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STORIA
E STANDARD DI PRODUZIONE DEI CD
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All'inizio
degli anni '80 la grande diffusione dei CD Audio e la grande capacità
di immagazzinamento del supporto ottico (ogni minuto di audio
occupa circa 10 Mbyte) faceva pensare ad un loro utilizzo per
memorizzare dati digitali per computer. Le specifiche del CD Audio,
descritte nel Red Book (1982, Philips e Sony) furono adattate
per la memorizzazione dei dati digitali e vennero descritte nel
Yellow Book.
Nel
1987, all'interno del Green Book, Philips e Sony definirono
le specifiche del CD-I (Compact Disc Interactive) che consentiva
di memorizzare programmi interattivi dotati di contenuto multimediale
(audio, video, animazioni,...).
Nel
1993, Philips, Sony e JVC definirono lo standard del Video CD
(White Book) che poteva contenere fino a 70 minuti di video
codificato in MPEG. Nel 1994 lo standard Video CD venne esteso
per consentire una maggiore interazione con l'utente. I Video
CD richiedevano l'utilizzo delle nuove unità multisessione in
grado di riconoscere il formato CD-ROM/XA.
Nel
frattempo Kodak e Philips svilupparono un formato proprietario
in grado di immagazzinare fino a 100 fotografie (o immagini di
qualità fotografica) con vari livelli di definizione. Nacque il
Photo CD.
Nel
1996 venne introdotto il CD-Extra (chiamato anche CD Plus). Questo
formato, destinato al mercato multimediale, è pienamente compatibile
con il formato CD Audio ma può contenere anche una traccia
dati. Se inserito nel lettore di uno stereo, il CD viene visto
come un normale CD Audio ed è possibile ascoltare le tracce
musicali. Se inserito in un lettore CD ROM, oltre a poter ascoltare
le tracce audio, è possibile leggere, ed eventualmente eseguire,
il contenuto della traccia dati. Le specifiche sono state definite
da Sony e Philips all'interno del Blue Book.
Dal
1995 molti CD multimediali sono stati sviluppati in modo
da poter essere letti su piattaforme diverse. La maggior parte
di essi è destinata ai sistemi Windows e Mac. Questi CD vengono
chiamati CD Ibridi in quanto supportano contemporaneamente
lo standard ISO9660, riconosciuto dai sistemi DOS, Windows e Unix,
e l'HFS (Hyerarchical File System) riconosciuto dai sistemi
Apple Macintosh.
Il
Photo CD della Kodak fu il primo CD basato sulla tecnologia
dei CD-R (Compact Disc Registrable). Sono dischi che possono essere
scritti una volta (WORM - Write Once Read Many) e, oggi, possono
essere letti dalla totalità dei CD presenti sul mercato.
Per scriverli è necessario un masterizzatore, periferica sempre
più diffusa ed economica. Il loro formato è stato definito nel
1990 all'interno dell'Orange Book.
Nel
1995 Philips e Sony definirono le specifiche del CD-E (CD Erasable)
chiamato pure CD-RW (CD Rewriteble). Tali dispositivi permettono
di cancellare i dati in un disco e la loro sostituzione con nuove
informazioni. La tecnologia costruttiva dei CD-E consente circa
1000 cicli di cancellazione/scrittura. La maggior parte dei masterizzatori
oggi in commercio è in grado di scrivere CD-E. Purtroppo, a causa
della tecnologia adottata nei CD-E, una buona parte dei lettori
CD presenti in commercio non è in grado di leggere questi dischi.
Per renderli compatibili, i costruttori dovranno eseguire delle
modifiche all'hardware e al firmware dei lettori in modo da abbassare
i valori di soglia dei rilevatori ottici. Il formato CD-RW è stato
descritto nella parte III dell'Orange Book.
Nel
1995 è stato definito un nuovo formato ad alta densità in grado
di memorizzare da 4.7 a 17 Gbyte di informazioni su un singolo
disco. Tale formato viene oggi chiamato DVD (Digital Versatile
Disk).
Il
Compact Disc ha un diametro di 120 mm (80 mm per il formato ridotto
dei mini CD) e uno spessore di 1.2 mm. Il foro centrale ha un
diametro di 15 mm.
Il
disco è realizzato in policarbonato. I dati vengono incisi
su un sottile strato di alluminio riflettente che consente al
laser del lettore di reperire le informazioni in esso contenute.
Per evitare danni al disco, sulla superficie metallica, viene
applicata una vernice protettiva. I dati sono memorizzati in blocchi
costituiti da pit (fori) e land (gli spazi fra i
fori).
Le
fasi necessarie allo stampaggio di un CD ROM sono le seguenti:
- Viene
creata la struttura logica del compact disc. I file e
i dati da memorizzare devono essere formattati secondo gli standard
industriali (ISO 9660, Joilet, HFS, ...). Si crea quindi un
file immagine nel quale, oltre ai dati, vengono aggiunte le
informazioni per la sincronizzazione delle informazioni, i codici
per la correzione degli errori e l'header del CD. Il funzionamento
del Compact Disc viene simulato per mezzo di emulatori software
che sono in grado di evidenziare problemi di performance nell'accesso
ai dati e di correttezza degli stessi. Oggi, tramite un masterizzatore,
è possibile creare un CD-R che può essere testato sui lettori
commerciali.
- Viene
creato l'imaging del disco trasferendo, per mezzo dell'LBR (Laser
Burn Recorder), sulla superficie fotosensibile di un disco di
vetro le informazioni contenute nel file immagine. Tale disco
viene chiamato glass master.
- Immediatamente
dopo essere stato esposto al laser, il glass master viene sviluppato
(il procedimento è simile a quello delle pellicole fotografiche)
in modo da incidere il blocco dei pit. Dopo lo sviluppo, sulla
superficie fotosensibile, viene applicato uno strato protettivo
di argento.
- Il
glass master viene sottoposto ad un bagno galvanico dove
viene rivestito da alcuni strati di nichel. Una volta separato
dal glass master il rivestimento in nichel costituisce il disco
padre del quale è la coppia speculare: al posto dei pit
ci sono dei microscopici rilievi sulla superficie. Dal disco
padre si ottiene (per copia speculare) il disco madre
dal quale si ottengono con lo stesso procedimento i dischi
figli.
- Si
procede alla stampa dei CD commerciali. I dischi figli (può
anche essere utilizzato il disco padre) vengono utilizzati come
stampatori e vengono montati sulla pressa di stampaggio. Tramite
la pressa si incidono i dischi di policarbonato che a loro volta
vengono rivestiti dallo strato di alluminio in modo da ricreare
i blocchi di pit e land. Sulla superficie metallica viene applicata
una vernice protettiva sulla quale viene applicata (o stampata)
l'etichetta.
- Il
compact disc viene confezionato.
Il
compact disc viene letto tramite un piccolo laser all'arseniuro
di gallio. Il lettore CD focalizza, tramite un complesso di lenti,
il laser sulla spirale contenente il blocco dei pit. Se il laser
colpisce un pit, viene diffratto, se colpisce un land viene riflesso
e la sua intensità può essere misurata da un fotorilevatore.
I
pit hanno una larghezza di circa 0.6 micron e una profondità di
0.12 micron. La lunghezza dei pit e dei land varia da 0.833 a
3.56 micron. Ne consegue che la densità di registrazione sul CD
è di circa 16000 tpi (tracce per pollice). Se fosse possibile
srotolare la spirale dei pit di un disco da 120 mm, si otterrebbe
una traccia di 6.4 km di lunghezza.
Si
potrebbe pensare che i pit rappresentino il valore 1 e i land
il valore 0 (o viceversa). Purtroppo non è così: sia i pit che
i land rappresentano degli 0 logici. Il valore 1 è rappresentato
dal passaggio da un pit a un land o da un land a un pit. L'insieme
di land e pit che rappresentano i bit viene chiamato channel
bit. La lunghezza dei pit e dei land indica il numero degli
zeri. Utilizzando pit e land per rappresentare una stringa di
bit, non è possibile rappresentare dei valori 1 consecutivi in
quanto, pur utilizzando la lunghezza minore consentita dagli standard
per rappresentare pit e land, si avrebbero sempre due 0 fra due
1. Per questo motivo un byte di dati non può essere rappresentato
da 8 channel bit. La codifica di un byte consente di rappresentare
256 valori distinti. Per ottenere i 256 blocchi di bit distinti
necessari per rappresentare un byte servono almeno 14 channel
bit. E' quindi necessario creare una tabella di look-up per convertire
i 14 channel bit negli 8 bit necessari per codificare un byte
e viceversa. Il procedimento di trasformazione viene chiamato
modulazione 8:14 o EFM (Eight to Fourteen Modulation).
Esiste
ancora un problema da risolvere: il caso in cui un byte termina
con un 1. Nel caso in cui il byte successivo inizi con 1, il rilevatore
ottico potrebbe non distinguere correttamente i due valori. E'
necessario inserire dei simboli di separazione fra due byte. A
tal scopo si utilizzano 3 bit di unione. In totale, per
rappresentare un byte, sono necessari 14+3=17 channel bit.
L'unità
fondamentale di memorizzazione su un CD è il frame ed è
composto da 24 byte utente. L'insieme di 98 frame forma un settore.
Oltre
ai dati utente, un frame contiene i codici per il rilevamento
e la correzione degli errori, un blocco di sincronizzazione per
l'allineamento delle informazioni e un byte per i cosiddetti subchannel.
Un frame è quindi composto da:
| un
blocco di sincronizzazione |
24+3
channel bit
|
| un
codice subchannel |
14+3
channel bit
|
| dati
utente |
24x(14+3)
channel bit
|
| codici
per il rilevamento e la correzione degli errori |
8x(14+3)
channel bit
|
In
totale sono necessari 588 channel bit.
Durante il processo di lettura
uno speciale dispositivo hardware, presente nel lettore CD, provvede
a decodificare le informazioni memorizzate nel frame.
Il
settore costituisce il segmento logico di base di un CD. I settori
ricorrono per circa 75 volte in un secondo. Le informazioni su
un disco vengono indirizzate in minuti, secondi e settori (mm:ss:ss).
Il
termine inglese disc viene impiegato in riferimento ai
dischi magneto-ottici mentre il termine disk viene utilizzato
per i supporti di memorizzazione magnetici.
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