ELTE Informatikai Kar

Számítógépes alapismeretek

Sándor Antal

Optikai lemezek jellemzői, típusai

Szerző: Berecz Gábor (BEGQAAI.ELTE)

Programtervező informatikus BSc szak, esti tagozat

Tartalomjegyzék

Az optikai adathordozók általános jellemzői, történetük

CD

DVD

HD DVD

Blu-ray

Felhasznált irodalom

Az optikai adathordozók általános jellemzői, történetük

Az optikai adattárolók lézersugár használatával működő nagy tárolási sűrűséget elérő adattároló rendszerek.

Az optikai tárolórendszerekre jellemző, hogy az írás és olvasás lézersugárral történik. Nevüknek megfelelően optikai eljárást használnak (fényvisszaverődés, polarizáció, szórás, fénytörés) az adatok írására és olvasására. Az optikai tároló felületén az adatok rögzítésekor kis méretű mélyedéseket hozunk létre, amelyeken a leolvasáskor a lézersugár szétszóródik, míg az adathordozó-réteg eredeti felületéről visszaverődik. A médium olvasásakor a visszavert fényt érzékeljük, és alakítjuk vissza adatokká. Az optikai tárolókat több tulajdonságuk markánsan megkülönbözteti a mágneses tárolási technológiától: az optikai tárolókra nagy tárolási sűrűség jellemző. Ennek oka, hogy a fény sokkal kisebb felületre fókuszálható, mint a mágneses tárolók elemi tárolófelülete. Másik előnyös tulajdonság az élettartam: az optikai tárolók élettartamát évtizedekben mérik. Az optikai adathordozó előállítási költsége általában alacsony, az árat lényegében a lemezen lévő programok, adatok, zeneszámok és egyéb információk piaci értéke határozza meg, ami mellett az előállítási költség eltörpül. Fontos szempont továbbá az optikai adathordozó cserélhetősége: a használaton kívüli lemezt zárt helyen tárolhatjuk, kompakt mérete miatt könnyen magunkkal vihetjük és másik gépen bonyolult szerelési műveletek nélkül azonnal használatba vehetjük.

Az optikai adattároló rendszerek fejlesztésének kezdete a hatvanas évek közepére nyúlik vissza. Az alapcél: képek nagy adatsűrűségű eszközön történő rögzítése, amelyről később optikai úton azok leolvashatóak. Természetesen a célok között az is szerepelt, hogy az információsűrűség legalább akkora legyen, mint az akkor ismert legnagyobb mágneses adattároló sűrűsége. Az alapkutatásokat – mint az ipar számos más területén – itt is katonai alkalmazások érdekében kezdték. Az első jelentős eredmények közel egy évtizedes kutatómunkát igényeltek. A cégek számos szabadalommal védték a dollármilliárdokba kerülő részeredményeiket.

A 80-as évek elején felmerült az, hogy létrehoznak egy olyan eszközt és adathordozó médiumot, amely a korábbi, mágneses elven működő adathordozók hibáit, korszerűtlenségét – a szalag nyúlása, és ebből adódó futás-egyenetlenség; a hőre és mágnesességre való nagyfokú érzékenység; kevéssé biztos adattárolási biztonság, mely idővel egyenesen arányosan romlik; nagy térfogat; kis kapacitás és viszonylagosan lassú adatelérési sebesség – kívánta véglegesen kiküszöbölni. A polgári ipar technológiai színvonalának akkori állása nem tette lehetővé, hogy a képrögzítés rendszerének polgári célú alkalmazása megtörténjen. De az elért eredmények, publikációk, szabadalmi leírások elegendőek voltak ahhoz, hogy az analóg képjeleket tároló laser disc (LD) mellett megjelenjen a perspektivikus, digitális technikát alkalmazó „lézer hanglemez”, a CD-A, melyet 1982-ben szabványosított rendszerré alakított a Philips és a Sony.

Napjainkra négy formátum használata terjedt el általánosan:

· CD

· DVD

· HD DVD

· Blu-ray lemez

CD

Az optikai adatattárolók – az adatok felírása, leolvasása és a gyártástechnológia szempontjából – három jól elkülöníthető típusra oszthatók:

• Csak olvasható optikai tárolók a ROM (Read Only Memory) típusú CD-k. Ezek a legelterjedtebb típusok és ezekre gondolunk először, amikor a CD szót meghalljuk. Ide sorolható a háttértárolóként használt CD-ROM, a digitális hang rögzítésére használt CD-DA (Digital Audio). (továbbá: CD-A, CD+G, CD-ROM, CD-I, CD-I Ready, CD-I, Karaoke CD, V-CD, CD-V, prerecorded (vagy premastered) MD stb.)

Az egyre bővülő alkalmazási területek arra kényszerítették a fejlesztőket, hogy új megoldásokat keressenek az egyre nagyobb CD tárolókapacitás elérésére. A kutatásokat több irányba indították. A média szempontjából az egyik út az információt hordozó egységek, a pitek méreteinek és a track-ek osztásának csökkentése, mindemellett kidolgozták az egyoldalú-kétrétegű és az oldalanként egyrétegű, de két oldalról is olvasható CD-k – az SDCD és a hdCD rendszerét. Ma már nyugodtan nevezhetjük e CD-ket a mai CD-k új generációjának, hiszen számos olyan jellemzővel rendelkeznek – ezek közé tartozik a rétegstruktúra is – amely jelentősen eltér a ma használatos CD-kétől. A szabványosítás folyamatban van, zavart csupán az okoz, hogy egymástól független, de bizonyos mértékig ellenérdekelt csoportok jutottak el hasonló eredményekhez, s a kompatibilitás biztosítása miatt közösen kell, hogy a legfontosabb paramétereket rögzítsék.

• Az egyszer írható és többször olvasható tárolók a CD-WO-k (Compact Disc – Write Once). Ezt a típust csak CD-R-ként (Compact Disc Recordable), írható CD-ként emlegetjük.

• Újraírható, törölhető, olvasható optikai tárolók a CD-RW (650, 700 MB tárkapacitással) és a CD-MO (Compact Disc – Magneto-Optical, jellemzően 650 MB tárkapacitással) típusúak.

A napi gyakorlatban elterjedt és használt CD típusok (CD-ROM, CD-R, CD-DA) jellemző tárolókapacitása: 74 perc (650 MB), illetve 80 perc (700 MB).

DVD

A 80-as évek közepétől az optikai adattárolók (CD) tömeges elterjedésének tapasztalatai, fejlődésének mindent felülmúló sebessége és térhódítása reális alapokra tette egy jóval nagyobb kapacitású médium megszületésének lehetőségét. 1992-ben létrejött a DVD Konzorcium, mely magába foglalja a világ összes vezető elektronikai nagyhatalmát, akiknek célja létrehozni egy olyan új optikai tárolási szabványt, melynek fizikai méretei megegyeznének a CD-vel, csak a kapacitása lenne nagyságrenddel több. A DVD nem rövidítés, hanem egy fantázianév, mégis két jelentést is tulajdonítanak neki. Kezdetben Digital Video Disc-nek nevezték, később a Digital Versatile Disc (sokoldalú digitális lemez) használata terjedt el. A DVD-lemez fejlesztése még most is folyik, a család elemeinek szabványosítása jelenleg is tart. A DVD rendszer felülről kompatibilis a létező CD-lemezekkel.

Egy DVD lemez külsőre nagyon hasonlít a CD-lemezhez, azonban a nagyobb adatsűrűségnek köszönhetően tárolási kapacitása – az oldalak és tárolási rétegek számától függően – 7-25-szöröse a CD-knél megszokott értékeknek, vagyis kb. a 4,5- 18 GB tartományban van . A DVD lemez kapacitásának ilyen mértékű növelése a hagyományos CD több műszaki jellemzőjének megváltoztatásával érhető el. Az alapvető fizikai különbség a lemezek között, hogy a DVD-lemez mindig két, 0,6 mm vastagságú lemezből, összeragasztással készül, és akár mindkét oldalán tárolhat adatokat. A technológiai fejlődésnek köszönhetően a lemez egy-egy oldalán két felvételi réteg alakítható ki. Az oldalak és rétegek számának kombinálásából jött létre a DVD négy alaptípusa.

1. A legegyszerűbb DVD-lemez, a DVD5 egyoldalas, egyrétegű lemez, a kapacitása 4,7 GB.
2. A kétrétegű egyoldalas lemez, a DVD9 kapacitása 8,54 GB. A két réteg távolsága 20-70 µm, és tiszta gyanta választja el egymástól. A DVD9 lemez előállításakor a két réteget egy-egy 0,6 mm vastag lemez felületén alakítják ki, majd a lemezeket átlátszó ragasztóval összeragasztják. A második rétegben lyukak helyett kiemelkedéseket gyártanak, hogy ragasztás után lyukaknak látsszanak. Az alsó rétegre 0,05 µm vastag, féligáteresztő tükörréteg kerül, hogy a lézersugár a felső adathordozó rétegre is tudjon fókuszálni. A belső réteg olvasásakor egy kicsit látszik a külső réteg is. A féligáteresztő tükör általában alumíniumból készül, és egyenletes felvitele a kétrétegű lemezek gyártásának kritikus pontja. A kétrétegű lemezek érdekes tulajdonsága, hogy míg az első réteg beolvasása a forgástengelytől kezdődik, és az olvasófej kifelé halad, a második réteg mindkét irányban olvasható, azaz a második réteg kívülről befelé is tartalmazhat adatot. Ez olyan alkalmazásoknál előnyös, melyek a lemezre folyamatosan felvett anyagot (mozifilm) tartalmaznak, és külső réteg végén azonnal folytatni kell a belső réteg olvasását. Az átváltás leegyszerűsödik, mivel az olvasó fej helyzete és a lemez forgási sebessége nem változik, csak az olvasófej fókuszát kell a belső rétegre átállítani.
3. A kétoldalas, oldalanként egy rétegű DVD lemez, a DVD10 kapacitása 9,4 GB. A gyártása annyiban tér el a DVD5-lemezétől, hogy mindkét 0,6 mm vastagságú lemezben kialakítanak lyukakat összeragasztás előtt. A második oldal olvasásához a lemezt meg kell fordítani a lejátszóban. Mivel ez például videó lejátszása közben zavaró lehet, ma már inkább a DVD9 lemezeket használják a hasonló nagyságrendű tárolókapacitást igénylő alkalmazásokban.
4. A kétoldalas, oldalanként két rétegű DVD lemez, a DVD18 kapacitása 17,08 GB. A működés elve hasonló a DVD9 lemezekéhez, azonban itt a lemez mindkét oldalán kialakítják a két-két adathordozó réteget. A bonyolultabb gyártási eljárás miatt ez a típus viszonylag ritka, helyette szívesebben használnak két, DVD9 típusú lemezt, például az egyiken a teljes film, a másikon pedig a DVD extrák tárolására.

HD DVD

A HD DVD (High Density Digital Versatile Disc vagy High Definition Digital Video Disc) egy digitális optikai formátum, ami a régebbi DVD szabványt hivatott felváltani. Fejlesztője a Toshiba. Fő riválisa a Blu-ray optikai eljárás, melyet a Sony fejleszt. Lemezeinek mérete egy szabványos CD lemezével megegyezőek. Az eljárás során nem a megszokott 650 nanométeres hullámhosszú vörös lézert használják, hanem 405 nanométeres ibolyakéket, így jóval több adatot lehet felírni vele egy lemezre. A lemez gyártását 2008. március végén befejezték. Típusai az alábbiak:

HD DVD-ROM Triple layer 51GB

Ezek a lemezek háromrétegűek és mindegyik réteg kapacitása 17 GB, így adódik az összesen 51 GB kapacitás.

DVD/HD DVD-ROM Triple layer Twin format

A HD DVD formátum második kiterjesztése amit bemutattak a DVD Forum konferenciáján. Ez egy oldalas lemez, egy DVD és két HD DVD adathordozó réteggel. A DVD réteg kapacitása 4.7 GB a két HD DVD rétegé pedig összesen 30 GB. A hagyományos DVD réteg lejátszható a jelenleg kapható asztali DVD lejátszókkal, míg a HD DVD réteg értelemszerűen a formátumot támogató lejátszókkal olvasható, így könnyítve meg a váltást a HD DVD formátumra.

A Toshiba 2008. február 19-én bejelentette, hogy nem támogatja tovább ezt a szabványt és a szabványhoz tartozó eszközök gyártást.

Blu-ray

A blu-ray disc (röviden: BD vagy BR) nagy tároló kapacitású digitális optikai tárolóeszköz-formátum. A DVD utódjának szánják. Sokáig formátumháborúban állt a HD-DVD-vel. Ezalatt mindkét formátumnak megközelítőleg ugyanannyi támogatót sikerült gyűjtenie. A háborút végül a Warner döntötte el, amikor 2008 elején a cég feladta HD-DVD-vel kapcsolatos terveit és állást foglalt a blu-ray disc mellett. Ezután a NetFlix és a BestBuy kereskedelmi áruházlánc is közölte, hogy kivonja a kínálatából a HD-DVD lemezeket. A formátum győzelméhez valószínűleg a Sony új játékkonzoljának, a PlayStation 3-nak megjelenése és sikere is hozzájárult. Mint ismeretes, eme konzol beépítetten tartalmaz Blu-ray meghajtót, míg a konkurens Microsoft Xbox 360 konzolja "csak" DVD meghajtót, illetve opcionálisan hozzá vásárolható HD-DVD meghajtót. 2008. február 19-én végül a Toshiba bejelentette, hogy fokozatosan leállítja a HD-DVD lejátszók, és felvevők fejlesztését, és gyártását. Így a formátumháború gyakorlatilag véget ért a blu-ray disc győzelmével. Azóta a nagyobb szórakoztató elektronikai gyártók is piacra dobták saját Blu-ray lejátszóikat és íróikat.

Egy jelenlegi, egyoldalas, hagyományos DVD 4,7 GB adatot képes tárolni, ami elegendő egy átlagos 2 órás, normál felbontású filmnek és néhány extra adatnak. De egy nagy felbontású film, aminek sokkal tisztább képe van (HDTV – High-Definition Television), mint egy DVD filmnek körülbelül 5-ször több helyet követel, ezért nélkülözhetetlen olyan lemezek gyártása, amin sokkal több adat fér el, mint egy DVD-n, ahogy a stúdiók is egyre-inkább jobb minőségben gyártják a filmeket. Ahhoz, hogy a HDTV-ről felvegyünk egy több mint 2 órás műsort Blu-ray lemezt kell használnunk, amióta elkezdődött 2000-ben a BS (Broadcast Satellaview) digitális sugárzás és 2003-ban a földi digitális sugárzás.

A Blu-ray technológia elterjedése széles körökben egyelőre várat magára, elsősorban a technológia drágasága miatt.

1. ábra

A DVD felvevő által fogadott és dekódolt jeleket tömörítik egy MPEG kódolóval és úgy rögzítik a lemezre. Hogy a HDTV által sugárzott adást fel tudjuk venni HDTV MPEG2 kódoló szükséges. Azonban még ilyen eszközt nem gyártottak otthoni használatra. A BS digitális adás felvétele esetén a jelek egy program adatfolyamaként („program stream”) érkeznek fixált gyorsasággal, ami 24 Mbps-t jelent HDTV programonként. A BS digitális sugárzása esetén megvan a lehetőség arra, hogy a kiegészítő adatfolyam többszörös legyen, és kívánalom, hogy ezt az adatot felvegyük és olvassuk. Az 1. ábra mutatja, a felvételi kapacitást az adatforgalom és a felvételi idő függvényében. Egy 2 órás felvételhez 22 GB szükséges, ami körülbelül 5-szöröse egy DVD-nek.

Eltérően a jelenlegi DVD-ktől, amik vörös lézert használnak az adatok írásához és olvasásához, a BD kék lézert használ (amiről egyébként a nevét is kapta). A kék lézer rövidebb hullámhosszon működik (405 nanométer), mint a vörös lézer (650 nanométer).

2. ábra

A kisebb fénynyalábbal pontosabban lehet fókuszálni, lehetővé téve, hogy olyan kis gödröcskéből („pits”) is kiolvassunk adatokat, amik csak 0,15 mikrométer hosszúak – ez kevesebb, mint fele a DVD-n található kis gödrök méretének. Mindezen túl a Blu-ray lecsökkentette a sávok szélességét 0,74 mikrométerről 0,32 mikrométerre. A kisebb gödröcskék, a kisebb fénysugár, és a rövidebb sáv-hüvelyk együttesen azt eredményezte, hogy az egyrétegű Blu-ray lemezen több mint 25 GB információt tudunk tárolni – kb. ötször annyi információ, mint amennyit egy DVD képes tárolni; egy dupla rétegű Blu-ray lemezen, pedig mintegy 50 GB-nyi adat tárolható.

A lemezek a digitálisan kódolt videó és audió információt „gödrök”-ben tárolja. Ezek a gödrök („pits”) a lemezen spirálisan helyezkednek el a központból kiindulva a szélek felé. A lézer a gödrök másik oldalát olvassa, – azaz a dudorokat („bumps”), – hogy lejátssza a filmet, vagy a programokat, amit a lemezen tárolunk. Minél több adatot tárolunk a lemezen, annál kisebb és egymáshoz közelebb pakolt gödröknek kell lenniük. Minél kisebb a gödröcske (és ez által a dudor is), annál pontosabbnak kell lennie a lézerolvasónak.

Minden Blu-ray lemez megközelítőleg ugyanolyan vastagságú (1,2 milliméter), akárcsak a DVD-k. De ezen két lemez adattárolása különböző. A DVD-n az adat, mint egy szendvics, két 0,6 milliméter vastag polikarbonát réteg között helyezkedik el. Amelyik polikarbonát réteg az adat tetején helyezkedik el a kettős törés problémáját idézheti elő, amiben az alsó réteg megtöri a lézer fényét két elkülönült fénynyalábra. Ha a fénynyaláb túl szélesen hasad el, akkor a lemez olvashatatlan lesz. Egyébként ha a DVD felszíne nem pontosan sík és ezért nem pontoson merőlegesen a fénysugár rá, akkor arra a problémára vezethet, amint úgy neveznek, hogy „disc tilt”, amiben a lézer sugár eltorzított. Mindezen tulajdonságok, a nagyon körülményes előállításhoz vezetnek. A Blu-ray lemez felülkerekedik az előbb tárgyalt DVD előállítási módon úgy, hogy az adatot egy 1,1 milliméter vastag polikarbonát rétegre helyezi. Amiatt, hogy a tetején van elhelyezve az adat, ezáltal a kettős törés és az olvashatósági problémák nem léphetnek fel. Annak következtében, hogy az olvasó mechanizmusnál az írható réteg közelebb helyezkedik el az objektív lencséhez a „disc tilt” problémáját virtuálisan elimináltuk.

3. ábra

Az adat felszínhez közeli elhelyezkedéséből kifolyólag egy kemény védőréteggel van ellátva a lemez, hogy megvédje a karcolásoktól, illetve az ujjlenyomatoktól. Az eddig említett felépítésből az következik, hogy az előállítási költsége alacsonyabb, mint a DVD-nek. Az adatátviteli sebességben is a BD a gyorsabb. A DVD 10 Mbps gyorsaságával szemben a Blu-ray lemez mintegy 36 Mbps sebességet nyújt a használóknak.

4. ábra

Ebből következik, hogy 25 GB adat másolásához elegendő csupán másfél óra. Ugyanakkor védelem szempontjából is jobb a Blu-ray lemez a mai DVD-knél. Egyedi biztonsági titkosító rendszerrel rendelkeznek, ami annyit jelent, hogy van egy egyedi ID-jük (azonosító), ami védelmet nyújt a film- és szoftverkalózok ellen, illetve a szerzői jogok megsértése ellen. Egyébként, már a Blu-ray technológiának is megjelentek különböző verziói. A Sony cég kifejlesztette az XDCAM-ot és a ProDatát (Profession Disc for Data). Az előbbit televízió társaságoknak és műsorszóróknak, az utóbbit pedig inkább kereskedelmi célra, adattárolónak (például szerverek biztonsági mentésére).

Hogy helyettesíteni fogják-e a DVD-ket a Blu-ray lemezek? A gyártók remélik. Időközben a JVC kifejlesztett egy Blu-ray/DVD Combo lemezt megközelítőleg 33,5 GB kapacitással, ami lehetőséget teremt arra, hogy mindkét formátumú filmet tároljunk egyetlen lemezen.

Felhasznált irodalom

Magyar nyelvű Wikipédia internetes lexikon megegyező szócikkei; 2010. november 1.