Что внутри оптических дисков, Техническая информация и картинки

Привет, ЯП o/.

Тема будет постится неторопливо. Просьба не ломать, об окончании сообщу.

Сегодня я попробую начать цикл из трех статей о технологиях хранения информации на оптических медиа носителях. Сегодня будет общая теория. Это вводная статья, будет многобукофф и некоторое количество поясняющих иллюстраций.
Если первая часть вызовет интерес, то последующие две части будут посвящены уже практике производства с живыми фотками и видео. Я понимаю, что на развлекательном портале шансов у первой части немного, но все же попытаюсь.
Речь пойдет не о R (RW) носителях !
Дальнейшее изложение будет изложено на примере DVD, так как специфику DVD я знаю наиболее полно. Вы можете быть совершенно уверены, что все описанное справедливо и для CD и для Blu-Ray. Разнятся только ньюансы.

Поехали.

Итак, оптический диск. Все вы прекрасно с ним знакомы, многие даже считают, что знают как там оно внутри устроено. К сожалению представления большинства даже близко не лежат к пониманию истинного положения вещей. Диск «в разрезе» представляет собой своеобразный бутерброд, причем конструкция CD, DVD и BR отличаются. На примере CD и DVD вот их конструкция:

ЭТО CD

Это сообщение отредактировал avals86 - 5.07.2013 - 21:03

Как видно, CD это фактически один круглый кусок пластика, в верхней части которого вытеснена спиральная дорожка, несущая информацию. Эта поверхность металлизована для обеспечения отражения луча считывающего устройства. Затем тонкий слой металлизации покрыт защитным лаком для физической защиты, а также для защиты от влажности и кислорода. Без лака тончайший слой аллюминия окислился и деградировал бы в течении короткого времени и диск прочесть уже не удалось бы. Ну и совсем сверху на диске обычно находится изображение (в дальнейшем – принт). Если есть желание и любопытство – можете проверить изложенное. Возьмите шкурку и прошкурьте хорошенько ненужный CD диск сверху. Вы убедитесь, что очень быстро дотрете диск до металлизации и снимете ее.

А вот это DVD.

DVD, в отличие от CD состоит из двух половинок сабстрата (пластиковый диск), склеенных между собой. Информационный рельеф и слой металлизации находится внутри этого бутерброда и надежно защищен слоем поликарбоната. Опять же для пытливых – можете согнув сломать ненужный DVD и Вы увидите, что диск состоит из склеенных половинок.

DVD может быть выполнен в четырех различных версиях:
DVD5 – стандартный однослойный диск, информация содержится только на нижней половинке. Верхний сабстрат частенько выполняется из такого же диска, имеет тот же рельеф, но не металлизуется, а просто приклеивается к нижнему, чтобы обеспечить нужную конструкцию. Чаще всего имеет принт на верхней части. Емкость около 4,75ГБ.

DVD10 – Двухсторонний диск, информация содержится и сверху и снизу. Это диск-перевертыш Хотите прочесть одну сторону – повернули нужной стороной, вставили в привод, прочитали. Захотели другую сторону – вынули, перевернули, вставили, прочитали. Популярный формат для разного УГ контента типа «12 фильмов на 1». Популярен в первую очередь благодаря простоте производства, а также тому, что позволяет наштамповать 100500 разных сборников, комбинируя содержимое верхней и нижней половинки. Узнаваем по крошечной принтовке, нанесенной только в центре диска. Емкость около 4,75х2 ГБ.
Вот как он выглядит

DVD9 – Двухслойный диск, информация содержится и сверху и снизу, но читается только снизу, не требуя переворота диска. Причем сперва читается информационная дорожка нижнего сабстрата, Затем головка привода производит перефокусировку на верхнюю дорожку. Относительная редкость. Требует отлично отстроенного производства и высокой производственной культуры. Кроме всего – дорог, так как металлизация нижней части делается «полупрозрачной» и из-за определенной специфики выполняется не аллюминием, а серебром. Подробнее обо всей специфике напишу во второй части о репликации дисков. Емкость менее 4,75х2 ГБ, так как плотность дорожек нижней части как правило несколько ниже стандартной. Для неспециалиста внешне неотличим от DVD5.
DVD18 – Подобен DVD10, только обе стороны двухслойные. Я никогда не держал в руках такой диск, его производство требует очень специфичных машин, которые в природе существовали только в виде тестовых комплексов и никакого применения не нашли. Чрезвычайно сложен в производстве, состоит из 3 частей. Верхний и нижний сабстраты идентичны таковым у DVD9, центральный сабстрат имеет рельеф и металлизацию сразу с двух сторон. Толще обычного DVD, лезет не во все приводы. Внешние отличия не описываю, Вам никогда такой экземпляр не попадется. Емкость около 4,5х4 ГБ.
Емкость указана везде приблизительная, и это не случайно. Объем информации может отклоняться не только в меньшую сторону, но и в большую. Хороший производитель способен подняв track pitch (расстояние между дорожками) утоптать на диск больше информации. Это сопряжено с немалыми проблемами, но это возможно. Если первая часть заинтересует достаточно людей во второй и третьей частях я подробно расскажу как это делается на реальном производстве, но пора ехать дальше и…

Устройство диска:
Сам диск, помимо информационного поля состоит из:

Stamper footprint. Крошечное продавливание сабстрата, обусловлено технологией литься, некоторые литьевые машины практически не оставляют отпечатка, в принципе ни о чем не говорит, хотя следы сколов или упаси Бог облой в этом месте почти наверняка говорит об очень хреновом производстве.
Здесь если присмотреться footpting едва-едва, но все же различим

Bonding groove. Выемка на внутренней части сабстрата DVD. На CD разумеется отсутствует. Технологически необходима для того, чтобы при склейке двух половинок клей не перетекал в центральную часть. Признак высокой культуры производства – Вы видите, что клей идет четко от этого места, не перетекая во внутреннюю часть и не давая слишком уж больших карманов воздуха наружу. Впрочем, даже если склейка довольно небрежная, это может и не быть признаком плохого диска. Но если клей перетек внутрь аж до центрального отверстия, то это однозначный брак.
На фото видно газовый карман далеко от bonding groove

В области сигнатуры размещается служебная информация о том, с какого стампера (металлический образ, который формирует при литье информационный рельеф) сделан диск. Дело в том, что на производстве, пока продукция не покрашена все диски похожи как близнецы-братья, Чтобы не путать разные диски до покраски как раз данная сигнатура и нужна. В этой же области размещается информация о лицензии производителя.

Stacking ring – просто выступающее над общей поверхностью колечко. Необходимо, чтобы диски в стопке не терлись друг о друга и не царапались. То есть этакая прокладка.

Информационное поле. Собственно именно там и находится спиральная дорожка, содержащая информацию. У нового диска при взгляде под углом на поверхность должна выглядеть как зеркало. Небольшая кривизна (девиация) в принципе допускается, но если Вы обратили на нее внимание, то скорее всего девиация значительна. Ни в коем случае не допускается, чтобы на информационном поле были видимые крошечные бугорки (их называют «бабунами») Наличие бабунов – 100% брак. Как смотреть: поднимите диск информационной стороной на уровень глаз, и поверните его так, чтобы видеть отражение какого нибудь светильника впереди на потолке. При таком осмотре все прекрасно видно.
Я не смог сделать фото настоящего бабуна, поэтому я испортил диск чтобы дать представление. уменьшите этого слона в 20 раз. Это и будет бабун.

Еще один признак качества диска – металлизация начинается сразу после stacking ring и заканчивается приблизительно в миллиметре от края диска. Граница металлизации должна быть четкой. Если граница замылена, то диск скорее всего металлизовывался на хорошо походивших масках, чего на хорошем производстве обычно не случается.
На вото видно как безобразно далеко ушла металлизация внутрь области сигнатуры. Наверняка внутренняя маска деформирована

Ладно, переходим к самому вкусному: Информация и ее представление на дисках. Go-go-go !

Лэнды, питы , два ствола
Дорожка диска состоит из последовательности углублений, каждое из которых называются «пит». Промежутки между питами называют «лэнд» Слева картинка, как это выглядит под увеличением, с приблизительным изображением лазерного луча считывателя:

Немного подробностей: Глубина пита в идеале должна соответствовать четверти длины волны привода. Что при этом происходит ? Иллюстрация справа наглядно поясняет, что сигнал, отраженный от пита будет приходить в противофазе от сигнала, отраженного от лэнда. Что фотоприемник расценит, как падение мощности (на пите сигнал будет слабеть, из-за оптической интерференции). Именно так электроника привода и различает пит от лэнда. Казалось бы – Ну вот и славно, пусть пит кодирует единицу, а лэнд ноль – вот вам и весь принцип (и кстати – многие реально считают, что информация кодируется именно так) Но у нас проблема: Взгляните на размеры луча лазера на иллюстрации слева. Видите ? Попытайтесь мысленно представить в виде питов последовательность «01010101». Поняли ? Пит получился бы слишком мал, по сравнению с лучом считывателя и такая последовательность не могла бы быть распознана. Или размеры питов пришлось бы увеличить до размеров луча. А это означает, что питов (и информации) на одну и ту же площадь диска уместилось бы меньше. Ниже анимашка все очень наглядно поясняет.

Видите ? Если питы слишком малы, как показано на центральном рисунке, то не получается задать последовательность нолей и единиц. Либо такой пит будет давать серию единиц, либо серию нолей (не будет распознан). Можно конечно увеличить пит, Но тогда растет интервал между дорожками, как это показано на правой иллюстрации. Поэтому на самом деле кодируется информация как показано слева. Переход между питом и лендом (определяется моментом, когда мощность сигнала падает ниже определенного уровня, на анимашке показан как пунктирная линия) кодирует 1. Все остальное время кодируются ноли.
Считанный паттерн называется EFM (Eight to Forteen Modulation) и его длина для DVD равна 16 битам, которые впоследствии преобразуются в стандартный байт в соответствии со специальной таблицей. Зачем такой изврат ? спросите Вы ? Потому что минимальный по длине пит кодирует последовательность 100 (в анимашке сверху кстати ошибка, «101» быть не может). То есть как минимум два ноля идут всегда. Это необходимо, чтобы обеспечить хорошее распознавание и контроль чтения данных, ну а кроме того, таблица конвертации составлена таким образом, чтобы питы попадались достаточно часто. Значительный интервал между питами может позволить приводу потерять дорожку, а частые питы обеспечивают хороший трекинг (но об этом ниже)
Итак, питы различны по длине, кстати их длину обозначают как I3(100), I4(1000), I5(100000) и так далее, до максимального I16. Какую же они выполняют функцию, помимо чисто информационной ? Тут самое время разобрать как работает привод.

Классический привод дисков всегда представляет собой одно и то же решение:
Луч считывателя, пройдя сквозь оптическую систему фокусируется на дорожке, отражается, и пройдя обратный путь попадает на матрицу фотоприемника. Контроллер, обслуживающий матрицу суммирует сигнал со всех четырех элементов и ао суммарному сигналу строит EFM паттерн. Но не только. Фокальная система привода выполнена так, что если фокусировка луча на дорожке нарушена, то отраженный луч падает на матрицу не «круглым пятном», а вытянутым по диагонали. Таким образом контроллер по сумме (A+D)-(C+B) постоянно выполняет корректировку фокуса управляя положением линзы фокуса.
Еще есть трекинг. Геометрия пита такова, что у него не вертикальные стенки, а с некоторым наклоном, так что если дорожка начинает «убегать» от луча, отражение немедленно смещается от центра матрицы. Контроллер автоматически по сумме (A+C)-(B+D) смещает каретку, компенсируя это. Вот почему очень важно, чтобы питы имелись на рельефе часто. На лэнде привод лишен возможности определить точность позиционирования на дорожке.
Едем дальше.
Механизм коррекции ошибок
У DVD существует многоуровневая система коррекции ошибок. Первый заслон – интерливинг. Это нелинейное распределение данных по дорожке. Сделано для того, что если царапина или иной дефект на диске не дает прочесть данные – терялся на значительный линейный массив данных, а возникало много, но мелких дефектов, размазанных по блоку информации. Наглядно:

На зеленом эскизе показано, что было бы без интерливинга:
Считанные данные были бы «съешь же еще ???? мягких французких булочек да выпей чаю» Каких ??? Если Вам неизвестна фраза, то на месте ???? можно предполагать что угодно, от «урод», до «батя».
На красном – с применением интерливинга:
Данные считаются: «съ?шь ?е еще этих мягких францу?ких булоч?к да выпей чаю».
То есть вместо потери крупного блока данных, который восстановить будет уже проблематично, интерливинг распределил потерянную информацию по всему массиву данных.
Но и это не все )
После того, как отработают свое EFM и интерливинг – информация, хранимая на диске дополняется контрольными суммами. Я не буду описывать механизм коррекции с абсолютной точностью, но в целом механизм такой:
Данные, хранимые на диске формируются поблочно, каждый блок помимо собственно данных имеет суммы, посчитанные по определенному алгоритму для строк и столбцов блока. Ну примерно

Уберите любые три цифры в области данных – Вы их всегда восстановите по контрольной сумме. Уберите хоть всю контрольную сумму – вы ничего не потеряли, данные то при вас.

Хотел было еще описать подробно все пакости, которые случаются при производстве и как это влияет на качество дисков, но решил отложить это для отдельных тем посвященных репликации и мастерингу. Там это будет уместнее.
Вот вам на прощание еще один бабун (тоже для сравнения с реальным уменьшать в 20 раз)

У меня все.

Отличный пост, ТС Ждем продолжения!

А ещё можно записать "счастливый" файл на CD, и тот не будет читаться. Я тогда столкнулся с этой багой CD-RW привода, когда записал курсовик на диск, а он не читается.
Сколько же я болванок потратил, копать колошматить, пока не разобрался в чём дело. Пришлось чуть-чуть изменить название первой главы курсача. :)
ПРУФЪ

Это сообщение отредактировал SevaLamerson - 5.07.2013 - 20:49

Молодец ТС ))

Интересно конечно, только вот отжили они уже свое, прошло их время...

Позеленил. Довольно интересный пост, я знал это, но примерно, никогда такого подробного описания не читал.
Из компа DVD привод достал вообще, ибо он нужен был только для установки системы, а сейчас все дистрибутивы linux можно ставить с flash, и даже мелкософт подтянулся: качаешь прогу, весом около 4 мегов, подсовываешь ей iso образ установочного диска с Windows 7/2008 Server и более новых, и она создаёт загрузочную флешку для установки винды, при чём ставится быстрее, нежели с болванки. Может воткну пишущий Blu-Ray, когда привод будет стоить около 40$
Есть образы специфические, и перенести на флешку, чтобы грузилась и всё работало, достаточно сложно.
Есть недорогое устройство Zalman VE-200 или VE-300 (В буржуиндии еще распространён под брэндом IODD- он же и является истинным производителем). Устройство представляет собой бокс для 2,5" (ноутбучного) HDD с экраном и минимальными элементами управления. Вставляем туда HDD, создаём на первом разделе каталог с названием _iso, и кидаем туда совершенно любые образы CD, DVD, и даже Blu-Ray, и устройство может их монтировать с функцией загрузки!

Это сообщение отредактировал Liver - 5.07.2013 - 20:51

Ну пестец теперь. ТС ты разрушил всё мои представления об оптических носителях информации!

Прошу, не рассказывай про то, как работает флешка!

Теперь еще про граммпластинки напомни, ога

Liver

Присоединяюсь.. мне такое чудо подарил друг!!! Классная весчь!!!
по теме познавательно! спс)

прочитал с интересом. спасибо

А у меня как-то была лекция на эту тему. Полпары нам объясняли разницу между dvd-r(rw) и dvd+r(rw).
Забавно.. почти 10 лет назад это было, а всё-ж помнится.

Аудиофилы досихпор думают что звук с аудиска напрямую от лазера идёт, и не просто так - а имеет 100%ную зависимость от неравномерности угловой скорости вращения диска...
Umgah -если не сложно нарисуй блочную схему обработки аудиосиди. Акцент на буфере перед цапом.
Да начнётся аудиофильская война .