كيف يعمل الدي في دي DVD

لم يمض وقت طويل على انتشار اجهزة الفيديو واشرطة الـ VHS التي لا يخلو بيت منها حتى بدأت الأقراص المدمجة المعروفة باسم السي دي CD بالانتشار واصبحنا نمتلك العديد منها بالاضافة الى شراءنا لاجهزة تقوم بتشغيلها للاستمتاع بمشاهدة الافلام والاستماع الى الموسيقى ولكن اصبحت هذه التكنولوجيا قديمة واصبحنا نبحث عن الافضل في تكنولوجيا جديدة بتقنيات عالية تسمى مشغل اقراص الديفيدي DVD لتحل محل اشرطة الفيديو والسي دي، فما هي اقراص DVD وما هو الاختلاف بينها وبين السي دي CD وماذا اضافت عن اشرطة الفيديو؟ هذا ما سوف نقوم بشرحه في هذه المقالة.

اساسيات وحقائق

ان اول جهاز ديفيدي تم طرحه في الاسواق كان في العام 1997 ويمثل مصطلح DVD في الأصل، أوائل الكلمات “قرص فيديو رقمي” digital video disk، لأنه كان مصمماً للاستخدام كوسط لتخزين ونقل الأفلام الرقمية، لعرضها في التلفزيونات المنزلية. ثم تطوّر هذا المصطلح ليقودنا إلى عالم من التطبيقات الأخرى، المتعلقة بالأقراص البصرية optical ذات السرعة العالية، والسعة الكبيرة، ولذلك تغيّر اسمه إلى “قرص متنوع رقمي” digital versatile disk. لكن تغيير التسمية لم يسبب أي مشكلة، لأن معظم الناس،يستخدمون الاختصار DVD، فقط.

قد يصعب علينا، للوهلة الأولى،التمييز بين قرصDVD وقرص CD.فلهما قياس واحد، حيث يبلغ قطر كل منهما 120 ملليمتراً، وكلاهما عبارة عن أقراص بلاستيكية بسماكة 1.2 ملليمتراً، ويعتمدان على أشعة الليزر لقراءة البيانات الممثلة بواسطة التجويفات، ضمن المسار الحلزوني. لكن أوجه التشابه بينهما تنتهي تقريباً، عند هذا الحد…

ونلخص الامكانيات التي يمكن ان يشملها قرص الـ DVD وهي

1. فيلم يصل طوله لـ 135 دقيقة بجودة ونقاوة عالية جداً تصل إلى 720 نقطة كدقة افقية.
2. خمس قنوات صوتية لتعطي نظام سمعي يسمى بنظام 5.1 لاعطاء صوت مماثل لدور العرض السنمائية.
3. ترجمة بعدة لغات تصل إلى 32 لغة.

واذا ما قورنت السعة التخزينية للـ DVD بالسعة التخزينية للـ CD فانه يمكن تخزين ثماني ساعات من الصوت بجودة الصوت المخزن على الـ CD والذي لا يزيد عن ساعة واحدة اما اذا ما قورن الـ DVD باشرطة الفيديو فإن للـ DVD عدة مزايا هي:

   نقاء الصورة عالي وجودة صوت تشبه الاصوات التي يمكن ان نسمعها في المسارح ودو السينما.

   تقسيم العرض الى عدة اقسام يمكن للمشاهد الانتقال بسرعة بين المشاهد دون الحاجة لتمرير العرض بالطريقة شريط الفيديو

   مشغلات الدفيدي يمكنها تشغيل اقراص الـ CD ايضاً.

   ادراج عدة انماط صوتية مختلفة مثل Surround sound  او DST أو Dollpy Sound بالاضافة الى الدبلجة الصوتية والترجمة المكتوبة والمشاهد يختار ما يناسبه منها.

حفظ البيانات على اقراص الـ DVD

صمم قرص DVD لحفظ فيلم سينمائي، يستغرق طوله وسطياً، حوالي 135 دقيقة. يتطلب تخزين صورة فيديو بالحركة الكاملة، وباستخدام تقنية الضغط  MPEG2، حوالي 3500 كيلوبت لكل ثانية. وإذا أضفنا الصوت الرقمي المحيطي العامل بنظام الأقنية الستة 5.1 خمس قنوات موجهة من الوسط، واليسار، واليمين، واليسار الخلفي، واليمين الخلفي، بالإضافة إلى قناة مضخم فرعي غير موجهة، فستحتاج الصورة إلى 384 كيلوبت أخرى في الثانية. وإذا أضفنا مساحة الحفظ الإضافية اللازمة لتسجيل الحوار بلغات مختلفة، والعناوين الفرعية لمقدمة الفيلم ونهايته، فإن حجم الحفظ المطلوب يصل إلى 4692 كيلوبت لكل ثانية من طول الفيلم، الذي يبلغ 135 دقيقة، أي 586.5 كيلوبايت في الثانية. وبحساب بسيط يتبين أننا نحتاج إلى قرص بسعة 4.75 مليون كيلوبايت، لحفظ فيلم فيديو كامل. ويشار إلى هذه الأقراص في الصناعة، غالباً، بالرمز 4.75GB.

والسؤال الذي يطرح نفسه الآن هو كيف يمكن أن نحصل على سبعة أضعاف سعة القرص المدمج العادي  CD، على قرص له الأبعاد ذاتها؟

ببساطة تكمن الفكرة في تصغير أبعاد العناصر المكونة للبيانات، ولتوضيح تلك الفكرة فإننا نحتاج الى فهم تركيب قرص الـ DVD وكيف تتم كتابة البيانات عليه وكيف تتم قرأتها،

يتكون قرص الـ DVD من عدة طبقات من البلاستيك بسمك إجمالي قدره 1.2 مم تعرف  باسم polycarbonate  وعلى  هذه  الطبقة  يوجد طبقة رقيقة  من  الألومنيوم  اللامع بسمك 1.25  نانومتر  مغطاة بطبقة حماية  من  مادة  lacquer. ويمكن ان نحصل على قرص DVD بطبقة مفردة أو بطبقة مزدوجة كما هو موضح في الشكل مقاطع لتكوين قرص DVD. 

 مكونات قرص الـ DVD بانواعه المختلفة والسعة التخزينية لكل قرص

كل طبقة من طبقات قرص الـ DVD تحتوي على مسار حلزوني لتخزين البيانات ويبدأ هذا المسار من الداخل إلى الخارج.  وبهذه الطريقة يمكن ان نحصل على قرص DVD بنصف قطر سمكه 12 سم اذا كان ذلك مطلوباً.

وبالنظر تحت المجهر الإلكتروني لتكبير سطح الـ DVD والتعرف على شكل هذه المسارات اللولبية التي تحتوي على البيانات نجدها تظهر كما في الشكل أدناه على صورة مرتفعات Bits عرضها لايتجاوز 320 نانومتر وارتفاعها 120 نانومتر ويفصل بين المسار والذي يليه مسافة تبلغ 740 نانومتر وهذه مساحات متناهية في الصغر وللتوضيح أكثر نفترض أننا قمنا تحويل المسار اللولبي إلى مسار مستقيم سنحصل على شريط عرضه 320 نانومتر وطوله يتجاوز الـ 12 كيلومتر!!  ولقراءة هذه المعلومات نحتاج إلى جهاز خاص هو جهاز الـ DVD player اي مشغل اقراص الديفيدي.

يليه مسافة تبلغ 740 نانومتر وهذه مساحات متناهية في الصغر وللتوضيح أكثر نفترض أننا قمنا تحويل المسار اللولبي إلى مسار مستقيم سنحصل على شريط عرضه 320 نانومتر وطوله يتجاوز الـ 12 كيلومتر!!  ولقراءة هذه المعلومات نحتاج إلى جهاز خاص هو جهاز الـ DVD player اي مشغل اقراص الديفيدي.

من الأرقام المتناهيه في الصغر نستنتج كم هي حجم البيانات الرقمية التي يمكن تخزينها على قرص DVD وهذا للنوع المكون من طبقة واحدة اما قرص الDVD المكون من طبقتين على وجهي الاسطوانة فإنه يمكن ان نصف طول المسار الحلزوني الذي تسجل عليه المعلومات بـ 48 كيلومتر!

مقارنة بين الاقراص المدمجة CD واقراص DVD

مما سبق وبالمقارنة مع اسطوانة الـ CD فإن المسافة بين المسارات تقلصت من 0016 نانومتر إلى 740 نانومتر فقط، وينخفض قياس التجويف الذي يمثل المعلومة (Bit) من 830 نانومتر إلى 400 نانومتر. ونظراً لأن طول موجة الضوء، الصادر عن أشعة الليزر في مشغل اسطوانات CD التقليدية، لا يسمح بالتعرف إلى هذه التجاويف الصغيرة، اضطر المهندسون، لكي يتمكّنوا من صنع مشغل خاص بالـ DVD، أن يطوروا أشعة ليزر تنتج ضوءاً بطول موجة 640 نانومتر، بدلاً من 780 نانومتر المستخدمة في سواقات CD. وتتطلب هذه الطريقة أيضاً، أن تكون صفيحة القرص أقل سماكة، بحيث لا يضطر الضوء إلى اختراق طبقة سميكة نسبياً، من البلاستيك، ليصل إلى طبقة البيانات. ويتطلب تصميم قرص DVD أن تكون سماكة صفيحته مساوية لنصف سماكة قرص CD، أي 0.6 ملليمتر. وللمحافظة على سماكة 1.2 ملليمتر للقرص، يجب لصق صفيحة فارغة بسماكة 0.6 ملليمتر على وجهه العلوي حيث توجد استخدامات أخرى لهذه الطبقة، سنأتي على ذكرها لاحقاً.

يمكن للانش الواحد من مسار قرص DVD، وعن طريق تقليص أبعاد تجاويف البيانات، أن تستوعب حوالي ضعف كمية البيانات، التي تستوعبها البوصة الواحدة من مسار قرص CD. ولكي نحصل على معدل نقل قريب من 600 كيلوبايت في الثانية، الذي نحتاجه للفيلم السينمائي، يجب أن يدور قرص DVD بشكل أسرع من دوران قرص CD القياسي.

وتقدم سواقات DVD-ROM معدلات أعلى لنقل البيانات، للاستخدامات المتعلقة بتطبيقات البيانات، فالسرعة الأحادية تبلغ 1.3 ميجابايت في الثانية، وتتوفر في الأسواق سواقات تعمل بضعف هذه السرعة.

على الرغم من أن 4.7 جيجابايت قد تبدو سعة هائلة، إلا أن المواصفات القياسية لأقراص DVD بدأت تتطلّب سعات أكبر. وعلى سبيل المثال، بدلاً من لصق صفيحة فارغة فوق قرص DVD المحمّل بالبيانات، لماذا لا نضع قرص بيانات آخر فوقه؟ فنحصل بذلك على قرص بوجهين، تصل سعته إلى 9.4 جيجابايت. وقد استفاد الكثير من أفلام DVD من هذه الميزة، حيث وضعت على الوجه الأول إصدارة للفيلم مهيئة بنسبة إظهار 4:3، لاستخدامها مع التلفزيون العادي، أو شاشات الكمبيوتر، ووضعت على الوجه الثاني، إصدارة مهيئة بنسبة إظهار 16:9 للشاشات العريضة.

لا تقف إمكانيات تقنية DVD عند هذا الحد، فهناك المزيد. يمكن عن طريق تغيير تركيز أشعة ليزر القراءة، قراءة المعلومات من أكثر من طبقة واحدة من القرص. فبدلاً من استخدام طبقة إنعكاس واحدة، يمكن استخدام طبقة نصف شفافة، تتوضع خلفها طبقة إنعكاس أخرى، لحمل المزيد من البيانات. وعلى الرغم من أن هذه التقنية لا تضاعف السعة تماماً، نظراً لأن الطبقة الثانية لا يمكنها أن تكون بكثافة الطبقة الأولى حتى نتجنب التداخلات التي قد تحدث، إلا أنه يمكن استخدام هذه الطريقة للحصول على قرص بوجه واحد وطبقتين، سعته 8.5 جيجابايت. وإذا استخدمنا هذه الطريقة على وجهي القرص، سنحصل على قرص DVD يتسع حتى 17 جيجابايت من البيانات.

وفي الجدول التالي تلخيص للبيانات الخاصة قرص الـ CD وقرص DVD

وفي الجدول التالي تلخيص للقدرة الاستيعابية لاقراص الـ DVD المختلفة

مشغل اقراص DVD

يقوم جهاز مشغل أقراص DVD بالبحث عن المعلومات المخزنة في صورة Bits على المساراتاللولبية سابقة الذكر وقراءتها وهذا يتطلب دقة عالية.  ويمكن تقسيم مشغل اقراص السي ديإلى ثلاثة اقسام رئيسية هي:

الموتور: يقوم بتدوير قرص السي دي والتحكم بسرعته التي تتراوح من 200-500 دورة فيالدقيقة.

الليزر والعدسة: وهو الاداة المستخدمة لقراءة البيانات من القرص حيث تعمل العدسة على تركيز اشعة الليزر على القرص ويمتاز شعاع الليزر بقصر طوله الموجي (780 نانومتر) ليتمكن من قراءة البيانات الدقيقة على القرص.

الباحث: وهو الذي يقوم بتوجيه شعاع الليزر على المسارات المخصصة للبيانات بدقة فائقة.

كما تجدر الاشارة إلى أن مشغل الأقراص يحتوي على قطع الكترونيةتشكل كمبيوتر لتقومبتحويل البيانات المخزنة في صورة رقمية Digital مشفرة إلى اشارة تناظريةAnalogue .

إن الوظيفة الاساسية لمشغل اقراص الـ DVD  هي تركيز أشعة الليزر على المسارات التي تحتوي البيانات، حيث تنفذ أشعة الليزر من الطبقة البلاستيكية لتسقط على طبقة الألومنيوم العاكس، وحيث أن المسارات تحتوي على البيانات على شكل Bits متقطعة مما يسبب في اختلاف انعكاس شعاع الليزر على هذه المناطق والمناطق التي لاتحتوي على البيانات وبالتالي يكون الشعاع المنعكس عبارة عن نبضات متقطعة هي بمثابة 0 , 1 هذه النبضات المتقطعة يقرأها فوتوديود يحول النبضات الضوئية إلى تيار كهربي.  تقوم اجهزة الكترونية في مشغل اقراص السي دي بتفسير هذه التيارات الكهربية الناتجة من الـ Bits المخزنة على القرص وتحويلها إلى معلومات.

من المهم التحكم في موقع شعاع الليزر على المسار اللولبي خلال دوران القرص وهذا يتم من خلال موتور خاص مبرمج لتحريك الليزر بسرعات تتناسب مع سرعة دوران البيانات على القرص حيث أن سرعة تدفق البيانات تساوي حاصل ضرب السرعة الزاوية للقرص في نصف قطر المسار.  ولهذا يجب على الموتور المتحكم في تحريك الليزر أن يتباطأ كلما اتجهنا من المسار الداخلي إلى المسار الخارجي. لنحافظ على معدل تدفق ثابت للبيانات.

 نلاحظ في نهاية هذه المقالة كيف ان التطور السريع في التكنولوجيا من اشرطة الفيديو الى اقراص الـ CD ألى اقراص الـ DVD وقريباً سوف نسمع عن اقراص جديدة طورتها شركة سوني تسمى البلوراي Blu-Ray ذات قدرات تخزينية كبيرة جدأ سنأتي إلى شرحها في الوقت المناسب.