Характеристики форматов сжатия изображений

Варианты формата CD

Когда компакт-диск впервые появился на потребительском рынке, то это был исключительно звуковой носитель. Ни о каком другом его применении речи тогда не шло. Даже название стандарта на него звучало как «Compact Disc Digital Audio System», т.е. «Цифровая звуковая система Компакт-диск».

Однако значительная информационная ёмкость нового носителя (740 Мбайт) навела специалистов на мысль использовать его в качестве элемента постоянной памяти для хранения архивных данных. Такая версия компакт-диска появилась в 1985 году и получила название CD-ROM (Read Only Memory – память только для чтения).

Поскольку диск CD-ROM предстояло использовать в составе вычислительных комплексов различной сложности, то для него был разработан специальный дисковод, легко вписывающийся в архитектуру компьютера. Пришлось изменить и структуру данных, записываемых на диск, так как точный фактографический материал и компьютерные программы уже не допускали использования интерполяции и приглушения. Ошибки надо было исправлять только точно – с помощью корректирующих кодов. Для этого были добавлены ещё три дополнительные ступени помехоустойчивого кодирования на уровне блоков (1 блок = 98 кадров). Достоверность воспроизведения информации при этом возросла на 3…5 порядков.

Дополнительное кодирование в CD-ROM производится до того, как данные поступают на кодер CIRC, точно такой же, как в системе защиты от ошибок формата CD-Audio. Для этого данные, содержащиеся в каждых 98 последовательных кадрах, объединяются в блок. Иногда этот массив данных называют сектором (рис. 9.1). Каждый кадр, как уже описывалось в главе 3, содержит в себе 24 исходных информационных символа (байта). В формате CD-Audio эти 24 символа представляют собой 12 поделенных пополам 16-разрядных отсчетов звукового стереосигнала: 6 отсчетов левого канала и 6 отсчетов правого канала (см. рис. 3.2). В формате CD-ROM эти 24 символа являются обезличенными и могут нести в себе какую угодно информацию, лишь бы она была преобразована в двоичную форму и организована в байты. Всего в секторе содержится 24×98 = 2352 символа.

Однако, если в CD-Audio все эти символы содержали исходную информацию, то в CD-ROM такую информацию содержат только 2048 символов (рис. 9.2.а). Остальные 2352 – 2048 = 304 – избыточные и нужны для того, чтобы обеспечить дополнительные степени защиты информационным символам. Из-за наличия этой избыточности диск CD-ROM имеет меньшую информационную ёмкость (до 650 Мбайт) в сравнении с CD-Audio (до 740 Мбайт), зато информация эта гораздо лучше защищена. Такой ситуацией пользуются за рубежом для хранения архивных фонограмм. Там их записывают не на CD-Audio, как у нас в России, а на CD-ROM. Экономия места в таком деле ни к чему, а материал защищен куда надёжнее!

Как всякий ограниченный массив данных, сектор имеет свою синхронизирующую группу. Она состоит из 12-ти последовательных байт и располагается в начале сектора. Структура её показана на рис. 9.2.б. Символы 0 и F – это цифры шестнадцатеричного кода, двоичное отображение которого показано на рис. 9.2.г. Следующие за синхрогруппой четыре байта – это заголовок, в котором отражены данные о времени (минуты, секунды, блоки) и идентификатор режима заполнения данных (рис. 9.2.в). Таких режимов в CD-ROM несколько. На рис. 9.2.а показан только один из них.

После заголовка следуют непосредственно сами данные – 2048 байт. После них – четыре проверочных байта кода обнаружения ошибок EDC (Error Detection Code). Затем – восемь нулевых байт. И, наконец, проверочные байты двух кодов коррекции ошибок ЕСС (Error Correction Code) – 172 байта кода Р и 104 байта кода Q.

Код EDC в соответствии с названием используется только для обнаружения ошибок. Он относится к числу CRC-кодов (Cyclic Redundancy Check Code – CRCC), которые способны только зафиксировать факт наличия ошибок, но исправить их не в состоянии. Чтобы обнаружение стало возможным, информационное слово, включающее в себя 2048 байт исходной информации, 4 байта заголовка, 8 нулевых байт, побитно делится на порождающий полином кода CRC:

Полученный 32-разрядный остаток (32/8 = 4 байта) записывается на соответствующей позиции в блоке данных, обозначенной аббревиатурой EDC и используется при декодировании для обнаружения ошибок. С этой целью производится та же операция деления, что и во время кодирования. Если полученный остаток совпадает с вычисленным ранее, то ошибок нет. Если не совпадает, то ошибки присутствуют, и их следует исправлять. Но исправлять ошибки код CRC не может. Для этого используются коды ЕСС.

Коды ЕСС – Р[26.24.3] и Q[45.43.3] так же как аналогичные коды системы CIRC, являются кодами Рида-Соломона и способны как обнаруживать, так и исправлять ошибки. Причем, не битовые, как CRCC, а символьные. Каждый из них способен исправить одну ошибку или два стирания (см. разделы 3.1 и 5.6).

Кодирование этими кодами производится следующим образом. Прежде всего, данные, содержащиеся в каждом секторе (без синхрогруппы), делятся на два равных массива, как показано на рис. 9.3 – четные байты отдельно, нечетные отдельно. Данные каждого массива кодируются независимо друг от друга сначала кодом Р, затем кодом Q. Заметим, что до кодирования в исходном массиве значимыми являются только 1032 символа – заголовок, информация , ЕВС и нули. Остальные – те, которые должны содержать проверочные символы кодов ЕСС – пока пустые.

Каждое кодовое слово кода Р[26.24.3] содержит 26 информационных и два проверочных символа. Информационные символы выбираются из общего массива не подряд, а по определенному закону, который иллюстрируется рисунком 9.4. Каждый столбец в таблице – это кодовое слово кода Р. Верхние 24 символа – информационные, два нижних – проверочные, полученные путем вычисления.

После завершения кодирования кодом Р, значимых символов в массиве станет уже 1118 (вместе с вычисленными проверочными символами).

Рис. 9.4. Образование кодовых слов кода Р[26,24,3]

Далее полученный массив кодируется кодом Q[45.43.3], который содержит 43 информационных и два проверочных символа. Информационные символы выбираются из массива по закону, который иллюстрируется рисунком 9.5. Здесь кодовое слово – это строка в таблице. Слева – 43 информационных символа, справа – два вычисленных по ним проверочных.

Рис.9.5. Образование кодовых слов кода Q[45,43,3]

Такая система кодирования и перемежения в формате CD-ROM позволяет практически свести к нулю вероятность появления неисправленной ошибки и надёжно защитить записанную на диск информацию.

Поскольку кодирование данных в формате CD-ROM включает в себя как необходимый атрибут, кодирование по стандарту CD-Audio, то все дисководы CD-ROM способны считывать диски CD-Audio и нуждаются только в наличии звуковой платы, которая преобразует цифровой код в звуковой сигнал. Проигрыватели же CD-Audio воспроизвести диски CD-ROM не в состоянии (даже если там записана звуковая информация), поскольку их процессоры не рассчитаны на декодирование кодов EDC и ЕСС, равно как и осуществление других операций, заложенных в основу формата CD-ROM.

Информация о том, что данный компакт-диск является диском CD-ROM, записана в служебных данных канала Q (см. раздел 3.3). Четырехразрядная группа «Управление» в этом случае будет выглядеть как 01Х0 (Х зависит от типа CD-ROM и может принимать значение как 0, так и 1 – см. рис. 3.13).

Кроме CD-Audio и CD-ROM, на потребительском рынке существует еще и диск Video-CD. Этот диск может содержать видеопрограмму продолжительностью до 74 минут с качеством обычного VHS, что обеспечивается за счет использования компрессии по стандарту MPEG1. Широкое распространение такой диск получил, в основном, в странах Азии. Однако, в связи с широкомасштабным внедрением технологии DVD, ему в скором времени придется, видимо, сойти со сцены.

Следует отметить, что основные форматы CD-дисков иногда связывают с определенными цветами. Например, формат CD-Audio называют «Red Book» (Красная Книга), CD-ROM – «Yellow Book» (Желтая Книга), а Video-CD – «White Book» (Белая Книга). Такие названия вошли в обиход из-за того, что в Книге Стандартов, где приведены описания всех разновидностей CD, такие описания отделены друг от друга цветными закладками. Их цвета и стали символами соответствующих форматов.

Несколько лет назад можно было встретить ещё один вариант компакт-диска – интерактивный диск CD-I, который использовался для записи компьютерных игр и обучающих программ. Эта разновидность компакт-диска существовала как обособленная группа, обозначенная в Книге Стандартов зеленым цветом («Green Book»), хотя, по сути, представляет собой одну из разновидностей CD-ROM. Сейчас почти не встречается, так как вытеснена «настоящим» CD-ROM.

Диски CD-Audio, Video-CD и CD-ROM, записанные и тиражированные в заводских условиях, относятся к классу дисков «только для чтения». Запись нового материала на них невозможна. Однако, кроме них существуют диски, специально созданные для того, чтобы на них можно было производить запись. Это диски CD-R (Recordable), на которые можно записать информацию только один раз, и диски CD-RW (Rewritable), допускающие многократную перезапись. Эти диски в Книге Стандартов связаны с оранжевым цветом и часто именуются «Orange Book».

Диск CD-R с однократной записью разработан ещё в начале 90-х годов. Кроме самого диска, пришлось разрабатывать также и более мощный полупроводниковый лазер, поскольку для осуществления записи требуется создание в области регистрирующего слоя высокой температуры. Если мощность считывающего лазера может быть не более 1 мВт, то записывающий лазер должен иметь мощность порядка 4…8 мВт при скорости записи, равной скорости считывания, 8…10 мВт – при двукратной скорости, 10…12 мВт – при четырехкратной, 14…18 мВт – при восьмикратной и т.д.

Конструкция диска CD-R показана на рисунке 9.6. В качестве регистрирующего слоя в настоящее время органические красители, оптический спектр поглощения которых совпадает с длиной волны излучения лазера. В период разработки CD-R было создано около полусотни таких красителей, но до промышленной технологии доведено только три из них – цианин, фталоцианин и азотокраситель.

Цианиновые слои отличаются достаточно высокой чувствительностью к излучению лазера, но, вместе с тем, и относительной неустойчивостью, так как со временем разлагаются под воздействием света. Этот недостаток впоследствии был устранен путем введения в цианин добавок специального стабилизирующего вещества, благодаря которому их долговечность теперь составляет 70 лет. Диски с цианиновым регистрирующим слоем имеют зеленый цвет. Выпускаются они фирмами BASF, TDK, VITSUBISHI, RICOH и др.

Фталоцианиновые слои более устойчивы к воздействию естественного светового излучения, и срок их службы достигает 100 лет. Диски с такими слоями лучше других работают при повышенных скоростях записи, когда мощность излучения лазера велика. Выпускаются компаниями KODAK, MITSUI и TOATSU CHEMICALS. Имеют золотисто-коричневый цвет.

Цианиновые и фталоцианиновые диски содержат отражающий слой из золота, что является ограничивающим фактором в стремлении производителей снизить их стоимость.

Серебряный отражающий слой имеют диски с регистрирующим слоем из азотокрасителя, разработанные фирмами MITSUBISHI и VERBATIM. Такие диски хорошо работают при низких скоростях записи – до 4-кратной. Их срок службы – до 100 лет. Со стороны регистрирующего слоя они выглядят синими, с обратной стороны – бесцветными.

Во время записи информации лучом лазера происходит разогрев структуры подложка-слой органического красителя-отражающий слой, и она деформируется, образуя питы (рис. .9.7). При считывании свет лазера на таких питах будет рассеиваться, обеспечивая разницу в интенсивности отраженного пучка на деформированных и недеформированных участках дорожки.

Кроме дисков с регистрирующим слоем из органического красителя, разработаны и другие их разновидности. Но в промышленных технологиях они пока не используются.

Дорожки на дисках CD-R служат для обеспечения автотрекинга во время записи. Их ширина – 0,8 мкм, шаг – 1,6 мкм. Формируются они во время изготовления диска методом литья под давлением. Затем на поверхность поликарбонатной основы методом центрифугирования наносится регистрирующий слой (органический краситель), а поверх него методом вакуумного напыления – отражающий слой. Всё это покрывается защитным слоем из прочной пластмассы, а сверху формируется этикетка (рис. 9.6).

К семейству дисков CD-R относятся и диски PhotoCD, предназначенные для записи высококачественных неподвижных изображений (фотографий). Своим появлением они обязаны известной фирме KODAK. Программное обеспечение, разработанное этой фирмой специально для записи PhotoCD, предусматривает четыре основных формата хранения изображений, отличающихся степенью сжатия и, как следствие, их качеством. Характеристики этих форматов приведены в табл. 9.1.

Диски CD-R, производимые фирмой KODAK специально для записи изображений в формате PhotoCD, еще в процессе их изготовления снабжаются специальным кодом, содержащим в себе индивидуальный номер диска и его тип, который характеризует возможность записи на нём изображения вполне определенного качества. Таких типов – три. Их характеристики приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.1

Характеристики форматов сжатия изображений

Запись дисков PhotoCD и распечатка изображений с них возможна только на специальном оборудовании фирмы KODAK, хотя просматривать их можно с помощью компьютера либо на его мониторе, либо на экране телевизора.

Реверсивные диски CD-RW, допускающие многократную перезапись, конструктивно похожи на диски CD-R. Однако вместо органического красителя здесь роль регистрирующей среды выполняет слой неорганического вещества, способного многократно менять своё состояние из кристаллического в аморфное и обратно. Для записи информации на них требуется лазер с меньшей мощностью, чем для записи CD-R, но и контраст записанной дорожки получится меньший, поэтому качество записи будет несколько хуже.

Таблица 9.2