Compact Disc - Hub gfsolone.Com
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STRUTTURA DEL COMPACT DISC Il Compact Disc è nato nel 1982 come un nuovo standard per i dischi compatti, da un accordo tra Philips e Sony. Si presentava con caratteristiche innovative per i supporti audio di grande diffusione allora noti, cioè musicassette e dischi in vinile, come la durata superiore e il formato dei dati completamente digitale, che permettevano una qualità del suono elevata e soprattutto duratura nel tempo. Dopo essere divenuto standard per la distribuzione musicale anche per la forte spinta di Sony come casa discografica, iniziò il suo utilizzo dal 1984 come memoria di massa per computer in CD-ROM (CD-Read Only Memory, CD di memoria a sola lettura), diffondendosi fortemente poco dopo l'inizio degli anni 90. Ciò fece nascere nuove esigenze, contribuendo in maniera determinante alla creazione di quello che è oggi è il computer moderno, dotato di capacità multimediali. Il CD-ROM, per ciò che riguarda il suo aspetto fisico, è largo 120 mm con uno spessore di 1,2 mm ed è formato generalmente da quattro o cinque strati di materiale sovrapposti: il primo è in policarbonato trasparente alla luce laser; a seguire, è presente uno strato detto "dye" che come vedremo in seguito contiene i dati dei CD-R o CD-RW, infatti tale livello è presente soltanto in questi ultimi e non nei cd industriali. Il terzo strato è disposto a spirale ed è formato da una lega riflettente; il quarto è necessario alla protezione di quello precedente e per l'eventuale applicazione di etichette; queste ultime figurano come quinto ed ultimo strato. Riassumendo ci sono questi quattro strati: l strato protettivo o superficie stampabile l speciale lacca trattata con raggi ultravioletti l polimero colorante organico l substrato di policarbonato I dati vengono immagazzinati mediante la creazione di microfori (pit) sequenziali nello strato organico, alternati opportunamente alla zona non modificata della superficie riflettente (land). Questa operazione viene effettuata dai noti masterizzatori. La spirale di cui si è parlato in precedenza, in un CD da 74 minuti compie 22.188 rotazioni intorno al CD. Sono circa 600 giri per millimetro, equivalenti ad una lunghezza di 5 Km se si strotolasse in orizzontale. La lettura avviene tramite un raggio laser generato da un diodo e focalizzato sul secondo strato del cd, che rileva la presenza dei pit o dei land. Quando il raggio laser incontra un pit esso viene disperso, mentre incontrando un land viene riflesso e attraversando un prisma, deflesso su un diodo rilevatore. I pit non riflettendo la luce vengono interpretati come segnali "off", mentre i land sono segnali "on"; successivamente questa sequenza viene convertita in sequenza binaria. La lunga durata quindi non è soltanto dovuta al materiale e alle tecniche di costruzione, ma soprattutto dal fatto che il supporto, nella zona in cui sono contenuti i dati, non entra mai direttamente a contatto fisico con i dispositivi di lettura. Superata la sua prima diffusione sui personal computer e vista la sua capacità pari a circa 650700 MB (ancora più grande nei più recenti supporti), si pensò di diffondere il CD come supporto di memorizzazione ad uso comune, superando quello che era il suo principale limite cioè la possibilità di scrittura. Nacque così il CD-R (CD-Recordable, CD registrabile), la cui scrittura è possibile mediante il masterizzatore, un dispositivo dotato di un raggio laser più potente di un normale lettore, in grado di incidere il CD-R. Il funzionamento di questo infatti riprende quello dei CD-ROM comuni, ma i pit e i land, vengono "simulati" mediante il "dye". Questa pellicola, tramite il calore generato dal laser del masterizzatore, modifica la sua trasparenza divenendo al caso opaca (pit) o rimanendo trasparente (land). Da questa differenza rispetto ai CD comuni, nascono i problemi di compatibilità con i lettori più vecchi, che a volte non riescono ad interpretare correttamente la superficie del disco. Per produrre CD che avessero caratteristiche migliori in termini di compatibilità e durata sono state create molte leghe per il secondo strato riflettente, dando origine alla caratteristica colorazione variabile dei CD-R. Ultimo nato il CD-RW (CD-ReWritable, CD-Riscrivibile) che possiede la caratteristica di poter essere scritto più volte; ciò è possibile mediante un particolare dye. Questo è composto da un materiale cristallino che diviene amorfo al calore del laser e quindi opaco generando un pit. Tramite un riscaldamento prolungato a temperatura più bassa è possibile riportare il materiale allo stato cristallino e quindi nuovamente modificabile. Un CD-RW può generalmente sopportare un migliaio di cicli di scrittura-cancellazione. Tecnicamente i CD-RW usano una tecnologia a cambiamento di fase. Invece di creare dei "pits" e deformazioni nello strato organico registrabile, il materiale di questi ultimi si comporta ben diversamente. Si tratta di una sostanza cristallina ed immerso vi è del materiale magnetico. Al passaggio del laser il calore che viene creato trasforma il materiale in sostanza amorfa semiliquida che lascia libertà di movimento agli aghettini del materiale magnetico e grazie ad un campo magnetico generato dal masterizzatore riscrivibile, vengono direzionati nella posizione corretta per creare i punti e le insenature necessarie all'incisione dei dati. Questi dischi non possono essere scritti dai masterizzatori normali, non possono essere letti da tutti i lettori, soprattutto quelli un po' vecchiotti (la riflessione dei CD-RW è lontana dai CD preregistrati e dai CD-R, perciò è necessario un circuito di controllo automatico del guadagno). Standard dei Compact Disc Esistono diversi standard che definiscono i vari tipi di CD. Le specifiche Red Book e Yellow Book sono due basi dalle quali sono stati sviluppati gli altri standard. Red book E' stato il primo standard (1980) e definisce i CD audio (o detti CD-DA). Sono previste tre aree del disco: l Lead In. La prima traccia situata nell'area lead in è chiamata Table of Contents (TOC) dove sono memorizzati anche gli indirizzi di ogni traccia successiva. I dati sul disco sono organizzati in frames in modo da assicurare un bit-rate di lettura costante. Ogni frame è pari ad 1/75 di secondo ed è composto da 24 byte di dati, più 9 byte per la sincronizzazione, la correzione dell'errore, il controllo e la visualizzazione. 98 frame costituiscono un blocco; con questo sistema se il disco viene danneggiato non si perde l'intero contenuto ma soltanto i frame interessati dal danno, nel caso questo non possa essere corretto dal codice di correzione degli errori. L'area lead in viene scritta quando si chiude una sessione ed occupa 4500 settori (o 9 MB). Essa indica se il disco è in multisessione, se non è chiuso, qual è il successivo indirizzo disponibile per la successiva sessione. l Program. Sono contenute le tracce audio che possono essere 99, con una risoluzione di 16 bit ed un campionamento a 44.100 KHz. Utilizzando la compressione PCM lineare (Pulse Code Modulation) e considerando due canali (effetto stereo) sono necessari circa 10 Mbyte per ogni minuto di suono. La capacità del CD di 650 MB farebbe presumere una durata approssimativa di 65 minuti ma gli ultimi 5 millimetri di diametro del disco permettono di estendere questo limite a 74 minuti. l Lead Out. Non ci sono dati ma viene creato il silenzio digitale in modo che il lettore interpreti correttamente la fine dei dati dell'area program. E' un'area situata alla fine di una sessione. Occupa 6750 settori (o 13 MB). I successivi Lead out sono formati da 2250 settori (o 4 MB). Le specifiche Red Book nel formato CD+G prevedono anche 20 Mbyte di materiale grafico ma questo standard è ormai superato da specifiche più moderne. Un CD audio da 74 minuti contiene 330.000 blocchi equivalenti a 783.216.000 byte divisi in 75 settori di 2.352 byte. Blocco e settore sono sinonimi. Yellow book In origine esisteva esclusivamente il formato ISO 10149 che si limitava a descrivere le proprietà fisiche del disco (correzione degli errori, dimensioni dei settori, disposizione dei pit e dei land e la velocità di lettura). Nel 1985 lo standard che era chiamato "High sierra" fu modificato e rinominato in ISO 9660. Anche in questo caso esistono tre aree (lead in, program e lead out) che dividono il disco. Questo è organizzato in settori (98 frame o 2352 byte equivalgono ad un settore). Rispetto allo standard Red Book viene aggiunto un ulteriore livello per la correzione degli errori, che porta la quantità di spazio necessaria a 288 bytes, più 12 byte di sincronizzazione e 4 bytes di intestazione: rimangono 2048 bytes disponibili per i dati. Gli indirizzi dei settori sono espressi in minuti, secondi e settori (MM:SS:ss) Attualmente esistono due sue sottosezioni dello standard e cioè "ISO 9660" e "Mac HFS" utilizzati rispettivamente per i sistemi Windows/DOS/Unix e Macintosh. Esiste anche la possibilità di creare cd-rom ibridi che possono funzionare su entrambi i gruppi di piattaforme ma lo svantaggio risiede nella riduzione del 50 % dello spazio disponibile per i dati. Nel 1989 Philips, Sony e Microsoft introdussero l'estensione "CD-ROM XA" per incrementare le capacità audio e video dei CD-ROM. Una particolarità di questa estensione è lo schema di codifica utilizzato per l'audio cioè l'ADCPM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) che permette un rapporto di compressione 16:1. E' stato anche rivisto lo spazio occupato dal codice di correzione errori nei settori; in ognuno di questi sono disponili per i dati 2336 byte anziché 2048, a tutto vantaggio della capienza disponibile nel cd. La differenza principale tra l'ISO 9660 (chiamato anche mode 1) e l'estensione CD-ROM XA risiede nel tipo di applicazioni per cui sono stati progettati; mentre il primo è idoneo per dati poco tolleranti agli errori (come database, file compressi ecc.) il secondo lo è per contenuti multimediali (audio, video ecc.) che possiedono più tolleranza ad una eventuale corruzione. Un CD-ROM per l'utilizzo sul computer contiene 330.000 blocchi che equivalgono a 681.984.000 byte. Sostanzialmente lo standard Yellow Book definisce sia la modalità 1 che la modalità 2, dove quest'ultima contiene 2336 byte di dati utente. Green Book Le specifiche Green Book sono state pubblicate nel 1988 e realizzate da Philips; definiscono il CD-I (CD interactive) oltre alle risorse hardware e software necessarie. Il CD-I è nato con lo scopo di visualizzare presentazioni multimediali. Per questo standard sono stati sviluppati diversi sistemi di compressione sia per il video (immagini e sequenze) che per l'audio; di fatti anche il CD-I utilizza l'ADPCM per codificare i dati audio e l'MPEG 1 per i dati video. La riduzione di spazio e di banda passante dovuta a questi algoritmi di compressione facilita l'interattività grazie anche ad un sistema per unire testo video e audio. Un settore contiene esclusivamente dati di un tipo; questi quindi sono sparsi tra i settori e possono essere reperiti dal lettore in tempo reale. Ogni settore contiene anche una sottointestazione che descrive il contenuto dello stesso. E' stato soppiantato dall'estensione CD-ROM/XA del Yellow Book con cui divide diversi pregi. Green Book definisce la modalità 2 form1 e form2. Significa che i settori in modalità 2 posso essere "senza form" e sono chiamati modalità 2 del Yellow Book. White Book Queste specifiche sono progettate per la distribuzione di video digitale (Video CD o VCD) e sono state create nel 1993 da JVC Philips, Sony e Matsushita; è una speciale implementazione dell'estensione CD-ROM/XA. Viene utilizzata la compressione MPEG-1 per avere 74 minuti di video a schermo intero. La qualità del contenuto non è molto elevata (simile al VHS, in alcuni filmati addirittura inferiore) anche se il supporto alla decodifica MPEG è presente praticamente su ogni PC non eccessivamente datato. Negli anni questo standard è stato evoluto attraverso il VideoCD 2.0 (1995), VCD-ROM (1997), VCD-INTERNET (1997) e Super VCD (1998). Il Video CD 2.0 prevede sia lo standard PAL che NTSC a risoluzione elevata e con possibilità di avanzamento e riavvolgimento tipici dell'interattività. Il VCD-ROM è un ibrido tra il CD-ROM standard e il Video CD. VCD-Internet prevede collegamenti tra il video presente sul cd e le pagine Web. Il Super-VCD utilizza la compressione MPEG-1 ad alto bit-rate oppure la MPEG-2 a bit-rate variabile. Anche questo standard è praticamente superato grazie all'avvento dei DVD e alla compressione MPEG-2. Si pensa che possa essere sviluppato uno standard Video Cd che utilizzi un formato di compressione basato su MPEG-4 che permette una qualità visiva elevatissima con un bit-rate decisamente ridotto rispetto agli altri sistemi di compressione; tutto ciò si traduce in minor spazio utilizzato su disco e quindi la possibilità di inserire un intero filmato DVD ad alta qualità in un singolo CD. Tuttavia si tratta esclusivamente di voci senza alcun tipo di conferma ufficiale. Orange Book Nel 1990 Sony e Philips svilupparono la tecnologia CD-R, aprendo la strada alla masterizzazione. Le specifiche Orange Book part II (1998) (la part I riguarda i dischi magnetoottici) assicurano la compatibilità con tutti i drives CD-ROM e prevedono il supporto alle specifiche viste in precedenza aggiungendo diverse opzioni molto utili tipici dei CD-R. Le specifiche Orange Book part III (1998) riguardano invece i CD-RW con in aggiunta quindi della possibilità di cancellazione e riscrittura. Sono possibili 4 stati del CD-R: l bianco (nessun dato registrato) l parzialmente registrato l registrato a piena capacità l multisessione Nello stato multisessione la scrittura può avvenire 99 volte (il numero massimo di tracce previste per un CD-ROM); E' utilizzata la modalità TAO (Track at Once) creando volumi separati che contengono puntatori in grado di collegare la sessione precedente con quella successiva. E' possibile utilizzare anche la più recente modalità PW (Packet Writing) che consente di non sprecare spazio tra una sessione di scrittura e l'altra. Oltre a ciò le sessioni possono appartenere indistintamente alle specifiche Yellow o Red Book permettendo di creare cd con dati e tracce audio. Nel caso il disco venga scritto un'unica volta si utilizza la modalità DAO (Disc At Once). Parte 1: CD-MO (CD Magneto-Ottici) Parte 2: CD-WO (Write-Once, include specificazioni "hybride" per i PhotoCD) Parte 3: CD-RW (Riscrivibili) Blue Book Nel 1995 è stata definita ancora una specifica che prevede di un cd creato unicamente da due sessioni (una audio e una di dati) nota come Blue Book che identifica il CD Plus o CD EXTRA. La traccia audio è basata sullo standard Red Book, mentre la traccia dati è formata da contenuto multimediale (video, testo e immagini) e basata sullo standard Yellow Book. Alla definizione di tale specifica si presentarono diversi problemi come l'impossibilità da parte dei masterizzatori e dei programmi di supportare tale metodo di scrittura. Tuttavia il suo vantaggio è notevole perché i lettori audio sono in grado di accedere alla traccia apposita senza problemi di compatibilità. Elenco degli standard l l l l l l l l Red Book: informazioni fisiche per i CD audio (CD-DA) Yellow Book: informazioni fisiche sui CD dati Green Book: informazioni fisiche per i CD-i Orange Book: informazioni fisiche sui CD registrabili Parte I CD-MO (Magneto-Ottici) Parte II CD-WO (Write-Once include specificazioni "hybride" per i Photo-CD) Parte III CD-RW (Riscrivibili) White Book: formato per VideoCD Blue Book: CD Extra (occasionalmente indicati come formato LaserDisk) CD Extra: CD con due sessioni, la prima CD-DA, la seconda con dati (CD plus) CD-ROM/XA: Architettura estesa, un ponte tra Yellow Book e CD-i CD-ROM/XA MODE-1 Settori standard di Yellow Book l l l l l CD-ROM/XA MODE-2 può essere form-1 o form-2 CD-ROM/XA FORM-1 2048 bytes di dati, con correzione dell'errore, per dati CD-ROM/XA FORM-2 2324 bytes di dati, senza correzione dell'errore, per audio/video ISO 9660: formato file standard (detto High Sierra) Rock Ridge: estensioni che permettono funzionalità UNIX con nomi dei file lunghi oltre al classico formato 8+3. CDR-RFS: Filesystem packet-writing incrementale della Sony CDR-UDF: Filesystem packet-writing incrementale dello standard industriale. CD-Text: standard Philips per codificare dischi e tracce dati su CD audio Ogni supporto ottico in genere contiene una sezione chiamata Error Correction Code (oppure Error Detection Code) che è utilizzata allo scopo di proteggere i dati memorizzati sul CD. Consiste in 276 byte posti alla fine di ogni blocco (settore) scritto. TOC, sub-code channel, finalizzazione, GAP La TOC (Table of Contents) è una sequenza di bit posta all'inizio del supporto in cui è memorizzata la posizione di tutte le informazioni memorizzate sul supporto stesso. Alcuni CD audio contengono i cosiddetti sub-code channel (codici sottocanale). Essi sono distinti da 8 lettere P, Q, R, S, T, U, V, W. Pochi programmi di masterizzazione sono in grado di leggere i sub-code. I sub-code P e Q sono utilizzati per le informazioni sulle posizioni dei CD e per la TOC. In particolare il sub-code Q dell'area Lead in contiene la TOC, il tempo totale del CD, la lunghezza relativa alla traccia corrente. Infatti queste informazioni sono lette dai lettori CD per visualizzare il tempo dall'inizio della traccia, il tempo mancante, ecc. Contiene anche l'ISRC. I sub-code R e W contengono informazioni grafiche e testuali come in uso al formato CD+G. Un nuovo utilizzo chiamato ITTS (introdotto dalla Philips) abiliti i lettori compatibili a visualizzare testo e grafico sui CD con standard Red Book. Un esempio sono le informazioni “CD-Text”. Un disco a cui si possono aggiungere dei dati si dice "aperto" o in “multisessione”. Tutti i dati sono scritti nella sessione corrente. Quando si finisce di scrivere, si chiude la sessione. Se si vuole creare un disco multisessione, nello stesso tempo si apre un'altra sessione. Se non si apre una nuova sessione, non sarà possibile aprirla dopo, e quindi non si potranno aggiungere nuovi dati al CD. L'intero disco è considerato "chiuso". Il processo che fa passare una sessione da aperta a chiusa è chiamato "finalizzazione" o semplicemente "chiusura". Quando si chiude l'ultima sessione, si finalizza (o chiude), anche il disco. Come scritto in precedenza, un CD a singola sessione ha tre regioni base: l lead-in, che contiene la tabella dei contenuti (TOC, Table of contents) l area dei programmi, con i dati o le tracce audio l lead-out, che non contiene dati significativi. Su un disco aperto non sono ancora stati scritti il lead-in e il lead-out. Se si scrivono dei dati su disco e si lascia la sessione aperta, la TOC (che dice al lettore CD dove sono le tracce) viene scritta in un'area separata chiamata Program Memory Area (PMA). Solo i masterizzatori possono leggere la PMA, per cui non è possibile leggere sessioni aperte su un lettore CD Audio standard. I CD audio non vedranno le tracce audio, e i CD-ROM non vedranno i dati. Quando la sessione viene finalizzata, il TOC viene scritto nel lead in, permettendo alle unità CD di riconoscere il disco. Se si chiude la sessione corrente e se ne apre una nuova, l'area di lead in della sessione chiusa includerà un link alla successiva. I lettori CD audio non possono passare alla sessione successiva, per cui vedranno solo la prima sessione. Un lettore CD-Rom, a meno che non sia rotto o preistorico, riconosce le multisessioni e permette di accedere alla prima, all'ultima o una in mezzo, a seconda di cosa il sistema operativo dice al lettore di fare. Con il termine GAP sono indicati due differenti sezioni: ➔ Pre-GAP, piccola sezione di due secondi all'inizio di ogni traccia. La lunghezza del preGAP varia in base al tipo di masterizzatore, al tipo delle tracce, ed alla modalità con cui è memorizzato il supporto (TAO o DAO). ➔ Post-GAP, sezione di due secondi che segue la fine del CD o di un'area che indica che ha cambiato modalità di dati. Il post-GAP ha lo stesso formato della traccia successiva, in modo da far adeguare il lettore CD al nuovo tipo di traccia. Correzione del jitter nei CD audio Il jitter si riferisce a un errore nella base dei tempi quando un campione digitale è convertito in segnale analogico. Un altro significato di jitter è usato nel contesto dell'estrazione audio da CD. Questo tipo di jitter indica che alcuni campioni vengono duplicati o saltati interamente. Sostanzialmente può accadere che il laser del lettore audio digitale non riesca a posizionarsi all'inizio preciso dei dati che sta tentando di leggere. Il “Jitter Correction”, è il processo di compensazione e ripristino dell'audio al suo formato originale. Il problema nasce perchè le specificazioni della Philips non richiedono un accurato indirizzamento dei blocchi. Mentre i dati audio sono inviati a un buffer, le informazioni di indirizzamento per i blocchi audio sono privati dei sub-code channel e inviati a una parte differente del controller. Poichè i dati audio e le informazioni sugli indirizzi sono scollegate, il lettore CD non è capace di identificare esattamente l'inizio e la fine di ogni blocco. L'inacuratezza è piccola, ma se il sistema che estrae l'audio deve fermarsi, scrivere i dati su disco, e riprendere da dove aveva lasciato, non è in grado di trovare l'esatta posizione. Il risultato è che l'estrazione riprende alcuni campioni più avanti o indietro, duplicando o saltando alcuni campioni. Questi errori suonano come dei 'click' durante la riproduzione. In un CD-Rom i blocchi utilizzano 12 byte nell'intestazione come copia dell'indirizzo del blocco. In questo modo è possibile identificare l'inizio del blocco. E' per questo che è più facile rintracciare un singolo blocco su un CD-Rom. Con la maggior parte dei lettori che supportano l'estrazione digitale, si possono ottenere file audio senza jitter usando un programma che legge l'intera traccia in un colpo solo. Il problema con questo metodo è che se il disco fisso non può ricevere i dati, il campionamento viene interrotto. Il problema è simile all'errore di “buffer underun”, ma poichè il buffer usato in lettura è più piccolo di quello usato in scrittura il problema è amplificato. Un approccio che ha prodotto buoni risultati è quello di usare una jitter correction via software. Questo implica ripetute letture, e poi slittando i dati per farli combaciare. La maggior parte dei programmi professionali di estrazione digitale permette di farlo.