
разными форматами экрана;
• надо предусмотреть введение пароля и
защиту от копирования.
Свои требования к новому стандарту
выдвинули и те, кто занимается мультимедиа на
основе персональных компьютеров. Новый стандарт
должен выполнять требования членов технических
рабочих групп основных компаний, занимающихся
производством таких компьютеров. Коротко их
требования можно свести к следующему:
• должен быть единый стандарт для
компьютеров, при этом совместимый с устройствами
считывания информации с существующих
компакт-дисков;
• следует добиваться совместимости с
перспективными дисками типа WORM и CD-R;
• необходима единая организация файлов
для информационного содержания и операционных
сред;
Естественно, не обошлось без
реверансов в сторону массового рынка. Вот они:
• новый формат может быть эффективен
только при относительно низкой стоимости в
сравнении с обычными дисководами для CD-ROM и
самими дисками;
• не следует требовать дополнительного
обучения пользователей;
• необходимо надежное хранение и
воспроизведение данных;
• как перспектива - широкие возможности
последовательного расширения емкости записи;
• обязательны высокие характеристики при
линейном и интерактивном режимах работы.
Желательным требованием объявлено, что стандартизация должна быть достигнута на той же 4-х скоростной базе, которая уже использована в компакт-дисках. Стандарт, естественно, должен быть открыт для возможного совершенствования, впрочем как и будущая технология. Но здесь недопустим компромисс между надежностью, длительностью записи и рентабельностью процессов изготовления продукции.
Не обошлось и без разговоров на тему защиты долговременных интересов и капиталовложений как изготовителей, так и потребителей. В частности все заинтересованные стороны убеждены, что следует обеспечить легкость и рентабельность выпуска проигрывателей, которые, в принципе, должны работать не только с новыми дисками, но и быть совместимы с обычными, к которым относятся и звуковые компакт-диски, и CD-ROM, и CD-i, и Video CD, и Photo CD.
Не оставлены без внимания, конечно же, рыночные проблемы. Решающим названо время выпуска новых дисков на рынок - оно должно быть минимальным. Обсуждались вопросы новых инвестиций и возможные последствия роста цен. Здесь важно максимально полно использовать опыт и технологические наработки уже налаженного производства дисков и проигрывателей. При этом надо учесть, что многие из них вышли на рынок совсем недавно и впитали в себя лучшее из предшествующих наработок. Поэтому следует свести число изменений в новых конструкциях к минимуму и тем удешевить будущее производство аппаратуры и дисков новых стандартов.
Таковы требования, часть которых очевидна, другая, напротив, может быть решена только изощренным умом инженеров и конструкторов. Впрочем лидеры убеждены, что реализация таких требований им по силам. Надо сказать, что в уже показанных опытных образцах соперничающие стороны равно продемонстрировали способность максимально полно реализовать названные требования.
Оптимизированное
решение
Формат и стандарт MMSD равно как и его источники и составные части: MMCD и SD, решают все перечисленные требования почти полно. Максимально повышена емкость одностороннего диска и достигнуто это при минимальном изменении его стоимости. Основные усилия были направлены на разработку новых способов кодирования, благодаря чему удалось удержать на приемлемом уровне стоимость и сложность продукции. Технологии производства дисков и проигрывателей новых формата и стандарта приближены к существующей инфраструктуре производства - тем самым заметно снижены потенциальные расходы покупателей новой продукции. К сказанному надо добавить, что совместимость с обычными компакт-дисками полностью обеспечена, компрессия сигналов используется с максимальной эффективностью. Новые технологии являются удачным компромиссом надежности и взаимозаменяемости.
Основные
параметры
Емкость записи данных и скорость считывания примерно в 10 раз выше достигнутых на CD-ROM. Все диски будут односторонними. Предусмотрено два типа дисков с одним и двумя слоями, а также два размера с диаметрами 120 и 80 мм. 120-мм двухслойный диск может вместить до 7,4 Гбайт полезной информации. Такой емкости достаточно для воспроизведения 270 мин непрерывной видеозаписи со студийным качеством. При этом предусматривается параллельное, конечно многоязыковое, звуковое сопровождение и, если необходимы, - субтитры. Формат совместим с системами телевидения повышенного и высокого качества и интерактивного видео, а также может применяться для записи до 7,4 Гбайт программ мультимедиа с односторонним считыванием!
Вернемся к 120-мм однослойному диску. Его информационное поле записи составляет 3,7 Гбайт. Этого достаточно, чтобы при использовании стандарта сжатия MPEG-2 записать и воспроизвести 135-минутный широкоэкранный (формат 16:9) кинофильм со студийным качеством, стереозвуковым и титровым сопровождением. Таким образом, уже однослойный диск выполняет требования кинопромышленности.
В профессиональных видеостудиях, особенно там, где применяются дисковые накопители видеоинформации, хорошо зарекомендовал себя стандарт сжатия MPEG-2. Его особенности - высокая глубина компрессии и варьируемые скорости передачи данных в зависимости от их содержания, что позволяет дополнительно экономить достаточно дорогую поверхность носителя. Алгоритмы стандарта могут быть реализованы с помощью очень мощных систем обработки данных, опирающихся на весьма обширную оперативную память. Собственно, глубина сжатия прямо зависит от объема памяти, а эффективность - от скорости обработки. Именно новые технологии микроэлектроники позволили выйти на алгоритмы уровня MPEG-2.
Надо сказать, что алгоритмы кодирования стандарта MPEG-2 сейчас обновляются практически ежедневно - и это хорошо, поскольку ведет к освоению все более мощных и эффективных механизмов компрессии. При этом в профессиональной аппаратуре для отслеживания новинок понадобиться или приобретение соответствующего программного обеспечения, часто предоставляемого пользователям бесплатно или с заметными скидками. Более серьезные новшества могут потребовать приобретения плат расширения. Впрочем, это нормальная практика, которая, однако, не может распространяться на массового потребителя. Выход из этого противоречия в стандартизации только способа декодирования при воспроизведении и открытой для новшеств системе кодирования при записи. Такой подход прямо ведет к перманентному росту длительности воспроизведения при прочих равных условиях, он то и принят в стандарте MMSD.
Основной технологией изготовления двухслойных дисков станет та, что разработана фирмой 3М. Значительной перестройки производственных процессов не потребуется, так как производство можно организовать на имеющихся линиях. Будут введены несколько дополнительных операций (конкретно 3 основные + 3 дополнительные) при минимуме дополнительных капиталовложений (в среднем при 10-кратном повышении емкости диска его стоимость возрастет на 20-30%, а при 5-кратном - цена не изменится).
Эта технология распадается на следующие 5 процессов. С помощью матрицы-мастера на прозрачной поликарбонатной подложке формируется оттиск первого информационного слоя. На следующем этапе поверх оттиска информационного наносится полупрозрачный слой. Этот слой затем покрывают жидкой, резиноподобной субстанцией, способной к полимеризации под воздействием ультрафиолетового облучения. При одновременном воздействии ультрафиолетового облучения и матрицы-мастера формируется второй информационный слой. Полимер с оттиском информационного слоя - прозрачная среда. На этот оттиск наносится зеркально отражающее покрытие, а затем - защитный слой, для чего повторяется процесс полимеризации по действием ультрафиолета, использованный уже при формировании второго информационного слоя. Надо сказать, что процессы изготовления оттиска первого информационного слоя, нанесение зеркального и защитного повторяют те, что применяются при производстве обычных компакт дисков.
Двухслойный диск - сложная пятислойная структура, при изготовлении которой необходимо выдержать субмикронные точностные характеристики. Так, толщина информационных слоев 0,05 мкм, защитного 10 мкм, а промежуточного полимерного 40 мкм. Относительно большая толщина промежуточного слоя не случайна и обеспечивает достаточный запас для перефокусировки считывающего лазера с одного информационного слоя на другой. Информация считывается через прозрачную поликарбонатную основу.
Как и предусматривалось основными требованиями новый диск сохраняет внешние геометрически размеры предшественника - компакт-диска, а именно толщину, диаметры внешний и центрального отверстия. По-прежнему обратная сторона будет нести этикетку. Допуски на изготовление нового диска примерно в 2 раза жестче, что вполне выполнимо на существующих производственных линиях. Следует заметить, что рассмотренная технология изготовления дисков применима как к дискам толщиной 1,2 мм, так и 0,6 мм.
В лазерных оптических системах диаметр сфокусированного светового пятна прямо пропорционален длине волны света и обратно - относительному размеру апертуры фокусирующих линз. Переход от инфракрасных полупроводниковых лазеров к красным с длиной волны 0,635 мкм и относительной апертуре 0,52 означает двукратное снижения размеров светового пятна. Это ведет к ужесточению соответствующих требований к точности изготовления дисков. Современные технологии производства позволяют выдержать такие точностные характеристики. В итоге снижаются радиальные расстояния между соседними дорожками и длина пита в тангенциальном направлении. Реальная физическая плотность записи возрастает в 3,5 раза. Ожидаемый переход к голубым лазерам сулит еще больший выигрыш по плотности.
Номинальная скорость считывания по формату MMSD повышается с 1,2 до 4 м/с.
Диск Dual-Layer (двухслойный) диаметром 120 мм фирмой 3М впервые показан на выставке COMDEX’94 в Лас-Вегасе, его емкость 7,4 Гбайт. В соответствии с запатентованной технологией полупрозрачный слой этого диска имеет коэффициент отражения, лежащий в интервале 20-40%. Второй информационный, как видно из приведенного выше описания, наносится в соответствии с известным фотопроцессом 2Р (Photo Polymerization- фотополимеризация). Этот процесс в начале 80-х гг. был освоен производством лазерных дисков. Он же используется в полиграфии для изготовления фотополимерных печатных форм.
Переключение с одного слоя на другой в двухслойном диске не вызывает особых проблем: привод фокальных плоскостей работает так же, как в обычном аппарате. При этом к функции плавного отслеживания поверхности информационного слоя, перемещающегося за счет вертикальных биений вращающегося диска, и соответствующего изменения положения фокальной плоскости объектива считывающей оптической головки добавляется функция шагового переключения с поверхности одного информационного слоя на другой.
Все говорит о том, что формат и стандарт на лазерные системы с компакт дисками высокой плотности наконец выбран. Заявленные ранее сроки демонстрации первых образцов проигрывателей и дисководов не выдержаны из-за баталий. Судя по всему, к моменту выхода этой статьи специалисты, вероятнее всего на NAB, познакомятся с ними и оценят новшество. Однако, это не означает, что в проблеме уже поставлена точка.
