Tecnologias Ópticas. Tecnologias Ópticas

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1 Tecnologias Ópticas Tecnologias Ópticas Meio de armazenamento ideal para a distribuição offline de aplicações multimédia 1982 Lançamento do CD Revolução do áudio Tecnologia verdadeiramente digital Armazenamento e distribuição de música (mais tarde adaptado a aplicações multimédia) 1997 Lançamento do DVD Evolução das Tecnologias ópticas Aumento da capacidade de armazenamento Armazenamento e distribuição de filmes (mais tarde adaptado a aplicações multimédia) 1

2 Tecnologia CD (Compact Disc) Meio compacto, portátil e fiável para o armazenamento de vários tipos de media Áudio digital Vídeo,imagens e texto software Espera-se que continue a ser usado em larga escala (devido à quebra dos custos de produção) Tecnologia CD Desenvolvida pela Phillips e Sony Assenta em três tecnologias fundamentais: Codificação de áudio digital PCM Laser (Schawlow e Townes) Códigos de correcção de erros (Reed e Solomon) Os discos têm furos microscópicos que apenas podem ser focados através de lasers: Armazenar informação digitalizada através de PCM Imperfeições podem ser corrigidas por códigos de detecção e correcção de erros 2

3 Tecnologia CD 12cm de diâmetro 1,2mm de espessura 3 a 4 camadas distintas Face impressa Laca protectora Camada metálica Policarbonato Laser A camada metálica contém uma longa sequência de furos Tecnologia CD 3

4 Tecnologia CD Os dígitos binários são gravados fisicamente no disco óptico através dos furos Pits, os furos correspondem aos 0 s binários Lands, as zonas lisas correspondem aos 1 s binários Tecnologia CD Os furos são alinhados ao longo de uma espiral Inicia-se no centro do disco termina na sua orla exterior Velocidade linear constante: 1,2 a 1,4m/s 4

5 Tecnologia CD Utilização de códigos de correcção de erros permite corrigir defeitos que ocorrem na produção física do CD erros que advêm da utilização normal do CD Riscos Poeiras... Durante a descodificação os bits são agrupados em tramas (588bit) Trama CD Tem duas áreas distintas 8 bits de subcódigo no início da trama contêm informação de organização e controlo 192 bits de dados 5

6 Zonas da Área Gravável Lead-In Zona que se inicia perto do centro do disco (raio de 23mm a 25 mm) Contém informação sobre o conteúdo do CD Permite sincronizar a leitura Área de Programa Inicia-se em 25mm até 58mm Armazena o conteúdo do disco Lead-out Inicia-se assim que terminam os dados Não contém qualquer tipo de dados CD-DA (Digital Audio) Primeiro formato de CD Formato CD para áudio Capacidade inicial 74min -> 80min Taxa de amostragem: 44,1 KHz Tamanho da amostra: 16bit 2 canais O leitor reconstrói o sinal de áudio analógico a partir das sequências digitais gravadas no disco óptico 6

7 Leitura de um CD-DA 1. O feixe laser incide sobre o disco óptico e faz a leitura da informação nele codificada 2. A leitura é controlada através de um processador 3. Os dados são enviados para um descodificador que os converte num sinal digital 4. Um filtro digital remove o ruído e passa o sinal digital a um conversor que o transforma em analógico 5. Um segundo filtro analógico remove ruído 6. O sinal analógico é enviado para as saídas estereofónicas para a sua reprodução Área de Programas do CD-DA Contém uma ou mais pistas musicais separadas por pausas O áudio pode estar organizado nestas pistas ou ser reproduzido em contínuo em duas ou mais pistas 7

8 Área de Programas do CD-DA Cada pista é dividida em índices e pode conter até 99 contém pelo menos dois Índice 0 -> pausa Índice 1 -> marca parte do conteúdo musical da pista Os instantes de início das pistas encontram-se definidos na TOC (Table of Contents) encontra-se na zona de lead-in permite o acesso aleatório às várias pistas Os índices são definidos através dos bits dos subcódigos (área das tramas) Esquemas de Protecção de Cópias Exploram as diferenças entre entre os leitores de CD-DA e os leitores de CD-ROM Os primeiros reproduzem continuamente o áudio Lêem apenas a primeira sessão de um disco multi-sessão Os segundos lêem o áudio em blocos precisam de identificar o próximo bloco recorrendo aos subcódigos procuram a última sessão de um disco multisessão Introduzem erros no áudio que são ignorados pelo CD-DA e detectados pelo CD-ROM quando ripado 8

9 CD-ROM Destina-se a dados digitais arbitrários Tem parâmetros físicos idênticos ao CD- DA Podem ser reproduzidos ou lidos a velocidades múltiplas da velocidade original Contém uma camada adicional para detecção e correcção de erros Sistema de Ficheiros do CD-ROM Os dados encontram-se armazenados logicamente em ficheiros que podem ser acedidos através do computador Norma ISO 9660 Define um sistema de ficheiros hierárquico destinado à organização da informação contida no disco Compatível com MS-DOS (apenas podem ter 8 caracteres) Pode ser montado por um sistema operativo, permitindo o acesso aos ficheiros armazenados no disco Existe uma Path Table que é carregada em memória e permite o acesso rápido aos ficheiros 9

10 Sistema de Ficheiros do CD-ROM Dada as limitações inerentes à sua compatibilidade com o MS-DOS foram criadas extensões Joliet para o MS Windows Contorna as seguintes limitações Conjunto de caracteres limitados Extensão do nome do ficheiro limitada a 8 caracteres Limitação da profundidade da árvore de directórios Limitação do formato utilizado para o nome dos directórios HFS para o MacOS Rock Ridge para UNIX/LINUX Sistemas de Protecção contra Cópias Impedem a cópia de CD-ROM para CD-R ou para o disco rígido Utilizam como base a cifragem do conteúdo chave encontra-se numa zona escondida sob a forma de assinatura digital Sistemas SafeDisc e SafeDisc2 da Macrovision SecuROM da Sony 10

11 CD-R Pode ser gravado apenas uma vez Pode gravar discos em qualquer formato: CD-DA, CD-ROM, CD-i, CD-ROM-XA, Photo-CD e Video-CD Pode ser reproduzido por qualquer leitor compatível com o formato de gravação seleccionado Duas versões Discos de Dados CD-R Discos de áudio CD-R Discos CD-R Semelhantes aos discos CD-ROM Diferem no que se refere à sua forma de gravação em vez da camada de alumínio, possuem uma camada metálica reflectora (ouro ou prata) não recorre à aplicação de furos existe uma camada orgânica transparente que fica tingida durante a gravação o substrato de plástico possui um sulco correspondente à espiral de forma a conduzir o laser de gravação 11

12 Discos CD-R - Gravação Gravação O laser atinge os pontos da camada orgânica, aquece-a, ficando tingida Pontos comportam-se como os furos de CD convencional É irreversível Leitura Laser incide sobre as zonas tingidas, a luz é bloqueada, não atingindo a camada metálica, simulando a presença de um furo Se o laser incide sobre zonas não tingidas, a luz atravessa-a e atinge a camada metálica CD-RW Apresenta muitas semelhanças aos CD-R Mesma capacidade dos discos CD-R Apenas reproduzidos em leitores de CDROM com tecnologia MultiRead Diferem em relação às características da sua gravação e regravação permitem gravação de ficheiros, alteração de ficheiros gravados e eliminação de ficheiros 12

13 Em vez de camada orgânica existe camada regravável, baseada num composto químico que muda de estado situa-se entre duas camadas dieléctricas situadas imediatamente a seguir à camada metálica CD-RW CD-RW - Gravação As propriedades do composto químico da camada gravável alteram-se quando este é aquecida pelo laser Quando a temperatura atinge os 600ºC o composto passa ao estado liquido Quando a temperatura atinge os 200ºC o composto passa ao estado sólido Mudanças persistem, mesmo quando arrefece O laser de leitura não possui potência suficiente para causar uma mudança de estado Não altera a informação do CD-RW 13

14 CD-RW - Gravação Quando o composto se encontra no estado sólido, é translúcido e atravessado pela luz do laser que atinge a camada metálica (1 binário) líquido, é opaco e absorve grande parte da luz que não atinge a camada metálica (0 binário) Quando se grava, gravam-se apenas os 0 binários CD-RW: Modos de Utilização Tal como se fosse uma disquete Usando Sistema UDF (implica pré-formatação) Software de formatação packet writing software (DirectCD da Roxio e InCD do Nero) É possível guardar os ficheiros directamente a partir da aplicação que os gera (Save As) Capacidade: 530MB Tal como um disco CD-R usando Sistema Joliet ou HFS Suporta várias sessões Capacidade: 630 MB Pode eliminar-se sessões 14

15 CD-Extra CD Multisessão derivado do CD-DA Produção de um CD para o armazenamento simultâneo de áudio e dados Melhor suporte para multimédia Pode ser usado noutros leitores para além do CD-ROM Tem que conter a informação não musical na pista 1 alguns leitores podem não saltar a pista 1 e deteriorar as colunas de alta-fidelidade Requisitos -> DVD Suporte para filmes de longa-metragem (DVD-Video) CD-ROM de grande capacidade para a distribuição de aplicações multimédia e jogos (DVD-ROM) Compatibilidade dos leitores de DVD com os discos ópticos CD Novos discos ópticos DVD com as mesmas dimensões dos CD têm duas camadas de substrato Discos ópticos com dois lados e com duas camadas por cada lado Uniformizar o sistema de ficheiros usado por todos os DVD (UDF) Integrar esquemas de protecção contra dados Formatos graváveis e regraváveis 15

16 Tecnologia Digital V(ersatile) Disc (1994) Tecnologia semelhante ao CD Possui várias utilizações Vídeo e áudio digital Jogos interactivos Etc. Inclui formatos graváveis e regraváveis Discos ópticos de 12cm semelhantes a um CD capacidade de 4,7 a 17 GB Tecnologia DVD Diminuição da distância entre as pistas da espiral aumentou a extensão da espiral (5,33 Km -> 12Km) Diminuição da largura de cada pista (0,5 mícrones -> 0,32 mícrones) mais pistas de dados no mesmo disco Diminuição do comprimento dos furos Armazenamento mais eficiente da estrutura de dados Detecção e correcção de erros mais eficiente Mais bits disponíveis para dados Utilização de 2 lados do disco óptico Inclusão de duas camadas distintas em cada lado 16

17 DVD versus CD Formatos/Capacidade DVD 17

18 Formatos/Capacidade DVD DVD-5 Contém 2 substratos agregados por uma camada de junção um dos substratos tem uma camada reflectora (camada 0) contém furos e zonas lisas o outro não é usado DVD-9 Contém também dois lados e não contém camada reflectora no lado 1 O lado 0 possui duas camadas metálicas para armazenamento de dados Uma reflectora Uma semi-reflectora que deixa passar a luz do laser através dela para a outra camadas Camadas de Dados DVD Encontram-se também estruturadas em 3 áreas Um disco DVD com apenas uma camada é semelhante ao CD com duas camadas existem duas configurações alternativas Percursos paralelos As camadas são totalmente independentes iniciando-se ambas perto do centro com a sua própria área de Lead-in Terminam ambas na periferia com a área respectiva de Lead-out Percursos opostos (muito usada no DVD Video) A camada de dados 0 inicia-se perto do centro com a sua área de Lead in e termina perto da periferia com uma área intermédia A camada de dados 1 inicia-se perto da periferia com a sua área intermédia e termina no centro do disco com a área de Lead-out 18

19 Sectores e Sistema de Ficheiros DVD Organizam-se em sectores com um cabeçalho de 12 Bytes e uma área de dados de 2048 bytes Todos os tipos de discos da familia DVD armazenam os dados em ficheiros Sistema de ficheiros UDF Formatos DVD 19

20 DVD-ROM (1996) Base dos outros formatos de discos DVD prégravados Pode ser utilizado para uma grande variedade de aplicações incluindo as aplicações multimédia interactivas e jogos Proporcionam 7x mais capacidade de armazenamento que os CD-ROM Pode ser reproduzido em qualquer leitor de DVD-ROM compatíveis com CD-ROM, CD-DA, CD-R e CD-RW DVD-Video (1996) Formato mais bem sucedido da familia DVD Duração: 133min (DVD-5), 2x133m (DVD-10), 240min(DVD-9) A codificação de vídeo digital recorre aos formatos MPEG-1 e MPEG-2 Os formatos para áudio digital incluem o Dolby Digital, DTS, MPEG-2 ou PCM linear As legendas podem ser representadas até ao máximo de 32 idiomas diferentes Pode incluir 8 bandas sonoras distintas (8 idiomas) Os tipos de aspecto da imagem incluem o widescreen, caixa e panorâmica com ampliação e redução 20

21 DVD-Video (1996) Permite efectuar transições entre duas quaisquer cenas inclui menus para selecção de material visualizar vários ângulos da câmara escolher vários percursos para um filme interactivo) Em geral utiliza discos de duas camadas DVD-9 para filmes mais longos (reprodução continua ao longo das duas camadas) DVD-10 para proporcionar duas versões diferentes do mesmo filme Pode incluir material que apenas está disponível em drives de DVD-ROM DVD-Áudio (1999) Define discos DVD-Audio que usam uma codificação PCM linear multi-canal escalável Formato ideal para distribuir musica de elevada qualidade em formato surround Pode conter ainda texto, gráficos, imagens bitmap e vídeo digital Permite implementar os mesmos métodos de navegação do DVD-Video Pode ser reproduzido por leitores DVD-Audio ou DVD-Video 21

22 DVD-R Suporta apenas uma gravação Usam tecnologia semelhante aos discos CD-R A camada orgânica é diferente permite furos mais pequenos Capacidade: 4,7 GB por lado Compatíveis com DVD-ROM, DVD-Video e DVDAudio Multisessão DVD-RAM Formato DVD Regravável Baseia-se em compostos com mudança de estado a alteração é efectuada não só nas zonas dos furos, mas também nas zonas lisas Capacidade de 4.7 a 9,4 GB Podem ser lidos por leitores DVD ou DVD-RAM Para gravar estes discos é necessário um cartucho especial 22

23 DVD-RW Formato DVD Regravável Compatível com todos os leitores e gravadores de DVD Baseia-se em compostos com mudança de estado a alteração é efectuada apenas nas zonas dos furos DVD+RW Formato DVD Regravável Não aprovado pelo DVD Fórum produzido pela DVD+RW Alliance Semelhante ao DVD-RW em termos de concepção, uso e compatibilidade Proporcionam características adicionais ao DVD-RW Não exigem a regravação da totalidade do disco sempre que se pretendem substituir alguns ficheiros Permite que a drive ou gravador parem e reiniciem Podem ser gravados a velocidades mais elevadas Suportam gravação em multisessão 23

24 DVD+R Formato DVD Gravável Não aprovado pelo DVD Fórum produzida pela DVD+RW Alliance Semelhante ao DVD-R em termos de concepção, uso e compatibilidade Extensão dos discos DVD+RW Produção de Discos Ópticos 1. Pré-Masterização 2. Masterização em matriz de suporte de vidro 3. Duplicação 4. Acabamento do disco óptico 5. Controlo de qualidade 24

25 Pré-Masterização Prepara a versão original da aplicação para o fabrico dos discos ópticos Inclui o controlo de qualidade dos ficheiros originais fornecidos o teste com software anti-virus A análise dos ficheiros para a sua formatação de acordo com as especificações Pré-Masterização de DVD-Video Codificação do vídeo para MPEG-2 Codificação do Áudio para Dolby digital, MPEG-2 ou PCM Criação das camadas das legendas Autoria da aplicação interactiva incluida no disco Inclusão de menus e métodos de navegação Teste do disco através de emulação 25

26 Pré-Masterização de DVD-Audio Codificação do Áudio digital Codificação das imagens bitmap Preparação do texto relacionado com o áudio digital Autoria opcional da aplicação interactiva incluida no disco Inclusão de menus e métodos de navegação Teste do disco através de emulação Masterização da Matriz em Suporte de Vidro Criação de uma matriz de vidro, usada para moldar os furos na superfície do substrato de plástico corresponde ao disco original será utilizada para a duplicação dos discos ópticos 26

27 Duplicação Industrial Aplicação da matriz ao molde de prensagem Metalização das camadas de plástico através da pulverização de uma camada de alumínio sobre a sua superfície Nos discos DVD Juntam-se os dois substratos correspondentes aos dois lados Blu-Ray Baseia-se também num laser azul-violeta Desenvolvido por empresas de consumo (Sony, Thomson, LG,...) Capacidade: 27 a 54 GB Permite o armazenamento de 2h de vídeo digital com qualidade HDTV 13h de vídeo digital com qualidade VHS Os leitores e gravadores Blu-Ray são compatíveis com CD e DVD Usa o MPEG-2 Formatos: BD-ROM, BD-R, BD-RW, BD- RE 27

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