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CD-ROM的光盘复制概述


CD-ROM的光盘复制概述

【摘要】:光盘复制:主要包括VCD/CDROM/CD光盘复制,DVD5/DVDROM光盘复制,随着社会的发展光盘复制方式在不断增多,VCD/CDROM/CD光盘复制和DVD5/DVDROM光盘复制目前主要以光盘面印刷,光盘刻录复制为最基本的方法,另外一种也是最基本的一种即光盘批量压制。这主要适合大批量光盘的生产与复制。

光盘的发展历程

纸的发明极大地促进了人类文明的进步,它记载了人类文明的发展史,造就了一批新兴的工业。 从信息存储的角度看,CD-ROM完全可以看成一种新型的纸。一张小小的塑料圆盘,其直径不过12厘米(5英寸),重量不过20克,而存储容量却高达600多兆字节。如果单纯存放文字,一张CD-ROM相当于15万张16开的纸,足以容纳数百部大部头的著作。
但是,CD-ROM在记录信息原理上却与纸大相径庭,CD-ROM盘上信息的写入和读出都是通过激光来实现的。激光通过聚焦后,可获得直径约为1微米(μm)的光束。据此,荷兰飞利浦(Philips)公司的研究人员开始使用激光光束来进行记录和重放信息的研究。1972年,他们的研究获得了成功,1978年投放市场。最初的产品就是大家所熟知的激光视盘(LD,Laser Vision Disc)系统。
从LD的诞生至今,光盘有了很大的发展,它经历了三个阶段:①LD-激光视盘;②CD-DA激光唱盘;③CD-ROM。下面简单介绍这三个阶段性的产品特点。

LD-激光视盘 它就是通常所说的LCD,直径较大,为12英寸,两面都可以记录信息,但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM(Frequency Modulation)频率调制、线性叠加,然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。
CD-DA激光唱盘 LD虽然赢得了成功,但由于事先没有制定统一的标准,使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年,由飞利浦公司和索尼(Sony)公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书(Red Book)标准。由此,一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同,CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM(脉冲编码调制)数字化处理,再经过EFM(8~14位调制)编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是:对干扰和噪声不敏感;由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。
CD-ROM CD-DA系统取得成功以后,这就使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到,利用CD-DA作为计算机大容量只读存储器。但要把CD-DA作为计算机的存储器,还必须解决两个重要问题:①建立适合于计算机读写的盘的数据结构;②CD-DA误码率必须从现有的10-9 降低到10-12 以下。由此就产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。这个标准的核心思想是:盘上的数据以数据块的形式来组织,每块都要有地址。这样做后,盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上迅速找到。为了降低误码率,采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码,即所谓CRC;错误校正采用里德-索洛蒙(Reed Solomon)码。
黄皮书确立了CD-ROM的物理结构,而为了使其能在计算机上完全兼容,后来又制定了CD-ROM的文件系统标准,即ISO9660。有了这两个标准,CD-ROM在全世界范围内得到了迅速推广和愈来愈广泛的应用。在80年代中期,光盘的发展非常快,先后推出了WORM光盘、CD-ROM光盘、磁光盘(MOD)、相变光盘(PCD,Phase Change Disk)等新的品种。这些光盘的出现,给信息革命带来了很大的推动。

CD-ROM的复制
CD-ROM的复制并不神秘,可以简单地分为五个环节:
(1)预制主片;(2)制主片;(3)电铸;(4)复制;(5)印刷; (6)包装

预制主片
由于CD-R系统的出现,这一过程实际上可以简化为将CD-ROM节目的程序和数据刻录成CD-R盘的过程。 这个过程包括如下几个步骤:
(1)预制:将CD-ROM节目的程序和数据,利用预制作软件,在硬盘上按CD-ROM ISO9660格式模拟生成映像文件。该映像文件模拟真实的CD-R盘的文件和目录结构。
(2)优化、测试:通过CD-R制作系统软件,存取CD-ROM映像文件,就像存取已经放在CD-ROM盘片上一样。这时对CD-ROM节目的程序和数据进行测试和优化,尽量使最频繁存取的文件放在CD-ROM"盘片"的最前端。
(3)刻录:将已经生成好的CD-ROM映像文件,利用刻录软件刻录到CD-R盘片上去。 值得注意的是,CD-R的刻录过程中不允许中断,一量发生中断,盘片就有可能报废。 一般CD-R软件支持多种CD格式。在刻录时,可以选择你所需要的格式,这也包括CD-I和CD-XA,及允许多个文件系统共处于一个CD-ROM的混合格式(例如ISO和HFS)。 在预制主片的过程中,通常要进行逐字节的核查,以确保数据毫无差错地转换到新的格式。
制主片
这一过程实际上是我们将经过处理后的写在CD-R盘上的数据,记录在玻璃盘上的过程。因为任何CD-ROM盘的质量最高只能达到生产该盘所用的主片的质量,所以制主片这一过程被认为是在整个生产过程中最关键的一步。在制主片过程中所制出的CD凹点,是所有制造形成物中最小的――每一个只有烟雾的颗粒大小,这就意味着最微小的杂质也会损坏大量数据。所以制造主片及CD-ROM的生产过程中,一个关键条件就是空气中微粒数量要得到严格控制,以保证洁净的工作环境。
尽管现在有多种制作CD主片的方法,但最常用的是感光性树脂系统。这种方法是将感光性树脂(一种光敏化学物质,与冲洗黑白照片用的感光乳剂相似)用于一个经特殊处理的玻璃基片上,以制出一个玻璃主片。
感光性树脂通常都是由一个旋转涂膜系统以大约1/8微米――比人的头发细640倍的厚度涂上去的。计算机将格式化后的输入媒体上的信息,转化为激光束记录仪上一系列"开"和"关"的脉冲,通过这一激光编码过程将数据记录到感光树脂涂层上。
在一个螺旋形轨道上,激光束记录仪使部位感光性树脂在蓝光下曝光,这样就生成了光盘的具体内容。玻璃母盘也要用化学显像药水来进行显影。感光性树脂上曝光的部分被腐蚀掉以后,就在抗蚀性的表面上形成了上亿个微小的凹点。
经过显影之后,要在感光性树脂表面蒸敷上一层金属膜(通常是银),以便其后玻璃主片电铸时有一个导电的表面。
电铸
电铸的最终目的是产生用于复制CD的金属模子。在制作玻璃主片的这一过程中,由于有一层银膜而导电的主片,浸浴在含有镍离子的电解质溶液里。通过一个电路使其通电后,带有光盘映像的玻璃主片上的曝光区域不断吸引镍离子。镍层不断加厚,并与曝光后的感光树脂表面上腐蚀出的凹点和台面(凹点之间的部分)的轮廓一致。
最终结果是形成一个厚且坚固的镍片,其金属表面上留下了与光盘完全相反的印膜。这一片原始的金属片被称为金属主片或是"父片"(Father)。之所以称其为"父片",是因为它将被用于生成另外两个金属片,分别称为"母片"(Mother)和"模片"(Stamper)。通过其后的电铸过程,母片和模片的数量不断增加。母片是由父片而来的,而模片又是由母片而来的,每一片是另外一片的相反呈像。模片是金属主片的完全复制品,也是这一生产阶段的最终产品。通过金属模片将进行塑料CD复制品的大规模生产。
复制
生产CD-ROM成品的第一步,是将数据从模片上转移到塑料基片上。一个高精度的注塑模具将光学等级的塑料所制成的融化树脂注入模具空腔。模具的一面是模片。 这一过程只需要几秒钟,其产品是一个其中一面印有点的轮廓清晰的塑料盘。其后塑料盘载有数据的一面要镀上一层极薄纯铝,这是为了形成一个读出盘上数据所必须的反光表面。典型的给盘镀金属的方法是溅镀(Sputtering)。在溅镀过程中,每一张盘都被喷射上铝原子,以产生均匀的镀层。
生产的最后一步是在铝表面再加上一层坚固的漆膜。这一层漆保护铝膜不会被划伤,不会氧化,并可作为标签印刷的工作表面。
印刷和包装
通过高速丝网印制或是胶版印刷,可以将图片印在盘的漆层上。图片的翻印可以达到八种颜色,不过这还要看复制商的标签印刷的能力。丝网印刷是最常使用的方法。它是将图片转换为一张有孔的网,墨通过网附着在盘上。这一过程与蜡纸印刷相似。
胶版印刷使用墨滚及印刷台转换图片。这一方法在传统商业印刷中使用广泛,现在也用于光盘商标的印刷。胶版印刷进行图片翻版时可以取得更高质量的分辨率,它优于丝网印刷的地方是可以印刷增强的四色图片及其他的复杂图形。
印刷之后,光盘或是自动或手工进行包装。尽管现在有许多其他可行的并进入应用的包装方法,但塑料盒子仍然是CD-ROM使用最多、最普遍的包装方法。这是由于塑料盒坚固耐用,并且全自动化的生产线很普及。
其他被普遍使用的包装方法(其中一些方法可能需要手工操作)包括:(1)轻型包装,如Tyvek和纸板套;(2)透明塑料套,如Viewpaks;(3)有益环保的纸板质地的盒子,如Digipaks的Ecopaks。
经过这五个环节,CD-ROM复制就完成了。但在生产过程中,生产的每一环节对质量都应有严格的控制,以确保符合工业生产规格。这样才能保证所有光盘的误差在可以接受的差异范围之内,即被控制在所有CD-ROM驱动器允许的范围之内。

CD-ROM的结构

对CD唱盘(CD-DA)结构了解的人,从物理上也不难理解CD-ROM。CD-ROM使用了与CD-DA相同规格的盘和光学技术,以及相同的原版盘制作和压制方法。这两种盘的主要差别是盘上的数据结构,以及数据寻址和纠错能力。下面介绍CD-ROM盘及其物理数据结构。

CD-ROM盘片
标准的CD-ROM盘片直径为120毫米(4.72英寸),中心装卡孔为15毫米,厚度为1.2毫米,重量约为14~18克。CD-ROM盘片的径向截面共有三层:
(1)聚碳酸酯(Polycarbonate)做的透明衬底;(2)铝反射层;(3)漆保护层;
CD-ROM盘是单面盘,不做成双面盘的原因,不是技术上做不到,而是做一片双面盘的成本比做两片单面盘的成本之和还要高。因此,CD-ROM盘有一面专门用来印制商标,而另一面用来存储数据。激光束必须穿过透明衬底才能到达凹坑,读出数据,因此,盘片中存放数据的那一面,表面上的任何污损都会影响数据的读出性能。
编码
为了在物理介质上存储数据,必须把数据转换成适于在介质上存储的物理表达形式。习惯上,把数据转换后得到的各种代码称为通道码。之所以叫通道码,是因为这些代码要经过通信通道。通道码并不是什么新概念,磁带、磁盘、网络都使用通道码。可以说,所有高密度数字存储器都使用0和1表示的通道码。如软磁盘,它就使用了改进的调频制(MFM , Modified Frequency Modulation)编码,通过MFM编码把数据变成通道码。
CD-ROM和CD-DA一样,把一个8位数据转换成14位的通道码,称为8-14调制编码,记为EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)。根据通道码可以确定光盘凹坑和非凹坑的长度。
数据结构
由于CD-ROM产生的技术背景是CD-DA,加上其螺旋形线型光道结构、以恒定线速度(CLV)转动、容量大等诸多因素,导致CD-ROM的数据结构比硬磁盘和软磁盘的数据结构复杂得多。
CD-ROM盘区划分为三个区,即导入区(Lead-in Area)、用户数据区(User Data Area和导出区(Lead-out Area)。这三个区都含有物理光道。所谓物理光道是指360°一圈的连续螺旋形光道。这三个区中的所有物理光道组成的区称为信息区(Information Area)。在信息区,有些光道含有信息,有些光道不含信息。含有信息的光道称为信息光道(Information Track)。每条信息光道可以是物理光道的一部分,或是一条完整的物理光道,也可以是由许多物理光道组成。
信息光道可以存放数字数据、音响信息、图像信息等。含有用户数字数据的信息光道称为数字光道,记为DDT(Digital Date Track);含有音响信息的光道称为音响光道,记为ADT(Audio Track)。一片CD-ROM盘,既可以只有数字数据光道,也可以既有数字数据光道,又有音响光道。
在导入区、用户数据区和导出区这三个区中,都有信息光道。不过导入区只有一条信息光道,称为导入光道(Lead-in Track);导出区也只有一条信息光道,称为导出光道(Lead-out Track)。
用户数据记录在用户数据区中的信息光道上。所有含有数字数据的信息光道都要用扇区来构造,而一些物理光道则可以用来把信息区中的信息光道连接起来。
错误检测与纠正
激光盘同磁盘、磁带一类的数据记录媒体一样,受到盘的制作材料的性能、生产技术水平、驱动器以及使用人员水平等的限制,从盘上读出的数据很难完全正确。据有关研究机构测试和统计,一片未使用过的只读光盘,其原始误码率约为3×10-4;有伤痕的盘约为5×10-3。针对这种情况,激光盘存储采用了功能强大的错误码检测和纠正措施,采用的具体对策归纳起来有三种:
(1) 错误检测码EDC(Error Detection Code)。采用CRC码(cyclic Redundancy Code)检测读出数据是否有错。CRC码有很强的检错功能,但没有开发它的纠错功能,因此只用它来检错。
(2) 错误校正码或称为纠错码ECC(Error Correction Code)。采用里德-索洛蒙码,简称为RS码,进行纠错。RS码被认为是性能很好的纠错码。
(3) 交差里德-索洛蒙码CIRC(Cross Interleaved Reed-Solomon Code)。这个码可以理解为在用RS编译码前后,对数据进行插值和交叉处理。

2008-1-10

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