科普第2篇——光盘（修订版）

这篇文章介绍了：
1、光盘的原理
2、常见的光盘类型

光盘，就是用光来读取（或记录）数据的媒介。
光盘，最早在1965年就发明出来了，但是一直到上世纪90年代才开始普及。
一般光盘有两个面（废话！），一面是数据面，一面是标签面，当然也有两面都是数据面的，不过很少见就是了。
光盘的基本结构都是：盘基（光盘的绝大部分，主要是保护作用）、数据记录层（记录数据）、反射层（反射激光）、标签。有的光盘是双层甚至多层的，这个层就是指数据记录层。光盘的数据记录层上的记录信息的轨道是螺旋形（当然也有特例，下面会讲到），螺旋的之间会有空隙，激光就透过这个空隙照射到第二层上。
光盘的读取原理都是一样的，用激光照射到数据面上，经过数据记录层和反射层，光又被反射回来，由于数据记录层上的折射率的变化，从而对光线造成了影响，以此来表示不同的数据值。
光盘的信号类型也有模拟和数字的。模拟的就是光盘读取的值是连续的变化的值，以此来表示电信号的不同频率，然后对这个电信号进行变换，就得到了储存的信息。数字的就是光盘上仅有两种不同的折射率表示二进制的0和1（实际上不可能这么精确，因此准确地说是有一个阈值，高于这个阈值的表示1，低于这个阈值的表示0），从而记录信息。
光盘的写入就多种多样了。
只读光盘的话，一般是用预制的母版（母版上有和读取数据时相反的高低起伏）直接在材料上压制出数据记录层，这些高低起伏就会影响激光的折射率。
能写入数据的光盘一般有一次性的（写完之后就变只读的）和可擦写的两种。
一次性的刻录盘，一般是用数据记录层采用特殊的材料，用激光可以在上面烧蚀出坑洞，从而表示数据。
可擦写的刻录盘，一般是使用了相变材料，经过不同的激光照射会改变性质，而且可以多次改变，从而实现可擦写。
写入时的激光功率比读取时大得多，而且对光盘的旋转速度等也要有较好的控制，因此才需要专门的刻录机。
当然，还有一种磁光盘。物理上可能学过，加热会使磁性消失。磁光盘就是用激光来加热磁介质，然后通过磁头来磁化磁介质以写入数据，因此写入的部分像磁盘。但是读取时却不是用磁头，而是用较弱的不会改变磁场的弱激光来照射，根据折射率的不同来表示数据（可以想到这种磁介质的磁性不同光学性质也不同），这点又像光盘。

光盘在读写时有几种不同的旋转方式。
为了说明方便，先介绍两个物理概念。线速度v：旋转时某一点在单位时间内经过的弧长，所以和一般的速度定义是差不多的，v（米/秒）=s（米）/t（秒）。角速度ω：单位时间内转过的角度，ω（弧度/秒）=θ（弧度）/t（秒）。可以发现角速度相同，线速度随着半径的增加而增大，实际上根据弧长公式可以退出两者的关系是v（米/秒）=ω（弧度/秒）*r（米）。以上公式只适用于圆周运动，且只有相关物理量的单位为括号中的单位时才成立。
CLV，Constant Linear Velocity，恒定线速度，这种模式下随着激光头扫描点从内到外的移动，线速度不变，角速度逐渐降低。
CAV，Constant Angular Velocity，恒定角速度，这种模式下随着激光头外移，角速度不变，线速度逐渐升高。
P-CLV，Partial-Constant Angular Velocity，局部恒定角速度。这种模式先以CAV模式工作，角速度不变，线逐渐速度升高；然后到达某个线速度之后，转变为CLV模式，线速度不变，角速度逐渐降低。
Z-CLV，Zone-Constant Linear Velocity，区域恒定线速度。这种模式将整个光盘从内到外分成多个区域，每个区域内采用CLV模式工作，但是从内到外逐区域提高CLV的线速度水平，所以线速度是呈现阶梯状增长的。
多层盘的读写有所不同，是先从内到外读写第一层，然后再从外到内读写第二层，因此速度的变化正好是对称的。

光盘发展到今天，也有很多的类型了，下面就简单介绍一下（重点介绍的CD、DVD、BD放到后面）：
LD：Laser Disc，镭射光盘。这是一种模拟信号的光盘，上世纪八、九十年代流行的。尺寸和12吋的黑胶超片相当，虽然很大很重，但是由于模拟的不会像数字的那样有马赛克，读取时用激光没有物理接触因此也不会像VHS录像带那样使用次数多了质量会变差。由于是模拟的所以不好说存储量。直到2009年1月15日，日本的先锋公司才宣布停产LD播放器。
[图1 左边是LD，右边是DVD]
 [附件]
MO：Magneto-Optical disc，就是上面说的磁光盘，是索尼于1988年发明的。盘片被封装到软盘一样的盒子里，容量有从128MB到最大2.6GB。由于价格昂贵，所以没有普及开来。但是由于可靠性很高，所以受到一些专业领域青睐。据说唱片公司的录音母带就是使用MO，送到工厂后才加工为CD的。
[图2 MO]
 [附件]
MD：MiniDisc，迷你光盘，索控一定不会陌生。MiniDisc Walkman这种索尼在1992年推出的随身听，采用的存储介质就是MD。MD本质上就是磁光盘，因为音质很高而且尺寸上比起CD要小得多（CD是120mm，MD是64mm），受到不少人的追捧，至今仍有不少拥趸。但是由于后来价格便宜量又足的MP3随声听的兴起，MD也逐渐没落了。
[图3 MD]
 [附件]
UMD：Universal Media Disc，通用媒体光盘。虽然名字很像，但这个东西和MD没有丝毫关系。是索尼为自己的游戏机PSP开发的光盘格式，数据记录的方式和CD、DVD差不多，但是使用了660nm（纳米）的激光，和CD的780nm以及DVD的650nm不兼容，而且还加了个外壳，因此防盗版性极佳（可惜PSP被破解了），只是容量有点小，单面双层的也才1.8GB。
[图4 UMD]
 [附件]

下面的就是重点了。
CD、DVD、BD是现在较常见的三种光盘，他们的尺寸都是一样的，标准的120cm，迷你的80mm。中间的孔是25mm，中间空白的无数据的是58mm。盘片厚度1.2mm。
[图片5 120mm的光盘]
 [附件]

CD，Compact Disc，这是大家很常见的光盘。前面说了，它采用780nm的红外激光来读写数据。容量因不同的技术而有所不同，但一般为700MB不到（80mm的180MB）。CD的盘片结构如下图，保护层就是标签面，反射层和数据记录层都在标签下面，很薄，而剩下的就是厚厚的盘基，因此CD千万不能用硬的物体刮划标签面，以免损坏反射层和数据记录层，也由于盘基比较厚，所以CD对于数据面的划伤还是比较能承受的（但不代表可以不加保护！）。CD只有一层数据记录层。CD的一倍速（1X）是1.17Mbps（约合150KB/s）。
[图6 CD盘片的结构]
 [附件]

按读写性分：
CD-ROM：CD Read Only Memory，只读CD，这是比较常见的类型。
CD-R，CD Recordable，可写CD，能一次性地写入数据，价格便宜，比较常见。
CD-RW：CD ReWritable，可擦写光盘，可以多次重复擦写，不常见，价格也比CD-R稍贵。

按内容分：
VCD：Video CD，视频CD。按照特定的编码（MPEG-1）和文件结构记录的视频光盘。分辨率较低，因此随着DVD的出现被逐渐淘汰了。
CD-DA：CD Digital Audio，数字音频CD，通常简称为CD，这是目前最普遍的音乐媒介，音频是采用24bit 44.1kHz的PCM编码的。
SVCD：Super VCD，中国主导开发的视频光盘。采用了MPEG-2来编码视频，因此可以提供比VCD更高的分辨率，但是毕竟CD容量有限，因此作为过渡产品基本没有普及（倒是播放器普及的挺广的）。

DVD
最初是Digital Video Disc（数字视频光盘），但是后来并不只是用作视频，所以又改称Digital Versatile Disc（数字万用光盘），后来主导机构DVD论坛宣布，DVD作为一个独立的称呼，不是任何单词的缩写。DVD采用了650nm的红色激光，盘片结构与CD有很大不同，盘基是上下两片，数据记录层和反射层在两片盘基中间，如下图是双层DVD的结构。由于结构特殊（两面盘基一样厚），因此DVD还可以两个面都做成数据面，就是双面光盘了。DVD由于采用了更短波长的激光，因此记录数据所用的沟槽宽度比起CD来减小很多，相同面积就能记录更多的数据。DVD的一倍速（1X）是10.55Mbps（约合1.3MB/s）。
[图7 DVD盘片的结构]
 [附件]

DVD按可读写性分为：
DVD-ROM：只读型的DVD。
DVD-R：一次性写入的DVD
DVD-RW：可擦写的DVD。
DVD+R、DVD+RW：由于某些公司不支持DVD论坛提出的DVD-R、DVD-RW标准，因此成立了另一个组织并提出了DVD+R、DVD+RW的标准，后来DVD论坛也接受了这两个+的标准。
DVD-RAM：由于DVD±RW的可擦写次数较少（1000次），而且数据寿命较短（刻录盘一般是5年），而且光盘从内到外的读写方式不利于数据的随机存取，因此提出了DVD-RAM。DVD-RAM数据不是采用一般光盘的螺旋形的数据记录方式，而是采用类似磁盘的同心圆式记录。数据擦写次数10万次，数据保存寿命30年，而且采用支持和硬盘一样文件系统（也支持光盘的文件系统），因此非常适合电脑用来存储数据。但由于价格昂贵，因此多用于专业领域，最近价格便宜下来，消费市场上才逐渐常见起来。

DVD按容量分：
DVD按记录面，分为单面（SS，Single Side）和双面（DS，Dual Side），按数据记录层数，分为单层（SL，Single Layer）和双层（DL，Dual Layer）可以在上面的的类型后面加字母缩写来表示，比如DVD-R DL。还有以下的数字表示。
DVD-1，简称D1，单面单层，80mm盘片，容量1.46GB。
DVD-2，D2，单面双层，80mm，2.66GB。
DVD-3，D3，双面单层，80mm，2.92GB。
DVD-4，D4，双面双层，80mm，5.32GB。
DVD-5，D5，单面单层，120mm，4.70GB。这是最常见的。
DVD-9，D9，单面双层，120mm，8.54GB。这是比较常见的。
DVD-10，D10，双面单层，120mm，9.40GB。
DVD-14，D14，双面、一面单层一面双层，13.24GB。
DVD-18，D18，双面双层，17.08GB。

DVD按内容分：
DVD-Video：这也就是DVD最初开发出来的目的了。采用MPEG-2编码的视频，支持多种音频编码，支持字幕、章节、角度、DVD菜单等，可以说比起VCD来那是天壤之别。目前的主流。
DVD-Audio音频文件，可以支持多种不同的采样率（最高24bit 192kHz），支持最多7.1声道，能提供比CD好得多的音质和更长的时间，但是由于成本以及市场需求的原因，CD依然是主流。
EVD：这是一种有中国主导开发的视频光盘，本质上还是DVD，但是支持高清分辨率。由于在容量上没有优势，所以估计命运和SVCD差不多。

DVD的区码：
为了保证各电影发行、代理厂商的利益，DVD制定了区域码（简称区码）。全球被分为8个区，每个区销售的播放器和光盘都有区码，只有区码符合的光盘才能在播放器上播放，一般DVD只有一个区码。电脑用的DVD光驱一般能更改5次区码，所以要改前请慎重，而且目前有很多方式可以破解区码。没有区码DVD的被称为全区，一般是盗版DVD。
1     加拿大、美国、百慕大
2     西欧、英国、中欧、西亚、伊朗、以色列、土耳其、埃及、日本、南非、斯威士兰、莱索托、法国海外领地
3     东南亚、韩国、台湾、香港、澳门
4     墨西哥、中美洲、南美洲、加勒比地区、澳大利亚、新西兰、巴西、大洋洲
5     乌克兰、白俄罗斯、俄罗斯、非洲(但不包括埃及、南非、斯威士兰、莱索托)、中亚、南亚、蒙古、北朝鲜
6     中国大陆
7     预留
8     国际领域，例如飞机或客轮上。

BD
Blu-ray Disc，蓝光光盘（用Blu而不是Blue是因为美国不允许常用单词注册为商标）。是采用405nm蓝紫色激光的光盘，因此数据沟槽更小，能记录的数据更多。BD的盘片结构和CD的正好想反，标签面是厚厚的盘基，而数据记录层和反射层非常接近数据面。因此最初开发出来的BD非常脆弱，即使是非超细微的划痕都能影响到数据的安全，必须给BD加上类似UMD、MO等的保护壳，这对BD的普及是个非常大的障碍。直到后来，数据记录大厂TDK在DVD时代就开发出的超硬涂层上改进，为BD开发出了很薄但是足够坚硬的数据保护层，BD这才抛弃了保护壳，为普及扫清了障碍。BD的一倍速（1X）是36Mbps（大约4MB/s）。
[图8 带有保护壳的BD]
 [附件]
[图9 BD盘片的结构]
 [附件]

BD也能很轻松的支持多层，据说TDK（又是TDK！）已经开发出10层320GB（每层容量比现在的25GB大）的BD了，而且和现有的技术兼容，不需要更换设备就能支持。但是现在最常见的还是单层25GB和双层50GB的BD。由于盘片结构的特性，出现了一种一面是DVD一面是BD的光盘。
BD的分类就没有那么复杂了，按照容量就直接叫BD25、BD50。按照读写性就是BD-ROM（只读）、BD-R（一次性写）、BD-RE（可擦写，注意不是RW）。
BD由于容量可观，所以非常适合作为高清视频的载体，而且比DVD支持更多的特性，如高质量音频、BD Live（互联网内容）、Java支持、以及最近比较热的3D等等。
BD的区码就简化多了，全球就分为三个区：
A     北美洲、中美洲、南美洲（不包括法属圭亚那）、日本、台湾、韩国、香港、澳门及东南亚
B     欧洲、格陵兰、法国殖民地、中东、非洲、澳大利亚及新西兰
C     印度、俄罗斯、中国（不包括香港、澳门）、孟加拉、尼泊尔、巴基斯坦及南亚
[图10 BD区码示意]
 [附件]

说了BD就不能不说说曾经的竞争者HD DVD（注意不是HD-DVD），BD是由索尼主导的，HD DVD是由东芝主导的。由于内容提供商的问题，东芝在最终决战到来之前就宣布放弃了HD DVD，所以BD提前胜出。HD DVD也采用了405nm的蓝紫色激光，但盘片结构和DVD一样，因此可以直接对现有的光盘生产线改造以节省生产成本。HD DVD单层容量15GB，在宣布放弃前已经有了三层的盘片。
目前HD DVD还没有死绝，猜猜是谁又在其中扮演角色呢？没错，又是中国！中国又主导开发了基于HD DVD的CBHD（China Blue HD，中国蓝光），不过这次比SVCD、EVD好的是有内容商的支持，产品也很快地上市了（卓越上还有“中国蓝光”分类），价格也比BD便宜得多，不知最终命运会怎么样了。

PS：本来还打算讲讲光盘的文件系统的，可是前面写得实在有点多了，所以以后和硬盘的文件系统一起讲吧！

以前的文章：
科普第1篇——计算机的色彩

还是硬盘好使啊

專業人士啊。。。。。

那个可擦写的BD是BD-RW吧= =乃写成BD-RE了

期待一张光盘秒杀一张硬盘的时代……

科普= =、、

第一个反应就是我们的英语背熟= =、、

以前从CD开始刻录一直到现在用的D5D9，马上很快也要进入BD刻录的时代了

想起咱当年，为了彻底破坏一张盘，把它撕成纯粹的塑料板了= -

记得小时候有一阵双面DVD挺流行的

光盘还是个很方便的东西
长见识了..
大扣前辈威武

Q老师。。=。=
我膜拜

咱经常刻盘神马的，这下了解的更多了~感谢大Q前辈~=v=

平常用不到多那么高科技的东西

第一种的唱片，以前家里有。

这次涨了不少的知识

我。。。我。。有点看到头晕了 原来光盘还可以这么腐杂啊。。

修订版，增补了关于光盘旋转模式的内容（黄色高亮部分）