Как работают CD и DVD плееры?

1. Что такое компакт-диск?
2. Как компакт-диски используют оптическую лазерную технологию
3. Как записываются и воспроизводятся компакт-диски
4. Записываемые CD и DVD
5. Как работает записываемый CD (CD-R)?
6. Как работает перезаписываемый CD (CD-RW)?
7. Другие типы компакт-дисков
8. Подробнее об этих нулях и единицах
9. Кто изобрел компакт-диски?
10. Как работает Blu-ray ™?
11. Почему Blu-ray может хранить больше информации
12. Становится ли Blu-ray более популярным?

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 1 июня 2018 г.

Удивительно, когда вы думаете об этом: вы можете хранить фильм продолжительностью несколько часов на блестящем куске пластика размером не больше вашей руки! Хотя компакт-диски (CD) существуют уже более 30 лет, они по-прежнему являются одним из самых популярных способов хранения музыки и компьютер данные. В середине 1990-х компакт-диски превратились в цифровые видео / универсальные диски (DVD) , которые выглядят и работают аналогичным образом, но могут хранить в семь раз больше. И теперь у нас есть Blu-ray ™, который может хранить в шесть раз больше, чем DVD, или примерно в 40 раз больше, чем CD! Задумывались ли вы, как на самом деле работают компакт-диски, DVD-диски и Blu-Ray? Давайте внимательнее посмотрим!

Примечание. В этой статье мы поговорим о компакт-дисках. Но почти все, что касается компакт-дисков, также относится и к дискам DVD и Blu-ray.

Что такое компакт-диск?

Компакт-диск представляет собой тонкий круглый диск металл а также пластик около 12 см (чуть более 4,5 дюймов) в диаметре. Это на самом деле состоит из трех слоев. Большая часть компакт-диска сделана из жесткого, хрупкого пластика, называемого поликарбонатом . Посередине зажат тонкий слой алюминий , Наконец, поверх алюминия находится защитный слой пластика и лака . Первое, что вы заметите на компакт-диске, это то, что он блестящий с одной стороны и тусклый с другой. У скучной стороны обычно есть этикетка, говорящая вам, что находится на компакт-диске; блестящая сторона является важной частью. Это блестящий, так что лазер Луч может отскочить от диска и прочитать информацию, хранящуюся на нем.

Фото: небольшой портативный проигрыватель компакт-дисков производства Technics. Подобные гаджеты в настоящее время в значительной степени вытеснены MP3-плеерами, такими как iPod, которые намного меньше и легче и упаковывают больше музыки в то же пространство, сжимая его в цифровом виде. Подробнее об этом читайте в нашей основной статье на Mp3-плееры ,

Как компакт-диски используют оптическую лазерную технологию

До изобретения компакт-дисков музыка обычно хранилась на виниловых (пластиковых) LP (долгоиграющих) записях и кассетах. Пластинки легко поцарапаны, в то время как ленты могут растягиваться и искажаться, а иногда и полностью защелкиваются. Оба этих способа хранения музыки были примитивными по сравнению с компакт-дисками. ЛП игрались на поворотных столах с движущейся рукой, которая отскакивала от паза в пластике, читая музыку по ходу дела. Проигрыватели (или граммофоны, как они иногда назывались) использовали механическую технологию для записи и воспроизведения звук : движущаяся рука превратила удары в пластике в звуки, которые вы могли слышать. Кассеты (используемые в таких вещах, как оригинальные Sony Walkmans) работали по-другому. Они сохраняли звуки, используя магнитные технология. Когда вы кладете кассету в Walkman, маленький электрический двигатель протащил ленту мимо маленького электромагнита. Электромагнит обнаружил картину магнетизма на ленте и электронный Схема изменила это обратно в звуки, которые шипели и трещали в вашем наушники ,

Фото: отличная музыка, гнилой CD! Компакт-диски были объявлены практически неразрушимыми, но некоторые ранние стали жертвами проблемы, которая называется гниль диска : они постепенно становятся коричневыми и кусочки отражающей поверхности исчезают, что в конечном итоге делает их неиграбельными.

С изобретением компакт-дисков у людей наконец появился более надежный способ собирать музыку. CD-проигрыватели не являются ни механическими, ни магнитными, но оптическими: они используют мигающие лазерные лучи для записи и считывания информации с блестящих металлических дисков. Одной из основных проблем с LP и кассетами был физический контакт между проигрывателем и записываемой записью или кассетой, который постепенно изнашивался. В проигрывателе компакт-дисков единственное, что касается компакт-диска, это луч свет Лазерный луч отскакивает от поверхности диска, поэтому сам диск (теоретически) никогда не должен изнашиваться. Другое преимущество заключается в том, что проигрыватель компакт-дисков может быстро перемещать свой лазер в любую часть диска, поэтому вы можете мгновенно переключаться с дорожки на дорожку или с одной части фильма на другую.

Как записываются и воспроизводятся компакт-диски

Примечание. В нижеследующих пояснениях я намеренно собираюсь упростить, как компакт-диски хранят музыку в виде шаблонов из нулей и единиц. Это гораздо сложнее, чем я собираюсь представить, и выходит за рамки вводной статьи, подобной этой, но я кратко опишу, что на самом деле происходит в самом конце.

LP записывает музыку в виде ударов по поверхности пластика, в то время как кассеты хранят ее, используя образцы магнетизма. Они называются аналоговый технологии, потому что звук хранится в виде непрерывно изменяющегося шаблона (ударов в пластике записи или колебаний в магнетизме на кассете). На компакт-диске музыка (или другая информация) хранится в цифровом виде (в виде длинной строки цифр). После того как музыка записана, она преобразуется в числа с помощью процесса, называемого сэмплированием . Почти 50 000 раз в секунду (точнее, 44 100) часть электронного оборудования измеряет звук, превращает измерение в число и сохраняет его в двоичном формате (в виде последовательности нулей и единиц). Процесс сэмплирования превращает трек на компакт-диске длительностью в несколько минут в последовательность миллионов нулей и единиц. Это информация, хранящаяся на вашем CD. Другими словами, на компакт-диске нет музыки - просто огромный длинный список номеров.

Иллюстрация: Обычный компакт-диск представляет собой сэндвич из пластика (в котором неровности были нажаты мастер-диском), отражающий алюминий и защитный поликарбонатный пластик.

Компакт-диски сделаны из оригинального "мастер" диска. Мастер «прожигается» лазерным лучом, который гравирует неровности (называемые ямы ) на его поверхности. Удар означает ноль, поэтому каждый раз, когда лазер прожигает удар по диску, там сохраняется ноль. Отсутствие выпуклости (которая представляет собой плоскую несгоревшую область на диске, называемую землей ) представляет номер один. Таким образом, лазер может хранить всю информацию, взятую из оригинального музыкального трека, сжигая некоторые области (чтобы представлять нули) и оставляя другие области несгоревшими (чтобы представлять те). Хотя вы этого не видите, диск хранит эту информацию в непрерывной непрерывной спирали, состоящей из 3-5 миллиардов ямок. Если бы вы могли развернуть спираль и положить ее по прямой линии, она растянулась бы примерно на 6 км (примерно 3,5 мили)! Каждая яма занимает площадь около двух миллионов от одной миллионной квадратного метра. Это довольно крошечный!

После создания мастер-диска он используется для штамповки миллионов пластиковых дубликатов - компакт-дисков, которые вы покупаете и кладете в свой музыкальный проигрыватель или компьютер. После того, как каждый диск нажат, он покрыт тонким алюминий слой (чтобы он отражал лазерный свет), покрытый защитным поликарбонатом и лаком, а этикетка напечатана сверху.

Записываемые CD и DVD

Когда компакт-диски впервые стали популярными в 1980-х годах, они продавались исключительно как аудио компакт-диски только для чтения (CD-DA, с которых можно воспроизводить музыку, но не записывать на нее). Вскоре компьютерные компании поняли, что могут использовать компакт-диски для очень дешевого распространения программного обеспечения (программ), и обычные пользователи компьютеров вскоре поняли, что компакт-диски будут еще лучше, если вы сможете записывать на них музыку и данные, а также просто читать с них. , Вот так и появились записываемые компакт-диски (CD-R), но загвоздка заключалась в том, что их можно было записать только один раз; Вы не могли стереть и использовать их снова. Вскоре, однако, компьютерные вундеркинды разработали перезаписываемые компакт-диски (CD-RW), которые можно стирать и перезаписывать любое количество раз.

Фото: устройство записи / перезаписи CD / DVD имеет гораздо более совершенную лазерную головку для чтения / записи, чем обычный проигрыватель CD / DVD. В зависимости от типа проигрывателя, головка для чтения / записи должна быть способна читать обычные CD и DVD, записываемые и перезаписываемые диски, поэтому она действительно должна быть способна выполнять несколько совершенно разных операций чтения и записи.

Как работает записываемый CD (CD-R)?

Теоретически, если вы хотите делать обычные компакт-диски у себя дома, вам нужно установить огромную и дорогую машину для компакт-дисков. К счастью, вам не нужно этого делать - и это потому, что записываемые компакт-диски (CD-R) работают совершенно по-другому. На этот раз на пластиках нет ям и участков. Вместо этого между защитным поликарбонатом и отражающим алюминием находится слой красителя . Как правило, краситель является полупрозрачным: лазерное излучение, приближающееся к диску от проигрывателя компакт-дисков, проходит через него, ударяется о светоотражающий алюминий и снова отражается вниз.

Пока все хорошо, но как мы можем хранить информацию на таком компакт-диске? Устройство записи CD-R оснащено более мощным лазером, чем обычно, который генерирует тепло при ударе по диску, «сжигая» краситель и создавая крошечное черное пятно. Позже, когда CD-ридер направляет свой лазер на это место, свет полностью поглощается и не отражается обратно. Это указывает на то, что в этой точке на диске хранится ноль («0»). В местах, где краситель не сгорел, лазерное излучение снова отражается прямо назад, указывая, что на диске сохраняется «1». Видишь, куда это идет? Создавая области «прожженных» точек и другие места, где краситель остается один, устройство записи CD-R создает шаблон двоичных нулей и единиц, которые можно использовать для хранения информации. К сожалению, после того, как краситель «сгорел», он постоянно трансформируется: вы не можете изменить его снова. И именно поэтому вы можете записать диск CD-R только один раз. Просто мимоходом отметим, что, хотя устройства записи компакт-дисков широко упоминаются как устройства для записи компакт-дисков , на самом деле они не сжигают вещи (не сжигают их кислородом): они просто используют лазер для замены светочувствительного красителя.

Иллюстрация: На CD-R двоичная информация сохраняется в виде «выгоревших» областей (0) и несгоревших областей (1) в слое красителя, расположенном между защитным поликарбонатом и отражающим алюминием.

Как работает перезаписываемый CD (CD-RW)?

Допустим, вам поручено разработать компакт-диск, который можно записывать или стирать снова и снова. Ясно, что вы не можете использовать ни один из методов, которые мы обсуждали до сих пор (метод pits and Lands из аудио-CD только для чтения или метод «прожига»), используемый в CD-R). Что вам действительно нужно, так это компакт-диск, созданный из вещества, которое можно легко конвертировать между двумя различными формами, чтобы его можно было использовать для хранения паттернов нулей и единиц, а затем для его стирания и последующего использования для сохранения другого паттерна. необходимо.

Большинство из нас узнали в школе, что атомы (или молекулы) в твердые вещества, жидкости и газы расположить себя в разных положениях, с атомами в твердых телах тесно связаны между собой. Некоторые твердые материалы более сложны, чем это: их атомы (или молекулы) могут быть расположены двумя или более различными способами, называемыми твердыми фазами . (Например, твердый углерод может существовать в самых разных фазах, включая графит и алмаз.) Это как раз то, что нам нужно для создания диска CD-RW.

Вместо того, чтобы иметь слой красителя, CD-RW имеет слой металлического сплав которые могут существовать в двух разных твердых формах и изменяться между ними. Это называется материалом с фазовым переходом или фазовым сдвигом . Иногда он кристаллический , с его атомами / молекулами, упорядоченными, так что он прозрачен, и свет может проходить прямо через него; в других случаях его атомы / молекулы перемешиваются в гораздо более случайной и беспорядочной форме, называемой аморфным твердым веществом , которое непрозрачно и блокирует свет. Когда лазер CD-RW попадает в этот материал, он меняет крошечные области его между кристаллической и аморфной формами. Когда он создает прозрачную область, он делает часть компакт-диска отражающей и эффективно записывает единицу («1»); когда он делает аморфную область, он делает CD неотражающим и записывает ноль («0»). Поскольку этот процесс может повторяться любое количество раз, вы можете писать и перезаписывать CD-RW столько раз, сколько захотите!

Иллюстрация: на CD-RW двоичная информация сохраняется в виде областей металлического сплава, которые являются либо кристаллическими, либо аморфными. Кристаллические области имеют регулярную структуру, которая пропускает свет в алюминиевую область и снова отражается вниз, таким образом сохраняя их. Аморфные области имеют случайную структуру, которая рассеивает поступающий лазерный свет, поэтому он не может отражаться назад, тем самым сохраняя нули. Устройство для перезаписи компакт-дисков может менять металлический сплав на компакт-диске с одной формы на другую и обратно, поэтому этот тип диска можно многократно стирать и перезаписывать.

Другие типы компакт-дисков

Компакт-диски изначально использовались только для хранения музыки. Каждый диск может хранить 74 минуты стереозвука - более чем достаточно для обычной записи LP. В 1990-х годах технология CD также стала популярной для хранения компьютерных программ, игр и другой информации. Система PhotoCD компании Kodak (способ хранения до 100 фотографий на компакт-диске) также была запущена в 1990-х годах.

Первоначальная форма компьютерного компакт-диска называлась CD-ROM (CD-Read Only Memory) , поскольку большинство компьютеров могли только считывать информацию с них (а не хранить на них какую-либо информацию). В те дни вам нужно было отдельное оборудование, называемое «записывающее устройство», для записи ваших собственных компакт-дисков, которые часто назывались WORM (Write Once Read Many). Теперь для компьютеров более распространено использование приводов CD-R или CD / RW для записи своих собственных компакт-дисков, хотя большинство новых компьютеров теперь имеют вместо них приводы DVD.

Разница между CD и DVD заключается в количестве информации, которую они могут хранить. Компакт-диск может содержать 650 мегабайт (миллион символов) данных, тогда как DVD может вместить не менее 4,7 гигабайта (тысячи мегабайт), что примерно в семь раз больше. Поскольку DVD имеют такой же размер, как и CD, и в них хранится в семь раз больше информации, нули и единицы (или ямы и поля) на DVD должны быть соответственно меньше, чем на CD. В новейших оптических дисках используется технология Blu-ray для хранения в шесть раз больше данных, чем на DVD-дисках, или в 40 раз больше, чем на компакт-дисках (полное объяснение см. Во вставке внизу).

Фото: компакт-диски познакомили нас с цифровой музыкой, но теперь их заменяют MP3-плееры и цифровые загрузки. Зачем? Посмотрите, как трудно держать в руке всего дюжину компакт-дисков. Даже MP3-плеер Apple iPod емкостью 20 ГБ может вместить до 400-500 компакт-дисков, даже не моргая, и уместиться в кармане вашей рубашки! Сказав это, музыкальная дорожка на CD всегда будет звучать лучше, чем эквивалентный MP3, по причинам, которые мы объясняем в нашей статье о MP3-плееры и цифровая музыка ,

Подробнее об этих нулях и единицах

Компакт-диски приятно и легко объяснить, говоря, что ямы соответствуют нулям и землям, но это не совсем так. Информация на CD кодируется гораздо более тонким способом, который использует сложные и умные методы кодирования данных, включая кодирование с модуляцией от восьми до четырнадцати (EFM) и кодирование без возврата к нулю (NRZI). Это звучит очень технически, но это не так сложно понять. По сути, EFM означает просто преобразование коротких шаблонов данных в более длинные (как это ни парадоксально) для более эффективного их хранения с меньшим риском возникновения ошибок. NRZI означает, что вместо считывания отдельных земель и ям лазер ищет изменения между ямой и землей или длинными рядами ям и земель, и вместо этого преобразует их в единицы и нули. Так, например, если он читает длинную яму и неожиданно наталкивается на землю, это интерпретируется как единое целое. Если он читает землю и вдруг сталкивается с ямой, это также интерпретируется как единое целое. С другой стороны, неизменные участки земли или ямы интерпретируются как нули.

Artwork: Как ямы и земли кодируют нули и единицы на поверхности CD. Переход из ямы в землю или из земли в яму кодирует единицу; длина непрерывной ямы или земли кодирует ноль.

Зачем использовать такие методы вместо простого метода «яма равна нулю, земля равна одному», который я описал выше? Он использует дисковое пространство более эффективно (поэтому мы можем упаковать больше данных на диск), устраняет необходимость в очень коротких или длинных ямах или участках и минимизирует важность битов, которые теряются из-за царапин или грязи (таким образом, это помогает исправить от ошибок). Если вы не создаете свой собственный CD-проигрыватель или не занимаетесь передачей данных, вам действительно не нужно точно знать, как ваши данные хранятся на CD или DVD, поэтому, если вы хотите думать, что ямы - это нули и приземления, это очень хорошее приближение к тому, что происходит, и большинство из нас хотят знать об этом. (Более подробную информацию можно найти в разделе «Кодирование данных в Руководство по компакт-диску Кеном Полманном, начиная со страницы 74)

Кто изобрел компакт-диски?

Технология создания компакт-дисков была изобретена в конце 1960-х годов Джеймсом Т. Расселом (1931–). Будучи заядлым меломаном, он жаждал системы звукозаписи, которая воспроизводила бы музыку более точно, чем записи на LP и кассеты. Он запатентовал первую оптическую систему звукозаписи в 1970 году, усовершенствовав ее в последующие годы. Аудиокомпакт-диски наконец дебютировали в Европе в 1982 году, были выпущены корпорациями электроники Sony и Philips и появились в США в следующем году. Компакт-диски стали популярными в 1990-х годах, когда такие издатели, как «Британская энциклопедия», «Бродербунд» и «Дорлинг Киндерсли», выпустили популярные «мультимедийные» энциклопедии, содержащие письменный текст, звук, изображения, анимацию и видео. CD-ROMы сегодня менее популярны, благодаря Всемирная паутина (WWW) , что позволяет публиковать и обновлять информацию мгновенно и связывать вместе страницы из множества различных источников.

Как работает Blu-ray ™?

Люди все время забывают, но это не имеет значения, потому что у нас есть книги, компьютеры , Компакт-диски, DVD-диски и все виды других технологий, которые помогут нам вспомнить. Вы можете хранить 10 000 толстых книг на DVD - это примерно в семь раз больше, чем вы можете уместить на CD. Представьте себе, что: 10000 книг - это примерно 200 полок или 6-7 книжных шкафов или знаний. Но нет такой вещи, как слишком много информации. DVD может быть удивительным, но иногда вам нужно хранить даже больше информации, чем они могут справиться. Так что, слава Богу, за новый тип дисков под названием Blu-ray, который может хранить в шесть раз больше данных (цифровой информации), чем даже самые лучшие DVD-диски - это колоссальные 50 гигабайт!

Фото: синий лазер (слева) и красный лазер (справа). Фото Национальной лаборатории энергетических технологий, Моргантаун любезно предоставлено Министерство энергетики США ,

Почему Blu-ray может хранить больше информации

Размер дисков Blu-ray точно такой же, как у дисков DVD, которые сами по себе равны размеру дисков. Как Blu-ray хранит больше, чем DVD? Как DVD хранит больше, чем CD? Ответ прост. Если вам когда-либо приходилось сжимать определенное количество текста на одном листе бумаги (возможно, чтобы сделать плакат) и вам было трудно все раскрутить, вы будете знать, что есть простое решение: вы просто делаете свои слова немного меньше (уменьшить размер шрифта). Та же идея работает, когда вы записываете компьютерные данные на диски с лазер балки. Вы можете хранить больше на DVD, чем на CD, используя лазерный луч, который «записывает меньше». А чтобы читать или записывать диски Blu-ray, вы используете лазер, чтобы писать еще меньше.

DVD использует красный лазерный луч, который делает свет волны с длиной волны 650 нанометра (0,00000065 метров или менее одной сотой ширины человеческого волоса). Это значительно короче, чем длина волны невидимого, инфракрасный свет, который использует проигрыватель компакт-дисков (780 нанометров), поэтому DVD-диски могут хранить больше, чем компакт-диски. Проигрыватель Blu-ray использует даже более точный лазер, чем проигрыватель DVD, с лучом синего света, выходящим из него вместо красного или инфракрасного. Синий свет имеет гораздо более короткую длину волны (около 450 нм), чем красный свет, поэтому синий лазер может писать вещи гораздо меньшего размера. Это означает, что диски Blu-ray могут хранить фильмы в формате гораздо более высокого качества, известном как High Definition (HD), хранить гораздо более длинные фильмы на одном диске или просто хранить больше. Если вы можете разместить четыре получасовых эпизода «Друзья» на DVD, вы можете поместить 24 эпизода (целую серию) на диск Blu-ray.

На DVD вы используете красный лазерный луч для чтения и записи информации. Информация, которую вы записываете на диск, не может быть меньше размера луча. Используя гораздо более тонкий синий лазерный луч, Blu-ray может писать меньше и хранить больше информации в одном и том же месте.

Становится ли Blu-ray более популярным?

Несмотря на медленный старт, диски Blu-ray начинают набирать популярность, особенно с учетом того, что в начале 2008 года отодвинулся конкурирующий тип дисков, называемый HD-DVD (HD-DVD). Плееры Blu-ray широко доступны и мощные игровые автоматы, такие как Sony PlayStation, имеют встроенные приводы Blu-ray. Несколько лет назад на рынке было всего несколько сотен дисков Blu-ray; сегодня их десятки тысяч, и в последующие несколько лет их ждет еще больше.

Blu-ray - это не конец истории. Хитрые инженеры разрабатывают лазеры, способные записывать на диск еще больше данных. Но будем ли мы вообще использовать диски в будущем - это другой вопрос. Большинство людей уже используют свои широкополосный интернет подключения для загрузки или потоковой передачи MP3 музыкальные треки, фильмы и ТВ вместо программ, и это может быть просто вопросом времени, прежде чем проигрыватели дисков исчезнут полностью. С другой стороны, люди говорили то же самое о виниловых пластинках, когда появлялись компакт-диски, и этот прогноз оказался неверным.

Похожие

Комментарии