1. Що таке компакт-диск?
2. Як компакт-диски використовують оптичну лазерну технологію
3. Як записуються та відтворюються компакт-диски
4. Записувані компакт-диски та DVD-диски
5. Як працює компакт-диск, що записується (CD-R)?
6. Як працює перезаписуваний компакт-диск (CD-RW)?
7. Інші типи компакт-дисків
8. Більше про ці нулі та одиниці
9. Хто винайшов компакт-диски?
10. Як працює Blu-ray ™?
11. Чому Blu-ray може зберігати більше інформації
12. Чи стає Blu-ray все більш популярним?

від Кріс Вудфорд . Останнє оновлення: 1 червня 2018 року.

Дивовижно, коли ти задумаєшся: ти можеш зберігати фільм довгими кількома годинами на блискучому шматочку пластику, не більшому за твою руку! Хоча компакт-диски (компакт-диски) існують вже більше 30 років, вони все ще є одним з найпопулярніших способів зберігання музики та комп’ютер дані. У середині 1990-х компакт-диски перетворилися на цифрові відео / універсальні диски (DVD) , які виглядають і працюють аналогічно, але можуть зберігати приблизно в сім разів більше. І тепер у нас є Blu-ray ™, який може зберігати в шість разів більше, ніж DVD - або приблизно в 40 разів більше, ніж CD! Ви ніколи не замислювалися про те, як насправді працюють компакт-диски, DVD та Blu-ray? Давайте докладніше розглянемо!

Примітка. У цій статті ми поговоримо про компакт-диски. Але майже все щодо компакт-дисків також стосується DVD та Blu-ray дисків.

Що таке компакт-диск?

Компактний диск - це тонкий круговий диск метал і пластикові діаметром близько 12 см (трохи більше 4,5 дюймів). Він фактично виготовлений з трьох шарів. Більшість компакт-дисків виготовлена ​​з жорсткого крихкого пластику під назвою полікарбонат . Посередині бутерброд є тонкий шар алюміній . Нарешті, поверх алюмінію, є захисний шар пластику та лаку . Перше, що ви помічаєте на компакт-диску, це те, що він блискучий з одного боку і тьмяний з іншого. На тупій стороні зазвичай є ярлик на ній, який говорить вам, що на CD; блискуча сторона - важлива частина. Це блискуче, щоб a лазер Промінь може відскакувати від диска і читати інформацію, що зберігається на ньому.

Фото: невеликий портативний програвач компакт-дисків компанії Technics. Такі пристосування зараз значною мірою витіснені MP3-програвачами, такими як iPod, які набагато менші та легші та пакують набагато більше музики в той самий простір, стискаючи його цифровим способом. Детальніше про це читайте в нашій головній статті на тему MP3-програвачі .

Як компакт-диски використовують оптичну лазерну технологію

До тих пір, поки не були винайдені компакт-диски, музика зазвичай зберігалася на вінілових (пластикових) записах LP (тривалий відтворення) та касетах. ЛЗ легко дряпалися, тоді як стрічки могли розтягуватись і спотворюватись, а іноді хапати або захоплювати цілком. Обидва ці способи зберігання музики були примітивними порівняно з компакт-дисками. LP грали на вертушках з рухомою рукою, яка підстрибувала вздовж канавки в пластику, читаючи музику, як вона йшла. Запис гравців (або грамофони, як їх іноді було відомо) використовували механічну технологію для запису та відтворення звук : рухома рука перетворила удари в пластик на звуки, які ви могли почути. Касетні стрічки (використовувані в таких речах, як оригінальний Sony Walkmans) працювали по-іншому. Вони зберігали звуки, використовуючи магнітний технології. Коли ви кладете касету у свій Walkman, маленький електричний мотор перетягнув стрічку повз трохи електромагніту. Електромагніт виявив картину магнетизму на стрічці та ан електронний ланцюг змінив це назад у звуки, які фіксували та вискакували у вашому навушники .

Фото: Чудова музика, гнилий CD! Компакт-диски були виставлені на рахунку як практично незнищенні, але деякі ранні ставали жертвою проблеми, званої диск гниття : вони поступово буріють, а шматочки відбивної поверхні зникають, з часом роблячи їх неможливими.

З винаходом компакт-дисків люди нарешті отримали більш надійний спосіб колекціонування музики. CD-програвачі не є ні механічними, ні магнітними, але оптичними: вони використовують миготливі лазерні лампи для запису та зчитування інформації з блискучих металевих дисків. Однією з головних проблем з платівками та касетами був фізичний контакт між програвачем та програвачем чи магнітофоном, який поступово зношувався. У програвачі компакт-дисків єдине, що торкається компакт-диска, - це промінь світла : лазерний промінь нешкідливо відбивається від поверхні компакт-диска, тому сам диск не повинен (теоретично) ніколи не зношуватися. Ще одна перевага полягає в тому, що програвач компакт-дисків може швидко перемістити свій лазер на будь-яку частину диска, тому ви можете миттєво перевернутись із доріжки на трек або з однієї частини фільму в іншу.

Як записуються та відтворюються компакт-диски

Примітка. У поясненнях, які випливають, я навмисно збираюся спростити, як компакт-диски зберігають музику як візерунки нулів та одиниць. Це набагато складніше, ніж я хочу зробити так, і це виходить за межі вступної статті, як ця, але я коротко опишу, що насправді відбувається в самому кінці.

LP записує музику, що зберігається як удари на поверхні пластику, тоді як касети зберігають її за допомогою магнетизму. Такі називаються аналог технологій, оскільки звук зберігається як постійно змінюється візерунок (удари в пластиці запису або коливання магнетизму на касеті). На компакт-диску музика (або інша інформація) зберігається цифровим шляхом (у вигляді довгого рядка чисел). Після того, як музика була записана, вона перетворюється на номери за допомогою процесу, званого вибірки . Майже 50 000 разів на секунду (точніше 44100) елемент електронного обладнання вимірює звук, перетворює вимірювання в число і зберігає його у двійковому форматі (як зразок нулів і одиниць). Процес вибірки перетворює запис CD тривалістю декількох хвилин у рядок мільйонів нулів та одиниць. Це інформація, що зберігається на вашому компакт-диску. Іншими словами, на компакт-диску взагалі немає музики - просто величезний довгий список номерів.

Ілюстрація: Звичайний компакт-диск - це сендвіч із пластику (в який удари притискаються головним диском), світловідбиваючий алюміній та захисний полікарбонатний пластик.

Компакт-диски виготовляються з оригінального «головного» диска. Майстер "спалюється" лазерним променем, який втравлює удари (звані ями ) на його поверхню. Шишка представляє число нуль, тому кожен раз, коли лазер спалює удар в диск, там зберігається нуль. Відсутність шишки (яка є плоскою, незагорілою ділянкою на диску, яка називається землею ) являє собою номер один. Таким чином, лазер може зберігати всю інформацію, відібрану з оригінальної музичної композиції, спалюючи деякі ділянки (представляючи нулі) і залишаючи інші області незапаленими (представляти їх). Хоча ви не можете його побачити, диск зберігає цю інформацію у тісній безперервній спіралі розміром близько 3–5 мільярдів ям. Якби ви могли розмотати спіраль і покласти її по прямій лінії, вона розтягнулася б приблизно на 6 км (приблизно 3,5 милі)! Кожна яма займає площу близько двох мільйонів мільйонної частини квадратного метра. Це дуже крихітно!

Після того, як основний диск зроблений, він використовується для виділення мільйонів пластикових дублікатів - компакт-дисків, які ви купуєте та поміщаєте у свій музичний плеєр чи комп'ютер. Після натискання кожного диска він покривається тонким алюміній шар (так він буде відбивати лазерне світло), покритий захисним полікарбонатом і лаком, а етикетка надрукована зверху.

Записувані компакт-диски та DVD-диски

Коли CD-диски вперше стали популярними у 1980-х, вони продавались лише як компакт-диски, доступні лише для читання (CD-DA, ті, з яких можна було відтворювати музику, але не записуватись на них). Недавно комп'ютерні компанії зрозуміли, що вони можуть використовувати компакт-диски для поширення програмного забезпечення (програм) дуже дешево, і звичайні користувачі комп'ютерів незабаром побачили, що компакт-диски будуть ще кращими, якщо ви зможете писати на них музику та дані, а також просто читати з них . Ось як розробили компакт-диски, що записуються (CD-R), але розроблено, що їх можна було написати лише один раз; ви не можете їх стерти та повторно використати. Однак досить швидко комп'ютерні візкіди розробили перезаписувані компакт-диски (CD-RW), які можна було стерти та переписати будь-яку кількість разів.

Фото: CD / DVD-програвач / переписувач має набагато складнішу лазерну голову для читання / запису, ніж звичайний програвач CD / DVD. Залежно від типу програвача, голова читання / запису повинна вміти читати звичайні компакт-диски та DVD-диски, диски, що записуються, та перезаписувані диски, тому вона дійсно повинна бути здатною до декількох операцій з читання та запису.

Як працює компакт-диск, що записується (CD-R)?

Теоретично, якщо ви хотіли зробити звичайні компакт-диски у власному будинку, вам знадобиться встановити величезну та дорогу машину для пресування компакт-дисків. На щастя, вам цього не потрібно - і це тому, що CD-диски, що записуються, працюють зовсім по-іншому. Цього разу ям та земель, відбитих пластиком, немає. Натомість між захисним полікарбонатом і світловідбиваючим алюмінієм є шар барвника . Зазвичай барвник є напівпрозорим: лазерне світло, що збільшує диск на CD-програвачі, пройде прямо через нього, потрапить у світловідбиваючий алюміній і знову відскочить прямо вниз.

Поки що добре, але як ми зберігаємо інформацію на такому компакт-диску? У програмі CD-R є лазер з більшою потужністю, ніж звичайний, який генерує тепло при ударі диска, "спалюючи" барвник і утворюючи крихітну чорну пляму. Пізніше, коли зчитувач компакт-дисків спрямовує свій лазер на це місце, світло повністю поглинається і не відбивається назад. Це вказує, що нуль ("0") зберігається на диску в цій точці. У місцях, де барвник не згорів, лазерне світло знову відбивається прямо, вказуючи на те, що на диску зберігається "1". Бачите, куди це йде? Створюючи області "спалених" крапок та інші місця, де барвник залишається в спокої, CD-R-письменник створює зразок бінарних нулів і тих, які можна використовувати для зберігання інформації. На жаль, після того, як барвник "спалений", він назавжди трансформується: ви не можете його знову змінити. І тому ви можете записати компакт-диск тільки один раз. Мимохідь зазначимо, що, хоча автори компакт-дисків широко називають записами компакт-дисків , вони насправді не спалюють речі (спалюють їх з киснем): вони просто використовують лазер для зміни світлочутливого барвника.

Ілюстрація: З CD-R бінарна інформація зберігається як «спалені» ділянки (0) та незапалені ділянки (1) у шарі барвника, просоченому між захисним полікарбонатом та світловідбиваючим алюмінієм.

Як працює перезаписуваний компакт-диск (CD-RW)?

Скажімо, вам поставлено завдання розробити тип компакт-диска, який можна записувати чи стирати знову і знову. Зрозуміло, що ви не можете використовувати жоден із розглянутих нами методів (метод "ями та земляні" з аудіо компакт-дисків, доступних лише для читання, або метод "спаленого" -ди, що використовується в CD-дисках). Що вам дійсно потрібно, це компакт-диск, виготовлений із речовини, яку можна легко перетворити назад і назад між двома різними формами, тож її можна використовувати для зберігання шаблону нулів та одиниць, а потім стирати та використовувати для зберігання іншого малюнка пізніше, якщо необхідні.

Більшість з нас дізналися в школі, що атоми (або молекули) в твердих речовин, рідин та газів розташовуються в різних положеннях, з атомами в твердих тілах, щільно зафіксованих між собою. Деякі тверді матеріали складніші за це: їхні атоми (або молекули) можуть бути розташовані двома або більше різними способами, які називаються твердими фазами . (Твердий вуглець, наприклад, може існувати в дуже різних фазах, що включають графіт і алмаз.) Саме це нам потрібно зробити диск CD-RW.

Замість шару барвника CD-RW має шар металевого сплав які можуть існувати у двох різних суцільних формах і змінюватися між собою назад і назад. Це називається зміною фази або зміною фази . Іноді це кристалічно , його атоми / молекули розташовані впорядковано, тому він напівпрозорий і світло може проходити прямо через нього; в інший час його атоми / молекули змішуються в набагато більш випадковій і безладної формі, званій аморфним твердим тілом , яке непрозоре і блокує світло. Коли CD-RW-лазер потрапляє на цей матеріал, він змінює крихітні невеликі його ділянки назад і назад між кристалічною та аморфною формами. Коли він створює кристалічну область, він робить частину компакт-диска відображаючою та ефективно пише одну ("1"); коли він робить аморфну ​​область, він робить компакт-диск невідбиваючим і записує нуль ("0"). Оскільки цей процес можна повторити будь-яку кількість разів, ви можете написати та переписати CD-RW майже стільки разів, скільки вам потрібно!

Ілюстрація: За допомогою CD-RW двійкова інформація зберігається як ділянки металевого сплаву, які є або кристалічними, або аморфними. Кристалічні ділянки мають регулярну структуру, яка пропускає світло до алюмінієвої області і відбивається знову вниз, зберігаючи таким чином. Аморфні ділянки мають випадкову структуру, яка розсіює надходить лазерне світло, тому воно не може відбивати назад, зберігаючи таким чином нулі. CD-переписувач може змінювати металевий сплав на компакт-диску з однієї форми на іншу і знову повертатись, тому такий диск можна стерти та переписати багато разів.

Інші типи компакт-дисків

Спочатку компакт-диски використовувались просто для зберігання музики. Кожен диск міг би зберігати 74 хвилини стереозвуку - більш ніж достатньо для типового запису LP. Протягом 90-х років CD-технологія також стала популярною для зберігання комп'ютерних програм, ігор та іншої інформації. Система PhotoCD Kodak (спосіб зберігання до 100 фотографій на компакт-диску) також була запущена в 1990-х.

Первісна форма комп'ютерного компакт -диска називалася CD-ROM (CD-Read Only Memory) , оскільки більшість комп'ютерів могли читати з них лише інформацію (а не зберігати на них будь-яку інформацію). У ті часи для написання власних компакт-дисків вам потрібен був окремий прилад, який називався "пальник", який часто називали WORM (Write Once Read Many). Зараз комп'ютери частіше мають накопичувачі CD-R або CD / RW для запису власних компакт-дисків, хоча на більшості нових комп'ютерів зараз замість них є DVD-накопичувачі.

Різниця між компакт-дисками та DVD-дисками - це кількість інформації, яку вони можуть зберігати. Компакт-диск може вмістити 650 мегабайт (мільйонів символів) даних, тоді як DVD може набивати принаймні 4,7 гігабайт (тис. Мегабайт) - що приблизно в сім разів більше. Оскільки DVD-диски мають той самий розмір, що і компакт-диски, і вони зберігають у сім разів більше інформації, нулі та одиниці (або ями та землі) на DVD повинні бути відповідно меншими, ніж на CD-диску. На останніх оптичних дисках використовується технологія під назвою Blu-ray для зберігання в шість разів більше даних, ніж DVD-дисків, або в 40 разів більше, ніж компакт-дисків (повне пояснення див. У полі внизу).

Фото: компакт-диски знайомили нас із цифровою музикою, але їх тепер витісняють MP3-програвачі та цифрові завантаження. Чому? Подивіться, як важко тримати в руці лише десяток компакт-дисків. Навіть MP3-плеєр Apple iPod об'ємом 20 Гб може вмістити музику на суму 400-500 компакт-дисків, навіть не моргаючи - і він поміщається у кишені сорочки! Сказавши це, музичний трек на компакт-диску завжди буде звучати краще, ніж еквівалентний MP3, з причин, які ми пояснюємо в нашій статті MP3-програвачі та цифрова музика .

Більше про ці нулі та одиниці

Приємно і легко пояснити компакт-диски, кажучи, що ями відповідають нулям, а землі - одиницям, але це не зовсім так. Інформація на компакт-диску кодується набагато більш тонким способом, який використовує складні та розумні методи кодування даних, включаючи вісім-чотирнадцять модуляцій (EFM) та неввернене до нуля перевернуте (NRZI) кодування. Це звучить надзвичайно технічно, але це не надто важко зрозуміти. EFM по суті просто означає перетворення коротких зразків даних у більш довгі (як це не парадоксально) для їх більш ефективного зберігання з меншим ризиком помилок. NRZI означає, що замість того, щоб читати окремі землі та ями, лазер шукає змін між ямою і землею, або довгими струнами ям і земель, і перетворює їх на одиниці та нулі. Так, наприклад, якщо він читає довгу яму і раптом натрапляє на землю, це трактується як один. Якщо вона читає землю і раптом стикається з ямою, це також трактується як одне. З іншого боку, незмінні ділянки землі або ями обидва трактуються як нулі.

Твір: Як ями та землі кодують нулі та одиниці на поверхні компакт-диска. Перехід від ями до суші або земля до ями кодує один; довжина безперебійної ями або землі кодує нуль.

Навіщо використовувати такі види прийомів замість простого методу «яма дорівнює нулю, земля дорівнює одному», яку я описав вище? Він ефективніше використовує простір на диску (тому ми можемо запакувати більше даних на диск), уникає потреби в дуже коротких або довгих ямах або землях і мінімізує важливість бітів, які втрачаються через подряпини або бруд (так це допомагає виправити проти помилок). Якщо ви не створюєте власний програвач компакт-дисків або не маніпулюєте інформацією про передачу даних, вам дійсно не потрібно точно знати, як ваші дані зберігаються на компакт-диску чи DVD-диску, тож якщо ви хочете думати, як ями нульові і висаджуються, це абсолютно гарне наближення до того, що відбувається - і всі більшість із нас прагне знати. (Для більш детальної інформації ознайомтеся з розділом «Кодування даних» у Посібник з компакт-дисків від Кена К. Польмана, від сторінки 74 далі.)

Хто винайшов компакт-диски?

Технологію компакт-дисків було винайдено наприкінці 1960-х Джеймсом Т. Расселом (1931–). Захоплений шанувальник музики, він прагнув до звукозаписної системи, яка б відтворювала музику точніше, ніж записи LP та касети. Він запатентував першу в історії оптичну систему запису звуку в 1970 році, вдосконалюючи її протягом наступних років. Нарешті, аудіо компакт-диски дебютували в Європі в 1982 році, започатковані електронними корпораціями Sony і Philips, і з'явилися в США наступного року. CD-ROM стали популярними у 90-х роках, коли такі видавництва, як Encyclopedia Britannica, Broderbund, і Dorling Kindersley випустили популярні "мультимедійні" енциклопедії, що містять написаний текст, звук, малюнки, анімацію та відео. Компакт-диски сьогодні менш популярні, завдяки World Wide Web (WWW) , що дозволяє простіше публікувати та оновлювати інформацію миттєво та зв’язувати разом сторінки з безлічі різних джерел.

Як працює Blu-ray ™?

Люди весь час забувають речі, але це насправді не має значення, оскільки у нас є книги, комп’ютери , Компакт-диски, DVD-диски та всілякі інші технології, які допоможуть нам запам'ятати. Ви можете зберігати на DVD-дисках 10 000 книг товщиною - це приблизно в сім разів більше, ніж ви вміщаєте на компакт-диску. Уявіть собі, що: 10 000 книг - це приблизно 200 полиць або 6–7 книжкових шаф, варті чи знань. Але немає такого поняття, як занадто багато інформації. DVD-диски можуть бути дивовижними, але іноді потрібно зберігати ще більше інформації, ніж вони можуть впоратися. Тож подякуйте добру за новий вид диска під назвою Blu-ray, який може зберігати в шість разів більше даних (цифрову інформацію), ніж навіть найкращі DVD-диски - це колосальні 50 гігабайт!

Фото: синій лазер (зліва) та червоний лазер (праворуч). Фото Національної лабораторії енергетичних технологій, Моргантаун люб'язно Міністерство енергетики США .

Чому Blu-ray може зберігати більше інформації

Blu-ray-диски точно такого ж розміру, як і DVD-диски, які самі мають той самий розмір, що і компакт-диски. Як Blu-ray зберігають більше DVD-дисків? Як DVD-диски зберігають більше, ніж компакт-диски? Відповідь проста. Якщо вам коли-небудь доводилося стискати певну кількість тексту на одному аркуші паперу (можливо, зробити плакат) і вам важко було все ввімкнути, ви знаєте, що є просте рішення: ви просто зробите свої слова трохи менше (зменшити розмір шрифту). Ця ж ідея працює, коли ви записуєте комп'ютерні дані на диски лазер балки. На DVD-диску ви можете зберігати більше, ніж на компакт-диску, використовуючи лазерний промінь, який "пише менше". А для читання чи запису диска Blu-ray ви використовуєте лазер, щоб записати ще менші розміри.

На DVD використовується червоний лазерний промінь, який робить світла хвилі з довжиною хвилі 650 нанометрів (0,00000065 метрів або менше однієї сотової ширини людського волосся). Це значно коротше довжини хвилі невидимого, інфрачервоний світло, яке використовує програвач CD (780 нанометрів), тому DVD-диски можуть зберігати більше, ніж компакт-диски. Програвач Blu-ray використовує ще більш точний лазер, ніж DVD-плеєр, із нього виходить промінь блакитного світла, а не червоний або інфаграфічний. Синє світло має набагато меншу довжину хвилі (близько 450 нанометрів), ніж червоне світло, тому синій лазер може записувати речі, які значно менші. Це означає, що диски Blu-ray можуть зберігати фільми у форматі набагато більш високої якості, який називається High Definition (HD), зберігати набагато довші фільми на одному диску або просто зберігати більше. Якщо ви можете помістити чотири півгодини епізоду Друзів на DVD, ви можете помістити 24 епізоди (цілу серію) на диск Blu-ray.

На DVD ви використовуєте червоний лазерний промінь для читання та запису інформації. Інформація, яку ви записуєте на диск, не може бути меншою за розмір променя. Використовуючи набагато тонший блакитний лазерний промінь, Blu-ray може записувати менші розміри та зберігати більше інформації в тому ж просторі.

Чи стає Blu-ray все більш популярним?

Незважаючи на повільний початок, диски Blu-ray починають набирати популярність - тим більше, що конкурентний тип дисків, який називається HD-DVD (DVD з високою чіткістю), впав убік на початку 2008 року. Blu-ray плеєри широко доступні та потужні ігрові машини, такі як Sony PlayStation, вбудовані в накопичувачі Blu-ray. Кілька років тому на ринку було всього кілька сотень Blu-ray дисків; Сьогодні їх налічується десятки тисяч - і ще багато інших відбуватимуться в наступні кілька років.

Blu-ray - це не кінець історії, жодним чином. Лише питання часу, перш ніж хитрі інженери розроблять лазери, здатні запакувати ще більше даних на диск. Але чи будемо ми взагалі використовувати диски взагалі - це інша справа. Більшість людей вже використовують свої широкосмуговий Інтернет з'єднання для завантаження або передачі потоку MP3 музичні доріжки, фільми та Телевізор програми замість цього, і це може бути просто питання часу, поки програвачі дисків взагалі зникнуть. Потім знову сказали те саме про вінілові платівки, коли з'явилися компакт-диски - і це передбачення виявилося неправдивим.