DVD vs. CD

Dyski kompaktowe (ang. compact disc) i ich odtwarzcze należą do najpopularniejszych wyrobów elektroniki użytkowej ostatnich dwudziestu lat. Od 1982 roku, kiedy to pojawiły się na rynku, sprzedano ponad 400 mln odtwarzaczy i 6 mld płyt. Rozwinięciem pomysłu jest format CD-ROM (ang. read-only memory - tylko do odczytu), stosowany z podobnym sukcesem w komputerach.

Format DVD powstał w wyniku bezprecedensowego porozumienia osiągniętego pod koniec 1995 roku przez rywalizujące ze sobą grupy międzynarodowych koncernów. Konkurenci połączyli największe zalety swoich niezależnie opracowywanych projektów. Nowa generacja czytników dysków optycznych odtwarza zarówno dyski CD, jak i DVD, które dzięki nowym rozwiązaniom mogą pomieścić 14 razy więcej informacji niż dyski CD. Ponadto odtwarzacze DVD odczytują dane z szybkością 11 mln bitów na sekundę, a więc dziewięciokrotnie szybciej niż pierwsze modele CD, ustanawiając w ten sposób nowy standard. DVD jest standardem zapisu informacji pozwalającym na płycie o średnicy 12 cm (takiej jak standardowa płyta CD-AUDIO lub CD-ROM) przechować dane o pojemności do 17 gigabajtów. Zgodnie z oczekiwaniami tak duża pojemność i wydajność umożliwia bardzo szerokie zastosowanie dysków DVD. Podobnie jak na dyskach CD można na nich zapisywać muzykę, filmy oraz gry i inne pakiety multimedialne. Dyski DVD pomieszczą jednak o wiele więcej informacji, a jakość odtwarzania będzie znacznie lepsza. Mogą też przyczynić się do powstania zupełnie nowych wyrobów. DVD z filmem na przykład pozwoli widzom wybrać kąt widzenia kamery, język na ścieżce dźwiękowej lub decydować o przebiegu akcji.

Produkcja:
Formaty DVD i CD wykorzystują tę samą optyczną technologię zapisu: informacja jest zakodowana w postaci ścieżki mikroskopijnych zagłębień na powierzchni plastikowej płyty, powstających podczas wtryskiwania materiału do formy. Następnie stronę dysku z zagłębieniami pokrywa się cienką warstwą aluminium, a jeszcze później - w przypadku płyty CD - ochronną powłoką z lakieru, oraz etykietuje. Aby odczytać tak zakodowaną informację, odtwarzacz kieruję wiązkę światła laserowego przez warstwę ochronną do warstwy danych. W tym czasie dysk wiruje. Natężenie światła odbitego od jego powierzchni zmienia się zależnie od tego, czy wzdłuż ścieżki informacyjnej są zagłębienia czy też ich nie ma. Od zagłębienia odbija się znacznie mniej światła niż wówczas, gdy wiązka pada na płaską część ścieżki. Fotodetektor i inne elementy elektroniczne odtwarzacza przekładają te zmiany na zera i jedynki w kodzie cyfrowym reprezentującym zapisane informacje.

Między dyskami CD i DVD sa dwie zasadnicze różnice. Po pierwsze, najmniejsze zagłębienia na dyskach DVD mają średnicę zaledwie 0.4mikrona; odpowiednie zagłębienia na dyskach CD sa dwukrotnie większe - ich średnica wynosi 0.83mikrona. Ścieżki danych na dyskach DVD są oddalone od siebie tylko o 0.74mikrona, podczas gdy na dyskach CD o 1.6mikrona. Chociaż więc dyski DVD są tej samej wielkości co dyski CD, ich spirala zapisu danych ma przeszło 11km długości - ponad dwa razy wiecej niż na CD. Aby odczytać mniejsze zagłębienia, wiązka laserowa odtwarzacza DVD musi być bardziej skupiona niż w odtwarzaczach CD. W tym celu wykorzystuje się czerwony laser półprzewodnikowy o długosci fali 635-650nm. Natomiast w odtwarzaczach CD używa się laserów podczerwonych o większej długości fali - 780nm. Ponadto odtwarzacze DVD wykorzystują soczewki o większej zdolności skupiania - mające większą aperturę niż soczewki w odtwarzaczu CD. Dzięki tym różnicom oraz dodatkowej efektywności formatu DVD opisanej poniżej, każda warstwa informacyjna ma ogromną pojemność: 4,7GB.

Pojemność dysku DVD można podwoić do 9,4GB, a nawet zwiększyć czterokrotnie do około 17GB po wprowadzeniu dwóch kolejnych innowacji. Chociaż dyski DVD i CD mają taka sama grubość (1,2mm), na DVD informacje przechowywane są w dwóch warstwach, podczas gdy na CD tylko w jednej. Warstwy informacyjne dysków DVD, czyli ich strony z zagłębieniami, przylegają do siebie wewnątrz dysku. Dzięki temu są chronione przed uszkodzeniami powodowanymi przez cząstki kurzu i zarysowaniami. W najprostszej konstrukcji dostęp do drugiej strony dysku DVD uzyskuje sie poprzez wyjęcie dysku z odtwarzacza, obrócenie go na druga stronę i włożenie z powrotem. Inna wersja - konstrukcja wielowarstwowa - pozwala odtwarzać z jednej strony płyty informacje zapisane w obu warstwach. W dysku wielowarstwowym górna warstwa informacyjna jest pokryta materiałem częściowo odbijającym, a częściowo przepuszczajacym światło. Zdolność odbijania tej warstwy wystarcza, aby promień lasera mógł przeczytać istniejące w niej zagłębienia, natomiast dzięki odpowiedniej przepuszczalności może on odczytać zagłębienia w warstwie głębszej. Gdy wiązka laserowa skupia się na zagłębieniach w dolnej warstwie informacyjnej, zagłębienia w górnej są poza ogniskiem, a więc nie powodują interferencji. (Aby zrównoważyć niewielkie, choć nie do uniknięcia, obniżenie jakości odtwarzania w takim rozwiązaniu, niezbędna jest redukcja pojemności do 8,5GB - dlatego właśnie dwustronny, dwuwarstwowy dysk DVD mieści około 17GB.) Obie warstwy są sklejone klejem optycznym doskonałej jakości. Dwuwarstwowa konstrukcja dysków DVD daje oprócz większej pojemności również inne korzyści: redukuje błędy wynikające z nachylenia dysku. Gdy powierzchnia dysku przestaje być prostopadła do promienia lasera, mogą powstać błędy odczytu. Nachylenie zmniejsza prawidłowość odczytu wprost proporcjonalnie do grubości podłoża. W dysku DVD wynosi ona zaledwie 0.6mm, co wpływa korzystnie na odczyt. Dysk DVD jest również mniej czuły na inne rodzaje uszkodzeń. Przykładowo: nagłe zmiany temperatury czy wilgotności mogą spowodować pęcznienie lub kurczenie się plastikowego podłoża dysku DVD. Ale jego symetryczna konstrukcja sprawia, że zmiany w jednej warstwie przeciwdziałają zmianom w drugiej, zmniejszając zsumowany efekt wpływów środowiskowych i minimalizując ostatecznie nachylenie.

Klienci wydali już spore sumy, kupując dyski kompaktowe i CD-ROM. Za priorytet uznano więc taką konstrukcję nowych odtwarzaczy, by nadawały się zarówno do dysków DVD, jak i dzisiejszych CD. Realizacja tego wymagała zastosowania specjalnych mechanizmów optycznych. Najprostsza konstrukcja polega na umieszczeniu dwóch soczewek w pojedynczej głowicy optycznej - jednej dopasowanej do podłoża 1.2mm, drugiej do 0.6mm - a następnie ich mechanicznym przełączaniu w razie potrzeby. Powstało również bardziej eleganckie rozwiązanie wykorzystujące pojedynczy układ optyczny z hologramem w środku. Wiązka laserowa przechodząca przez zewnętrzny pierścień soczewek omija hologram i skupia się odpowiednio do odczytywania mniejszych zagłębień na dyskach DVD. Około 1/3 wiązki odczytującej, która pada na środkową część pierścienia, jest skupiana zarówno przez soczewki, jak i hologram, tak by odczytać zagłębienia na grubszych dyskach CD. Dyski DVD mają nie tylko więcej zagłębień niż dyski CD, ale też pozwalają upakować więcej informacji. Jest to możliwe dzięki dwóm ulepszeniom kodowania. Bez względu na formę informacji źródłowej - dane, tekst, obraz, dźwięk lub wideo - cyfrowe zera i jedynki bezpośrednio reprezentujące zawartość, zwane bitami użytkowymi, trzeba chronić przed skutkami błędów powstających podczas odtwarzania. Ich przyczyną może być kurz, rysy lub korozja. Techniki korekcji i kontroli (ECC - error correction and control) minimalizują tego rodzaju efekty dzięki specjalnym algorytmom, które wyliczają dodatkowe bity danych zapisywane wraz z danymi użytkowymi. Te dodatkowe bity mają co prawda duże znaczenie, ale zmniejszają efektywną pojemność dysku. Mechanizm ECC jest jednak w formacie DVD bardzo skuteczny. Może na przykład poprawić błędny sygnał liczący do 2 tys. bajtów, co odpowiada około 4mm długości ścieżki. W formacie DVD dane ECC zajmują około 13% pojemności dysku. W trakcie zapisu połączone dane użytkowe i dane ECC muszą być przekształcone w tzw. bity kodu modulacji, które są rzeczywistymi strumieniami bitów reprezentowanymi przez zagłębienia w dysku. Jest to niezbędne do kontroli rozmiarów zagłębień wymaganych do reprezentowania danych. Od tego zależy niezawodne wykrywanie i śledzenie danych podczas odtwarzania. Metoda kodowania dla formatu CD umożliwia przekształcenie 8 bitów użytkowych w 17 bitów kodu modulacji. DVD wykorzystuje lepszą metodę pozwalającą przekształcić 8 bitów użytkowych w zaledwie 16 bitów kodu modulacji z zachowaniem zalet CD. Ponieważ mniej bitów kodu modulacji potrzeba do reprezentacji bitów danych użytkowych, dysk DVD może pomieścić ich więcej.