電腦達人養成計畫 7-6：光學儲存設備 (上) LD、CD、DVD

談完各種採用磁性儲存媒介為基礎的儲存設備 (例如磁帶、軟碟、硬碟等) 之後，接下來讓我們將目光轉向採用光學儲存媒介為基礎的各種儲存設備，這些儲存設備在 2000 年至 2010 年間曾經是多數人保存資料時的首選，雖然時至今日已經大量被網路傳輸、隨身碟等方式取代，但目前仍然可以在不少地方看到這些設備，也仍有不少軟體與書籍附件依然採用光學儲存媒介的方式實體發行。

光學儲存技術

與前面花費許多篇幅探討的磁性儲存技術不同，光學儲存技術並不採用磁性材料，而是在作為基板的圓形塑膠片上塗佈各種塗料後在其上製作出大量凹凸或反射性不同的細微刻痕作為儲存媒介，讀取時則使用雷射光源照射並利用感應器測量反射光線的強度來判讀基板上這些細微刻痕所代表的數據為何，從而達到儲存資料的功能。

光學儲存技術的起源

最早的光學儲存技術可以追溯至 1958 年由美國工程師 David Paul Gregg 所發展的「VIDEODISK」技術，但當時所使用的儲存機制並非測量反射光，而是測量透射光 (因此 VIDEODISK 所使用的碟片是透明的)，其與 1969 年由另一名美國工程師 James Russell 所設計的光學數位錄製方法後來成為了之後數十年內各種光學儲存技術的理論基礎。

LaserDisc (LD，1978 年)

在 MCA (美國音樂公司) 於 1968 年買下了 David Paul Gregg 所發展的專利以及其所創設的公司的同時，PHILIPS 也在 1969 年發展出了使用測量反射光為主要讀取機制的光學儲存技術。

隨後 MCA 與 PHILIPS 這兩間公司決定合作共同發展光學儲存技術，並且在 1972 年首次向公眾展示了基於 780 nm 波長雷射光學儲存技術、採用直徑 30 cm 圓形基板 (與黑膠唱片尺寸一致) 的影碟，最終在 1978 年以 MCA DiscoVision 之名正式上市 (MCA 公司內部另賦予其 Reflective Optical Videodisc System、Laser Optical Videodisc 等多種名稱)，成為最早一批被投入市場的光學儲存技術，其中 MCA 公司負責生產碟片、PHILIPS 則負責生產播放機。

隨後這項技術的主要部分在 1980 年被先鋒電子 (Pioneer Electronics) 收購，並重新被賦予了 LaserVision (格式名) 與 LaserDisc (品牌名) 這兩個名稱並隨後在隔年於日本上市。

最初 LaserDisc 被發展出來的主要目的是與 VHS 錄影帶競爭，透過採用非接觸式讀寫的方式來降低 VHS 錄影帶隨著使用而產生耗損的問題，因此早期的 LaserDisc 是使用類比形式儲存影像內容 (音訊部分則兼採類比 FM 立體聲音訊與 PCM 數位音訊)，但在 1984 年 SONY 另外發展出了可存儲數位形式資料的 LaserDisc，可存儲多達約 3.5 GB 的資料，在當時可說是相當驚人的容量。

Compact Disc (CD) 系列標準

LaserDisc 作為最早一批被投入市場的光學儲存媒介，受制於其高昂的價格使其在市場上獲得的迴響並不算大 (主要僅見於台灣、日本、馬來西亞、新加坡、香港，美國當地的普及率反而不高，在歐洲更是難以普及)，但隨後 1980 年 PHILIPS 與 SONY 旗下的工程師土井利忠與 Kees Schouhamer Immink (下圖) 將開發 LaserDisc 時獲得的技術與經驗應用在設計用於裝載數位音樂的光學儲存媒介時所設計出的 Compact Disc Digital Audio (CD-DA) 標準則正式揭開了接下來數十年內廣為人們使用的 CD 光碟的序幕。

Compact Disc Digital Audio (CD-DA，1980 年)

CD-DA 規格是 Compact Disc 系列標準的第一個成員，CD-DA 規格當中所訂出的光碟片規格採用了與 LD 相同的 780 奈米雷射光學儲存技術，但所使用的基板直徑大幅縮減為 12 公分 (另有 8 公分版本的小型 CD 規格)，此舉主要是與數位音樂所需要佔據的空間遠小於影片所致，但同時也在後來大幅提升了 CD-DA 在日常使用中的實用度，甚至也為後來 CD 的盛行埋下了伏筆。

由於是針對數位音訊所設計，因此 CD-DA 規格當中的各項參數中有不少與音樂播放有關，例如採用 16-bit PCM 編碼、44.1 kHz 採樣率、響應頻率介於 0 Hz 至 22,050 Hz 的雙聲道音訊規格 (這些在後來便成為了早期數位音樂的標準規格)、74 分鐘的播放時間、音軌的排列方式與至多 99 個音軌的限制等。

此外，有不少在 CD-DA 標準中被定義的規格在後來的各種 CD 標準當中被大量地延續使用，例如每個區段大小為 2,352 bytes、每秒播放 75 個區段 (44,100 Hz x 16 bits x 2 聲道 / 2,352 bytes = 75 個區段)、每片光碟有 333,000 個區段 (74 分鐘 x 60 秒 x 75 個區段 = 333,000 個區段) 採用 EFM 編碼方式紀錄等，甚至後來用於描述光碟讀取速率的「倍速」單位之計算基礎也是來自於 CD-DA 所規範的音訊播放標準規格 (這部分在稍後介紹 CD-ROM 後會進一步詳述)。

值得注意的是，CD-DA 規格也是最早被認列為國際標準的光學儲存技術之一，在 1987 年被 IEC 正式採納為 IEC 908 (現為 IEC 60908) 國際標準，最初版本的 CD-DA 標準規格書由於採用紅色的封面，因此又被人們稱爲「紅皮書 (Red Book)」，且由於接下來各項 CD 相關標準的規格書都採用了不同顏色的彩色封面，因此各項 CD 標準又被稱之為「彩虹書 (Rainbow Books)」。

Compact Disc Read Only Memory (CD-ROM，1982 年)

在 CD-DA 標準推出後兩年，PHILIPS 與 SONY 擴充了 CD-DA 標準以允許 CD 光碟上裝載數位音樂以外的各種內容，並定義了最初的 CD 光碟容量大小 (553 MB)，並在隔年正式發佈了 Compact Disc 標準家族當中的第二個成員 Compact Disc Read Only Memory (CD-ROM)，由於發布時的規格書採用了黃色封面，因此又被稱為「黃皮書 (Yellow Book)」，CD-ROM 標準隨後被 ISO/IEC 採認為國際標準 ISO/IEC 10149，也就是我們所熟知、經常用做軟體發行載體或用於收錄書籍附件的 CD 光碟。

CD-ROM 規範所使用的光學儲存媒介在規格上大致與 CD-DA 保持一致，具有相同的尺寸、相同的形狀並且同樣使用 780 nm 波長雷射光學儲存技術，每個區段所能存放的資料大小亦維持 2,352 bytes，而與 CD-DA 最主要的不同便是出現在如何應用這 2,352 bytes 的空間上。

在 CD-DA 標準中，由於在播放數位音訊時即便遭遇微小範圍的資料遺失，在人耳感受中也不會有太大的影響，甚至可以透過插補點的方式來進一步降低影響程度，因此在規劃區段配置時 CD-DA 標準選擇將完整的 2,352 bytes 空間全數用於儲存數位音訊資料，從而盡可能延長單片光碟所能裝載的音訊長度，但對於儲存一般資料的 CD-ROM 而言，任何一個區段內的資料發生資料遺失或損毀都是無法被容忍的，因此 CD-ROM 規範中預設 (稱為 Mode 1) 在每個區段內都加入了 4 bytes 的 CRC 偵錯碼、276 bytes 的錯誤更正碼，再扣除 8 bytes 的保留位與 16 bytes 的開頭後每個區段可以儲存的資料大小即為 2,048 bytes (然而在需要較大空間、資料完整性較不重要的情況下也可以選擇不採用這些校錯機制，每一可以儲存資料的空間可提升至 2,336 bytes，此種情況稱為 Mode 2)。

規範模式	區段配置規劃
CD-DA	2,352 bytes (數位音訊)
CD-ROM Mode 1	12 bytes (同步標記)	3 bytes (定址)	1 bytes (模式標記)	2,048 bytes (資料)	4 bytes (偵錯)	8 bytes (保留位)	276 bytes (錯誤更正)
CD-ROM Mode 2	12 bytes (同步標記)	3 bytes (定址)	1 bytes (模式標記)	2,336 bytes (資料)

在瞭解 CD-ROM 規範與 CD-DA 規範當中對於資料儲存方式的差異之後，我們便可以開始探討描述 CD-ROM 讀取速率的「倍速」這一單位的定義方式了，先前在談 CD-DA 規範時曾提到當時數位音訊的標準規格為採用 16-bit PCM 編碼、44.1 kHz 採樣率、響應頻率介於 0 Hz 至 22,050 Hz 的雙聲道音訊，因此每播放一秒所要讀取的資料量便是 44,100 Hz x 16 bits x 2 聲道 = 176,400 bytes，而每個區段所能容納的資料大小為 2,352 bytes，因此在播放數位音訊時每秒所讀取的資料量相當讀取於 75 個區段，我們便將此「正常播放數位音訊時的讀取速度，即每秒讀取 75 個區段」定義為 1 倍速 (標示為 1x Speed)。

再搭配上我們稍早提及的 CD-ROM 區段配置規劃，便可得知 1 倍速實際上相當於 75 個區段 x 2,048 bytes 每區段實際存放資料大小 = 150 KB/s，以實際市面上所能找到的 CD-ROM 光碟機而言，最高讀取速度可達 52 倍速 (約 7.62 MB/s)。

Compact Disc Recordable (CD-R，1988 年)

在 CD-ROM 標準普及一段時間後，1980 年 PHILIPS 與 SONY 再次針對 Compact Disc 標準進行了擴充，發佈了可接受單次寫入的 Compact Disc Recordable (CD-R) 標準，由於最初版本的規格書使用橘色封面，因此又被稱為「橘皮書 (Orange Book)」，而 CD-R 標準後來也被 ECMA 採認為國際標準 ECMA-394，我們耳熟能詳的「燒錄」一詞就源自於此。

CD-R 在設計上除了在光碟片的塑膠基板與反射層之間新增了一層可對特定雷射光線產生一次性反應的染料的染料層外，幾乎完全沿用了 CD-ROM 與 CD-DA 所使用的規格，因此燒錄完成之後的光碟在使用時原則上可與現有的 CD-ROM、CD-DA 播放讀取設備完全相容，最主要的差異則是出現在寫入資料的方式上。

不論是 CD-DA、CD-ROM 或 CD-R，存放資料的方式都是透過在光碟碟盤上製作具有不同光學性質的區塊 (例如凹陷紋路或是使塗料部分變性) 使其在接受雷射光束照射時產生不同反射特性的方式來記錄資料，但傳統的 CD-DA、CD-ROM 光碟片在產生這些具有不同光學性質的區塊時是使用母片模板在反射層上壓制出大量細小紋路而成，CD-R 光碟上的產生這些區塊的方式則是透過使用專用裝置 (燒錄機) 透過發射特定波長的高能量雷射光束使特定區域的塗料變性的方式進行一次性寫入 (也就是我們說的「燒錄」)。

值得特別注意的是，由於燒錄機在進行光碟燒錄時使 CD-R 光碟塗料產生變性的反應並不可逆，因此 CD-R 光碟只能接受一次寫入而無法在寫入之後對其進行擦除處理，而 CD-R 光碟片讀取面有各種不同顏色的主要原因則是各家所選用的染料配方不同所造成的，不同染料配方通常不會造成功能差異，但衰退的速度可能會有所不同，進而影響保存年限的多寡。