Ήχος και εικόνα φθάνουν στ’ αφτιά και στα μάτια μας μέσα από τις διαδρομές του λέιζερ στα αυλάκια των δίσκων. Ποιοι νόμοι διέπουν την ψηφιακή ανάγνωση;
Του Χάρη Βάρβογλη*
Στην αυγή του 20ού αιώνα ο κόσμος είδε δύο επαναστάσεις που έμελλε να αλλάξουν ριζικά τη ζωή των ανθρώπων στη Γη: την εγγραφή ήχου και κινούμενης εικόνας σε κατάλληλα υλικά μέσα και την αναπαραγωγή τους κατά βούληση σε κάποια μελλοντική χρονική στιγμή. Από τότε μέχρι σήμερα η ιδέα παραμένει η ίδια, αλλά οι μέθοδοι της εγγραφής και αναπαραγωγής έχουν εξελιχθεί σε αφάνταστο βαθμό, χάρη στη μεταφορά γνώσεων βασικής Φυσικής στο τεχνολογικό επίπεδο της καινοτομίας. Σήμερα κυρίαρχο στοιχείο της τεχνολογίας σε αυτόν τον κλάδο είναι η εγγραφή-αναπαραγωγή με μεθόδους Οπτικής στα μέσα αποθήκευσης δεδομένων που ονομάζουμε CD, DVD και Blue-Ray.
Η εποχή της βελόνας
Η εγγραφή ήχου και η εγγραφή κινούμενης εικόνας, με σκοπό την αναπαραγωγή τους σε μεταγενέστερο χρόνο, ξεκίνησαν σχεδόν ταυτόχρονα στα τέλη του 19ου αιώνα, αν και με εντελώς διαφορετικές τεχνολογίες. Η εγγραφή του ήχου γινόταν με τη δημιουργία, μέσω μιας βελόνας, εγκάρσιων παραμορφώσεων σε ένα αυλάκι χαραγμένο σε κάποιο σκληρό υλικό. Η αναπαραγωγή γινόταν επίσης μέσω μιας βελόνας, η οποία ακολουθούσε το αυλάκι καθώς ο δίσκος περιστρεφόταν. Οι ταλαντώσεις της βελόνας που ακολουθούσε τις παραμορφώσεις κινούσαν ένα διάφραγμα που παρήγαγε τον ήχο. Η εγγραφή της κινούμενης εικόνας γινόταν με τη διαδοχική φωτογράφιση της «δράσης» και την παράθεση των εικόνων σε ένα διαφανές φιλμ. Η αναπαραγωγή γινόταν με τη διαδοχική προβολή αυτών των εικόνων σε μια οθόνη. Και οι δύο αυτές μέθοδοι κατέγραφαν την πληροφορία (ήχο και εικόνα) σε αναλογική μορφή: όσο εντονότερος ήταν ο ήχος τόσο μεγαλύτερο ήταν το πλάτος των παραμορφώσεων του αυλακιού στον δίσκο του γραμμοφώνου και όσο σκοτεινότερη ήταν η εικόνα τόσο περισσότερο μαύριζε η αντίστοιχη περιοχή του φιλμ.
Η δύναμη του λέιζερ
Αυτή η αναλογική μορφή εγγραφής είχε ένα βασικό ελάττωμα: τυχαίες γρατσουνιές στον δίσκο ή στην ταινία, ή ακόμη και η φυσιολογική φθορά από την επανειλημμένη χρήση, υποβάθμιζαν ανεπανόρθωτα την ποιότητα του ήχου και της εικόνας. Η κατάσταση αυτή άλλαξε άρδην το 1974, όταν μηχανικοί της εταιρείας Phillips πρότειναν την ψηφιακή εγγραφή ήχου στον δίσκο που σήμερα γνωρίζουμε ως CD. Αυτή η νέα τεχνολογία όχι μόνο εξάλειψε ουσιαστικά τους ενοχλητικούς ήχους από την καταστροφή της επιφάνειας των δίσκων γραμμοφώνου, αλλά έκανε δυνατή την ενοποίηση της τεχνολογίας εγγραφής ήχου και κινούμενης εικόνας, έτσι ώστε σήμερα η αναπαραγωγή τους να γίνεται με την ίδια συσκευή. Βασικό στοιχείο στην ανάπτυξη αυτής της νέας τεχνολογίας ψηφιακής εγγραφής ήταν η ανάπτυξη των λέιζερ και των ψηφιακών επεξεργαστών.
Η ψηφιακή ανάγνωση
Από την εποχή που απέκτησα τους πρώτους ψηφιακούς δίσκους CD, στα μέσα της δεκαετίας του 1980, είχα την απορία όχι μόνο για το πώς ήταν «κωδικοποιημένη» η μουσική στον δίσκο, αλλά και για το πώς η διάταξη ανάγνωσης παρακολουθούσε το «αόρατο» αυλάκι που υπήρχε στην επιφάνειά του. Η βασική απάντηση στην πρώτη απορία ίσως να είναι σε μερικούς ήδη γνωστή. Ο ήχος προς εγγραφή μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα, μέσω ενός μικροφώνου, και μια συσκευή μετράει την ηλεκτρική τάση στα άκρα του μικροφώνου σε διαδοχικές χρονικές στιγμές που απέχουν πολύ λίγο μεταξύ τους. Οι αριθμοί που δίνουν αυτή την τάση καταγράφονται στη σειρά στην επιφάνεια του CD στο δυαδικό σύστημα των αριθμών, στο οποίο υπάρχουν δύο μόνο ψηφία, το 0 και το 1. Οι αριθμοί είναι κωδικοποιημένοι ως ένας συνδυασμός μικρών ενσκαφών στην επιφάνεια του δίσκου. Μια πηγή λέιζερ που εκπέμπει υπέρυθρο φως «φωτίζει» την επιφάνεια του δίσκου και το φως αντανακλάται διαφορετικά από τις περιοχές που έχουν ή δεν έχουν ενσκαφές. Το ανακλώμενο φως ανιχνεύεται με ένα φωτοκύτταρο και, με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή αποκωδικοποιείται, μετατρέπεται σε τάση ηλεκτρικού ρεύματος και τροφοδοτεί έναν ενισχυτή. Σε εμάς μένει μόνο να ακούσουμε τη μουσική.
Πώς η περίθλαση δαμάζει το λέιζερ
Αν νομίζετε ότι η διαδικασία αναπαραγωγής της μουσικής είναι ένα θαύμα εφαρμοσμένης Φυσικής, περιμένετε να δείτε και πώς το λέιζερ ακολουθεί το αυλάκι στο οποίο είναι γραμμένα τα δεδομένα, χωρίς τη βοήθεια κάποιας βελόνας που το καθοδηγεί. Η διαδικασία βασίζεται στο φαινόμενο της περίθλασης, κατά το οποίο φως που περνάει από ένα σύνολο πολλών παράλληλων σχισμών, οι οποίες βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, δημιουργεί ένα σύνολο από φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες γύρω από μια κεντρική φωτεινή λωρίδα. Η απόσταση μεταξύ των λωρίδων ισούται, κατά προσέγγιση, με το μήκος κύματος του φωτός. Μπροστά από το λέιζερ του αναπαραγωγέα CD υπάρχει ένα φράγμα περίθλασης, όπως ονομάζεται αυτό το σύνολο των σχισμών, έτσι ώστε οι δύο πρώτες φωτεινές λωρίδες αριστερά και δεξιά από την κεντρική να απέχουν όσο η απόσταση των διάκενων μεταξύ δύο γειτονικών αυλακιών. Καθώς η κεντρική λωρίδα «διαβάζει» τα δεδομένα, οι δύο διπλανές της φωτίζουν το κενό δεξιά και αριστερά από το κεντρικό αυλάκι. Επειδή εκεί δεν υπάρχουν ενσκαφές, η αντανάκλαση δίνει δυνατό φως. Αν η κεντρική λωρίδα φωτός «ξεφύγει» προς τα δεξιά ή αριστερά, μία από τις δύο παράπλευρες λωρίδες πέφτει στις ενσκαφές του γειτονικού αυλακιού, και το αντανακλώμενο φως μειώνεται. Δύο φωτοκύτταρα που παρακολουθούν το αντανακλώμενο φως από τις παράπλευρες λωρίδες ανιχνεύουν αυτή την αλλαγή της έντασης, οπότε ενεργοποιείται ένας μηχανισμός που επαναφέρει τη δέσμη ακριβώς πάνω από το κεντρικό αυλάκι.
Σε τι διαφέρουν CD, DVD και Blue-Ray;
Ο βασικός μηχανισμός εγγραφής είναι ο ίδιος τόσο για τους δίσκους CD όσο και για τους δίσκους DVD και Blue-Ray. Η διαφορά μεταξύ τους έγκειται στην απόσταση μεταξύ των αυλακιών και στο μέγεθος των ενσκαφών, που όπως αναφέραμε εξαρτώνται με τη σειρά τους από το μήκος κύματος του φωτός του λέιζερ. Το υπέρυθρο φως που χρησιμοποιείται στα CD έχει μήκος κύματος 0,78 μικρόμετρα (δηλαδή εκατομμυριοστά του μέτρου), η απόσταση μεταξύ των αυλακιών είναι 1,6 μικρόμετρα και το ελάχιστο μήκος των ενσκαφών είναι 0,85 μικρόμετρα. Με αυτά τα χαρακτηριστικά η ωφέλιμη επιφάνεια του CD «χωράει» δεδομένα όγκου περίπου 700 MB, αρκετά για την εγγραφή μιας μεγάλης συμφωνίας. Τα DVD χρησιμοποιούν κόκκινο λέιζερ μήκους κύματος 0,65 μικρόμετρων, η απόσταση μεταξύ των αυλακιών έχει μειωθεί στα 0,74 μικρόμετρα και το μήκος των ενσκαφών στα 0,4 μικρόμετρα. Ετσι η χωρητικότητα του δίσκου σχεδόν επταπλασιάζεται, φθάνοντας τα 4.700 MB, και σε ένα DVD χωράει μια κινηματογραφική ταινία σε κανονική ανάλυση. Τέλος οι δίσκοι Blu-Ray «διαβάζονται» με λέιζερ ιώδους χρώματος (παρ' όλο που ονομάζονται μπλε!), το οποίο έχει μήκος κύματος 0,405 μικρόμετρα, τα αυλάκια απέχουν μεταξύ τους 0,32 μικρόμετρα και το μήκος των ενσκαφών περιορίζεται στα 0,15 μικρόμετρα. Με αυτά τα δεδομένα η χωρητικότητά τους φθάνει τα 25.000 MΒ, που είναι αρκετή για την αποθήκευση μιας κινηματογραφικής ταινίας σε υψηλή ανάλυση. Αξίζει να σημειωθεί ότι, επειδή τα αυλάκια βρίσκονται σε απόσταση περίπου ίση με το μήκος κύματος του ορατού φωτός, οι ψηφιακοί δίσκοι συμπεριφέρονται σαν φράγματα περίθλασης στο αντανακλώμενο φως. Ετσι τα διάφορα χρώματα του λευκού φωτός δημιουργούν φωτεινές και σκοτεινές ζώνες, με αποτέλεσμα οι ψηφιακοί δίσκοι να φαίνονται πολύχρωμοι.
* Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
ΤΟ ΒΗΜΑ
Του Χάρη Βάρβογλη*
Στην αυγή του 20ού αιώνα ο κόσμος είδε δύο επαναστάσεις που έμελλε να αλλάξουν ριζικά τη ζωή των ανθρώπων στη Γη: την εγγραφή ήχου και κινούμενης εικόνας σε κατάλληλα υλικά μέσα και την αναπαραγωγή τους κατά βούληση σε κάποια μελλοντική χρονική στιγμή. Από τότε μέχρι σήμερα η ιδέα παραμένει η ίδια, αλλά οι μέθοδοι της εγγραφής και αναπαραγωγής έχουν εξελιχθεί σε αφάνταστο βαθμό, χάρη στη μεταφορά γνώσεων βασικής Φυσικής στο τεχνολογικό επίπεδο της καινοτομίας. Σήμερα κυρίαρχο στοιχείο της τεχνολογίας σε αυτόν τον κλάδο είναι η εγγραφή-αναπαραγωγή με μεθόδους Οπτικής στα μέσα αποθήκευσης δεδομένων που ονομάζουμε CD, DVD και Blue-Ray.
Η εποχή της βελόνας
Η εγγραφή ήχου και η εγγραφή κινούμενης εικόνας, με σκοπό την αναπαραγωγή τους σε μεταγενέστερο χρόνο, ξεκίνησαν σχεδόν ταυτόχρονα στα τέλη του 19ου αιώνα, αν και με εντελώς διαφορετικές τεχνολογίες. Η εγγραφή του ήχου γινόταν με τη δημιουργία, μέσω μιας βελόνας, εγκάρσιων παραμορφώσεων σε ένα αυλάκι χαραγμένο σε κάποιο σκληρό υλικό. Η αναπαραγωγή γινόταν επίσης μέσω μιας βελόνας, η οποία ακολουθούσε το αυλάκι καθώς ο δίσκος περιστρεφόταν. Οι ταλαντώσεις της βελόνας που ακολουθούσε τις παραμορφώσεις κινούσαν ένα διάφραγμα που παρήγαγε τον ήχο. Η εγγραφή της κινούμενης εικόνας γινόταν με τη διαδοχική φωτογράφιση της «δράσης» και την παράθεση των εικόνων σε ένα διαφανές φιλμ. Η αναπαραγωγή γινόταν με τη διαδοχική προβολή αυτών των εικόνων σε μια οθόνη. Και οι δύο αυτές μέθοδοι κατέγραφαν την πληροφορία (ήχο και εικόνα) σε αναλογική μορφή: όσο εντονότερος ήταν ο ήχος τόσο μεγαλύτερο ήταν το πλάτος των παραμορφώσεων του αυλακιού στον δίσκο του γραμμοφώνου και όσο σκοτεινότερη ήταν η εικόνα τόσο περισσότερο μαύριζε η αντίστοιχη περιοχή του φιλμ.
Η δύναμη του λέιζερ
Αυτή η αναλογική μορφή εγγραφής είχε ένα βασικό ελάττωμα: τυχαίες γρατσουνιές στον δίσκο ή στην ταινία, ή ακόμη και η φυσιολογική φθορά από την επανειλημμένη χρήση, υποβάθμιζαν ανεπανόρθωτα την ποιότητα του ήχου και της εικόνας. Η κατάσταση αυτή άλλαξε άρδην το 1974, όταν μηχανικοί της εταιρείας Phillips πρότειναν την ψηφιακή εγγραφή ήχου στον δίσκο που σήμερα γνωρίζουμε ως CD. Αυτή η νέα τεχνολογία όχι μόνο εξάλειψε ουσιαστικά τους ενοχλητικούς ήχους από την καταστροφή της επιφάνειας των δίσκων γραμμοφώνου, αλλά έκανε δυνατή την ενοποίηση της τεχνολογίας εγγραφής ήχου και κινούμενης εικόνας, έτσι ώστε σήμερα η αναπαραγωγή τους να γίνεται με την ίδια συσκευή. Βασικό στοιχείο στην ανάπτυξη αυτής της νέας τεχνολογίας ψηφιακής εγγραφής ήταν η ανάπτυξη των λέιζερ και των ψηφιακών επεξεργαστών.
Η ψηφιακή ανάγνωση
Από την εποχή που απέκτησα τους πρώτους ψηφιακούς δίσκους CD, στα μέσα της δεκαετίας του 1980, είχα την απορία όχι μόνο για το πώς ήταν «κωδικοποιημένη» η μουσική στον δίσκο, αλλά και για το πώς η διάταξη ανάγνωσης παρακολουθούσε το «αόρατο» αυλάκι που υπήρχε στην επιφάνειά του. Η βασική απάντηση στην πρώτη απορία ίσως να είναι σε μερικούς ήδη γνωστή. Ο ήχος προς εγγραφή μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα, μέσω ενός μικροφώνου, και μια συσκευή μετράει την ηλεκτρική τάση στα άκρα του μικροφώνου σε διαδοχικές χρονικές στιγμές που απέχουν πολύ λίγο μεταξύ τους. Οι αριθμοί που δίνουν αυτή την τάση καταγράφονται στη σειρά στην επιφάνεια του CD στο δυαδικό σύστημα των αριθμών, στο οποίο υπάρχουν δύο μόνο ψηφία, το 0 και το 1. Οι αριθμοί είναι κωδικοποιημένοι ως ένας συνδυασμός μικρών ενσκαφών στην επιφάνεια του δίσκου. Μια πηγή λέιζερ που εκπέμπει υπέρυθρο φως «φωτίζει» την επιφάνεια του δίσκου και το φως αντανακλάται διαφορετικά από τις περιοχές που έχουν ή δεν έχουν ενσκαφές. Το ανακλώμενο φως ανιχνεύεται με ένα φωτοκύτταρο και, με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή αποκωδικοποιείται, μετατρέπεται σε τάση ηλεκτρικού ρεύματος και τροφοδοτεί έναν ενισχυτή. Σε εμάς μένει μόνο να ακούσουμε τη μουσική.
Πώς η περίθλαση δαμάζει το λέιζερ
Αν νομίζετε ότι η διαδικασία αναπαραγωγής της μουσικής είναι ένα θαύμα εφαρμοσμένης Φυσικής, περιμένετε να δείτε και πώς το λέιζερ ακολουθεί το αυλάκι στο οποίο είναι γραμμένα τα δεδομένα, χωρίς τη βοήθεια κάποιας βελόνας που το καθοδηγεί. Η διαδικασία βασίζεται στο φαινόμενο της περίθλασης, κατά το οποίο φως που περνάει από ένα σύνολο πολλών παράλληλων σχισμών, οι οποίες βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, δημιουργεί ένα σύνολο από φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες γύρω από μια κεντρική φωτεινή λωρίδα. Η απόσταση μεταξύ των λωρίδων ισούται, κατά προσέγγιση, με το μήκος κύματος του φωτός. Μπροστά από το λέιζερ του αναπαραγωγέα CD υπάρχει ένα φράγμα περίθλασης, όπως ονομάζεται αυτό το σύνολο των σχισμών, έτσι ώστε οι δύο πρώτες φωτεινές λωρίδες αριστερά και δεξιά από την κεντρική να απέχουν όσο η απόσταση των διάκενων μεταξύ δύο γειτονικών αυλακιών. Καθώς η κεντρική λωρίδα «διαβάζει» τα δεδομένα, οι δύο διπλανές της φωτίζουν το κενό δεξιά και αριστερά από το κεντρικό αυλάκι. Επειδή εκεί δεν υπάρχουν ενσκαφές, η αντανάκλαση δίνει δυνατό φως. Αν η κεντρική λωρίδα φωτός «ξεφύγει» προς τα δεξιά ή αριστερά, μία από τις δύο παράπλευρες λωρίδες πέφτει στις ενσκαφές του γειτονικού αυλακιού, και το αντανακλώμενο φως μειώνεται. Δύο φωτοκύτταρα που παρακολουθούν το αντανακλώμενο φως από τις παράπλευρες λωρίδες ανιχνεύουν αυτή την αλλαγή της έντασης, οπότε ενεργοποιείται ένας μηχανισμός που επαναφέρει τη δέσμη ακριβώς πάνω από το κεντρικό αυλάκι.
Σε τι διαφέρουν CD, DVD και Blue-Ray;
Ο βασικός μηχανισμός εγγραφής είναι ο ίδιος τόσο για τους δίσκους CD όσο και για τους δίσκους DVD και Blue-Ray. Η διαφορά μεταξύ τους έγκειται στην απόσταση μεταξύ των αυλακιών και στο μέγεθος των ενσκαφών, που όπως αναφέραμε εξαρτώνται με τη σειρά τους από το μήκος κύματος του φωτός του λέιζερ. Το υπέρυθρο φως που χρησιμοποιείται στα CD έχει μήκος κύματος 0,78 μικρόμετρα (δηλαδή εκατομμυριοστά του μέτρου), η απόσταση μεταξύ των αυλακιών είναι 1,6 μικρόμετρα και το ελάχιστο μήκος των ενσκαφών είναι 0,85 μικρόμετρα. Με αυτά τα χαρακτηριστικά η ωφέλιμη επιφάνεια του CD «χωράει» δεδομένα όγκου περίπου 700 MB, αρκετά για την εγγραφή μιας μεγάλης συμφωνίας. Τα DVD χρησιμοποιούν κόκκινο λέιζερ μήκους κύματος 0,65 μικρόμετρων, η απόσταση μεταξύ των αυλακιών έχει μειωθεί στα 0,74 μικρόμετρα και το μήκος των ενσκαφών στα 0,4 μικρόμετρα. Ετσι η χωρητικότητα του δίσκου σχεδόν επταπλασιάζεται, φθάνοντας τα 4.700 MB, και σε ένα DVD χωράει μια κινηματογραφική ταινία σε κανονική ανάλυση. Τέλος οι δίσκοι Blu-Ray «διαβάζονται» με λέιζερ ιώδους χρώματος (παρ' όλο που ονομάζονται μπλε!), το οποίο έχει μήκος κύματος 0,405 μικρόμετρα, τα αυλάκια απέχουν μεταξύ τους 0,32 μικρόμετρα και το μήκος των ενσκαφών περιορίζεται στα 0,15 μικρόμετρα. Με αυτά τα δεδομένα η χωρητικότητά τους φθάνει τα 25.000 MΒ, που είναι αρκετή για την αποθήκευση μιας κινηματογραφικής ταινίας σε υψηλή ανάλυση. Αξίζει να σημειωθεί ότι, επειδή τα αυλάκια βρίσκονται σε απόσταση περίπου ίση με το μήκος κύματος του ορατού φωτός, οι ψηφιακοί δίσκοι συμπεριφέρονται σαν φράγματα περίθλασης στο αντανακλώμενο φως. Ετσι τα διάφορα χρώματα του λευκού φωτός δημιουργούν φωτεινές και σκοτεινές ζώνες, με αποτέλεσμα οι ψηφιακοί δίσκοι να φαίνονται πολύχρωμοι.
* Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
ΤΟ ΒΗΜΑ
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου