Ο ρόλος των αποθηκευτικών μέσων στην τεχνολογία των πολυμέσων έχει γίνει ήδη φανερός. Σε αυτό το κεφάλαιο, θα εξετάσουμε τόσο τον ρόλο των παραδοσιακών μαγνητικών μέσων αποθήκευσης, όσο και των νεότερων οπτικών.
Η Επιλογή Αποθηκευτικού Μέσου
Τα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης υπάρχουν εδώ και αρκετά χρόνια, και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε κάθε είδους εφαρμογή. Παρόλα αυτά, το κόστος ανά MB καθώς και η μειωμένη διάρκεια ζωής τους, έκανε φανερή από πολύ νωρίς την ανάγκη για εύρεση καλύτερων λύσεων για εφαρμογές μαζικής αποθήκευσης αρχείων. Όσον αφορά στα πολυμέσα, το πρόβλημα είναι ακόμα πιο έντονο γιατί το είδος της πληροφορίας είναι γενικά πιο απαιτητικό σε σύγκριση με άλλου είδους εφαρμογές. Επιπλέον, οι περισσότερες εφαρμογές πολυμέσων απευθύνονται στην ευρύτερη αγορά και δεν μπορεί να δικαιολογηθεί υψηλό κόστος. Τέλος, η διανομή αυτών των εφαρμογών απαιτεί ένα μεταφερόμενο αποθηκευτικό μεγάλης χωρητικότητας. Αυτές τις ανάγκες ικανοποιούν τα οπτικά μέσα αποθήκευσης, τα οποία φαίνονται να κυριαρχούν στον χώρο των πολυμέσων σήμερα. Αυτό δεν σημαίνει ότι η χρήση τους είναι αποκλειστική. Το κύριο πρόβλημα τους είναι η ταχύτητα. Απαιτητικές εφαρμογές, όπως η διανομή video, δεν μπορούν να υλοποιηθούν με οπτικά μέσα.
Γενικά, όχι μόνο σε εφαρμογές πολυμέσων, το πρόβλημα της επιλογής αποθηκευτικού μέσου είναι πολυσύνθετο. Ένας μηχανικός που πρόκειται να κάνει μια τέτοια επιλογή πρέπει να λάβει υπόψη του τους ακόλουθους παράγοντες:
· την ποσότητα που θα αποθηκευτεί και τον απαιτούμενο χρόνο προσπέλασης και διαμεταγωγής των δεδομένων
· το είδος της πληροφορίας που πρόκειται να αποθηκευτεί: αριθμητικά δεδομένα, κείμενο, σχέδια, διτονικές ή κλίμακας του γκρίζου εικόνες, έγχρωμες εικόνες, ήχος, video
· τη μεταβλητότητα της πληροφορίας, τους ρυθμούς με τους οποίους λαμβάνεται και αλλάζει, και τη προβλεπόμενη διάρκεια ζωής της
· τον αριθμό των αντιγράφων που ζητούνται, τη διανομή αυτών των αντιγράφων, αν απαιτούνται αντίγραφα σε χαρτί, αν το σύστημα πρέπει να είναι μεταφέρσιμο (portable) μεταξύ διαφόρων τοποθεσιών
· το κόστος της προετοιμασίας της πληροφορίας και των αποθηκευτικών συσκευών
· τον αριθμό των χρηστών και το επίπεδο εμπειρίας τους
· την τυχούσα αναγκαιότητα προσπέλασης από είδη υπάρχοντα μηχανήματα, τα πρότυπα, τις απαιτήσεις backup και ασφάλειας
· τη μετατροπή της υπάρχουσας πληροφορίας στο νέο σύστημα.
Μαγνητικά Αποθηκευτικά
Μέσα
Τα μαγνητικά αποθηκευτικά μέσα είναι κατάλληλα για δυναμικά δεδομένα που απαιτούν συχνές αλλαγές και προσπελάσεις. Χρησιμοποιούνται συνήθως κατά την επεξεργασία των δεδομένων, ενώ για την αρχειοθέτηση προτιμούνται τα οπτικά. Μια άλλη χρήση είναι ως cache όπου κρατούνται τα δεδομένα που πρέπει να προσπελαστούν γρήγορα και για index files σε μεγάλες βάσεις δεδομένων. Σε εφαρμογές, όπως το video-on-demand, κατά τις οποίες μεγάλες ποσότητες πληροφορίας που μεταβάλλονται με το χρόνο πρέπει να μεταδοθούν γρήγορα, τα μαγνητικά μέσα είναι η μόνη επιλογή. Σε γενικές γραμμές, οι επιδόσεις των μαγνητικών μέσων είναι 3 φορές μεγαλύτερες σε σχέση με τα οπτικά.
RAID
Σε αντίθεση με τη φιλοσοφία των παλαιότερων μεγάλων συστημάτων, που χρησιμοποιούσαν έναν αλλά ακριβό δίσκο, το RAID (Random Arrays of Inexpensive Disks) χρησιμοποιεί πολλούς φτηνούς. Τα δεδομένα κατανέμονται σε διαφορετικούς φυσικούς δίσκους ,οι οποίοι αποτελούν το συνολικό σύστημα RAID. Ο τρόπος με τον οποίο συνδέονται αυτοί οι δίσκοι επιλέγεται με βάση: τις επιδόσεις και το κόστος του συστήματος και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων. Υπάρχουν διάφορα επίπεδα συστημάτων RAID, κάθε ένα εκ των οποίων βελτιστοποιεί κάποιων από αυτούς τους παράγοντες:
· RAID 0: Βελτιστοποιεί την ταχύτητα. Δεν υπάρχει πλεονασμός δεδομένων[1] (data redundancy). Είναι κατάλληλο για εφαρμογές όπου απαιτούν υψηλές επιδόσεις και μικρή ασφάλεια.
· RAID 1: Κρατείται ένα αντίγραφο των δεδομένων σε διαφορετικό δίσκο. Η ταχύτητα ανάγνωσης βελτιώνεται, γιατί ο ελεγκτής επιλέγει το πλησιέστερο στα δεδομένα δίσκο. Η εγγραφή είναι σαφώς πιο αργή, γιατί τα δεδομένα εγγράφονται δύο φορές. Ο πλεονασμός το κάνει ιδανικό για δίσκους συστήματος ή για αποθήκευση σημαντικών δεδομένων.
· RAID 0+1: Συνδυάζει τις τεχνικές βελτιστοποίησης της ταχύτητας του RAID 0 με τον πλεονασμό του RAID 1.
· RAID 3: Βελτιώνει την ταχύτητα διαμεταγωγής (transfer rate) του συστήματος. Τα δεδομένα εγγράφονται σε τμήματα (chunks) μικρότερα από το μέσο ζητούμενο μέγεθος. Τα chunks διανέμονται σε όλους τους δίσκους. Μια αίτηση εξυπηρέτησης, κατά μέσο όρο, θα ζητήσει περισσότερα από ένα chunks, οπότε η εξυπηρέτηση μπορεί να γίνει από πολλούς δίσκους που λειτουργούν παράλληλα. Άρα με αυτήν τη μέθοδο τα δεδομένα μεταδίδονται πιο γρήγορα.
· RAID 5: Τα chunks έχουν μεγαλύτερο μέγεθος από το μέσο ζητούμενο. Κατά συνέπεια, μια αίτηση εξυπηρέτησης μπορεί να ικανοποιηθεί από έναν μόνο δίσκο, γεγονός που επιτρέπει την παράλληλη εξυπηρέτηση και άλλων αιτήσεων από τους άλλους δίσκους. Μεγιστοποιείται δηλαδή ο ρυθμός εξυπηρέτησης των πελατών.
· RAID 6: Η ταχύτητα του είναι παρόμοια με αυτή του RAID 5. Η ταχύτητα εγγραφής είναι λίγο χειρότερη, αλλά μπορεί να αντέξει σφάλματα δύο δίσκων.
Το ενδιαφέρον για την τεχνολογία των δίσκων RAID, όσον αφορά στα πολυμέσα, επικεντρώνεται στην υλοποίηση εξυπηρετητών εφαρμογών πολυμέσων, όπως το video-on-demand. Για παράδειγμα, το σύστημα Digital Equipment’s Video Interactive Information Server χρησιμοποιεί την τεχνολογία RAID 5.
Οπτικά Αποθηκευτικά Μέσα
Τα πρώτα πρωτότυπα οπτικών μέσων αποθήκευσης παρουσιάσθηκαν από την Philips και την MCA το 1972. Η πρώτη εμπορική μορφή οπτικού μέσου αποθήκευσης εμφανίστηκε στις αρχές τις δεκαετίας τους 80 από την Philips και την Sony και ήταν το CD (Compact Disk). Αν και, αρχικά, κατάλληλο μόνο για μουσική, η τεχνολογία επεκτάθηκε και για την αποθήκευση ψηφιακής πληροφορίας. Έτσι, το 1987 εμφανίστηκε το CD-RΟΜ (Compact Disk-Read Only Memory), το οποίο είναι κατάλληλο για χρήση σε υπολογιστές. Ακολούθησαν και άλλες επεκτάσεις που οδήγησαν σε μια πληθώρα προτύπων, τα οποία θα περιγράψουμε παρακάτω.
Η πληροφορία σε ένα οπτικό μέσο μπορεί να αποθηκεύεται ψηφιακά, όπως στο CD ή αναλογικά. Δηλαδή, εκτός από τα ψηφιακά οπτικά μέσα, υπάρχουν και τα αναλογικά. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι τα videodisks. Το ενδιαφέρον μας θα επικεντρωθεί στα ψηφιακά τα οποία κυριαρχούν στον κόσμο των πολυμέσων.
Ψηφιακά Οπτικά Αποθηκευτικά Μέσα
Οι πρώτοι CD-δίσκοι μουσικής,
εμφανίστηκαν το 1982. Το 1985 η τεχνολογία τους επεκτάθηκε ώστε να υποστηρίζει μέχρι
και 550MB ψηφιακής πληροφορίας. Το βασικό πρόβλημα στην χρησιμοποίηση αυτού του format, που
αργότερα ονομάστηκε CD-ROM,
σε εφαρμογές πολυμέσων, ήταν ο μη ικανοποιητικός
χώρος για την αποθήκευση video και ο περιορισμένος ρυθμός διαμεταγωγής ,που δεν ξεπερνούσε το 1.5Mbit/s
Τα επόμενα δύο χρόνια εμφανίστηκαν δύο νέα formats το CD-ROM XA και το CD-I που υποστήριζαν μίξη κειμένου, εικόνας, ήχου και video πλήρους οθόνης και χρώματος (full screen full motion).
Τα είδη οπτικής αποθήκευσης, που έχουμε
αναφέρει ως τώρα, επιτρέπουν μόνο την αναπαραγωγή της πληροφορίας και είναι
κατάλληλα για μαζική διανομή. Η πληροφορία προεγγράφεται πάνω σε ένα δίσκο-μήτρα (master disk), από τον οποίο παράγονται μαζικά τα
αντίγραφα. Σε αντίθεση με αυτά, υπάρχουν και άλλα είδη οπτικών μέσων τα οποία
είναι κατάλληλα και για ανάγνωση και για μία (WORM-Write Once Read Many, CD Recordable) ή πολλές (ΜΟ, Magneto
Optic) εγγραφές. Τόσο οι δίσκοι όσο και οι οδηγοί (drives) αυτών
έχουν διάφορα μεγέθη και χωρητικότητες. Οι δίσκοι μπορεί να έχουν μία ή δύο
πλευρές.
Οι οδηγοί των οπτικών δίσκων εμφανίζονται σε τρεις μορφές:
1.
Ανεξάρτητους οδηγούς που δέχονται ένα
μόνο δίσκο. Αυτοί οι οδηγοί μπορεί να είναι είτε εσωτερικοί είτε εξωτερικοί
2.
Οδηγούς που δέχονται πολλούς δίσκους.
3.
Juke
Boxes-μονάδες που μπορούν να υποστηρίξουν μέχρι και 100
δίσκους, που επιλέγονται αυτόματα από ένα μηχανικό βραχίονα ανάλογα με τις
ανάγκες.
Αρχή Λειτουργίας Των Οπτικών Δίσκων
Ας δούμε πως γίνεται η εγγραφή και η ανάγνωση της
ψηφιακής πληροφορίας σε ένα δίσκο CD. O δίσκος έχει διάμετρο 12mm και πάχος 1.2mm. Πάνω στο
δίσκο υπάρχουν κοιλάδες (pits) και νησίδες
(lands). Η μετάβαση από μια κοιλάδα σε νησίδα ή το αντίστροφο αντιπροσωπεύει
το ψηφίο 1, ενώ η απουσία μετάβασης το
0. Οι κοιλάδες και οι νησίδες χαράσσονται σε ένα πλαστικό υλικό,
παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στους φακούς επαφής, πάνω από μια
ανακλαστική επιφάνεια, σχηματίζοντας μια σπείρα από το κέντρο του δίσκου προς
το εξωτερικό. Η μηχανή ανάγνωσης αποτελείται από μια δίοδο laser που
εκπέμπει υπέρυθρη ακτίνα πάνω στην επιφάνεια του δίσκου. Η ακτίνα laser ανακλάται
πάνω στο ανακλαστικό υλικό, και ανιχνεύεται από ένα φακό που βρίσκεται επίσης
πάνω στην κεφαλή ανάγνωσης. Επειδή οι νησίδες ανακλούν τη δέσμη ενώ οι κοιλάδες
τη διασκορπίζουν, δημιουργείται μια ακολουθία ασθενών και ισχυρών ανακλάσεων η
οποία οδηγείται σε μια που μετατρέπει
τις διακυμάνσεις του φωτός σε ανάλογη τάση. Το ψηφιακό σήμα που προκύπτει,
μπορεί να στη συνέχει να μετατραπεί σε αναλογικό (CD-DA)ή και να
χρησιμοποιηθεί ως έχει (CD-ROM).
Σχήμα 6-1. Τομή ενός δίσκου CD
Η χωρητικότητα ενός δίσκου CD εξαρτάται από κυρίως από την πυκνότητα εγγραφής της πληροφορίας. Λέγοντας πυκνότητα, αναφερόμαστε στο μέγεθος και τις αποστάσεις μεταξύ των κοιλάδων και των νησίδων, και στις αποστάσεις μεταξύ διαδοχικών σπειρών. Το πόσο μεγάλη πυκνότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί εξαρτάται κυρίως από την διακριτικότητα της ακτίνας laser που χρησιμοποιείται. Η διακριτικότητα είναι μέγεθος αντιστρόφως ανάλογο του μήκους κύματος. Στα συνήθη CD, χρησιμοποιείται υπέρυθρη ακτίνα με μήκος κύματος 780nm. Το ιδανικό είναι να χρησιμοποιηθεί μπλε ακτίνα laser, που έχει πολύ μικρότερο μήκος κύματος. Όμως η παραγωγή μιας διόδου που να εκπέμπει τέτοια ακτίνα, με λογικό κόστος, είναι ένα πρόβλημα άλυτο μέχρι σήμερα.
Πλεονεκτήματα και Περιορισμοί των Οπτικών
Μέσων
Ας συνοψίσουμε όσα έχουμε είδη αναφέρει για τα πλεονεκτήματα των οπτικών μέσων, όλα τα είδη τους προσφέρουν τα εξής:
· μεγάλο χώρο αποθήκευσης
· τυχαία προσπέλαση στα δεδομένα
· μεγάλη διάρκεια ζωής (30-40 χρόνια)
· μικρό κόστος ανά ΜΒ
· μεταφερσιμότητα
Επιπλέον, οι οπτικοί δίσκοι WORM προσφέρουν
το πλεονέκτημα της ασφάλειας των δεδομένων, αφού δεν μπορούν να σβηστούν ή
αλλαχθούν. Αυτό το χαρακτηριστικό μπορεί να θεωρηθεί και ως μειονέκτημα,
γιατί καθιστά τους δίσκους αυτούς
ακατάλληλους για δίσκους συστήματος και για επεξεργασία δεδομένων.
Οι μαγνητοοπτικοί δίσκοι έχουν το χαρακτηριστικό της επανεγγραψιμότητας, αλλά υστερούν σε ταχύτητα. Τόσο ο μέσος χρόνος προσπέλασης όσο και ο ρυθμός διαμεταγωγής είναι περίπου 4 φορές χειρότεροι σε σχέση με τους μαγνητικούς δίσκους. Παρόλα αυτά, οι επιδόσεις τους αυξάνουν ραγδαία, και ίσως στο μέλλον να έχουμε μαγνητοοπτικούς δίσκους στη θέση των μαγνητικών.
Όσον αφορά στα CD-ROM και CD-Recordable, αυτά αποτελούν ένα άριστο μέσω διανομής προγραμμάτων και πληροφοριών, αλλά είναι πολύ αργά για την αναπαραγωγή υψηλής ποιότητας βίντεο. Αυτό οφείλεται κυρίως στον τρόπο εγγραφής της πληροφορίας πάνω στον οπτικό δίσκο, ο οποίος απαιτεί μεταβλητή γωνιακή ταχύτητα και σταθερή γραμμική (CLV-Constant Linear Velocity). Αυτό είναι και το μεγαλύτερο εμπόδιο στην αύξηση της ταχύτητας του CD-ROM Επιπλέον, η κεφαλή σε έναν οδηγό CD-ROM είναι γενικά βαρύτερη από αυτή ενός οπτικού δίσκου. Αυτό σημαίνει μεγαλύτερη αδράνεια και μεγαλύτερο χρόνο σταθεροποίησης πάνω από το ζητούμενο frame. Η κατάσταση βελτιώνεται συνεχώς, και από 150KB/s ρυθμό διαμεταγωγής που είχαν οι πρώτοι οδηγοί απλής ταχύτητας, έχουμε φτάσει στα περίπου 1000ΚB/s των οδηγών οκταπλής ταχύτητας. Ο μέσος χρόνος προσπέλασης δεν έχει βελτιωθεί ανάλογα, και είναι σήμερα γύρω στα 150ms. Γι’ αυτό η χρήση τους είναι προβληματική για απαιτητικές interactive εφαρμογές πολυμέσων.
CD Πρότυπα
Το 1980 η Philips και η Sony δημοσίευσαν από κοινού το «Κόκκινο
Βιβλίο» για την καθιέρωση του CD-Audio ως παγκόσμιο standard. Αυτό ήταν το πρώτο από την σειρά των standards των σχετικών με την τεχνολογία των compact disks και ακολούθησαν κι άλλα βιβλία που διακρίνονται από τα χρώματα που
αναφέρονται στους τίτλους τους.
Το Κόκκινο Βιβλίο καθόρισε τις βασικές αρχές κατά τις
οποίες αναπτύχθηκε το CD. Φυσικές διαστάσεις του δίσκου,
εγγραφή των δεδομένων σε ένα μοναδικό ρεύμα από το εσωτερικό προς τα έξω,
παρουσίαση των δεδομένων στην κεφαλή ανάγνωσης με μια σταθερή γραμμική ταχύτητα
σε σχέση με μια μεταβλητή ταχύτητα περιστροφής κλπ. Προκειμένου τα δεδομένα στο
δίσκο να μπορούν να χειριστούν αποτελεσματικά αποφασίστηκε να διαιρεθούν. Το
βασικότερο μέρος της πληροφορίας χαρακτηρίστηκε ως frame. Κάθε frame αποτελείται από 588bits (διακριτά δυαδικά ψηφία) από
τα οποία τα 192 μπορεί να χρησιμοποιηθούν για μουσική, τα 388 για διαμόρφωση
και διόρθωση λάθους και το 1 για έλεγχο.
Μέσα σε ένα frame, αυτά τα 192bits που χρησιμοποιούνται για τη μουσική ομαδοποιούνται σε 24Bytes. Ενα σετ από 98 frames αποτελεί ένα sector. Οι sectors,που ο καθένας περιέχει συνολικά 2352Bytes, ομαδοποιούνται
σε tracks
(το κόκκινο βιβλίο καθορίζει σα μέγιστο τα 99 tracks).
Σε κάθε CD η επιφάνεια που καλύπτουν τα tracks αναφέρεται ως περιοχή προγράμματος. Σε αυτή την περιοχή η εισαγωγή γίνεται
με το lead-in και η έξοδος με το lead-out. Οι πληροφορίες σχετικά με την
θέση και το περιεχόμενο του κάθε track αποθηκεύεται στον πίνακα
περιεχομένων (TOC), ο οποίος βρίσκεται στο τέλος του lead-in.
Με το κίτρινο
βιβλίο, το οποίο εκδόθηκε το 1984, η Philips και η Sony αναγνώρισαν το ρόλο του CD όχι
μόνο ως φορέα ανώτερης ποιότητας ήχου, αλλά και ως ένα βολικό μέσο μεταφοράς
και αποθήκευσης μεγάλου μεγέθους αναγνώσιμων δεδομένων υπολογιστή.
Το νέο CD-ROM (Compact Disk -
Read Only Memory) απαιτούσε κάποιες ανακατατάξεις και αναπροσαρμογές
σε σχέση με το πρώτο standard. Τα frames αποτελούσαν
μικρή μονάδα για τα δεδομένα και τα tracks (περιορισμένα
σε ένα μέγιστο των 99) πολύ μεγάλα για να είναι πρακτικά. Ετσι επιλέχτηκε το sector σα βασική μονάδα διεύθυνσης. Επιπλέον, προκειμένου να υπάρχει αξιόπιστη
λειτουργία απαιτούνταν η βελτίωση στους ρυθμούς λαθών bit. Για
αυτό το λόγο,το κίτρινο βιβλίο πρόσθεσε στον κάθε sector ένα
επιπλέον επίπεδο διόρθωσης με τη μορφή κώδικα ανίχνευσης λαθών και διόρθωσης (EDC/ECC).
Ενα συγκεκριμένο sector ενός CD-ROM περιέχει 12Bytes για συγχρονισμό, 4Bytes για
επικεφαλίδα (3 για διεύθυνση, 1 για δείκτη κατάστασης), 2048Bytes για δεδομένα χρήστη και 288Bytes για EDC/ECC. Ενα sector με αυτά τα χαρακτηριστικά λέμε ότι είναι
φορμαρισμένο σε mode 1. Είναι όμως δυνατόν να έχουμε το δείκτη της
κατάστασης και σε mode 2. Οι sectors της mode 2
θυσιάζουν το επιπλέον επίπεδο για EDC/EEC, όπου
αυτό δε χρειάζεται (π.χ. εκεί όπου αποθηκεύονται ηχητικές και οπτικές
πληροφορίες), και με τον τρόπο αυτό δίνουν 288Bytes επιπρόσθετα
για δεδομένα χρήστη σε κάθε sector.
Τα CD που περιέχουν πληροφορίες και
σε mode
1 και σε mode 2 είναι γνωστά και σαν mixed mode και τυπικά προσφέρουν δεδομένα ROM και ήχο προδιαγραφών
κόκκινου βιβλίου που μπορεί να ληφθεί άμεσα από κάποια έξοδο ήχου που έχουν τα
περισσότερα CD-ROM drives χωρίς την ανάγκη παρουσίας κάρτας ήχου στον
υπολογιστή. Τέτοιοι δίσκοι αποθηκεύουν τα δεδομένα και τα περιεχόμενα ήχου σε
διακριτές περιοχές (διαφορετικά tracks). Ενας συμβατικός δίσκος CD-ROM σε mode
1 μπορεί τυπικά να περιέχει μέχρι 340000 sectors και συνεπώς προσφέρει χωρητικότητα δεδομένων χρήστη της τάξης των 680ΜΒ. Το
κίτρινο βιβλίο καθιέρωσε το μεγαλύτερο μέρος σε σχέση με τη δομή του δίσκου που
απαιτούταν ώστε να γίνει ένα διεθνώς επιτυχημένο standard. Ωστόσο, το 1985 προστέθηκε ένα τελευταίο συστατικό. Αυτό έγινε με τη
συμφωνία High Sierra (γνωστό αργότερα σαν standard ISO
9660) όπου συμμετείχαν η Philips,η Sony
και η Microsoft. Αποσκοπούσε στην καθιέρωση
ενός κοινού format ή δομής για την παρουσίαση αρχείων δεδομένων
χρήστη σε ένα δίσκο CD-ROM. Η προοπτική ήταν να επιβεβαιωθεί ότι κάθε χρήστης
χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε CD-ROM drive θα
μπορούσε,έχοντας εγκαταστήσει ένα οδηγό λογισμικού που ακολουθεί το ISO 9960, να έχει πρόσβαση σε οποιοδήποτε συμβατό δίσκο. Υπό αυτές τις συνθήκες
ένας δίσκος θα μπορούσε πάντα να αναγνωριστεί ακόμα και αν τα προγράμματά του
δεν μπορούν να εκτελεσθούν λόγω έλλειψης ικανού λογισμικού, μειωμένων
προδιαγραφών hardware ή ασυμβατότητας πλατφόρμας (λειτουργικού
συστήματος).
Η εισαγωγή του Πράσινου
Βιβλίου είχε αφορμή το ότι αρχικά το CD-ROM
αντιμετωπιζόταν κυρίως σα μέσο μεταφοράς πληροφοριών κειμένου. Το τελευταίο
ήταν συνέπεια του ότι το Κίτρινο Βιβλίο δεν είχε προνοήσει συγκεκριμένα για το
χειρισμό εικόνων και ήχου (με εξαίρεση τον ήχο κατά το Κόκκινο Βιβλίο). Σαν
αποτέλεσμα, όπου οι εφαρμογές απαιτούσαν τέτοια λειτουργικότητα, οι σχεδιαστές
έπρεπε να σχεδιάζουν μηχανικούς αντάπτορες ειδικών γραφικών και τυπικά να
συμβιβάζονται με τις απαιτήσεις στη χωρητικότητα αποθήκευσης ήχου του Κόκκινου
Βιβλίου και στους περιορισμούς των αργών ρυθμών μεταφοράς των CD-ROM. Το Πράσινο Βιβλίο ήρθε να λύσει τα προβλήματα αυτά με την παρουσίαση του CD-i.
Το Πορτοκαλί
Βιβλίο. Ο λόγος που οδήγησε στην ιδέα του Photo-CD ήταν η αποθήκευση ακίνητων φωτογραφικών εικόνων σε διάφορα επίπεδα ανάλυσης
στο δίσκο. Κάθε εικόνα αποθηκεύεται σε συμπιεσμένη μορφή (Kodak Image PAC) και
υπακούει στο format Form 1, Mode 2 του Πράσινου βιβλίου.
Η πρόσβαση στις εικόνες είναι δυνατή από ένα μεγάλο
αριθμό πλατφόρμων συμπεριλαμβανομένων των Photo-CD players, των CD-i players και των υπολογιστών που είναι εφοδιασμένοι με CD-ROM XA drives (στα δύο τελευταία απαιτείται και το κατάλληλο λογισμικό ανάγνωσης).
Μια καθοριστική διαφορά ανάμεσα στο Photo-CD και τα προηγούμενα CD formats είναι ότι ο δίσκος είναι
εγγράψιμος, αν και μια μόνο φορά. Αναδρομικά είναι δυνατή η προσθήκη νέων
εικόνων στον ίδιο δίσκο. Αυτή η νέα λειτουργία θέτει κάποια συγκεκριμένα
προβλήματα, ειδικά σε σχέση με τον πίνακα περιεχομένων του δίσκου (TOC).
Δεδομένης της φύσης του Photo-CD (εγγράψιμο μια φορά),είναι φανερή η δυσκολία που παρουσιάζεται καθώς ο
πίνακας περιεχομένων δημιουργείται με την αρχική εισαγωγή εικόνων στο δίσκο. Αν
στη συνέχεια προσπαθούσαμε να εισάγουμε νέες εικόνες στο υπόλοιπο άδειο μέρος του
δίσκου, τότε η δομή και η θέση του πίνακα περιεχομένων δε θα το επέτρεπε,αφού
δε θα μπορούσε να αλλάξει. Ομως, η δυσκολία αυτή ξεπερνιέται με το Πορτοκαλί
Βιβλίο.
CD-DA (Compact Disk – Digital Audio)
ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ
Η δειγματοληψία είναι η απαραίτητη διαδικασία για την
μετατροπή ενός αναλογικού ηχητικού σήματος σε ψηφιακό. Το θεώρημα Nyquist καθορίζει το πόσο γρήγορα πρέπει να λαμβάνονται τα δείγματα ώστε να είναι
ακριβής η αναπαράσταση του αναλογικού σήματος. Το θεώρημα αυτό είναι αρκετά
απλό και εκφράζει ότι η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή
ίση του διπλάσιου της μέγιστης συχνότητας του αρχικού αναλογικού σήματος:
fs>=2f ή Ts<=T/2
Για να ισχύει το παραπάνω πρέπει το αρχικό σήμα να είναι
ζωνοπερατωθεί στο μισό της συχνότητας δειγματοληψίας περνώντας από ένα ιδανικό
βαθυπερατό φίλτρο. Επίσης, το σήμα εξόδου πρέπει να περάσει πάλι από ένα
ιδανικό βαθυπερατό φίλτρο για να αναπαράγει το αναλογικό σήμα. Αυτοί οι
περιορισμοί είναι βασικοί για τη δειγματοληψία γιατί αλλιώς παρατηρείται σε ένα
φαινόμενο γνωστό ως aliasing. Πρόκειται για μια λανθασμένη απόκριση του συστήματος η οποία γίνεται
φανερή στο ηχητικό σήμα με τη μορφή παραμόρφωσης. Στην οριακή περίπτωση όπου η
συχνότητα δειγματοληψίας είναι ίση ακριβώς με το διπλάσιο της μέγιστης
συχνότητας του σήματος, θα παραχθούν μόνο δύο δείγματα του σήματος που είναι
και η ελάχιστη απαίτηση αναπαράστασης της αρχικής κυματομορφής. Για σήματα
μεγαλύτερα του fs/2 η διαδικασία της δειγματοληψίας μπορεί να θεωρηθεί
ως διαμόρφωση του σήματος εισόδου.
ΚΒΑΝΤΟΠΟΙΗΣΗ
Προκειμένου να αναπαραστήσουμε κάθε δείγμα με τη μορφή
μιας δυαδικής σειράς από bits πρέπει στο συνεχώς
μεταβαλλόμενο πλάτος της τάσης του αναλογικού σήματος να αναθέσουμε μια
διακριτή τιμή. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται κβαντοποίηση. Είναι σημαντικό να
τονίσουμε ότι η δειγματοληψία και η κβαντοποίηση είναι συμπληρωματικές
διαδικασίες. Ο συνδυασμός των δύο αυτών διαδικασιών καλείται ψηφιοποίηση. Η
κβαντοποίηση παίζει καθοριστικό ρόλο στο σχεδιασμό του συστήματος ψηφιακού ήχου.
Ανάλογα με τις στάθμες κβαντοποίησης προσδιορίζεται το format του
ψηφιακού ήχου. Περισσότερα bits ψηφιακού ήχου επιτρέπουν πιο
ακριβή κβαντοποίηση. Ωστόσο, πάντοτε στην κβαντοποίηση επεισέρχεται κάποιο
σφάλμα το οποίο ελαχιστοποιείται όσο πυκνώνουν οι στάθμες κβαντοποίησης. Το
σφάλμα αυτό εκφράζεται από το λόγο σήματος προς σφάλμα (signal-to-error
ratio)
S/E(dB)=6.02n+176
όπου το n στον παραπάνω τύπο αντιπροσωπεύει τον αριθμό των bits της
λέξης στο format του ψηφιακού ήχου. Για παράδειγμα, σε ένα 16bit σύστημα η θεωρητική τιμή του λόγου αυτού είναι 98dB. Η
παρουσία αυτού του σφάλματος γίνεται εντονότερη όταν έχουμε σχετικά ασθενή
σήματα εισόδου. Σε πολλά συστήματα το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται με τη
μέθοδο του dither. Mε τη μέθοδο αυτή αντιμετωπίζεται και η ενδεχόμενη
απώλεια πληροφορίας εξαιτίας πολύ χαμηλών σταθμών σήματος. Το dither συνίσταται στην πρόσθεση αναλογικού θορύβου χαμηλής στάθμης στο αρχικό
σήμα.
Οι προδιαγραφές του compact disc audio αναπτύχθηκαν από κοινού από τις εταιρίες Sony, Philips και Polygram και έχουν καταχωρηθεί στο «κόκκινο βιβλίο». Οι
προδιαγραφές αυτές φαίνονται συνοπτικά παρακάτω.
ΔΙΣΚΟΣ
|
|
|
Χρόνος αναπαραγωγής |
74
min 33 sec (μέγιστος χρόνος) |
|
Φορά περιστροφής |
αντίθετη της φοράς των δεικτών του ρολογιού |
|
Ταχύτητα περιστροφής |
1.2-1.4 m/sec (σταθερή γραμμική ταχύτητα) |
|
Απόσταση ανίχνευσης |
1.6μm |
|
Διάμετρος |
120mm |
|
Πάχος |
1.2mm |
|
Διάμετρος τρύπας κέντρου |
15mm |
|
Περιοχή εγγραφής |
46mm-117mm |
|
Περιοχή σήματος |
50mm-116mm |
|
Υλικό |
κάθε αποδεκτό μέσο με δείκτη διάθλασης 1.55 |
|
Ελάχιστο μήκος κοιλότητας |
0.833μm (1.2m/sec) - 0.972μm (1.4m/sec) |
|
Μέγιστο μήκος κοιλότητας |
3.05μm (1.2m.sec) -3.56μm (1.4m/sec) |
|
Βάθος κοιλότητας |
~ 0.11μm |
|
Πλάτος κοιλότητας |
~ 0.5μm |
ΟΠΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ
|
|
|
Βασικό μήκος κύματος |
780nm (7800 Ε) |
|
Εστιακό βάθος |
2μm |
|
FORMAT ΣΗΜΑΤΟΣ |
|
|
Αριθμός καναλιών |
2 κανάλια (4 δυνατά κανάλια εγγραφής) |
|
Κβαντοποίηση |
16bit γραμμική |
|
Συγχρονισμός κβαντοποίησης |
ταυτόχρονη για όλα τα κανάλια |
|
Συχνότητα δειγματοληψίας |
44.1kHz |
|
Ρυθμός μετάδοσης καναλιού |
4.3218 Mb/sec |
|
Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων |
2.0338 Mb/sec |
|
Λόγος δεδομένων ανά κανάλι |
8:17 |
|
Κώδικας διόρθωσης λαθών |
Cross
Interleave Reed-Solomon Code (με 25% πλεονασμό) |
|
Σύστημα διαμόρφωσης |
8-σε-14 διαμόρφωση (EFM) |
Μια συσκευή αναπαραγωγής CD audio (compact disk
player) αποτελείται από δύο βασικά μέρη, τον επεξεργαστή
δεδομένων ήχου και το σύστημα ελέγχου. Το πρώτο ασχολείται με τις διαδικασίες
αναπαραγωγής και το δεύτερο με το περιβάλλον του χρήστη, την εστίαση των
φακών,το μοτέρ του άξονα, την αυτόματη ανίχνευση.
Από την εμφάνιση των CD players το 1982 παρουσιάστηκαν στην αγορά τρεις γενιές. Χαρακτηριστικό
της πρώτης γενιάς ήταν οι ψηφιακοί-σε-αναλογικοί
μετατροπείς (DAC) πολλών bits με φίλτρα ανασύνθεσης.
Της δεύτερης γενιάς χρησιμοποιούσαν τους ίδιους DAC αλλά
και με ψηφιακά φίλτρα υπερδειγματοληψίας. Τέλος, τα σημερινά CD players διαφοροποιούνται κυρίως στο ότι περιέχουν DAC λίγων bits.
Οι DAC των CD players όταν πρωτοπαρουσιάστηκαν ήταν 14bit το οποίο θεωρούταν
σημαντική βελτίωση σε σχέση με τις αναλογικές συσκευές. Ωστόσο, εξακολουθούσαν
να είναι μέτριας ποιότητας συγκρινόμενοι με τους μετέπειτα 16bit, 18bit και τους σημερινούς 20bit μετατροπείς.
O αριθμός των bits σε ένα DAC μετατροπέα δεν
αντικατοπτρίζει απόλυτα την απόδοση και ακρίβειά του. Καλύτερο κριτήριο είναι η
ακρίβεια των bits καθαυτών. Θεωρητικά ένας 16bit μετατρέπει ακριβώς και τα 16 ψηφία της λέξης του δείγματος με γραμμικό
τρόπο. Πρακτικά όμως, δεν είναι επαρκής για ακριβή μετατροπή. Το σφάλμα σε έναν
μετατροπέα πολλών bits γενικά εξαρτάται από την ακρίβεια του πιο
σημαντικού ψηφίου (MSB) της λέξης του δείγματος. Μια τέτοια ανακρίβεια θα
μπορούσε να αποφέρει λάθος ίσο με το μισό του πλάτους του σήματος. Για να
αποφευχθεί κάτι τέτοιο πρέπει να είναι πυκνά τα επίπεδα κβαντοποίησης.
Εχουν χρησιμοποιηθεί δύο μέθοδοι ανασύνθεσης εξόδου με
τους DAC
πολλών ψηφίων. Η πρώτη κάνει χρήση του φίλτρου «brickwall».Αυτά τα φίλτρα έχουν χαρακτηριστική απότομης αποκοπής και κρατούν το
κέρδος του σήματος κοντά στη μονάδα. Αυτό θεωρήθηκε αναγκαίο καθώς αμέσως πάνω
από την ηχητική ζώνη παρουσιάζονταν θόρυβος και aliasing. To επακόλουθο πρόβλημα του φίλτρου αυτού ήταν η παρουσία μεγάλης
μη-γραμμικότητας και καθυστέρησης ομάδων υψηλών συχνοτήτων.
Η δεύτερη μέθοδος βασίζεται σε ένα ψηφιακό φίλτρο
«υπερδειγματοληψίας» τοποθετημένο πριν τον DAC και σε
ένα ομαλό αναλογικό φίλτρο. Λέγοντας ομαλό εννοούμε φίλτρο με αποκοπή κλίσης 12dB/οκτάβα και σημείο -3dB στα 30-40kHz. Στην περίπτωση αυτή έχουμε απόλυτη γραμμικότητα στη φάση.
Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που παρουσιάζονταν
στους μετατροπείς πολλών ψηφίων αναπτύχθηκαν δύο ανταγωνιστικές τεχνολογίες,
μια από τη Matsushita και μια από τη Philips. Και στις δύο τεχνολογίες γίνεται μετατροπή πολύ μικρότερου μήκους λέξεων με
υψηλότερο ρυθμό αντί της μετατροπής ολόκληρης της λέξης παράλληλα κατά τη
συχνότητα δειγματοληψίας.
Η μέθοδος της Matsushita στηρίζεται σε διαμόρφωση
πλάτους παλμού (pulse-width modulation, PWM). Σε αυτή τη σχεδίαση το πλάτος
του παλμού του σήματος αναπαριστά τη μοναδική λέξη,οπότε είναι σημαντικό τα βήματα της διαμόρφωσης PWM να έχουν το ακριβές πλάτος και το ελάχιστο χρονικό τρεμοπαίξιμο,έτσι ώστε
να αυξάνει η ακρίβεια και η γραμμικότητα της εξόδου. Ο εμπορικός όρος για αυτή
τη διαδικασία λέγεται MASH (Multi-stAge
noise SHaping). Ενας MASH μετατροπέας
κατασκευάζεται από τετραπλά υπερδειγματοληπτικά ψηφιακά φίλτρα παράλληλα με
πρώτης και δεύτερης τάξης μορφοποιητές θορύβου. Η έξοδος από αυτούς οδηγείται
σε έναν PWM μετατροπέα, του οποίου η έξοδος φιλτράρεται από
ένα βαθυπερατό φίλτρο.
Η μέθοδος της Philips είναι
γνωστή σαν διαμόρφωση πυκνότητας παλμού (pulse-density
modulation PDM). Σε αυτήν την τεχνική ο λόγος πυκνότητας του
παλμού σχετίζεται με την πρότυπη 16bit λέξη. Ο μετατροπέας PDM είναι τεχνολογία ενός bit. Τα δεδομένα του δείγματος από
τον αποκωδικοποιητή οδηγούνται πρώτα σε ένα βαθυπερατό, τετραπλής
υπερδειγματοληψίας και απλής παρεμβολής φίλτρο. Αυτός ο τύπος φίλτρου δίνει
υψηλότερη ποιότητα γιατί είναι γραμμικής φάσης. Η μορφοποίηση πρώτης τάξης
θορύβου γίνεται από το συσσωρευτή του πολλαπλασιαστή που περιέχεται στο φίλτρο.
Το δεύτερο στάδιο φιλτραρίσματος αποτελείται από ένα 32-τάξης
υπερδειγματοληπτικό γραμμικό παρεμβολέα και από ένα κύκλωμα διπλής
υπερδειγματοληψίας δείγματος και κράτησης. Σε αυτό το στάδιο με την προσθήκη
ενός κατάλληλου dither ψηφιακού σήματος στο δειγματοληπτούμενο σήμα
μειώνονται οι μη-γραμμικότητες που προκαλούνται από το θόρυβο κβαντοποίησης. Σε
αυτό το σημείο η συνολική υπερδειγματοληψία είναι 256-τάξης και η λέξη έχει
αυξηθεί στα 17 bits.Στη συνέχεια, τα δεδομένα οδηγούνται σε ένα
μορφοποιητή θορύβου δεύτερης τάξης, σε συχνότητα 11.2896MHz. Αυτός μειώνει τα 17bit δεδομένα σε ρεύμα του ενός bit χρησιμοποιώντας διαμόρφωση Sigma-Delta. Κατά τη διαδικασία
αυτή, ο θόρυβος κβαντοποίησης αναδιανέμεται μακριά από την ηχητική συχνότητα.
Το ρεύμα των bit τότε μετατρέπεται σε αναλογική μορφή από ένα
δίκτυο διακοπτόμενων πυκνωτών.
Μέχρι τώρα δεν συσχετίσαμε την υπερδειγματοληψία με
κάποιο θεώρημα, αλλά η χρήση της επιφέρει μεγάλα κέρδη απόδοσης ανεξάρτητα από
τον τύπο του μετατροπέα που χρησιμοποιείται. Πολύ απλά υπερδειγματοληψία
σημαίνει τη χρήση συχνότητας δειγματοληψίας μεγαλύτερης από αυτή που
καθορίζεται από το θεώρημα του Nyquist. Ξεπερνώντας τη συχνότητα Nyquist πολλές από τις απαιτήσεις ακρίβειας που σχετίζονται με το θεώρημα μπορούν
να παραβλεφτούν (όπως το «brickwall» φίλτρο). Εκτός των
πλεονεκτημάτων που βλέπουμε στην έξοδο του φίλτρου, ο λόγος σήματος προς θόρυβο
μεγαλώνει πολύ και ο θόρυβος κβαντοποίησης στην ηχητική ζώνη ελαχιστοποιείται.
Το τελευταίο πραγματοποιείται όταν η υπερδειγματοληψία χρησιμοποιείται σε
συνδυασμό με μορφοποιητές θορύβου.
Η διαδικασία της υπερδειγματοληψίας γίνεται σε ένα επεξεργαστή ψηφιακού σήματος (DSP) ο οποίος παίρνει δείγματα ήχου,τα επεξεργάζεται και δίνει στην έξοδό του
πάλι δείγματα. Καθώς τα δείγματα τροποποιούνται, ο DSP είναι
στην πράξη ένα ψηφιακό φίλτρο. Ο DSP χρήσιμος γιατί οι λειτουργίες
που επιτελεί είναι ακριβείς και επαναλαμβανόμενες (πράγμα αδύνατο με αναλογικές
τεχνικές) και έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερο θόρυβο και παραμόρφωση. Η
υπερδειγματοληψία μπορεί να θεωρηθεί ως παρεμβολή μηδενικών μεταξύ κάθε
δείγματος. Πρακτικά, αυτά τα καινούργια δείγματα παράγονται με τη χρήση ενός
καταχωρητή ολίσθησης (που παίζει το ρόλο γραμμής καθυστέρησης), πολλαπλασιαστές
και ενός αθροιστή. Το τελικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ότι νέα
δείγματα δημιουργούνται για κάθε ενδιάμεσο μηδενικό. Σαν αποτέλεσμα, η
συχνότητα δειγματοληψίας έχει αυξηθεί από το ποσό της υπερδειγματοληψίας που
προκύπτει και το μήκος της λέξης έχει μεγαλώσει. Λόγω της αύξησης της
συχνότητας δειγματοληψίας,ο θόρυβος στην ηχητική ζώνη εκτοπίζεται κατά πολύ
περισσότερο από ότι προηγουμένως. Τότε η μορφοποίηση του θορύβου έρχεται να
μειώσει το μέγεθος της λέξης και περαιτέρω να πολλαπλασιάσει το ποσό του
θορύβου που τίθεται εκτός της ηχητικής ζώνης.
Οπως είδαμε και προηγουμένως, ο πρωταρχικός σκοπός ενός
μορφοποιητή θορύβου είναι να μεταβάλλει το φάσμα συχνοτήτων λαθεμένων σημάτων
έτσι ώστε να μετακινήσει τα περισσότερα από τα λάθη κβαντοποίησης έξω από το
πεδίο των ηχητικών συχνοτήτων. Η μορφοποίηση θορύβου μειώνει το θόρυβο
κβαντοποίησης χρησιμοποιώντας μια τεχνική αρνητικής ανάδρασης. Σαν αποτέλεσμα,
ο μορφοποιητής αναλαμβάνει να μειώσει το λάθος κβαντοποίησης αποσπώντας το από
το σήμα. Η ισχύς ενός μετατροπέα λίγων bits στηρίζεται
σε αυτή ακριβώς την ισχύ της μορφοποίησης θορύβου. Γενικά, όσο πιο περίπλοκος
είναι ο μορφοποιητής θορύβου,τόσο λιγότερος είναι και ο θόρυβος στην ηχητική
ζώνη. Συνεπώς, η απόδοση ενός μορφοποιητή θορύβου καθορίζεται από την τάξη και
τη συχνότητα λειτουργίας του. Η τελευταία παράμετρος είναι συνάρτηση του βαθμού
πραγματοποίησης της υπερδειγματοληψίας πριν την μορφοποίηση. Η πρώτη σχέση που
μας δίνουν αυτές οι παράμετροι είναι ότι όσο πιο υψηλή είναι η τάξη του
μορφοποιητή,τόσο υψηλή είναι η κλήση της αναδιανομής θορύβου και επομένως τόσο
χαμηλότερος είναι και ο ηχητικός θόρυβος. Το μειονέκτημα είναι ότι ο θόρυβος
πλευρικής ζώνης αυξάνει τόσο πολύ ώστε τα αναλογικά φίλτρα μπορεί να
υπερφορτιστούν. Η δεύτερη σχέση που μας δίνουν είναι ότι όσο υψηλότερη είναι η
συχνότητα λειτουργίας,τόσο πιο πολύ ολισθαίνει ο θόρυβος στο διάστημα των
συχνοτήτων. Σαφώς, το PDM έχει σημαντικά χαμηλότερο
θόρυβο και απαιτεί μόνο ένα απλό αναλογικό φίλτρο ανασύν8εσης.
Το compact disk audio υπάρχει
εδώ και δύο δεκαετίες περίπου και είναι πολύ πιθανό να υπάρχει για πολλά χρόνια
ακόμα. Υπάρχουν επιπλέον περιθώρια ανάπτυξης στο format,πολλά
από τα οποία είναι σε ανάπτυξη. Σιγά-σιγά ο ρόλος του αναλογικού σήματος στον
ήχο περιορίζεται στο αρχικό στάδιο της εισόδου από κάποιο μικρόφωνο και στο
τελικό στάδιο εξόδου από κάποιο μεγάφωνο, ενώ όλα τα ενδιάμεσα στάδια
υλοποιούνται με ψηφιακά μέσα.
CD-ROM (Compact Disk - Read Only
Memory)
Μια από τις κορυφαίες χρησιμότητες του δίσκου CD είναι η αποθήκευση δεδομένων. Το CD-ROM είναι ένα περιφερειακό
αποθηκευτικό μέσο που χρησιμοποιεί το απλό CD το
οποίο αντί για μουσική περιέχει δεδομένα. Οι πλαστικοί αυτοί δίσκοι διαμέτρου
12 εκατοστών φτάνουν τη χωρητικότητα των 650ΜΒ.
Οι δίσκοι CD-ROM εφόσον κατασκευαστούν δεν
μπορεί να γίνει καμία επέμβαση, διόρθωση, προσθήκη, διαγραφή ή αλλαγή στα
δεδομένα τους. Επιτρέπεται μόνο η ανάγνωση. Στην περίπτωση που είναι επιθυμητό
κάτι από τα παραπάνω χρειάζεται κάποιο CD Recorder και κάποιο κενό CD Recordable.
Η αποθήκευση δεδομένων στα CD-ROM
γίνεται στο εσωτερικό τους και όχι στην επιφάνειά τους κάτι που τα κάνει
αξιόπιστα και ανθεκτικά. Ανθεκτικά είναι και στη συχνή χρήση.
Τις προδιαγραφές του CD-ROM
περιγράφει το «Κίτρινο Βιβλίο» που δημιουργήθηκε το 1985 από τις Philips και Sony. Για τη διατήρηση της συμβατότητας με τα CD-Audio τα CD-ROM έχουν κι αυτά μια μεγάλη σπείρα στην οποία
βρίσκονται τυπωμένες οι οπές. Αυτό συμβαίνει σε αντίθεση με τα μαγνητικά μέσα
αποθήκευσης που χρησιμοποιούν ομόκεντρους κύκλους. Επίσης, αντίθετα με το
Κόκκινο Βιβλίο, είναι επιτρεπτή η τυχαία πρόσβαση σε οποιοδήποτε σημείο του CD-ROM.
Στο Κίτρινο Βιβλίο περιγράφονται και οι φυσικές ιδιότητες
του δίσκου, ο τρόπος αποθήκευσης δεδομένων και διόρθωσης λαθών ανάγνωσης.
Ωστόσο, δεν περιγράφεται η δομή των αρχείων, ο τρόπος διαχείρισης των directories. Είναι προφανές ότι όλες αυτές οι λειτουργίες θα πρέπει να υποστηρίζονται
από κάθε υπολογιστή και κάθε λειτουργικό σύστημα. Έτσι, μετά από μια συνάντηση
κατασκευαστών καθιερώθηκε το στάνταρ High Sierra, το
οποίο αργότερα (1988) με κάποιες μικρές τροποποιήσεις υιοθετήθηκε από την ISO ως ISO 9660.
Σύμφωνα με το ISO 9660, τα sectors του CD-ROM οργανώνονται σε logical records και τα records τοποθετούνται κατόπιν σε αρχεία. Κάθε σετ αρχείων
αποτελεί ένα volume. Οι τομείς (sectors ή
blocks) αποτελούνται από 2352 bytes και
υποδιαιρούνται σε ένα σύνολο μικρότερων πεδίων. Η αρχή ενός τομέα δηλώνεται από
μια ακολουθία 12 συγχρονιστικών bytes, έπεται ένα header τεσσάρων bytes (που περιλαμβάνει την απόλυτη διεύθυνση του τομέα
εκφρασμένη σε λεπτά, δευτερόλεπτα και τομείς μαζί με ακόμα byte που καθορίζει τον τρόπο χρήσης του τομέα) και τα υπόλοιπα 2336 bytes είναι διαθέσιμα για εγγραφή πληροφορίας.
Τα sectors διακρίνονται σε τρεις
διαφορετικές μορφές:
·
Στον τρόπο λειτουργίας mode 0 όλα τα
διαθέσιμα 2336 bytes είναι άδεια (έχουν δηλαδή τιμή 0).
·
Στον τρόπο λειτουργίας mode 1 κάθε
τομέας περιέχει 2048 bytes χρήσιμης πληροφορίας, ένα κώδικα ανίχνευσης λαθών
των 8 bytes
(Error Detection Code - EDC) και ένα
κώδικα διόρθωσης λαθών (Error Correction Code - ECC) των
276 bytes.
Εχει κρατηθεί επίσης ένα αχρησιμοποίητο 8 bytes για μελλοντική χρήση.
·
Στον τρόπο λειτουργίας mode 2 τα
αρχεία δεν απαιτούν κώδικες διόρθωσης λαθών. Ετσι έχουμε πάλι ένα κενό των 8 bytes, αλλά 2328 bytes διαθέσιμα για αποθήκευση πληροφορίας.
Οπως αναφέρθηκε, ένας δίσκος που ακολουθεί το ISO 9660 μπορεί να διαβαστεί από κάθε υπολογιστή και κάθε λειτουργικό σύστημα, αλλά
δεν μπορεί πάντα ένας υπολογιστής να τρέξει τα προγράμματα κάθε CD-ROM (π.χ. κώδικας για Mac σε Windows). To σύστημα αρχείων του ISO 9660 μοιάζει κατά πολύ με αυτό του DOS ως προς την ιεραρχική δενδροειδή δομή των καταλόγων (μέχρι οκτώ επίπεδα).
Ενα από τα βασικότερα στοιχεία κατά την ανάγνωση ενός CD-ROM είναι η ταχύτητα περιστροφής. Εξαιτίας της φύσης του μέσου, η ταχύτητα
περιστροφής του δίσκου είναι διαφορετική στο εσωτερικό από το εξωτερικό μέρος
λόγω της ανάγκης σταθερής γραμμικής ταχύτητας στην ανάγνωση δεδομένων. Συνεπώς,
η ταχύτητα δε μετριέται σε στροφές ανά λεπτό, αλλά σα διαμεταγωγή δεδομένων σε
ΚΒ/sec
που παραμένει σταθερή.
Η ταχύτητα περιστροφής των απλών μουσικών CD players είναι γνωστή ως «μονή» ταχύτητα περιστροφής και δίνει 150 ΚΒ/sec. Με βάση αυτή την ταχύτητα τα CD-ROM drives χαρακτηρίζονται ως διπλής (x2-300KB/sec),
τετραπλής (x4-600KB/sec), εξαπλής (x6-900KB/sec),
οκταπλής ταχύτητας (x8-1200KB/sec) κ.ο.κ. Τη στιγμή αυτή υπάρχουν
στο εμπόριο players μέχρι x12 και όλο εξελίσσονται σε
πιο γρήγορα.
Οι μεγάλες ταχύτητες περιστροφές είναι απαραίτητες σε
σύγχρονες εφαρμογές πολυμέσων που περιέχουν αρχεία εικόνων, κινούμενων εικόνων,
μουσικής, τα οποία απαιτούν μεγάλες ταχύτητες στη ροή και την επεξεργασία
δεδομένων.
Σημειώνουμε επίσης ότι τα CD-ROM drives
μπορούν να παίξουν CD-Audio δίσκους, στη μονή ταχύτητα βέβαια.
CD-R (Compact Disk Recordable)
Το CD-R είναι ένα οπτικό μέσο μιας
εγγραφής το οποίο μπορεί να διαβαστεί από οποιοδήποτε CD audio player ή CDrom
drive. Λόγω αυτής του της ιδιότητας της μοναδικής εγγραφής, τα
δεδομένα που περιέχει μπορούν να θεωρηθούν ασφαλή από διαγραφή και υπολογίζεται
πως θα έχουν χρόνο ζωής 50 χρόνων. Σε σύγκριση με το συμβατικό CD audio,η ποιότητα του ήχου που προσφέρει είναι εξίσου καλή. Το CD-R μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλούς σκοπούς.
Για δημιουργία demos υψηλής ποιότητας, για
δημιουργία αρχέτυπων προς μαζική αντιγραφή (το CD-R είναι
πιο ανθεκτικό από το DAT), για ηχητικές εφαρμογές σε studios,σε ραδιοφωνικούς σταθμούς, για αποθήκευση και αρχειοθέτηση.
Υπάρχουν δύο ειδών CD recorders, τα αυτόνομα και τα CDrom recorders για
υπολογιστές.
Ενα αυτόνομο CD recorder αποτελείται
από ένα φορέα CD, από μια πηγή παραγωγής laser, ένα
μικροεπεξεργαστή, εισόδους και εξόδους αναλογικού και ψηφιακού ήχου, οθόνη
ενδείξεων και ρυθμιστικά και μετρητές ήχου και επιπέδων εγγραφής. Στην
περίπτωση αυτή, δεν χρειάζεται η παρουσία ενός υπολογιστή. Απλά γίνεται σύνδεση
από την πηγή του ήχου σε μια είσοδο του recorder και ελέγχονται τα επίπεδα εγγραφής και οι υπόλοιπες ρυθμίσεις. Αυτή η
κατηγορία συσκευών μπορεί να γράψει μόνο ήχο και οι κενοί δίσκοι που
διατίθενται είναι διάρκειας 60 λεπτών.
Αντίθετα, τα CD recorders των
υπολογιστών στοιχίζουν φθηνότερα (έχουν περίπου τη μισή αξία) και μπορούν να
γράψουν τόσο δεδομένα όσο και ήχο. Οι δίσκοι που χρησιμοποιούνται ξεκινούν από
τα 18 και φτάνουν τα 74 λεπτά ή αντίστοιχα 650Mbytes. Το μέγιστο μήκος προγράμματος φτάνει τα 71.5 λεπτά. Η σύνδεση με τον
υπολογιστή γίνεται είτε με το πρωτόκολλο SCSI είτε
μέσω μιας ελεύθερης θύρας επέκτασης του υπολογιστή. Το CD recorder συνοδεύεται από ανάλογο software και υπάρχουν κάποιες ελάχιστες
προδιαγραφές για τον υπολογιστή που απαιτούνται για να δουλέψει ικανοποιητικά.
Κάρτα ήχου 16bit 44.1kHz σκληρός δίσκος της τάξης του 1GB,μνήμη 16MB RAM και επεξεργαστής τουλάχιστον 486 DX2-66. Επίσης, είναι δυνατή η σύνδεση πολλών recorders μαζί για την ταυτόχρονη εγγραφή πολλών CD.
Το CD-R βασίζεται στο δεύτερο μέρος
του «πορτοκαλί βιβλίου» των Philips και Sony που
καθορίζουν τις προδιαγραφές του. Οι δίσκοι CD-R
μπορούν να παίξουν και σε συμβατικά CD players. Η
διαφορά στην εξωτερική εμφάνισή τους από τα απλά CD εντοπίζεται
σε μια χρυσή επίστρωση της άνω πλευράς και σε μια μπλε επιφάνεια (εγγραφής) από
κάτω, η οποία φαίνεται πράσινη λόγω ακριβώς του χρώματος της άνω επίστρωσης.
Από πάνω προς τα κάτω συναντούμε τα εξής επίπεδα στη δομή
του CD-R.
·
Μια καθαρά πλαστική προστατευτική επίστρωση
(τυπωμένη ή όχι).
·
Μια ανακλαστική επίστρωση χρυσού χρώματος.
·
Μια χρωματισμένη επίστρωση εγγραφής
·
Ενα καθαρά πλαστικό υπόστρωμα.
Το τελευταίο αυτό υπόστρωμα είναι χαραγμένο σε μια
σπειροειδή μορφή για να καθοδηγεί το laser και η οποία γεμίζει από
το χρώμα. Κατά τη διαδικασία της εγγραφής, το laser τρυπάει
τη βαφή λιώνοντάς τη και το πλαστικό υπόστρωμα γεμίζει τις τρύπες και
δημιουργεί κοιλότητες (τα pits). Κατά τη διάρκεια της
αναπαραγωγής το laser αντανακλάται από τη χρυσή επίστρωση πάνω από τα pits και ανιχνεύει τη μεταβλητή ανάκλαση του κάθε pit.
Ενας δίσκος CD-R έχει δύο περισσότερες
περιοχές δεδομένων σχετικά με το συνηθισμένο CD.
Πρώτον, την program calibration area (PCA) που χρησιμοποιείται από
το CD-R για ένα δείγμα εγγραφής. Αυτό καθορίζει και τη βέλτιστη ισχύ του laser για το δίσκο (4-8mW). Δεύτερον, την program memory
area (PMA) στην οποία αποθηκεύονται προσωρινά τα δεδομένα
μέχρι την τελική εγγραφή τους. Τα προσωρινά αυτά δεδομένα είναι μια λίστα των
κομματιών,οι χρόνοι έναρξής τους και ο συνολικός χρόνος του προγράμματος.
Οι αντίστοιχες με ένα CD audio ενότητες των tracks λέγονται sessions. Μερικά CD-R recorders
επιτρέπουν «single session» ή «Disk-at-Once». O
δίσκος πρέπει να εγγραφεί χωρίς διακοπή. Από τη στιγμή
που έχει ολοκληρωθεί η εγγραφή,είναι αδύνατη η προσθήκη εκ των υστέρων. Το «Disk-at-Once» επιτρέπει τον έλεγχο των tracks και το κενό διάστημα ανάμεσά
τους.
Τα περισσότερα recorders επιτρέπουν
την εγγραφή «Track-at-Once» με την οποία μπορεί να γίνει εγγραφή ενός ή
μερικών tracks κάθε φορά (μέχρι 99). Ενα μερικώς εγγεγραμμένο CD-R δεν μπορεί να παιχτεί σε ένα CD player, εώς
ότου ολοκληρωθεί και ο πίνακας περιεχομένων (TOC).
Με την εγγραφή «Μultisession» μπορούν να γραφούν διάφορα sessions σε ένα CD-R
διαφορετικές στιγμές. Αυτό είναι χρήσιμο σε περιπτώσεις που είναι επιθυμητή η
προσθήκη δεδομένων. Πάντως, κάθε φορά που γράφεται ένα session σπαταλούνται 13ΜΒ από τη χωρητικότητα του δίσκου και μόνο το πρώτο session θα μπορεί να παιχτεί σε CD audio player.
Επως αναφέρθηκε, η εγγραφή στα αυτόνομα CD-R recorders
είναι άμεση ενώ στους υπολογιστές γίνεται με software. Και στις δύο περιπτώσεις πρώτα καθορίζεται η λίστα των «κομματιών». Στη
συνέχεια, μπορεί να γίνει προσομοίωση εγγραφής χωρίς πραγματική εγγραφή με
σκοπό τον έλεγχο πιθανών λαθών. (για την περίπτωση εγγραφής με recorder σε υπολογιστή, αφού η προσομοίωση απαιτεί 650ΜΒ διαθέσιμα στο σκληρό
δίσκο). Μετά καθορίζεται η ταχύτητα εγγραφής (2x, 4x, 6x...) και η εγγραφή μπορεί να αρχίσει.
PHOTO CD
Το photo CD αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο
για προβολή, αποθήκευση και επεξεργασία φωτογραφιών, το οποίο εξελίσσεται σε standard στο χώρο των υπολογιστών. Το photo CD γεφυρώνει τον καταναλωτή και
τον επαγγελματία με το επιτραπέζιο computer. Συνδυάζει
την ποιότητα,την ευκολία και το χαμηλό κόστος των συμβατικών φωτογραφιών -σε
συνεργασία με την ψηφιακή τεχνολογία- την ικανότητα απεικόνισης, βελτίωσης,
αποθήκευσης και μεταφοράς εικόνων «ηλεκτρονικά».
Πρωτοπαρουσιαζόμενο το 1992 από την Kodak, το photo CD στο αρχικό του format δίνει
την δυνατότητα οι εικόνες από ένα κλασσικό φιλμ 35mm να
περνούν με scanner σε ένα δίσκο photo CD. Στη συνέχεια,οι φωτογραφίες μπορούν να προβληθούν στην τηλεόραση μέσω
ενός photo
CD player. Ένα σημαντικό στοιχείο είναι
ότι το photo
CD μπορεί να διαβαστεί και από έναν οποιοδήποτε υπολογιστή
εφοδιασμένο με ένα CD-ROM. Η πλειοψηφία των CDrom drives είναι photo CD συμβατά και τελευταία πωλούνται κατά εκατομμύρια
σε όλον τον κόσμο.
Για τους χρήστες των υπολογιστών οι δίσκοι photo CD προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα που κάνουν πολύ πρακτική την επεξεργασία
εικόνων.
Χαμηλού κόστους scans. Οι
φωτογραφίες ενός φιλμ κοστίζουν σχετικά λίγο να περαστούν με scanner σε ένα photo CD και σαφώς είναι πολύ οικονομικότερος τρόπος από
την αγορά ενός επιτραπέζιου scanner.
Πολλαπλές αναλύσεις. Η κά8ε εικόνα αποθηκεύεται στο
photo
CD σε πολλές αναλύσεις. Αυτό διευκολύνει το χρήση να
επεξεργαστεί μια εικόνα σε χαμηλή ανάλυση και στη συνέχεια να ασχοληθεί με την
εικόνα υψηλότερης ανάλυσης για περισσότερο ποιοτικά αποτελέσματα στο τελικό
στάδιο.
Υψηλής ποιότητας εικόνες. Το υψηλότερο επίπεδο
ανάλυσης ενός photo CD (2048 x 3072 pixels) είναι
αρκετό για να συλλάβει όλη τη λεπτομέρεια μιας εικόνας φιλμ 35mm.
Σταθερά χρώματα. Το photo CD παράγει εικόνες χρησιμοποιώντας αλγόριθμους scanning και λογισμικό διαχείρισης χρωμάτων με αποτέλεσμα τη δημιουργία σταθερών και
υψηλής ποιότητας χρωμάτων.
Βολική αποθήκευση. Κάθε photo CD προσφέρει μακρόχρονη αποθήκευση περίπου 100 εικόνων. Υπάρχει και
δυνατότητα αποθήκευσης περισσότερων εικόνων σε χαμηλότερη ανάλυση.
Οι χρήστες υπολογιστών κάνοντας ευρεία χρήση του photo CD συντέλεσαν στο να γίνει ένα standard, ώστε να υποστηρίζεται
από συστήματα υλικού, εφαρμογές λογισμικού και οδηγών CD-rom. Επίσης,οι κατασκευαστές οδηγών CD-rom υιοθέτησαν την multisession εγγραφή της Kodak και κάθε multisession CD-rom XA είναι
ικανό να διαβάζει photo CD.
Από τη στιγμή που φορτώνεται ένα photo CD σε ένα υπολογιστή απαιτείται πρόσθετο λογισμικό για να διαβάσει, να
απεικονίσει και να επεξεργαστεί τις εικόνες που περιέχει. Το photo CD υποστηρίζεται από όλες τις πλατφόρμες λειτουργικών συστημάτων που υπάρχουν
είτε για προσωπικούς υπολογιστές είτε για σταθμούς εργασίας. Δημοφιλή
προγράμματα επεξεργασίας εικόνας που μπορούν να χειριστούν photo CD είναι τα Adobe Photoshop,Photostyler, Pagemaker, Corel Draw, Microsoft Powerpoint
και Word, Micrografx Picture Publisher, Quark Xpress.
H
Kodak προσφέρει δύο κατηγορίες format για photo CD, σχεδιασμένες για διαφορετικές ανάγκες καταναλωτών.
Τα master disks, τα οποία περιέχουν εικόνες προερχόμενες από το φιλμ και οι οποίες έχουν ψηφιοποιηθεί
με λογισμικό και μεθόδους scanning της Kodak. Οι
εικόνες αυτές παίζουν το ρόλο «ψηφιακών αρνητικών» παρέχοντας ένα βολικό και
χαμηλού κόστους τρόπο εισαγωγής φωτογραφιών σε εφαρμογές ψηφιακής εικόνας.
Εκτός των άλλων,μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εκτυπώσεις φωτογραφιών απ’
ευθείας από τον υπολογιστή.
Το master
disk photo CD είναι σχεδιασμένο για φωτογραφίες φιλμ 35mm και μπορεί να απο8ηκέυσει περίπου 100 φωτογραφίες ή 4 ολόκληρα φιλμ των 24
στάσεων. Η αποθήκευση γίνεται με τη μετρική κωδικοποίηση χρώματος YCC και σε πολλά επίπεδα ανάλυσης σε μονάδες γνωστές ως αρχεία IMAGE PAC. Τα επίπεδα ανάλυσης για το master disk είναι 5, με το
μεγαλύτερο 16 φορές πολλαπλάσιο του standard ανάλυσης
της τηλεόρασης σήμερα και 4 φορές πολλαπλάσιο της τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας.
2048 x 3072 pixels
1024 x 1536
pixels (HDTV)
512 x 768 pixels
(TV)
256 x 384 pixels
(thumbnail)
128 x 192 pixels
(small thumbnail)
To pro master disk photo CD προσθέτει ένα προαιρετικό έκτο υψηλότερο επίπεδο ανάλυσης στα ήδη υπάρχοντα
του απλού master disk. Αυτό είναι 4 φορές πολλαπλάσιο του υψηλότερου
επιπέδου ανάλυσης του απλού master disk.
4096 x 6144
pixels
Σκοπός του pro master disk είναι
η ικανότητα αποθήκευσης φωτογραφιών που προέρχονται από φιλμ μεγαλύτερου format από τα
κλασσικά των 35mm. Οπότε αναλόγως του format του φιλμ καθώς και της ανάλυσης από το scanning είναι δυνατή η αποθήκευση 25 ως 100 εικόνων.
Η Τρίτη κατηγορία,το photo
CD portofolio II disk, εξυπηρετεί στην ψηφιακή
αποθήκευση όχι μόνο εικόνων στη μορφή IMAGE PAC, αλλά
και κειμένου και ήχου. Η χρήση του εντοπίζεται κυρίως σε προεκτυπώσεις,
παρουσιάσεις, αρχειοθετήσεις και εφαρμογές πολυμέσων.
Τα αρχεία IMAGE PAC του CD portofolio II
disk διαφέρουν από τα αντίστοιχα των master disks σε δύο σημεία:
Δεν είναι απαραίτητο να προέρχονται από φιλμ, αλλά
μπορούν να αντληθούν από οποιαδήποτε ψηφιακή πηγή, όπως ψηφιακές κάμερες και scanners.
Δεν περιέχουν αναγκαστικά όλες τις αναλύσεις των master και pro master disks. Η υψηλότερη ανάλυσή τους
φτάνει τα 512 x 768 pixels, ανάλυση επαρκής για αναπαραγωγή ψηλής ποιότητας video. Εξαιτίας του γεγονότος αυτού,το κάθε portofolio II disk μπορεί να χωρέσει 700 περίπου εικόνες, μια ώρα ψηφιακού ήχου ή ανάλογους
συνδυασμούς, όπως 350 εικόνες και 30 λεπτά ήχου.
Μελλοντικά, θα αναπτυχθεί από την Kodak ένα νέο format εικόνας που θα προσφέρει επιπρόσθετα πλεονεκτήματα
σε χρήστες εικόνας, ιδιαίτερα στους χρήστες υπολογιστών πολυμέσων και δικτύων.
Θα γίνεται επέκταση του παλιού format με ένα script βασισμένο
στον αλγόριθμο «συστήματος μεταμόρφωσης λειτουργικής παρεμβολής». Το script αυτό θα κρατάει τις αλλαγές στην επεξεργασία της εικόνας σε ξεχωριστό
αρχείο, ώστε μπορεί και κάποιος άλλος χρήστης του ίδιου δικτύου να επεξεργαστεί
την αρχική εικόνα.
CD-i (Compact Disk Interactive)
Το CD-i σχεδιάστηκε με σκοπό να γίνουν
διαθέσιμες στο ευρύ κοινό αλληλεπιδραστικές εφαρμογές πολυμέσων. Το πρωτόκολλο CD-i είναι εφεύρεση της Philips και έχει καθιερωθεί παγκοσμίως.
Αυτό σημαίνει ότι ένας οποιοσδήποτε δίσκος CD-i
φτιαγμένος από οποιαδήποτε κατασκευαστική εταιρία μπορεί να παιχτεί σε κάθε
συσκευή CD-i και σε κάθε τηλεόραση,ανεξάρτητα από το σύστημα
που υποστηρίζει. Οι πληροφορίες που περιέχει το CD-i είναι
προφανώς ψηφιοποιημένες και μπορεί να είναι πληροφορίες ήχου (μουσική, αφήγηση,
ηχητικά εφέ), video (animation, still video, full motion video, οπτικά εφέ),δεδομένων (γραφικά, κείμενο).. Σε αυτό οφείλεται η μεγάλη
ευελιξία του ως μέσο. Eνα άλλο πολύ εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του CD-i είναι η ικανότητά του να προσαρμόζει το μέγεθος αποθήκευσης ανάλογα με την
κάθε εφαρμογή.
Η προδιαγραφή του CD-i ορίζει
δύο φυσικά formats : Form I και Form II.
Το Form I με ανίχνευση λαθών και κώδικα διόρθωσης είναι παρόμοιο με το format του CD-ROM και ανταποκρίνεται κυρίως σε απαιτήσεις κειμένου,
δεδομένων υπολογιστή και υψηλής συμπίεσης δεδομένων εικόνας. Το Form II δεν έχει ούτε ανίχνευση λαθών
ούτε κώδικα διόρθωσης και ανταποκρίνεται κυρίως σε απαιτήσεις δεδομένων ήχου
και εικόνας πραγματικού χρόνου. Συνεπώς, το σύστημα CD-i είναι
ικανό να διαβάζει δίσκους συμβατούς με CD-ROM,
κανονικούς δίσκους CD-i καθώς επίσης και CD-Audio.
Το σύστημα CD-i μπορεί εύκολα να συνδεθεί σε
οποιαδήποτε τηλεόραση ή στερεοφωνικό συγκρότημα και ο χειρισμός του γίνεται με
ένα τηλεκοντρόλ. Το φόρτωμα του CD-i είναι απλό όπως και ενός
συμβατικού CD ήχου και δεν χρειάζεται κάποια ειδική μεταχείριση.
Οι χρήστες μπορούν να ελέγχουν την εξέλιξη κατά την αναπαραγωγή στην οθόνη της
τηλεόρασης ενεργοποιώντας διάφορες επιλογές που προβάλλονται σε διάφορες
περιοχές εντολών στην οθόνη. Το αλληλεπιδραστικό στοιχείο του CD-i έγκειται στη δυνατότητα που δίνεται στο χρήστη να διακόπτη τη ροή του
προγράμματος ανακαλώντας μια συγκεκριμένη επιλογή, να επιστρέφει σε ένα
προηγούμενο στάδιο, να ζητά ενδεχομένως περισσότερες και πιο λεπτομερείς
πληροφορίες και ίσως την αλλαγή γλώσσας (και όλα αυτά με το πάτημα κάποιων
κουμπιών από το τηλεκοντρόλ).
Oπως αναφέρθηκε και προηγουμένως το CD-i αποτελεί παγκόσμιο standard και είναι ακόμα συμβατό και με
τα Photo-CD
και CD-ROM XA.
Η χωρητικότητα των CD-i φτάνει
τα 650ΜΒ. Αυτό μπορεί να φαίνεται συγκρίσιμο με το μέγεθος ενός σκληρού δίσκου
υπολογιστή, αλλά οι απαιτήσεις των ηχητικών και οπτικών πληροφοριών των
εφαρμογών το επιβάλλουν. Το γεγονός αυτό οδηγεί τους σχεδιαστές εφαρμογών των CD-i σε επιλογές σχετικά με το μέγεθος και την ποιότητα των πληροφοριών αυτών.
Οι προδιαγραφές του CD-i
ορίζουν τέσσερα βασικά επίπεδα ποιότητας ήχου.
Ι. CD-Digital Audio. Eνα
κανάλι stereo,
16bit παλμοκωδική διαμόρφωση του υπάρχοντος standard. Προσφέρει περισσότερο
της μιας ώρας ψηφιακό στερεοφωνικό ήχο.
ΙΙ. Hi-Fi Music Mode (Level A). Δύο κανάλι stereo ή τέσσερα κανάλια mono. Είναι ισοδύναμο με την ποιότητα
μουσικής ενός δίσκου βινυλίου δίνοντας στο χρήστη πάνω από δύο ώρες υψηλής
ποιότητας και χωρίς θόρυβο στερεοφωνικό ήχο.
III. Mid-Fi Music Mode (Level B). Τέσσερα κανάλια stereo ή οχτώ κανάλια mono. Είναι
ισοδύναμο με στερεοφωνικό ήχο ραδιοφωνικού σταθμού (FM) και σε
σύγκριση με τον ψηφιακό ήχο καταλαμβάνει 75% λιγότερο χώρο στο δίσκο CD-i.
IV. Speech Mode (Level C). Οχτώ κανάλια stereo ή δεκαέξι κανάλια mono. Είναι
ισοδύναμο με ήχο ραδιοφωνικού σταθμού (ΑΜ) και είναι κατάλληλο για φωνή και background audio.
Καταλαμβάνει το μισό αντίστοιχο χώρο στο δίσκο σε σχέση
με το Level
B.
Κάθε κανάλι αντιστοιχεί σε ένα μέγιστο χρόνο συνεχούς αναπαραγωγής
70 λεπτών. Για παράδειγμα στο Level C είναι δυνατόν να έχουμε μέχρι
1120 λεπτά. Αυτό κάνει το δίσκο CD-i ιδανικό για πολυγλωσσικές
εφαρμογές.
Το standard CD-i σχετίζεται τόσο με
απαιτήσεις ανάλυσης video όσο και απαιτήσεις κωδικοποίησης. Υπάρχουν δύο
επίπεδα προσδιορισμού της ανάλυσης, Normal και High. Η πρώτη ανάλυση (384 x 280 pixels) είναι όμοια με αυτή μιας οικιακής τηλεόρασης. Η υψηλή ανάλυση είναι όμοια
με αυτή των έγχρωμων μόνιτορ και των μελλοντικών ψηφιακών τηλεοράσεων (768 x 560 pixels). Οι εικόνες γενικά είναι Non-Interlaced,αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και Interlaced.
Φυσικές εικόνες, όπως φωτογραφίες και αποσπάσματα ταινιών
καταλαμβάνουν περίπου 325kilobits ανά εικόνα (non-interlacing) και 650kilobits (interlacing). Για οικονομία χωρητικότητας
συμπιέζονται στα 108kilobits, χωρίς ωστόσο καμία φανερή διαφορά στην ποιότητά
τους σε σχέση με την ασυμπίεστη αρχική μορφή τους. Οι πληροφορίες video μπορούν να αποθηκευτούν με διάφορους τρόπους.
Ι.
Τέσσερα επίπεδα για εικόνες που κυμαίνονται από φυσικές φωτογραφίες μέχρι
γραφικά, animation, και πολύπλοκες μίξεις γραφικών. Ο αριθμός των
εικόνων full-screen θα εξαρτάται από την επιλεγμένη ποιότητα
απεικόνισης. Ένα ελάχιστο 6000 full-color, full-screen φωτογραφικές
εικόνες μπορούν να αποθηκευτούν σε ένα CD-i.
ΙΙ.
Αποθήκευση μέχρι 72 λεπτών full-screen, full-motion, ποιότητας
S-VHS
video με Level B stereo ήχο. Αυτό καλείται FMV (full-motion video).
III. Τέσσερις διαφορετικές οπτικές
περιοχές και ένα σύνολο από πλήθος ειδικών εφέ.
Το 1990 παρουσιάστηκε για πρώτη φορά η επέκταση του CD-i standard με
full-motion video, αλλά με μέτρια ποιότητα μονοφωνικού ήχου. Στο
μεταξύ με την ανάπτυξη της τεχνολογίας συμπίεσης έγινε δυνατή η βελτίωση της
ποιότητας της εικόνας και η αντικατάσταση του μονοφωνικού ήχου με υψηλής
ποιότητας στερεοφωνικό. Οι Philips, Sony και Matsushita αποφάσισαν να υιοθετήσουν το πρωτόκολλο MPEG (Moving Picture
Experts Group) σαν επέκταση του FMV στο CD-i. Το standard MPEG για ήχο και video επιτρέπει
στους σχεδιαστές τίτλων CD-i να χρησιμοποιούν ακολουθίες video σε διάφορα formats εικόνων (4:3, 16:9) και σε συνδυασμό με την ποικιλία επιπέδων ήχων. Ο συνδυασμός αυτός του MPEG FMV με τις πολλές δυνατότητες του CD-i κάνει εφικτή τη
δημιουργία μεγάλης γκάμας εφαρμογών.
Προκειμένου να παιχτεί FΜV σε ένα CD-i player απαιτείται η ύπαρξη μιας
ειδικής ψηφιακής κεφαλής video. Ορισμένα CD-i players
περιέχουν ήδη αυτή την κεφαλή, ενώ σε άλλα υπάρχει η
δυνατότητα της αντίστοιχης αναβάθμισης.
Το CD-i διακρίνεται για την ικανότητά του να ενσωματώνει ήχο, video και δεδομένα υπολογιστή. Ο συγχρονισμός είναι απαραίτητος για να
βεβαιώνεται ότι οι πληροφορίες που διαβάζονται από το δίσκο κατευθύνονται σωστά
στους επεξεργαστές ήχου, video και υπολογιστή ώστε να γίνεται
ταυτόχρονη η μετάδοση εικόνων ή κειμένου με τον ήχο που τα συνοδεύει.
Ο συγχρονισμός δεν είναι απλά θέμα διατήρησης μιας
σταθερής απόστασης εικόνας και ήχου (το οποίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε
πολυγλωσσικές εφαρμογές). Οι πληροφορίες από όλα τα κανάλια πρέπει να
αναμειγνύονται σε ένα ρεύμα δεδομένων και ο απαιτούμενος χρόνος για την
επεξεργασία των διαφόρων στοιχείων δεν μπορεί να είναι γνωστός πριν την αρχίσει
η επεξεργασία. Για να χειρισθούν αυτές οι μεταβλητές ακολουθίες χρονισμών, το CD-i εφαρμόζει μια διαδικασία φυσικής διαμεσολάβησης σε συνδυασμό με διακοπές
οδηγούμενες από δεδομένα.
Η ικανότητα της ανάμιξης και της διαμεσολάβησης όλων
αυτών και η τέλεια συγχρονισμένη άμεση αναπαραγωγή τους επιτυγχάνεται χάρη σε
ένα σύστημα λειτουργίας του CD-i,το CD-RTOS (Compact Disk
Run-Time Operating System).
CD-ROM
XA
To
1988 η Philips και η Sony πρότειναν
το CD-ROM
XA (eXtended Architecture - εκτεταμένης
αρχιτεκτονικής) που συμπληρώνει το CD-ROM δίνοντάς του περαιτέρω
ικανότητες αξιοποίησης πολυμέσων. Το CD-ROM XA
αποτελεί το ενδιάμεσο στάδιο ανάμεσα στο Κίτρινο και το Πράσινο Βιβλίο.
Το πρότυπο ΧΑ επιτρέπει σε μεγάλο πλήθος αρχείων ήχου και
εικόνας (συμβατά με CD-i) να χρησιμοποιηθούν στο CD-ROM. Επίσης, πρωτοεμφανίζεται η δυνατότητα χρήσης διαφορετικών directory κατά την εκκίνηση. Το CD-ROM XA είναι δομικά συμβατό με το ISO 9660.
Στο CD-ROM XA η δομή ενός sector είναι παρόμοια με τον τύπο εγγραφής mode2 του
Κίτρινου Βιβλίου, αλλά έχει δύο μορφές : mode2/form1
και mode2/form2. Το ψηφίο form δηλώνει αν ο επιπρόσθετος έλεγχος σφαλμάτων (ο
ίδιος όπως και στο mode 1) είναι σε χρήση. Οι τομείς που χαρακτηρίζονται σαν mode2/form1 διαθέτουν πεδία EDC και ECC, ενώ οι τομείς σε mode2/form2 διαθέτουν μόνο EDC.
Οι δύο αυτές μορφές μπορεί να συνυπάρχουν σε ένα CD-ROM XA,δηλαδή μπορούμε να έχουμε sectors σε mode2/form1 και mode2/form2 που να εναλλάσσονται, αφού κάθε sector περιέχει πληροφορίες για την ταυτότητά του στο Subhead. Αυτό πρακτικά σημαίνει τη δυνατότητα ταυτόχρονης αναπαραγωγής διαφορετικών
ειδών δεδομένων (κείμενο, μουσική, video).
Στο CD-ROM XA συνήθως
ο ήχος γράφεται σε συμπιεσμένη μορφή σύμφωνα με το ADPCM (Adapted Differential
Pulse Code Modulation) και επιτυγχάνεται συμπίεση μέχρι 16 φορές περίπου
μεγαλύτερη σε σχέση με το Κόκκινο Βιβλίο. Αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη
χωρητικότητα του CD-ROM XA φτάνει τις 20 ώρες μονοφωνικού ήχου. Ωστόσο, η
αυξημένη αυτή χωρητικότητα απαιτεί και την ανάλογη αποκωδικοποίηση στη μονάδα
ανάγνωσης, αλλά αυτό συνήθως καλύπτεται από τις κάρτες ήχου.
Το DVD είναι ο απόγονος του CD-audio, του CD-rom,της κασέτας VHS και
του laserdisc. Είναι η επόμενη γενιά των ψηφιακών οπτικών δίσκων,που παρά το ίδιο
μέγεθος, η χωρητικότητά του είναι 25 φορές μεγαλύτερη από το συμβατικό compact disk και η ταχύτητα του 9 φορές γρηγορότερη. Έτσι μπορεί να αποθηκεύσει υψηλής
ποιότητας video καθώς και μεγαλύτερης πιστότητας ήχο από το απλό CD audio. Το απλό DVD μπορεί να περιέχει 2 ώρες video, ενώ το διπλής όψης και επίστρωσης μέχρι 8 ώρες video. Ορισμένα
από τα χαρακτηριστικά του είναι η αναπαραγωγή 8 καναλιών surround ήχου, tracks 8 γλωσσών και 32 υπότιτλων και karaoke, αυτόματη διακλάδωση συστημάτων video και πολλαπλές
γωνίες λήψης κάμερας. Μια συσκευή αναπαραγωγής DVD για
τηλεόραση θα κοστίζει περίπου 600$, ενώ η αντίστοιχη για υπολογιστή θα
στοιχίζει περίπου 300$.
Λόγω πρακτικών εμποδίων σχετικών με θέματα αδειών,
δικαιωμάτων και ανταγωνισμού τα DVD players θα καθυστερήσουν να βγουν στην παραγωγή μέχρι το 97. Είναι αναμενόμενο να
πάρει μερικά χρόνια για την εξάπλωση και καθιέρωσή τους. Σε ό,τι αφορά την
αγορά των υπολογιστών υπάρχει μεγάλη προοπτική για χρήση του DVD ως αποθηκευτικό μέσο δεδομένων υψηλής πυκνότητας, αλλά προβλέπεται να
καθυστερήσει πολύ ιδιαίτερα εξαιτίας του μειονεκτήματος του ότι δεν μπορούν
δεδομένα να σβήσουν ή να γραφούν εκ νέου στο DVD.
Η βασική φιλοσοφία του DVD
επικεντρώνεται στο ότι πρόκειται για δύο διαφορετικά πράγματα. Είναι ΄να
αποθηκευτικό μέσο ήχου και video, καθώς και δεδομένων
υπολογιστή. Μελλοντικά το DVD θα δίνει τη δυνατότητα στους
υπολογιστές για προβολή video πλήρους οθόνης, κίνησης και
ποιότητας. Αυτό θα γίνεται εφικτό με ισχυρούς επεξεργαστές νέας γενιάς pentium pro,
powerPC και με υλικό γραφικών υψηλής απόδοσης.
Το DVD σε σύγκριση με μια
βιντεοκασέτα προσφέρει ανώτερο ήχο και video,καθώς
και στιγμιαία αναζήτηση και γύρισμα πίσω,ανθεκτικότητα και στοιχεία που
αναφέρθηκαν παραπάνω. Ωστόσο, η βιντεοκασέτα έχει προς το παρόν δύο ισχυρά
πλεονεκτήματα. Είναι φτηνότερη και εγγράψιμη. Μόλις όμως εμφανιστεί το DVD στην επανεγγράψιμη μορφή του, τότε η κασέτα VHS θα
εξαφανιστεί όπως οι δίσκοι βινυλίου.
Το DVD σε σύγκριση με το ψηφιακό video (DV)
χρησιμοποιεί διαφορετική, καλύτερη συμπίεση (MPEG-2). Επίσης,λόγω του κόστους του ψηφιακού video και της
ψηφιακής κάμερας και του ότι δεν προβλέπεται να κυκλοφορήσουν τίτλοι σε DV, το πιθανότερο είναι η χρήση τους να περιοριστεί στην παραγωγή video. Απ’ την άλλη, το D-VHS ο διάδοχος του απλού VHS στο ψηφιακό video, δίνει τη δυνατότητα εγγραφής και μεταφοράς video στον υπολογιστή χωρίς απώλεια ποιότητας.
Το DVD σε σύγκριση με το laserdisc προσφέρει περισσότερο χρόνο αναπαραγωγής, tracks υποτίτλων
και περισσότερα tracks ήχου. Παρόλα αυτά,στην ίδια την ποιότητα της
εικόνας και του ήχου δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές. Το laserdisc ήδη υποστηρίζει ψηφιακή ποιότητα CD ήχου καθώς και ήχο AC-3 surround. Και τα δύο υπερέχουν έναντι της εικόνας και του ήχου της συμβατικής
τηλεόρασης.
Eνα DVD player θα
μπορεί να παίξει CD audio. Επιπλέον, ένας δίσκος ήχου DVD θα έχει καλύτερης ποιότητας ψηφιακό ήχο και σαφώς μεγαλύτερη διάρκεια. Θα
μπορεί επίσης να παίζει και CD-rom. Bέβαια, το CDrom είναι φτηνότερο και ευκολότερο στην παραγωγή και πάρα πολύ διαδεδομένο.
Oμως το DVD αποθηκεύει γρηγορότερα, περισσότερο όγκο
δεδομένων και με μεγαλύτερη αξιοπιστία.
Τα DVD στα οποία θα είναι δυνατή η
εγγραφή και η διαγραφή βρίσκονται ακόμα σε στάδιο ανάπτυξης. Λόγω του κόστους
της τεχνολογίας εγγραφής και συμπίεσης, αυτού του τύπου τα DVD, που ουσιαστικά θα αντικαταστήσουν τη συμβατική βιντεοκασέτα, δεν
αναμένεται να κυκλοφορήσουν πριν την αρχή του επόμενου αιώνα. Οι κατασκευαστές DVD γνωρίζουν ότι παρά την καλύτερη ποιότητα video και του
instant
rewind που προσφέρει το DVD, δεν
μπορεί να υπερκαλύψει το μειονέκτημα της μη εγγραφής. Συνεπώς τα DVD δεύτερης γενιάς θα περιέχουν πιο πολύ interactive χαρακτηριστικά που θα επεκτείνουν την εφαρμογή του DVD στο
σπίτι, σε εγκυκλοπαίδειες,αλληλεπιδραστικά βιβλία, HDTV, παιχνίδια
καθώς και στο χώρο του Internet.
Από τη δεύτερη και Τρίτη γενιά των DVD players οι τιμές τους θα πέσουν στο επίπεδο των σημερινών CD players. Επίσης, λόγω της αναμενόμενης ανάπτυξης και διάδοσης του πρωτοκόλλου MPEG-2,θα μειωθεί η τιμή των αποκωδικοποιητών και μνήμης video.
Μακροπρόθεσμα το Internet θα συγχωνευτεί με την καλωδιακή τηλεόραση, το σύστημα τηλεφωνίας και
δορυφόρων κυριαρχώντας έτσι στον κόσμο των επικοινωνιών. Ειδήσεις, ταινίες,
μουσική, μόρφωση, παιχνίδια, οικονομικές διεκπεραιώσεις, ηλεκτρονικό
ταχυδρομείο και άλλες μορφές πληροφοριών θα μεταφέρονται μέσω του δικτύου. Αυτό
θα έχει σαν αποτέλεσμα τον περιορισμό του ρόλου του DVD στη
φύλαξη λογισμικού, την αρχειοθέτηση και συλλογές εκδόσεων ταινιών. Παρά το
ενδεχόμενο αυτό, το DVD θεωρείται ότι στα επόμενα χρόνια θα είναι το
απόλυτο μέσο τόσο για υπολογιστές όσο για οικιακή ψυχαγωγία.
Πρέπει να τονίσουμε τέλος ότι δεν είναι δυνατόν στο άμεσο
μέλλον το DVD-ROM να αντικαταστήσει το DVD video (το τελευταίο προσφέρει καλύτερη ποιότητα ήχου και εικόνας), χωρίς
παράλληλη ανάπτυξη στον τομέα των υπολογιστών. Παρόλα αυτά οι δυνατότητες και η
συμβατότητα του DVD-ROM το καθιστούν άξιο και αναγκαίο
ακόλουθο του CD-ROM.