تقنيات تسجيل الأقراص الضوئية

يتطلب إنشاء الأقراص الضوئية عددًا من تقنيات مسجلات الأقراص الضوئية المختلفة التي تعمل جنبًا إلى جنب، بدءًا من وسائط القرص الضوئي وحتى البرامج الثابتة وحتى إلكترونيات التحكم في محرك الأقراص الضوئية .

تتوفر في السوق العديد من أنواع الأقراص الضوئية القابلة للتسجيل المباشر ، وتعتمد جميعها على استخدام الليزر لتغيير انعكاسية وسيط التسجيل الرقمي، وذلك لمحاكاة تأثيرات الحفر والنتوءات التي تتكون عند ضغط قرص ضوئي تجاري. أما التقنيات الناشئة، مثل تخزين البيانات الهولوغرافي وتخزين البيانات الضوئية ثلاثية الأبعاد ، فتسعى إلى استخدام أساليب تخزين بيانات مختلفة تمامًا، إلا أن هذه المنتجات لا تزال قيد التطوير ولم تُطرح في الأسواق على نطاق واسع بعد.

أقدم أشكال التخزين المغناطيسي البصري هو الذي يستخدم مجالًا مغناطيسيًا مع الليزر للكتابة على الوسيط. ورغم عدم شيوع استخدامه في الأجهزة الاستهلاكية، إلا أن جهاز NeXT Cube الأصلي استخدم وسائط التخزين المغناطيسي البصري كجهاز تخزين قياسي، وتتوفر تقنية التخزين المغناطيسي البصري الاستهلاكية في شكل أقراص MiniDisc من سوني . هذا النوع من الوسائط قابل لإعادة الكتابة.

أكثر أنواع الوسائط البصرية القابلة للتسجيل شيوعًا هي تقنية الكتابة لمرة واحدة باستخدام الصبغة العضوية ، والتي اشتهرت في أقراص CD-R ولا تزال تُستخدم في وسائط ذات سعة تخزينية أعلى مثل أقراص DVD-R . تعتمد هذه التقنية على الليزر فقط لحرق صبغة عضوية شفافة (عادةً ما تكون من السيانين أو الفثالوسيانين أو مركبات الآزو ) لتكوين "حفر" (أي بقع داكنة) فوق أخدود حلزوني عاكس. تُعرف معظم هذه الوسائط بالحرف R (قابلة للتسجيل). غالبًا ما تكون هذه الأقراص ملونة، وتأتي عادةً بدرجات من الأزرق أو الأصفر الباهت أو الأخضر.

تُصنع وسائط بصرية غير مغناطيسية قابلة لإعادة الكتابة باستخدام سبائك تغيير الطور ، التي تتحول بين حالتين بلورية وغير بلورية (بانعكاسية مختلفة) باستخدام حرارة ليزر التشغيل . يجب تشغيل هذه الوسائط في محركات أقراص مضبوطة خصيصًا، نظرًا لأن مادة تغيير الطور تتميز بتباين أقل في الانعكاسية مقارنةً بالوسائط القائمة على الصبغة؛ وبينما تدعم معظم محركات الأقراص الحديثة هذه الوسائط، فإن العديد من محركات الأقراص المدمجة القديمة لا تستطيع التعرف على العتبة الأضيق وبالتالي لا يمكنها قراءة هذه الأقراص. تُصنف أقراص تغيير الطور بالرمز RW (قابلة لإعادة الكتابة) أو RE (قابلة للتسجيل والمسح). غالبًا ما تظهر أقراص تغيير الطور باللون الرمادي الداكن.

تعتمد تقنية أخرى على إنشاء حفر في طبقة الكربون غير العضوي، وهو خيار "الكتابة لمرة واحدة". وقد طورت شركة ميلينياتا تقنية M-DISC ، التي تسجل البيانات على أقراص M-DISC خاصة، ويبلغ عمر البيانات فيها عدة مئات من السنين. ^{[ 1 ]}

معايرة الطاقة المثلى (OPC) هي وظيفة تتحقق من طاقة الليزر المناسبة لكتابة جلسة معينة على الوسائط المستخدمة. أما معايرة الطاقة المثلى النشطة (Active OPC ) فهي أكثر تطوراً ، حيث تحسب طاقة الليزر المثلى وتضبطها في الوقت الفعلي.

يمكن تسجيل الأقراص الضوئية في أوضاع مختلفة، منها: التسجيل على قرص واحد ، أو التسجيل على مسار واحد ، أو التسجيل على جلسة واحدة (أي عدة جلسات نسخ لقرص واحد)، أو التسجيل على حزمة بيانات . ولكل وضع غرض مختلف.

• خاصية "القرص دفعة واحدة": تكتب القرص بأكمله في عملية واحدة؛ وهي مفضلة لنسخ النسخ الأصلية.
• خاصية "المسارات المتتالية": تقوم بكتابة مسارات فردية مع وجود فاصل زمني بين كل مسار وآخر؛ تُستخدم لأقراص الصوت المضغوطة.
• جلسة واحدة: كتابة وإنهاء جلسات متعددة على قرص مضغوط واحد؛ عادةً لا يدعمها الصوت المضغوط، ولا يدعمها برنامج التأليف بشكل عام
• كتابة الحزم: كتابة البيانات إلى الوسيط عند الطلب (انظر أدناه)

على عكس محركات أقراص CD-ROM القديمة ، استخدمت محركات أقراص التسجيل الضوئية عمومًا بروتوكولات اتصال قياسية في هذا المجال. كانت مسجلات أقراص CD القديمة المتصلة بالحواسيب تُوصل عادةً عبر SCSI ؛ إلا أنه مع تخلي معظم المستخدمين الرئيسيين (وخاصةً شركة Apple Computer ) عن SCSI، أصبح خيارًا مكلفًا لمعظم مستخدمي الحواسيب. ونتيجةً لذلك، تحول السوق إلى وصلات Parallel ATA لمعظم محركات الأقراص الداخلية؛ بينما تستخدم محركات الأقراص الخارجية عمومًا آليات PATA المتصلة بجسر داخل الجهاز يتصل بناقل تسلسلي عالي السرعة مثل FireWire أو USB 2.0 عالي السرعة . وتستخدم جميع محركات الأقراص الحديثة تقريبًا، وخاصةً محركات أقراص Blu-ray، وصلات Serial ATA .

تستخدم أجهزة التسجيل المستقلة وصلات الصوت والفيديو القياسية، بما في ذلك موصلات RCA و TOSlink و S/PDIF للصوت ، ووصلات RF للفيديو المركب والفيديو المكون و S-Video و SCART و FireWire للفيديو. من غير المرجح وجود وصلات رقمية عالية النطاق الترددي مثل HDMI ، حيث لا يُسمح لأجهزة التسجيل بفك تشفير محتوى الفيديو المشفر .

التجاوز هو عملية تسجيل البيانات بما يتجاوز الحد الأقصى لحجم الوسائط القابلة للتسجيل المحدد من قبل الشركة المصنعة. ولا تسمح هياكل ATIP بتحديد مثل هذه الأحجام.

يمكن استخدام تقنية الحرق الزائد لتحديد الحد الأقصى الفعلي لسعة القرص القابل للتسجيل، حيث أن السعة التي يحددها مصنّعو الأقراص القابلة للتسجيل هي مجرد سعة مضمونة ، وما يتجاوزها تصبح السعة الفعلية غير محددة. ولا يُضمن إمكانية قراءة البيانات الموجودة خارج السعة المحددة. ^{[ 2 ]}

عادةً، يجب على جهاز التسجيل إتمام عملية الكتابة بالكامل دون توقف. بمجرد تشغيل الليزر، قد يؤدي إيقاف عملية التسجيل وإعادة تشغيلها إلى حدوث أخطاء.

يحدث نقص في سعة المخزن المؤقت أثناء التسجيل إذا انقطع إمداد البيانات إلى المسجل قبل اكتمال عملية الكتابة. عادةً ما ينقل البرنامج البيانات المراد تسجيلها إلى مخزن مؤقت ؛ ويحدث النقص إذا عالج المسجل البيانات في المخزن المؤقت أسرع من إعادة تحميلها بواسطة البرنامج. تاريخيًا، كان نقص سعة المخزن المؤقت غالبًا ما ينتج عن كتابة البيانات الواردة من جهاز بطيء، أو عن بطء برنامج التسجيل، أو من معالج بطيء أو معالج ينفذ مهامًا أخرى في الوقت نفسه.

تقوم أجهزة التسجيل المختلفة بتقليل أو معالجة مشكلة نقص البيانات المخزنة مؤقتًا بالطرق التالية:

• تستطيع معظم ناسخات الأقراص إبطاء دوران القرص والتسجيل بمعدل أبطأ. وقد تفعل ذلك عندما تستشعر أنها تسحب البيانات من المخزن المؤقت أسرع من سرعة إعادة تحميلها بواسطة البرنامج.
• تحتفظ برامج التسجيل بمخازن مؤقتة أكبر مما كانت عليه عند ظهور مسجلات الأقراص المدمجة لأول مرة. بعض المسجلات تحتفظ بذاكرة تخزين مؤقتة خاصة بها بشكل مستقل عن الكمبيوتر. يضمن هذا التخزين المؤقت الإضافي عدم تسبب التوقفات اللحظية في تدفق البيانات في نفاد مساحة التخزين المؤقتة.
• في الواقع، تستطيع بعض أجهزة التسجيل إيقاف الكتابة في منتصف الجلسة، واستئنافها عند إعادة ملء المخزن المؤقت. وتتعامل أجهزة التسجيل المزودة بحماية من نفاد المخزن المؤقت مع هذا الانقطاع بفجوة صغيرة للغاية في المسار المسجل على القرص. ^{[ 3 ]} ونظرًا لأن تقنيات الحماية من نفاد المخزن المؤقت خاصة بكل مُصنِّع، فإن التفاصيل الفنية تختلف.
• تتمتع أقراص DVD+R وDVD+RW وأقراص Blu-ray القابلة للتسجيل بحماية من مشكلة نفاد مساحة التخزين المؤقت، حيث تحتوي هذه الأقراص على تقنية تسمح لآلية الكتابة في جهاز التسجيل بتحديد نهاية المسار المسجل بدقة واستئناف التسجيل بسلاسة من حيث توقف. وتقوم العديد من برامج إنشاء الأقراص بتعطيل خيار الحماية من نفاد مساحة التخزين المؤقت عند كتابة هذه الأقراص. ^{[ 4 ]}

يتم تقليل نفاد مساحة التخزين المؤقت إلى أدنى حد من خلال استراتيجية يقوم فيها المسجل بنسخ حزمة بيانات بدلاً من جلسة كاملة أو قرص كامل. عند استخدام وسائط قابلة لإعادة الكتابة ( CD-RW ، DVD-RW ، DVD-RAM )، يقوم نظام ملفات UDF بتنظيم القرص إلى حزم بيانات تُكتب بشكل فردي. ويتم الرجوع إلى هذه الحزم من خلال جدول عناوين واحد مُحدَّث.

قام عدد من الشركات المصنعة بتطوير تقنيات خاصة لمنع نقص البيانات المخزنة مؤقتًا، بما في ذلك Sanyo (BURN-Proof)، ^{[ 5 ]} Asus (FlextraLink)، ^{[ 6 ]} Sony (Power Burn) و Yamaha (SafeBurn).

تُعدّ تقنية الكتابة الحزمية تقنيةً تُتيح استخدام الأقراص الضوئية بطريقةٍ مشابهةٍ للأقراص المرنة . ويمكن استخدامها مع الوسائط القابلة للكتابة لمرةٍ واحدةٍ والوسائط القابلة لإعادة الكتابة. وقد طُوّرت العديد من تنسيقات أقراص الكتابة الحزمية المتنافسة وغير المتوافقة، بما في ذلك DirectCD و InCD . أما التنسيقات القياسية للكتابة الحزمية فهي تنسيق القرص العالمي (Universal Disk Format) في إصداراته العادية، وVAT، والإصدارات المُخزّنة.

باستخدام ميزة الكتابة المحاكاة أو ميزة الحرق المحاكاة لبرامج تأليف الأقراص الضوئية ، ستتم محاكاة عملية الكتابة، مما يعني أن القرص يدور ويتحرك الليزر كما لو كان في عملية كتابة فعلية، ولكن دون تسجيل أي بيانات على القرص.

تتيح هذه الميزة مراقبة سرعات الكتابة وأنماطها (مثل السرعة الزاوية الثابتة ، والسرعة الخطية الثابتة ، ومتغيرات P-CAV و Z-CLV ) مع إعدادات سرعة كتابة مختلفة، واختبار أعلى سعة يمكن تحقيقها لقرص فردي باستخدام الحرق الزائد . ^{[ 7 ]}

هذه الميزة موحدة في أقراص CD-R و CD-RW و DVD-R و DVD-RW ، ولكنها غير متوفرة في أقراص DVD+R و DVD+RW ، حيث لا تدعم الكتابة المحاكاة إلا محركات الأقراص الضوئية من شركة Plextor حتى الآن. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تحتوي وسائط التخزين الضوئية القابلة للتسجيل/الكتابة المتوفرة في الأسواق على أصباغ داخل/على سطحها لتسجيل البيانات، بينما تستخدم الوسائط المصنعة في المصانع "حفرًا" مادية تُصنع بواسطة قوالب بلاستيكية. ونتيجةً لذلك، لا تتمتع وسائط التخزين الضوئية المتوفرة في الأسواق بنفس عمر الوسائط المصنعة في المصانع. وتتفاقم المشكلة لأن طاقة ليزر الكتابة في جهاز التسجيل تنخفض مع مرور الوقت، عادةً بعد بضع سنوات فقط. وبالتالي، قد لا يتمتع القرص المكتوب باستخدام ليزر يقترب من نهاية عمره الافتراضي بنفس مدة صلاحية القراءة كما لو تم استخدام ليزر جديد.

لا ينبغي الاعتماد كلياً على الوسائط البصرية القائمة على الصبغة لأرشفة البيانات القيّمة. تدّعي شركة MAM-A ( ميتسوي ) أن أقراصها المضغوطة الذهبية القابلة للتسجيل (CD-R) تدوم 300 عام، بينما تدوم أقراص DVD الذهبية 100 عام. من البدائل الجيدة إجراء نسخ احتياطي إضافي للوسائط باستخدام تقنيات وسائط أخرى، أو الاستثمار في تقنيات الذاكرة غير المتطايرة . ^{[ 10 ]}

كشفت سلسلة من الدراسات اللاحقة التي أجراها المعهد الكندي للحفظ عام ٢٠١٩ أن أقراص CD-R المصبوغة بصبغة الفثالوسيانين والمغطاة بطبقة من الذهب تتمتع بأطول عمر افتراضي، حيث تتجاوز ١٠٠ عام عند تخزينها في ظروف مثالية من حيث درجة الحرارة والرطوبة. وجاءت أقراص DVD-R (المغطاة بطبقة من الذهب) في المرتبة الثانية من حيث طول العمر الافتراضي، بمتوسط ​​يتراوح بين ٥٠ و١٠٠ عام في الظروف المثالية. كما حققت أقراص CD-R المصبوغة بصبغة الفثالوسيانين والمغطاة بطبقة من سبيكة الفضة متوسط ​​عمر افتراضي يتراوح بين ٥٠ و١٠٠ عام، إلا أن الباحثين لاحظوا أنه في حال احتواء بيئة التخزين على ملوثات، فإن أي أقراص CD-R ذات طبقة فضية ستتلف على الأرجح بشكل أسرع من الأقراص ذات الطبقة الذهبية. وخلص الباحثون إلى أن الأقراص ذات الطبقة الفضية قد لا تكون حلاً مناسباً للتطبيقات التي يكون فيها طول العمر الافتراضي عاملاً مهماً. ^{[ 11 ]} تفوقت أقراص CD-R وDVD-R على جميع أنواع أقراص Blu-ray من حيث العمر الافتراضي: إذ يبلغ متوسط ​​عمر قرص Blu-ray الأفضل أداءً، وهو BD-RE (Blu-ray القابل لإعادة الكتابة)، من 20 إلى 50 عامًا، بينما يبلغ متوسط ​​عمر أقراص BD-R غير القابلة لإعادة الكتابة من 10 إلى 20 عامًا في الظروف المثالية. ^{[ 11 ]}

• سرعة الكتابة على الأقراص المدمجة وأقراص الفيديو الرقمية
• قرص التعديلات
• أوضاع تسجيل الأقراص الضوئية
• كتابة الاستراتيجية

• فهم أقراص CD-R و CD-RW بقلم هيو بينيت
• فهم أقراص DVD القابلة للتسجيل وإعادة الكتابة بقلم هيو بينيت
• الاحتراق على المدى الطويل
• عمر الأقراص المدمجة وأقراص الفيديو الرقمية: إلى متى ستدوم؟
• تقنية بلو راي