Устройства оптического хранения данных

Форматы оптических носителей

Форматы компакт-дисков и накопителей

После создания формата Red Book CD-DA, который упоминался в начале главы, компании Philips и Sony начали работу над стандартами других форматов, позволяющими сохранять на компакт-дисках данные, видеоматериалы или фотографии. Эти стандарты определяют способ форматирования данных, в соответствии с которым выполняется их считывание. В свою очередь, дополнительные форматы файлов определяют структуру драйверов и программного обеспечения компьютера, позволяющую правильно распознать и интерпретировать считанные данные. Обратите внимание, что геометрические параметры компакт-диска и организация структуры данных, обусловленные стандартом Red Book, были приняты всеми последующими стандартами CD. Это относится к кодированию данных и основным уровням коррекции ошибок, которые поддерживаются дисками CD-DA. Остальные “книги” определяют, в первую очередь, методы обработки 2352 байт, содержащихся в каждом секторе, типы сохраняемых данных, способы их форматирования и т.п.

Всю официальную документацию по CD-стандартам можно приобрести в компании Philips по весьма умеренным ценам. Для получения дополнительной информации обратитесь на сайт www.licensing.philips.com.

В таблице ниже перечислены форматы компакт-дисков.

В начале 2008 года было официально объявлено о прекращении поддержки производителями формата HD-DVD, что знаменовало его проигрыш в конкурентной борьбе с Blu-ray.

Red/ Yellow/ Green Books

Red Book - CD-DA

Стандарт Red Book, представленный компаниями Philips и Sony в 1980 году, является прародителем всех спецификаций компакт-дисков. Все другие “книги” или форматы были созданы на основе оригинального формата CD-DA Red Book. Стандарт Red Book определяет основные параметры диска, звуковую спецификацию, структуру диска, оптические характеристики, системы модуляции и коррекции ошибок, а также систему управления и отображения данных. Последняя редакция стандарта Red Book была опубликована в мае 1999 года.

Более подробно об этом стандарте шла речь в разделе “Немного истории”.

Yellow Book - CD-ROM

Стандарт Yellow Book впервые был опубликован компаниями Philips, Sony и Microsoft в 1983 году и с тех пор несколько раз пересматривался и редактировался. В этом стандарте были приняты за основу геометрические параметры компакт-диска, определенные исходным стандартом CD-DA или Red Book, и добавлен дополнительный код коррекции ошибок, что позволило повысить надежность хранения данных. Были также введены дополнительная синхронизация и заголовочная информация, дающие возможность более точно определять местоположения секторов. Стандарт Yellow Book определяет два способа разбиения на секторы: режим 1 (Mode 1), содержащий код коррекции ошибок, и режим 2 (Mode 2), определяющий различные уровни схем обнаружения и исправления ошибок. Существуют некоторые типы данных (например, компьютерные файлы), совершенно не допускающие ошибок. В то же время данные других типов, например видеоизображения и звуковые файлы, допускают некоторое количество ошибок, возможных при их считывании. При работе в режиме, не содержащем коды коррекции ошибок, увеличивается объем сохраняемых пользовательских данных, но вместе с тем повышается вероятность появления неисправленных ошибок.

В 1989 году стандарт Yellow Book был выпущен Международной организацией по стандартам (ISO) в качестве международного, получившего название ISO/IEC 10149, Data Interchange on Read-Only 120mm Optical Discs (CD-ROM). Последняя редакция стандарта Yellow Book была опубликована в мае 1999 года.

Green Book - CD-i

Стандарт Green Book был опубликован компаниями Philips и Sony в 1986 году. Green Book (CD-i) является не просто форматом диска — это полная спецификация всей интерактивной системы, в которую входят специализированные аппаратные устройства (проигрыватели), подключаемые к телевизору, программное обеспечение, предназначенное для согласования видеоизображения и звука в реальном времени, а также носители и форматы. Проигрыватель CD-i фактически является отдельным компьютером, созданным на базе процессора Motorola 68000 и работающим в операционной системе Microware OS/9 Real Time Operating System.

Стандарт CD-i позволяет звуковым и видеоданным совместно использовать дисковое пространство, а также поддерживает технологию чередования информации для синхронизации изображений и звуков. Для согласования звуков и изображений, занимающих рабочее пространство диска, первоначально предназначенного только для хранения звуковых файлов, предусмотрено сжатие данных. Сжатие видеоданных осуществлялось посредством стандарта компрессии MPEG-1 (Moving Picture Experts Group-1), а сжатие звука — с помощью адаптивной дифференциальной импульснокодовой модуляции (ADPCM). Последняя представляет собой алгоритм кодирования звука, который позволяет примерно вдвое по сравнению с PCM (Pulse-Code Modulation) сократить объем занимаемого пространства, не теряя при этом качества звучания. Снижение качества звука, достигаемое уменьшением частоты дискретизации или числа битов в выборке, еще более сокращает занимаемое пространство. С помощью стандарта ADPCM на один компакт-диск можно записать до 8 часов стереофонического или до 16 часов монофонического звука. “Дифференциальная” часть ADPCM выражается в записи изменения сигнала (посредством только 4-разрядных чисел), что приводит к уменьшению общего объема служебных данных. Звуковые данные ADPCM могут чередоваться с изображениями в приложениях формата CD-i и CD-ROM XA.

Стандарт Yellow Book определяет две структуры секторов CD-ROM, которые называются режим 1 (Mode 1) и режим 2 (Mode 2). В Green Book (CD-i) было усовершенствовано определение сектора Mode 2 благодаря добавлению двух форм, получивших название режим 2, форма 1 (Mode 2, Form 1) и режим 2, форма 2 (Mode 2, Form 2). Определение сектора Mode 2, Form 1 содержит код коррекции ошибок (ЕСС); при этом, подобно секторам Mode 1 стандарта Yellow Book, для хранения данных используется 2048 байт. Кроме того, 8 байт, ранее не используемых (пустых или нулевых), служат подзаголовком, содержащим дополнительную информацию, относящуюся к сектору. Определение Mode 2, Form 2 не предусматривает наличия ECC, что позволяет использовать для хранения данных 2324 байт. Секторы Form 2, не содержащие ECC, могут применяться только для хранения звуковой или видеоинформации, так как эти данные допускают некоторые ошибки при считывании.

Следует заметить, что ПК не могут работать с дисками CD-i без специальных драйверов. Более того, поскольку практически все файлы таких компакт-дисков записаны в формате OS/9, ПК даже не сможет их “увидеть”! Тем не менее уже существуют драйверы, позволяющие распознать файлы этого типа, а некий предприимчивый пользователь даже написал эмулятор CD-i, получивший название CD-iCE, благодаря которому можно выполнять приложения CD-i на обычном домашнем ПК.

Сегодня формат CD-i считается устаревшим. Его последняя редакция была опубликована в мае 1994 года, а в 1998 году компания Philips продала весь каталог пользователей CD-i компании Infogrames Multimedia. Последний проигрыватель дисков CD-i был выпущен Philips в 1999 году, и весьма сомнительно, что новые модели когда-либо еще появятся. Возможности CD-i нашли воплощение в других форматах, использующих спецификации, создаваемые когда-то для CD-i. Например, структуры секторов Mode 2, Form 1 и Form 2 используются в стандарте CD-XA, а формат видеоданных MPEG-1 пригодился для стандарта White Book (CD-Video).

CD-ROM XA

Стандарт CD-ROM XA впервые был опубликован компаниями Philips, Sony и Microsoft в 1989 году и рассматривался в качестве дополнения к стандарту Yellow Book. Он переносит некоторые возможности, ранее определенные стандартом Green Book (CD-i), в стандарт Yellow Book (CD-ROM). В целом стандарт Yellow Book был дополнен тремя основными функциями. Первой из них является расширенное определение секторов Mode 2, получившее название формы; вторая представляет собой чередование (или смешивание) звуковых и видео данных; третья — это стандарт сжатия звуковых данных ADPCM. Последняя редакция стандарта CD-ROM XA была опубликована в мае 1991 года.

Чередование фрагментов

Накопители CD-ROM XA используют метод, называемый чередованием (interleaving). На дисках, записанных в соответствии со стандартом XA, перемежаются фрагменты, содержащие разную по своей природе информацию. При этом в начале каждого фрагмента записывается специальный код, по которому накопитель может определить, с каким видом данных ему предстоит иметь дело на данном участке дорожки — со звуком, текстовой информацией или графическим изображением. Изображения могут быть неподвижными, анимационными или полноценными видеофрагментами. Порядок следования фрагментов может быть совершенно произвольным. Например, на участке дорожки сначала может быть записан видеокадр, после — сегмент со звуковым сопровождением, затем — следующий кадр и т.д. Эти фрагменты в накопителе считываются последовательно, запоминаются в буферной памяти, а затем пересылаются в компьютер, где и происходит их окончательная взаимная синхронизация.

В результате, хотя данные считываются не одновременно (фрагментами), их “выдача” потребителю происходит синхронно, как было предусмотрено создателями конкретного компакт-диска.

Режимы и формы секторов

Режим 1 (Mode 1) является форматом сектора стандарта Yellow Book, содержащего коды ЕСС и EDC, которые обеспечивают безошибочную работу системы. Структура сектора в режиме 1 приведена в таблицах.

В оригинальном стандарте Yellow Book режим 2 (Mode 2) был определен как сектор, не содержащий кодов ЕСС или EDC. К сожалению, режим 1 (включающий ЕСС и EDC) не может чередоваться с режимом 2 на одном музыкальном или информационном компакт-диске. Для согласования данных разных типов на одной дорожке в стандарт Green Book (CD-i) были введены дополнительные подгруппы форматов сектора, которые впоследствии вошли в расширения CD-ROM XA. Это позволило чередовать или “смешивать” на одном диске информацию, не допускающую каких-либо ошибок (например, выполняемые программы или служебные данные), с информацией, допускающей некоторые ошибки (например, звуковые или видеоданные). Существует два варианта записи секторов в режиме 2 (Mode 2) — в форме 1 (Form 1) и форме 2 (Form 2). Структура сектора в режиме 2 и формах 1 и 2 приведены в следующих таблицах.

В режиме 2 в обеих формах добавлены поля подзаголовков, которые идентифицируют тип информации (например, аудио или видео). В форме 2 отсутствует код коррекции ошибок, поэтому увеличивается размер данных по сравнению с формой 1. Сектор этого типа используется для хранения звуковых или видеоданных, при обработке которых возможны ошибки.

Удаление кода коррекции ошибок в режиме 2, форме 2 (например, компакт-диск с видео в формате MPEG) приводит к тому, что увеличивается размер полезных данных и в результате повышается скорость их передачи — до 174,3 Кбайт/с вместо стандартных 153,6 Кбайт/с. Обратите внимание, что секторы в режиме 2, форме 2 никогда не используются для хранения данных или программных файлов, так как информация этого типа не допускает каких-либо ошибок. Более приемлемым вариантом является использование секторов в режиме 2, форме 1.

Звуковые фрагменты для воспроизведения в полностью XA-совместимом устройстве (в форме 2) должны быть записаны по методу адаптивной дифференциальной импульснокодовой модуляции (ADPCM). Это означает, что в накопителе или контроллере SCSI должен быть установлен специализированный процессор для обработки звуковых сигналов.

В связи с этим большинство современных накопителей CD-ROM оказываются лишь частично XA-совместимыми. В них можно считывать смежные фрагменты данных разных типов и диски с многократной записью, но, как правило, в накопителях или контроллерах не устанавливаются звуковые процессоры системы ADPCM.

Orange Book

Стандарт перезаписываемых компакт-дисков Orange Book впервые был опубликован компаниями Philips и Sony в 1989 году. Orange Book состоит из трех частей: часть I описывает перезаписываемый формат CD-MO (магнитооптический), который был предан забвению еще до появления первых компакт-дисков этого типа на рынке; часть II (1989) описывает CD-R, а часть III (1996) — CD-RW. Следует отметить, что компакт-диски CD-R изначально назывались CD-WO (Write-Once — с однократной записью), а CD-RW, в свою очередь, назывались CD-E (Erasable — стираемые).

Структура CD-R, описанная в части II стандарта Orange Book, представляет собой формат с однократной записью и многократным считыванием (Write Once Read Mostly — WORM). После завершения записи CD-R данные не могут быть изменены или дописаны. Записываемые CD-R совместимы со стандартами Red Book и Yellow Book, т.е. читаются стандартными накопителями CD-DA или CD-ROM. Определение CD-R, описанное в части II стандарта Orange Book, разделено, в свою очередь, на два тома. Том 1 определяет скорости записи 1x, 2x и 4x (соотносящиеся со стандартными скоростями дисководов); последняя редакция этого тома (версия 3.1) опубликована в декабре 1998 года. Том 2 определяет скорости записи при быстродействии дисководов, достигающем 16x; последней была версия 0.9, опубликованная в декабре 2000 года.

Часть III стандарта Orange Book описывает CD-RW. Как следует из названия, CD-RW позволяют не только записывать или считывать данные, но также удалять и перезаписывать информацию в дополнение к обычным функциям чтения и записи. Определение CD-RW, описанное в части III стандарта Orange Book, также состоит из двух томов. Том 1 определяет скорости записи 1x, 2x и 4x; версия 2.0, которая является последней, датируется августом 1998 года. Том 2 определяет скорости записи от 4x до 10x и называется иногда высокоскоростным CD-RW; его последняя версия 1.0 опубликована в сентябре 2002 года.

Одним из наиболее важных свойств спецификации Orange Book является возможность многосессионной записи компакт-дисков.

Многосессионная запись

До того как была создана спецификация Orange Book, компакт-диски записывались только одной сессией. Сессия представляет собой нулевую дорожку, за которой следуют одна или несколько звуковых или информационных дорожек, завершенных конечной областью (зоной). Нулевая дорожка занимает на диске 4500 секторов (1 мин или около 9,2 Мбайт данных). Данные, расположенные на нулевой дорожке, указывают, является ли этот диск многосессионным, а также определяют следующий записываемый адрес диска (если, конечно, на диске есть свободное место). Первая конечная область (или единственная, если диск является односессионным либо записан в режиме Disk At Once) занимает 6750 секторов (1,5 мин или примерно 13,8 Мбайт данных). В мультисессионных дисках любые последовательные конечные области занимают 2250 секторов (30 с или 4,6 Мбайт данных).

Многосессионный компакт-диск содержит несколько сессий, каждая из которых имеет собственную нулевую дорожку и конечную зону. Наличие нулевой и конечной дорожек является обязательным для каждой сессии, что приводит к уменьшению свободного дискового пространства. Например, 48 сессий, созданных даже без записи пользовательских данных, занимают практически все пространство 74-минутного диска! Следовательно, число сессий, которые могут быть записаны на диске, должно быть гораздо меньше указанной величины.

Накопители CD-DA и первые CD-ROM могут считывать не более одной сессии, поэтому односессионный метод записи является наиболее распространенным для штампованных компакт-дисков. Стандарт Orange Book поддерживает многосессионную запись и определяет три основных метода (режима) записи:

  • Disk-at-Once (DAO);
  • Track-at-Once (TAO);
  • пакетная запись.

Disk-at-Once

Это метод односессионной записи компакт-дисков, при котором нулевая дорожка, дорожки данных и конечная область диска записываются в течение одной операции без отключения записывающего лазера, после чего содержимое диска уже не подлежит изменению. Диск считается “закрытым” в том случае, если последняя (или единственная) нулевая дорожка записана полностью и не содержит в себе следующего используемого адреса. В этом случае записывающее устройство не сможет записать какие-либо дополнительные данные на компакт-диск. Обратите внимание, что для чтения диска стандартным накопителем CD-ROM “закрывать” диск совершенно необязательно.

Track-at-Once

Для записи многосессионных дисков обычно используется метод Track-at-Once (TAO), или режим пакетной записи. При выполнении записи методом Track-at-Once каждая дорожка сессии записывается отдельно (лазер включается и выключается), после чего сессия закрывается. Закрытие сессии представляет собой процесс такой записи конечной области, чтобы к этой сессии уже нельзя было добавить дополнительные дорожки. Закрытие диска, в свою очередь, означает невозможность записи дополнительных сессий.

Дорожки, записанные в режиме TAO, обычно отделяются одна от другой двухсекундными интервалами. Каждая записанная дорожка содержит 150 служебных секторов, используемых для входа, выхода, создания интервалов и связывания. Накопители CD-R/RW позволяют читать дорожки даже при открытой сессии, но для чтения дорожек в накопителях CD-DA или CD-ROM сессию необходимо закрыть. Для записи дополнительных сессий закрывать сам диск не следует, достаточно закрыть сессию, после чего можно начать следующую сессию и записать еще несколько дорожек. Самое главное: не забывайте, что перед записью дорожек предыдущая сессия должна быть закрыта, т.е. следует создать конечную область. Это же условие является необходимым при чтении дорожек сессии обычными накопителями CD-DA или CD-ROM.

Пакетная запись

Этот метод используется для выполнения нескольких записей на одной дорожке, что позволяет уменьшить нерационально используемое дисковое пространство. В каждом пакете используется четыре сектора для входа, два — для выхода и один — для связывания. Пакеты могут иметь фиксированную или переменную длину, но большинство накопителей, как и программы пакетной записи, используют фиксированную длину, упрощая тем самым способы обработки пакетов.

При записи пакетов обычно используется файловая система UDF (Universal Disk Format), позволяющая работать с компакт-дисками практически так же, как и с гибкими дисками большой емкости. Файлы можно “перетаскивать”, копировать на диск с помощью соответствующих команд и т.д. Всем этим управляют программное обеспечение пакетной записи и файловая система UDF. Во время пакетной записи диска CD-R складывается впечатление, что удаленный или перезаписанный файл исчезает. На самом деле при этом пространство, занимаемое данным файлом, не освобождается. Файловая система просто “забывает” о нем. При записи диска CD-RW освободившееся пространство используется снова, и диск заполняется “под завязку” только в том случае, если общий объем активных файлов превышает объем диска.

К сожалению, различные версии Windows, вплоть до Windows XP, не обеспечивают поддержку пакетной записи или непосредственно файловой системы UDF. Поэтому для чтения дисков, созданных методом пакетной записи, придется установить соответствующие драйверы, а для записи дисков — воспользоваться специальными приложениями. К счастью, накопители CD-RW обычно поставляются вместе с необходимым программным обеспечением. Одной из наиболее распространенных программ пакетной записи является DirectCD, созданная компанией Roxio. С сайта компании Roxio можно также совершенно бесплатно загрузить универсальное приложение для чтения дисков UDF, которое позволяет считывать диски в формате UDF 1.5 (записанные пакетным методом) практически на любом накопителе CD-ROM или CD-RW.

Система Windows Vista обеспечивает более полную поддержку формата UDF. Она способна выполнять форматирование в так называемой “живой файловой системе” (Live File System; так компания Microsoft окрестила формат UDF 2.01), в более старых системах UDF 1.02 и 1.5, а также в последней системе UDF 2.5. Диски с файловой системой UDF 2.01 могут быть прочитаны системами Windows XP/2003/Vista; в последнем случае поддерживается перемещение файлов методом перетаскивания мышью. Файловая система UDF 1.02 создавалась для использования с носителями DVD-RAM; она поддерживается в Windows 98 и многими компьютерами Apple. UDF версии 1.5 совместима с системами Windows 2000/XP/2003/Vista, а также с Linux с версией ядра от 2.6 и выше. UDF 2.5 поддерживается системой Vista. Для поддержки этой файловой системы в Linux следует использовать версию ядра 2.6.20 и выше. Необходимую для этого “заплатку” можно загрузить по адресу http://sourceforge.com.


Примечание!

Система Windows Vista использует файловую систему UDF 2.01 по умолчанию при форматировании компакт-дисков CD и DVD. Для переключения между режимами Live File System и Mastered (без поддержки перетаскивания файлов), а также для изменения версии системы UDF нужно щелкнуть на кнопке Показать параметры форматирования.


Примечание!

Операционная система Windows XP обеспечивает ограниченную поддержку CD-RW в виде так называемого прикладного программного интерфейса образа диска (IMAPI), который позволяет временно (поэтапно) сохранять данные на жестком диске перед их непосредственной записью на компакт-диск в течение одной сессии. При дописывании диска имейте в виду, что каждая дополнительная сессия приводит к появлению ‘‘лишних’’ 50 Мбайт служебных данных. Для чтения дисков в формате UDF 1.5 или более поздних, записанных пакетным методом, необходимо, как и в предыдущих версиях Windows, установить программу считывания UDF. Вместо использования IMAPI рекомендуется установить программу записи компакт-дисков сторонних разработчиков, которая обеспечивает поддержку пакетной записи UDF. К программам подобного рода относятся Easy Media Creator (компании Roxio) и Nero Premium (от Nero AG).

При извлечении диска, записанного пакетным методом, из устройства программа обычно спрашивает, желаете ли вы, чтобы диск был видимым на обычных устройствах CDROM. Если это так, то сессию следует закрыть. Даже если сессия закрыта, впоследствии вы сможете дописать на диск информацию, однако все связано с дополнительными затратами дискового пространства. Если диск предназначен для чтения только на устройствах CDRW, закрывать сессию не обязательно.


Внимание!

Если вы не знаете точно, какой тип устройства будет использоваться для чтения диска, лучше закройте сессию. Это расширит круг людей, которым будет доступно чтение носителя, хотя в некоторых случаях у них может быть установлена и программная поддержка формата UDF.

Один из современных стандартов, получивший название Mount Rainier, существенно расширил возможности пакетной записи, став тем самым одним из наиболее важных достижений для накопителей CD и DVD. Этот стандарт позволяет ввести метод пакетной записи в операционную систему в качестве служебной программы, что обеспечивает поддержку обработки ошибок данных, необходимую для полноценного использования накопителей в качестве запоминающих устройств со сменными носителями. Более подробная информация о Mount Rainier представлена далее.


Примечание!

Компания Microsoft выпустила пакет обновлений SP1 для Windows XP, обеспечив собственную поддержку стандарта Mount Rainier. Это позволило осуществить полную поддержку пакетной записи с использованием операции перетаскивания как для накопителей CD-MRW, так и для DVD+MRW.

PhotoCD

Стандарт PhotoCD, относящийся к накопителям CD-R, используемым для хранения фотографий, был опубликован еще в конце 1990 года, но появился на рынке только в 1992 году. Вначале Kodak продавала специальные “проигрыватели” PhotoCD, предназначенные для просмотра фотографий с помощью обычного телевизора, но вскоре спрос на эти устройства снизился и возрос на компьютеры с программным обеспечением для декодирования и отображения фотографий.

Основным достоинством PhotoCD является, вероятно, то, что он был первым форматом CD, использующим вторую часть (CD-R) спецификации Orange Book с многосессионной записью. Кроме того, данные записываются в секторах CD-ROM XA в режиме 2, форме 2, что позволяет сохранять больший объем данных на диске.

Собственный формат шифрования от Kodak — PhotoYCC — позволял хранить любое изображение с шестью различными разрешениями, перечисленными в таблице. Версия разрешения x64 поддерживалась только основной версией Pro Photo Edition этой службы.

 

С помощью приведенной таблицы можно подобрать необходимое для используемого приложения разрешение, и это было прекрасной возможностью на заре развития технологий работы с графикой. Однако с ростом быстродействия компьютеров, появлением совершенных программ, таких как Adobe Photoshop и Adobe Photoshop Elements, а также скоростных и дешевых устройств записи компакт-дисков CD и DVD формат PhotoCD отходил на второй план. Компания Kodak прекратила развитие этого формата в начале XXI века, а в 2004 году лаборатории, занимавшиеся оцифровкой фотопленок на диски PhotoCD, перестали предлагать этот вид услуг.

Яндекс.Метрика