Đĩa quang và những cột mốc

Bạn có phân biệt được các loại định dạng đĩa CD và DVD, chẳng hạn đĩa DVD-ROM với đĩa DVD-R hay DVD+R khác nhau ra sao? Liệu ổ DVD bạn vừa mua có thể đọc được mọi loại đĩa không? Nên chọn định dạng nào phù hợp nhất với công việc của mình?

Bài viết sau cho bạn cái nhìn khái quát về những chặng đường phát triển định dạng đĩa quang và cấu trúc của từng định dạng. Tuy chưa bao trùm tất cả nhưng bài đề cập tới các định dạng thông thường nhất và nhiều thông tin 'bí mật' về chiếc đĩa quen thuộc lâu nay.

CD (COMPACT DISC)

Xuất hiện cách đây hơn 12 năm (tháng 10/1982), ngày nay đĩa CD rất phổ biến và tương lai của nó vẫn còn rất sáng sủa, mặc dù đĩa DVD đã xuất hiện. Định dạng đầu tiên của CD là audio CD. Vào năm 1984, chuẩn cho đĩa CD-ROM được công bố, cho phép chứa ứng dụng và dữ liệu để chạy trên máy tính. Kể từ đó, nhiều định dạng mở rộng xuất hiện như CD-ROM XA, CD-I, Enhanced CD và Video CD. Những định dạng này về mặt vật lý cũng giống như đĩa audio CD nhưng chứa các dữ liệu định dạng khác như văn bản, hình ảnh, video... Chúng được sản xuất để sử dụng chuyên cho một thiết bị cụ thể nào đó như máy tính, máy chơi game.

Đĩa CD là sản phẩm hợp tác của hãng Philips và Sony. Philips nghiên cứu về tia laser và Sony nghiên cứu về nhạc số. Nhưng trước đó, có 3 phát minh được xem là nền tảng cho CD:

• Pulse Code Modulation (PCM): cơ chế mã hóa audio số lên CD, do Alec Reeves phát minh vào năm 1937 tại London, Anh.

• Error Correction Code: cơ chế sửa lỗi do Irving Reed phát minh vào năm 1960.

• Laser: do Arthur Schawlow và Charles Townes phát minh vào năm 1958.

Có 3 định dạng CD chính:

• Audio CD là định dạng CD gốc và mọi định dạng CD khác đều dựa trên định dạng này. Audio CD cũng có thể dùng cho CD-Graphics hay CD-Text và CD-Extra (thêm dữ liệu PC ngoài dữ liệu audio).

• CD-ROM dựa trên audio CD để chứa dữ liệu PC (ứng dụng và game).

• CD-ROM XA là định dạng đa phương tiện của CD-ROM, cơ bản là CD-I, Video CD và Photo CD. Định dạng CD-I Bridge cho phép CD-ROM và CD-ROM XA có thể chơi trên đầu CD-I.

AUDIO CD (COMPACT DISC DIGITAL AUDIO - CD DA)

CD dùng kỹ thuật số để ghi âm thanh stereo, do Philips và Sony đưa ra vào năm 1982. (Đĩa nhựa và băng cassette ghi dạng âm thanh analog). Audio CD có 3 định dạng mở rộng: CD-Graphics, CD-Text và CD Extra. Xem bảng 1.

CD-GRAPHICS (CD-G)

Định dạng này thêm vào 6 kênh tín hiệu trong định dạng audio CD để chứa thêm tập tin đồ họa và văn bản đơn giản, có thể hiển thị trong khi chơi nhạc. Còn có một ứng dụng của CD-G là Karaoke (CD-G Karaoke) để chơi trên các thiết bị nghe nhạc CD cầm tay, người dùng cần có TV để hiển thị hình ảnh và lời bài hát. Xem bảng 2.

CD-TEXT

Cũng thêm vào 6 kênh tín hiệu trong định dạng audio CD. Các đầu đọc hỗ trợ CD-Text có thể hiển thị tối đa 21 dòng với 40 ký hiệu đồ họa và chữ số. Các chi tiết kỹ thuật của định dạng này được áp dụng cho ảnh mã hóa JPEG. CD-Text là định dạng audio CD có bổ sung thêm thông tin về album, tiêu đề bài nhạc, tên nghệ sỹ...

ENHANCED CD (CD-EXTRA)

Cũng có gốc từ audio CD nhưng CD-Extra có 2 vùng đĩa (đĩa có nhiều vùng khởi nguồn từ định dạng CD-R, cho phép ghi dữ liệu nhiều lần). Mỗi vùng có 3 phần: lead-in, vùng dữ liệu và lead-out.

Vùng 1 có thể chứa 98 track dữ liệu audio theo định dạng như audio CD. Vùng 2 chứa dữ liệu theo định dạng CD-ROM XA và buộc phải có cấu trúc tập tin, thư mục nhất định dùng hệ thống tập tin ISO 9660 (nếu để đọc được trên máy Mac, phải dùng hệ thống tập tin HFS) gồm: tập tin autorun.inf; thư mục CDPLUS; thư mục PICTURES; và thư mục tùy chọn DATA.

HDCD (HIGH DEFINITION/HIGH DENSITY COMPATIBLE DIGITAL)

Đây cũng là chuẩn mở rộng của audio CD do Pacific Microsonics phát triển. Chuẩn này hạn chế thông tin bổ sung cho bản nhạc để lấy kênh thông tin này bổ sung cho kênh âm thanh. Định dạng HDCD lấy mẫu âm thanh ở 20-bit (audio CD là 16-bit) nên âm thanh sinh động và tự nhiên hơn. Đầu đọc audio CD có thể chơi đĩa HDCD được nhưng đầu đọc HDCD chuyên dụng sẽ cho âm thanh hay hơn.

CD-ROM (COMPACT DISC - READ ONLY MEMORY)

Tín hiệu âm thanh là thứ đầu tiên được 'số hóa', kế đến là dữ liệu. Vào năm 1984, Philips và Sony giới thiệu chuẩn định dạng CD-ROM. Chuẩn này phù hợp với các ổ quang dùng trên PC. Về mặt vật lý, CD-ROM giống như định dạng audio CD nhưng cách chứa dữ liệu của 2 định dạng khác nhau. Trong khi audio CD chỉ có thể đọc được ở một tốc độ duy nhất, CD-ROM có thể đọc ở tốc độ đến 56X. CD-ROM có cơ chế nhận diện và sửa lỗi phức tạp hơn so với audio CD (thêm vào một lớp nhận diện và sửa lỗi riêng), dễ hiểu là vì nếu đĩa audio CD có lỗi, âm thanh sẽ nghe không liền lạc, còn với CD-ROM, dữ liệu bị sai là điều khó chấp nhận.

Định dạng CD-ROM khác audio CD ở 2 điểm quan trọng:

• Dữ liệu trên đĩa CD-ROM được chia theo sector, trong đó có dữ liệu người dùng và các dữ liệu khác để điều khiển và sửa lỗi.

• Dữ liệu trên CD-ROM được lưu trữ dưới dạng tập tin. Do đó mọi đĩa CD-ROM cần một định dạng tập tin để PC có thể truy cập dữ liệu dễ dàng và nhanh chóng.

Khi những CD-ROM đầu tiên mới xuất hiện, các ứng dụng chính thường là bách khoa toàn thư và CSDL văn bản lớn. Sau này, hình ảnh đồ họa, âm thanh và cả video cũng được lưu lên CD-ROM. CD-ROM còn được dùng để chứa phần mềm và là giải pháp lưu trữ những tập tin số có kích thước lớn.

CD-ROM XA (EXTENDED ARCHITECTURE)

Đây là định dạng cải tiến do Philips, Sony và Microsoft đưa ra vào năm 1988 để đồng bộ văn bản, audio và video chính xác hơn. Các sector ở Mode 2 có thể chứa vừa audio và dữ liệu xen kẽ nên có thể đọc đồng thời. CD-ROM XA dùng chuẩn định dạng hình 256 màu, chuẩn mã hoá audio ADPCM (Adaptive Delta Pulse Code Modulation). Kiến trúc vật lý Mode 2 của CD-ROM XA còn có thêm 2 định dạng phụ: Mode 2 Form 1 và Mode 2 Form 2. XA Mode 2 Form 1 có cơ chế phát hiện và sửa lỗi giống như các đĩa Mode 1 nhưng có tính tương thích cao hơn. Còn XA Mode 2 Form 2 bỏ bớt một lớp dữ liệu sửa lỗi để có nhiều chỗ cho dữ liệu hơn. Thực chất, định dạng này không được sử dụng rộng rãi và chưa thực sự thu hút các nhà sản xuất đi theo. Có 3 định dạng đĩa CD căn bản dựa trên kiến trúc vật lý của CD-ROM XA: Photo CD, Video CD và CD Extra. Hiện nay, chỉ còn tồn tại 2 định dạng phổ biến là Video CD và CD Extra.

Cần nói thêm, các đĩa CD-ROM ta thường gặp sử dụng Mode 1 và hệ thống tập tin ISO 9660/Joliet cho Windows và các nền HĐH khác. Windows cũng có thể đọc được cấu trúc tập tin XA Mode 2 nhưng Mode 1 vẫn được sử dụng cho nhiều mục đích hơn cả. Các CD-ROM dùng riêng cho hệ máy Mac dùng Mode 1 và HFS (Hierarchical File Structure) ít thông dụng hơn. Hiện còn có thêm định dạng Hybrid CD-ROM chứa cả hệ thống tập tin ISO 9660 và HFS để cả 2 nền đều đọc được, các tập tin thực thi (.exe) có 2 bản riêng cho 2 HĐH nhưng các tập tin đa phương tiện sử dụng chung.

CD-I Bridge

CD-I Bridge là chuẩn do Philips và Sony đưa ra để có thể đọc trên đầu đọc CD-I và các đầu đọc khác như ổ CD-ROM cho PC. Định dạng này cũng dựa trên chuẩn của CD-ROM XA nhưng các ứng dụng chính được chứa trong thư mục CDI. Các định dạng của CD-I Bridge gồm:

• CD-Interactive (CD-I) định dạng đa phương tiện, hiện nay hầu như không còn. CD-I dùng Mode 2 Form 1 và 2. Mỗi sector chứa audio và video.

• Photo CD do Kodak giới thiệu năm 1990, chứa hình ảnh được định dạng theo một độ phân giải nhất định, gồm có các định dạng con: Photo CD Master (2048x3072); Pro Photo CD master (4096x6144); Photo CD Porfolio (512x768 hoặc 1024x1536); Photo CD Catalogue (512x768); và Print Photo CD (2048x3072).

• Video CD có thể chứa đến 74 phút video MPEG-1 cho video chất lượng VHS và audio chất lượng audio CD, do Matsushita, Philips, Sony và JVC phát triển. VCD có độ phân giải 352x240 ở 30fps (NTSC) hoặc 352x280 ở 25fps (Pal/Secam). Bạn cần phân biệt Video CD với CD Video (CDV). Định dạng CD Video kết hợp giữa audio CD và video analog.

• Super Video CD (SVCD) chứa video MPEG-2 chất lượng cao hơn do Philips phát triển cho thị trường Trung Quốc (lúc đầu). Định dạng này có nhiều chi tiết kỹ thuật giống với DVD-Video nhưng có thời gian lưu phim ngắn hơn. Để chứa một phim ở định dạng này, ta cần phải có từ 2 đến 3 đĩa, cho chất lượng hình ảnh gần bằng với DVD-Video. Bạn cần phải có đầu đọc hỗ trợ định dạng SVCD mới có thể đọc được đĩa SVCD.

Hai định dạng Video CD và Super Video CD hiện được dùng khá nhiều ở khu vực châu Á. Mỗi định dạng có cấu trúc thư mục và tập tin riêng. Xem bảng 3.

CD-Recordable (CD-R) và các định dạng CD khác

CD-R

CD-R không có gì lạ nhưng có thể bạn chưa biết định dạng WORM và CD-WO. Thực chất cả 3 định dạng này đều là định dạng đĩa ghi được một lần và chức năng như nhau. Phân biệt giữa các tên gọi định dạng này do cách phát triển. Chẳng hạn, kỹ thuật chế tạo đĩa định dạng WORM chỉ đọc 1 lần được sản xuất theo một kỹ thuật riêng biệt - kỹ thuật DMM (Direct Metal Mastering) hoặc DRAW (Direct Read After Write) nên có tên gọi là WORM.

Riêng định dạng CD-R, có nhiều kỹ thuật chế tạo khác nhau, phổ biến nhất là phương pháp nhuộm vì chi phí thấp nhất. Phương pháp này dùng 2 chất hóa học cyanine và phthalocyanine làm chất nhuộm. Chất nhuộm này được kẹp giữa vàng và nhựa trong (polycarbonate). Khi tương tác với tia laser, sẽ đốt nóng chất nhuộm bị đốt nóng để tạo nên các pit trên đĩa CD-R. Chính 2 chất nhuộm này quyết định 'số mạng' của đĩa CD-R. Tuổi thọ của chất phthalocyanine là yếu tố quyết định tuổi thọ của CD-R. Chỉ cần có một thay đổi nhỏ trong thành phần của chất này cũng có thể gây lỗi đĩa. Thứ đến, độ nhạy ánh sáng của 2 chất nhuộm phthalocyanine và cyanine có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của đĩa, vì 2 chất này là chất hữu cơ nên dễ bị ánh sáng xanh và tia cực tím tác động.

CD-R là định dạng đĩa nhiều session, có thể ghi dữ liệu nhiều lần, mỗi session gồm vùng lead-in, dữ liệu và lead-out riêng biệt (như CD-ROM Extra). Hiện có 2 loại CD-R:

• Data CD-R để chứa dữ liệu. Đĩa định dạng này có thể ghi audio mã hóa PCM.

• Audio CD-R dùng để ghi âm theo chuẩn mới chống sao chép bất hợp pháp, chi phí đắt hơn nhiều so với đĩa data CD-R.

CD-RW hay CD-E (CD-Rewritable hay CD-Erasable)

Có cùng dung lượng với CD-R nhưng đĩa CD-RW có độ phản xạ thấp hơn CD-ROM và CD-R, và yêu cầu ổ CD-ROM phải hỗ trợ MultiRead mới đọc được. Đĩa CD-RW có thể ghi lại 1.000 lần. Điểm khác biệt của CD-RW so với CD-R: CD-RW dùng định dạng UDF (Universal Disc Format) tương tự như hệ thống tập tin trên ổ cứng. Ta có thể dùng dạng ghi packet-writing (kéo-thả) như sao chép dữ liệu trên ổ cứng. Đĩa CD-RW trước khi sử dụng cần được format. CD-RW dùng công nghệ thay đổi pha để can thiệp vào độ phản chiếu trên bề mặt đĩa.

HC-R (High Capacity Recordable)

Philips nâng cấp dung lượng cho đĩa CD-R với chuẩn mới là HC-R với mục đích mở rộng dung lượng của đĩa CD-R. Đĩa HC-R có dung lượng đến 850MB, ghi một lần.

DDCD (Double Density CD)

Đây là định dạng CD mới nhất do Philips và Sony đưa ra (năm 2000). DDCD là đĩa 12cm hoặc 8cm, có dung lượng khoảng 1331MB (gấp đôi dung lượng của CD). DDCD có phiên bản chỉ đọc, ghi 1 lần và ghi nhiều lần. Định dạng này chủ yếu dùng để lưu trữ dữ liệu, không dùng cho audio.

DVD (DIGITAL VERSATILE DISC)

Giống như CD, DVD chứa dữ liệu trên các rãnh nhỏ trên bề mặt đĩa theo hình xoắn ốc từ trong ra ngoài và cũng ứng dụng pit và land để ghi tín hiệu phản chiếu định ra tình trạng bit (0 hoặc 1). Tuy vậy, DVD khác CD ở chỗ ghi các track với kích thước nhỏ hơn (rộng 0,74micron so với 1,6micron của CD) và yêu cầu tia laser đặc biệt (laser đỏ, trong khi CD dùng laser hồng ngoại) nên các đầu đọc CD-ROM thông thường không đọc được. Đồng thời, DVD có các phương pháp sửa lỗi và module khác, những công nghệ này cho phép DVD chứa dữ liệu nhiều hơn CD gấp 7 lần.

Thời gian đầu, DVD viết tắt của từ Digital Video Disc nhưng bây giờ sửa lại thành Digital Versatile Disc (từ Versatile - đa năng - để chỉ định dạng DVD rất thích hợp để chứa audio, video và dữ liệu). Đây là định dạng đĩa có cùng kích thước vật lý với CD nhưng dung lượng cao hơn hẳn, từ 4,7GB đến 17,1GB, và là phương tiện lưu trữ dữ liệu, audio, video, game rất phổ biến hiện nay. Hiện DVD được sử dụng khá rộng rãi với 4 loại ứng dụng sau:

• DVD-Video xuất hiện lần đâu tiên tại Mỹ vào năm 1997 và gặt hái được rất nhiều thành công trong ngành công nghiệp điện ảnh vì chất lượng hình ảnh và âm thanh trội hơn hẳn CD.

• DVD-ROM dần dần thay thế CD-ROM trong lĩnh vực máy tính vì có dung lượng lưu trữ cao. Các hãng phát triển game consoles cũng dùng DVD-ROM để chứa game.

• DVD-Audio xuất hiện năm 2000 cũng trở nên phổ biến nhưng tốc độ phát triển còn chậm. Định dạng này cho âm thanh surround, chất lượng cao hơn.

• Các định dạng DVD có thể ghi được gồm: DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM hiện nay đang rất phổ biến để lưu trữ dữ liệu. Và với định dạng DVD, ta lại có 2

'thế giới' khá tách biệt cạnh tranh gay gắt với nhau. Đó là hội DVD Forum hỗ trợ định dạng DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM và HD-DVD. Tổ chức thứ 2 là DVD+RW Alliance hỗ trợ cho các định dạng: DVD+R, DVD+RW, DVD+R DL.

Ngoài các định dạng DVD trên, còn một số định dạng mở rộng khác như:

Hybrid SACD do Philips và Sony phát triển, kết hợp lớp SACD (tương tự cấu tạo lớp của DVD) và lớp CD. Cả hai lớp này nằm trên một mặt đĩa. Do đó dữ liệu được đọc tùy thuộc vào tia laser. Tia laser hồng ngoại đọc lớp CD và tia laser đỏ đọc lớp SACD (Hình 1).

Hybrid DVD do DVD Forum đưa ra với mục đích kết hợp DVD audio và audio CD, giống với Hybrid SACD (Hình 2).

DVD Plus là đĩa gồm 2 mặt, một mặt định dạng CD, mặt kia định dạng DVD (gần tương tự như Hybrid DVD). Phiên bản đầu tiên của DVD Plus dày 1,8mm nhưng hiện nay giảm xuống còn 1,5mm. Hiện DVD Forum không còn phát triển định dạng này (hình 3).

Đĩa DVD một lớp và đĩa 2 lớp

Giống như CD, DVD có 3 vùng: lead-in, vùng chứa dữ liệu, lead-out và đi từ trong ra ngoài. Nhưng với đĩa 2 lớp, cấu trúc phân vùng có khác.

Cấu trúc song song: layer 0 và layer 1 đều có vùng lead-in trong cùng, vùng dữ liệu ở giữa và vùng lead-out ngoài cùng.

Cấu trúc ngược chiều: layer 0 bắt đầu ở vùng trong cùng của đĩa và layer 1 bắt đầu ở điểm nối tiếp layer 0. Cấu trúc này chỉ có 1 vùng lead-in (trên layer 0) và lead-out (trên layer 1) và có 2 vùng giữa. DVD-Video sử dụng cấu trúc này nhằm tránh việc chuyển từ layer này sang layer kia làm phim bị đứng hình (thường dùng trong định dạng DVD-9 và DVD+R DL).

Vùng định danh (Burst Cutting Area)

Vùng này nằm gần vòng tròn giữa đĩa, chứa mã vạch có thông tin thêm cho đĩa như số seri. Dữ liệu chứa trong vùng này từ 12B đến 188B. Thường vùng định danh chứa ký hiệu để phân biệt đĩa và các ổ DVD đều đọc được vùng dữ liệu này.


Cấu trúc tập tin

Tập tin chứa trên DVD cũng dựa trên cấu trúc sector như CD. Mỗi sector chứa 2048B cộng thêm 12B dữ liệu đầu vào. Cứ một chuỗi 16 sector liên tục sẽ được dùng cơ chế nhận diện lỗi RSPC (Reed Solomon Product Code).

Hệ thống tập tin chứa trên DVD thường là UDF Bridge. Cấu trúc này là sự kết hợp giữa UDF và ISO 9660 để tăng thêm tính tương thích trên các HĐH khác nhau.

Tuy chuẩn DVD của DVD Forum khác với chuẩn của DVD+RW Alliance nhưng về mặt vật lý, các định dạng của 2 tổ chức này có nhiều điểm giống nhau (xem bảng).

Ngoài sự gần giống nhau về mặt vật lý, về mặt logic, cấu trúc tập tin của 2 dòng định dạng này cũng tương tự, cũng có 3 vùng căn bản: lead-in, vùng dữ liệu chính và lead-out, cấu trúc sector của 3 vùng này cũng giống nhau. Vùng lead-in chứa các thông tin về đĩa gồm 3 loại: loại đĩa (trừ đĩa DVD-RAM không có vùng thông tin này), cấu trúc đĩa, và sector header gồm thông tin của cấu trúc đĩa và thêm thông tin về tỉ lệ phản chiếu. Do đó, các đầu đọc DVD hiện thời dễ dàng đọc được 2 loại định dạng DVD-R/RW và DVD+R/RW. Nếu đầu đọc của bạn không hỗ trợ một trong 2 định dạng trên, bạn nên cập nhật lại firmware hay cần dùng một tiện ích nào đó (tùy vào nhà sản xuất ổ đĩa, định dạng DVD-RAM hiện có ít ổ đĩa hỗ trợ).

Định dạng đĩa cho tương lai: BLU-RAY và HD-DVD

BD (BLU-RAY DISC)

BD được xem là định dạng tiềm năng để lưu trữ video trong tương lai, vì với dung lượng tối thiểu là 25GB, đĩa có thể chứa đến 2 giờ video ở chất lượng HDTV hay 13 giờ video chất lượng TV. Công nghệ Blu-ray dùng tia laser xanh, thay vì tia laser đỏ như các định dạng đĩa hiện nay sử dụng. Tia laser xanh có bước sóng ngắn hơn (405nm) so với tia laser đỏ (650nm) nên điểm hội tụ của tia laser xanh nhỏ và chính xác hơn. Về cấu trúc vật lý, đĩa Blu-ray không khác gì nhiều so với đĩa DVD thông thường, khác biệt chính ở điểm thông số khúc xạ ánh sáng của Blu-ray là 0,85 so với 0,6 của DVD nên điểm hội tụ của tia laser sẽ nhỏ hơn, đồng thời kích thước đường rãnh dữ liệu (pitch) nhỏ hơn gần gấp đôi (0,32µm) so với của DVD và lớp phủ của BD là 0,1mm trong khi của DVD là 0,6mm.

HD-DVD (High Definition/High Density Digital Versatile Disc)

HD-DVD trước đây có tên gọi khác là AOD (Advanced Optical Disc) được tổ chức DVD Forum phát triển, đứng đầu nhóm phát triển định dạng này là Toshiba. HD-DVD có cấu trúc vật lý gần giống như Blu-ray và cũng dùng tia laser xanh để ghi dữ liệu. Tuy nhiên, dung lượng của HD-DVD/mặt ít hơn so với của Blu-ray (xem bảng 4). Nhóm WG11 của DVD Forum chịu trách nhiệm phát triển định dạng này. Hiện tại, HD-DVD được phát triển thành 2 model vật lý: lớp phủ 0,6mm với độ khúc xạ 0,65 và lớp phủ 0,1mm với độ khúc xạ 0,85 (giống với Blu-ray).