اقراص رقميه متنوعه

Digital video disks (DVD) - Vidéodisques numériques(DVD)

الأقراص الرقمية المتنوعة

إياد سيد درويش

تقانة الأقراص الرقمية المتنوعة DVD

أنواع الأقراص

بنية الأقراص DVD

استعمال الأقراص DVD

هي وسيلة تخزين ضوئية على شكل قرص، اختُرعت وطُوّرت عام 1995 من قبل شركات فيليبس Philips وسوني Sony وتوشيبا Toshiba وباناسونيك Panasonic. يمكن أن تصل قدرة تخزين القرص الواحد منه إلى 17 غيغا بايت، ويعيش مدة زمنية تقع بين 20 و200 سنة تبعاً لنوع القرص.

تمثل DVD الأحرف الأولى لعبارة القرص الڤيديوي الرقمي digital video disc أو القرص الرقمي المتنوع (الاستعمال) digital versatile disc، ويوضح الشكل (1) رمزه المتعارف.

الشكل (1) رمزDVD

تقانة الأقراص الرقمية المتنوعة DVD

تعتمد التقانة DVD مبدأ الأقراص المتراصة CD ذاته، بحيث يجري تخزين المعطيات على شكل أخاديد صغيرة pits محفورة على طبقة تعلو طبقة عاكسة للضوء. يُحدّد عمق الأخدود بربع طول الموجة الضوئية المستعملة للقراءة (). تُنظَّم هذه الأخاديد بمسالك tracks حلزونية تنطلق من داخل القرص إلى محيطه كما يبيّن الشكل (2).

الشكل (2) مسالك المعطيات على القرصDVD

تُقرأ المعطيات على القرص بتبئير (بمحرقه) focusing حزمة ليزرية ضوئية على طبقة المعطيات للقرص، وبإسقاط الحزمة المنعكسة عنه على مُحسٍّ ضوئي. ففي حال ورود الضوء على سطح أملس (سطح القرص أو قعر الأخدود) تنعكس الحزمة الضوئية باستطاعة كافية إلى المحسّ، وهذا ما يمثّل البت (0)، وفي حال ورود الضوء على حافة أخدود تنعدم الاستطاعة الضوئية الواردة إلى المحسّ الضوئي؛ نتيجة التداخل الهدّام بين الضوء المنعكس على سطح القرص والضوء المنعكس على قعر الأخدود حيث يساوي فرق المسير الضوئي بينهما نصف طول الموجة ، يمثّل ذلك البت (1) (الشكل 3).

الشكل (3) ترميز البتات على القرصDVD

للقرص DVD أبعاد القرص المتراصCD نفسه؛ أي قطره 12سم وثخانته 1.2 مم، في حين تفوق سعة تخزين القرص DVD سعة تخزين القرص المتراص CD بما يقارب سبعة أضعاف. ويكمن الفرق في استعمال طول موجة ضوئية ليزرية أقصر.

تُحدَّد أبعاد الأخاديد (ومن ثمّ كثافة التخزين) تبعاً لحجم البقعة الليزرية الممكن تبئيرها على سطح القرص، فكلما كانت هذه البقعة أصغر، صغرت أبعاد الأخاديد. تُحدِّد نظريات الضوء الحد الأدنى لقطر البقعة الضوئية الصادرة عن منبع مترابط (مثل المنبع الليزري) الممكن تبئيرها في مكان ما بالعلاقة:

حيث S قطر البقعة المبأرة، l طول الموجة الضوئية، وD قطر بؤرة العدسة، وf البعد البؤري للعدسة.

ومنه يتضح أنه كلما صغر طول الموجة الضوئية l؛ صغُر قطر بقعة البؤرة S، ومن ثمّ تصغر أبعاد الأخاديد المقابلة للتمثيل الاثناني، وتكبر سعة تخزين القرص.

يستعمل القرص DVD ضوء ديود ليزري laser diode بطول موجة 650 نانومتر مقابل طول موجة 780 نانومتر للقرص المتراص CD، وهذا ما يسمح بحفر أخاديد أصغر على سطح مادة القرص 0.74) مكرومتر للقرص DVD مقابل 1.6 مكرومتر للقرص (CD، ما يتيح زيادة سعة التخزين (الشكل 4).

الشكل (4) مقارنة تسجيل المعطيات على القرصCD والقرصDVD

أنواع الأقراص

تتوفر عدة أنواع من الأقراص DVD وفقاً لأبعادها، وإمكانية الكتابة والمحو، وعدد طبقاتها ووجوهها.

1 - أبعاد القرص

يتوافر نوعان من الأقراص :DVD بقطر 8 سنتيمترات ذي سعة تخزين أساسية (طبقة واحدة ووجه واحد) 1.46 غيغا بايت، أو قطر 12 سنتيمتراً وسعة تخزين أساسية 4.7 غيغا بايت.

2 - إمكانية الكتابة والمحو

أ - أقراص القراءة فقط DVD -ROM

هي أقراص مسبقة التسجيل يمكن قراءتها فقط. تُسجّل المعطيات على الأقراص في مصانع خاصة عن طريق الكبس، وهي لا تقبل المحو أو الكتابة.

ب - أقراص الكتابة مرة واحدة DVD -R, DVD+R

هي أقراص تُسوّق فارغةً ويُكتب عليها مرةً واحدةً، ولا يمكن محوها وإعادة الكتابة عليها مجدداً، ويُرمز إليها بـ DVD -R أو DVD+R وفقاً لطريقة الكتابة. تُسجّل المعطيات على طبقة حساسة للضوء بوساطة حزمة ليزرية عالية الاستطاعة. وأصبحت معظم سواقات الأقراص DVD الحالية قادرة على الكتابة على هذه الأقراص.

ج - أقراص للكتابة والمحو وإعادة الكتابة DVD -RW, DVD+RW, DVD -RAM

هي أقراص تُسوّق فارغةً ويمكن الكتابة عليها ومحوها وإعادة الكتابة عليها مرات متعددة، ويرمز إليها بـDVD -RW أو DVD+RW أو DVD -RAM وفقاً لطريقة الكتابة. تُسجّل المعطيات على طبقة قابلة لتغيير طورها بوساطة حزمة ليزرية عالية الاستطاعة. وأصبحت أيضاً معظم سواقات الأقراص DVD الحالية قادرة على الكتابة على هذه الأقراص.

3 - عدد الوجوه والطبقات

يمكن تخزين المعطيات على وجه واحد للقرص DVD، وعندها تُعرف باسم وحيدة الوجه single -sided ويُرمز إليها SS. كما تتوفر أقراص أخرى يمكن تخزين المعطيات على وجهيها، وتعرف باسم ثنائية الوجه double -sided، ويُرمز إليها بـ DS.

من ناحية ثانية يمكن توضيع عدد من الطبقات العاكسة جزئياً (أو الشفافة جزئياً) للضوء. تُخزّن على كل طبقة معطيات مستقلة عن بقية الطبقات، ويمكن قراءة المعطيات على مختلف الطبقات عن طريق التحكم في تبئير الحزمة الليزرية على الطبقة المطلوبة. وتُسوّق أقراص تتضمن طبقتين وتُعرف باسم الطبقة المزدوجة dual layer ويُرمز إليها بـ DL، في حين يُرمز إلى الأقراص التي تتضمن طبقة وحيدة single layer بالرمز SL.

يلخّص الجدولان (1 و 2) مختلف أنواع الأقراص DVD مع أبعاد الأقطار، وعدد الطبقات، وعدد الوجوه وسعة التخزين.

الجدول (1) أنواع الأقراص DVD وفقاً لعدد الوجوه وعدد الطبقات. السعة القطر عدد الطبقات الكلي عدد الوجوه التسمية (GiB) (GB) (cm) 1.36 1.46 8 1 1 SS SL DVD-1 2.47 2.66 8 2 1 SS DL DVD-2 2.72 2.92 8 2 2 DS SL DVD-3 4.95 5.32 8 4 2 DS DL DVD-4 4.37 4.70 12 1 1 SS SL DVD-5 7.95 8.54 12 2 1 SS DL DVD-9 8.75 9.40 12 2 2 DS SL DVD-10 12.33 13.24 12 3 2 DS SL+DL DVD-14 15.90 17.08 12 4 2 DS DL DVD-18 1 GB = 109 bytes = 1,000,000,000 bytes 1 GiB = 10243 bytes = 230 bytes = 1,073,741,824 bytes

الجدول(2) أنواع الأقراص DVD القابلة للكتابة. السعة القطر عدد الطبقات الكلي عدد الوجوه التسمية (GiB) (GB) (cm) 3.68 3.95 12 1 1 SS SL (1.0) DVD-R 4.37 4.70 12 1 1 SS SL (2.0) DVD-R 4.37 4.70 12 1 1 SS SL DVD-RW 4.37 4.70 12 1 1 SS SL DVD+R 4.37 4.70 12 1 1 SS SL DVD+RW 8.75 9.40 12 2 2 DS SL DVD-R 8.75 9.40 12 2 2 DS SL DVD-RW 8.75 9.40 12 2 2 DS SL DVD+R 8.75 9.40 12 2 2 DS SL DVD+RW 1.36* 1.46 8 1 1 SS SL DVD-RAM 2.47* 2.65 8 2 2 DS SL DVD-RAM 2.40 2.58 12 1 1 SS SL (1.0) DVD-RAM 4.37 4.70 12 1 1 SS SL (2.0) DVD-RAM 4.80 5.16 12 2 2 DS SL (1.0) DVD-RAM 8.75 9.40 12 2 2 DS SL (2.0) DVD-RAM 1 GB = 109 bytes = 1,000,000,000 bytes 1 GiB = 10243 bytes = 230 bytes = 1,073,741,824 bytes

بنية الأقراص DVD

تتكوّن الأقراص DVD من عدة طبقات تختلف تبعاً لنوع القرص.

1 - الركيزة

وهي من مادة بوليكاربونات polycarbonate البلاستيكية القاسية الشافة للأشعة الليزرية، تعطي السماكة الكافية لتبئير الحزمة الليزرية، كما أنها تسمح بالحفاظ على القرص مسطحاً. توضع هذه المادة على طرفي طبقة المعطيات.

2 - طبقة المعطيات

تختلف هذه الطبقة تبعاً لنوع القرص.

أ - أقراص القراءة فقط DVD -ROM

تُكبس الأخاديد مباشرةً على الطبقة الداخلية للركيزة البلاستيكية، ثم تُبخّر عليها مادة معدنية عاكسة للضوء (الشكل 5).

الشكل (5) بنية القرصDVD -ROM

 في الأقراص المتعددة الطبقات أو الوجوه تُكبس أخاديد المعطيات على عدة طبقات من ركيزة البوليكاربونات، ثم تُجمع بوساطة لاصق (الشكلان 6 و7).

الشكل (6) بنية القرص المزدوج الطبقةDVD -ROM SS DL

الشكل (7) بنية القرص الثنائي الوجهDVD -ROM DS

ب - أقراص الكتابة مرة واحدة DVD -R, DVD+R

تتكون طبقة المعطيات من مادة عضوية ملوّنة organic dye حساسة للضوء محصورة بين الركيزة البلاستيكية والطبقة المعدنية العاكسة (الشكل 8). تتغير التركيبة الكيميائية للمادة العضوية بتأثير حزمة ليزرية للكتابة باستطاعة أكبر بعشر مرات من استطاعة الحزمة الليزرية للقراءة (وقد شاع استعمال عبارة حرق القرص disc burning).

الشكل (8) بنية القرص DVD -R, DVD+R القابل للكتابة مرة واحدة

ج - أقراص الكتابة والمحو

تتكوّن طبقة المعطيات من خليط متغيّر الطور phase -changing alloy. يُكتب البت بتسخين هذه الطبقة موضعياً في المنطقة المطلوبة بوساطة الحزمة الليزرية فوق درجة حرارة الانصهار. تسمح طبقتان من مادة عازلة تحيطان بهذه المادة بتبريد سريع للمنطقة المسخّنة، وهذا ما يجعل المادة تحافظ على الطور اللابلوري عند تجمدها (الشكل 9). ولمحو البت تُسخِّن الحزمةُ الليزرية المادةَ في الموضع المطلوب إلى درجة حرارة فوق درجة حرارة التبلور وتحت درجة حرارة الانصهار، وهذا ما يسمح للمادة بالعودة إلى الطور البلوري. يمكن المحو وإعادة الكتابة بالتتابع بالتحكم في استطاعة الحزمة الليزرية المسقطة موضعياً على الطبقة.

الشكل (9) بنية القرص DVD -WR, DVD+WR القابل للكتابة والمحو

3 - الطبقة المعدنية العاكسة

هي الطبقة التي تعكس الحزمة الليزرية لتسقط على المحسّ الضوئي. تتوضع هذه الطبقة خلف طبقة المعطيات. غالباً ما يُستعمل الألمنيوم في الأقراص من النوع DVD -ROM, DVD -RW, DVD+RW, DVD -RAM، والذهب أو النحاس أو خلائط النحاس في الأقراص من النوع DVD -R, DVD+R. في الأقراص الثنائية الطبقات تُستعمل طبقة معدنية نصف عاكسة لطبقة المعطيات الأولى (الخارجية)، حيث يُستعمل الذهب أو النحاس أو خلائط النحاس أو السليكون بسماكات محدّدة. تسمح هذه الطبقة لجزء من الحزمة الليزرية بالنفاذ خلالها إلى طبقة المعطيات الثانية (الداخلية). ويُستعمل الألمنيوم لتكوين الطبقة العاكسة كاملاً خلف طبقة المعطيات الثانية (الشكل 6).

4 - طبقة الكتابة أو الطباعة

هي طبقة اختيارية يمكن أن توضع على سطح القرص غير المعرّض للحزمة الليزرية. يمكن كتابة معلومات خاصة بالقرص ومحتواه ومنتجه على هذه الطبقة أو طباعتها.

استعمال الأقراص DVD

انتشر استعمال الأقراص DVD في العديد من التطبيقات مثل الأفلام الڤيديوية والصوتيات وتخزين المعطيات الحاسوبية وذلك بسبب سعة التخزين الكبيرة التي تتيحها هذه الأقراص، إضافة إلى طريقة التخزين الرقمي الذي يضمن جودة عالية للصوت والصورة وعدم تلفها مع الزمن.

في مجال الأفلام الڤيديوية ظهر معيار الأقراص الڤيديوية DVD -video منذ عام 1996 وانتشر في أنحاء العالم كافة ليحل مكان الأشرطة VHS. وقد ساعد على ذلك صغر الأقراص وخفة وزنها وسهولة نقلها وإرسالها بالبريد. كما ساعدت الأقراص DVD على ظهور الڤيديو التفاعلي وخاصة في مجال الألعاب.

وفي مجال الصوتيات تمنح الأقراص السمعية DVD -audio مقاطع صوتية بدقة عالية، وتسمح بتعدد القنوات الصوتية؛ وإمكانية تقطيع الصوت بمعدل تقطيع كبير (حتى 24 بت /192 kHz)، إضافة إلى إمكانية تضمين عدد أكبر من المقاطع الموسيقية على القرص الواحد.

كما انتشر استعمال الأقراص DVD لحفظ المعطيات الحاسوبية DVD data discs.

سواقات الأقراص DVD

تتكون سواقة DVD مما يلي (الشكل 10):

الشكل (10) مخطط سواقة الأقراصDVD

1 - منظومة ميكانيكية لتثبيت القرص وتدويره.

2 - منظومة ضوئية فيها:

أ - ديود (ثنائي) ليزري لإصدار الأشعة الضوئية.

ب - محسّ ضوئي مثل الديود (الثنائي) الضوئي photodiode لاستقبال الحزمة الضوئية المنعكسة عن القرص.

ج - موشور prism لتقسيم الحزمة الليزرية وإرسال جزء من الحزمة المنعكسة إلى المحس الضوئي.

د - مجموعة عدسات لتبئير الحزمة الليزرية على طبقة المعطيات في القرص.

تُجمع هذه العناصر الضوئية في قطعة ميكانيكية بدقة عالية، ويمكن أن تنزلق على قضيبين مثبتين (سكتين) بكتلة السواقة. ويقوم محرك بالتحكم في موضع المنظومة البصرية على القضيبين لقراءة مختلف مسالك المعطيات على القرص تبعاً لقربها أو بعدها عن مركز القرص. تُنقل الإشارات الكهربائية من كتلة المنظومة الضوئية وإليها بوساطة أسلاك كهربائية مرنة.

3 - منظومة إلكترونية مضمنة للتحكم في إصدار الديود الليزري، ولمعالجة المعطيات الواردة إلى الديود الضوئي.

يبين الشكل (11) صورة سواقة الأقراص DVD مع مختلف أجزائها.

الشكل (11) صورة لسواقة الأقراصDVD

كانت سرعة الكتابة للنماذج الأولى للسواقات DVD تساوي ×1 أو 1350 كيلو بايت بالثانية. يمكن للسواقات الحديثة أن تنسخ بسرعة ×18 أو ×20؛ أي بسرعة أكبر بـ 18 أو 20 مرة من الأولى. يبيّن الجدول (3) سرعات التسجيل على أقراص DVD وأزمنة التسجيل.

الجدول (3) سرعات وأزمنة الكتابة على أقراص DVD. زمن الكتابة (min) معدل المعطيات سرعة السواقة طبقة مزدوجة طبقة وحيدة MiB/s MB/s Mbit/s 107 61 1.29 1.35 10.80 1× 54 31 2.57 2.70 21.60 2× 45 25 3.09 3.24 25.92 2.4× 41 23 3.35 3.51 28.08 2.6× 27 15 5.15 5.40 43.20 4× 18 10 7.72 8.10 64.80 6× 13 8 10.30 10.80 86.40 8× 11 6 12.87 13.50 108.00 10× 9 5 15.45 16.20 129.60 12× 7 4 20.60 21.60 172.80 16× 6 3 23.17 24.30 194.40 18× 5 3 25.75 27.00 216.00 20× 5 3 28.32 29.70 237.60 22× 4 3 30.90 32.40 259.20 24×

وتجدر الإشارة إلى أن السرعة ×1 للقرص CD هي 153.6 كيلو بايت بالثانية؛ أي أبطأ بتسع مرات من الأقراص DVD.

المعايير والمواصفات

يجري نشر المواصفات الخاصة بالأقراص DVD وتحديثها من قبل جهة تسمى منتدى الأقراص الرقمية المتنوعة DVD Forum التي تنشر وثائق تسمى كتب الأقراص DVD books .

يمكن الحصول على بعض المواصفات الخاصة بالخصائص الميكانيكية والفيزيائية والبصرية للأقراص DVD كمعايير مجانية من الموقع ISO، في حين أن بعض المواصفات الخاصة بالأقراص DVD (مثل المعيار DVD -video) ليست متاحة للعموم.

التطورات المستقبلية

سمحت التطورات الأخيرة في مجال الإلكترونيات الضوئية optoelectronics بتصنيع ديودات ليزرية تصدر ضوءاً بطول موجة أقصر في مجال اللون الأزرق، وهذا ما سمح بتصغير أبعاد البقعة الضوئية المبأرة على طبقة المعطيات في القرص الضوئي، ومن ثمّ زيادة كثافة المعطيات المسجّلة على القرص. أدى ذلك إلى ظهور الجيل الجديد لأقراص التخزين الضوئية الذي بُدئ بتسويقه، وهو قرص الأشعة الزرقاء Blu -ray disc الذي يستعمل طول موجة 405 نانومتر مع قدرة تخزين تصل إلى 50 غيغا بايت للأقراص الثنائية الطبقة.

مراجع للاستزادة: - F. R. Byers, Care and Handling of CDs and DVDs, Council on Library and In­for­mation Resources & Na­tional Institute of Standards and Technology, October 2003. - A. Pahwa, Digital Versatile Disc Technology, John Wiley and Sons, 2011. - K. Paulsen, Moving Media Storage technology, Focal Press, 2011.

---

- التصنيف : الهندسة المعلوماتية - النوع : الهندسة المعلوماتية - المجلد : المجلد الثاني مشاركة :