CD, DVD e Blu-ray saiba mais...

Introdução

Durante a segunda metade da década de 70, a Philips e a Sony trabalharam no desenvolvimento de uma mídia óptica capaz de substituir os antigos discos de vinil. A cooperação entre as duas empresas deu origem ao CD, que embora tenha se popularizado apenas na década de 90, chegou ao mercado bem antes, em 1982. A tecnologia do CD evoluiu ao longo das décadas, dando origem ao DVD e ao Blu-ray, que usamos atualmente.

Originalmente, os CDs eram destinados a armazenar apenas áudio, com uma taxa de amostragem de 44.1 kHz e 16 bits de resolução, mas não demorou até que o padrão fosse adaptado para o armazenamento de dados. Os CDs de áudio passaram a ser chamados de "CD-DA" (Compact Disk Digital Audio) e os CDs de dados de "CD-ROM" (Compact Disk Read Only Memory).

Tanto os CDs de áudio quanto os CDs de dados são mídias digitais; a grande diferença é a forma como os dados são gravados. A capacidade total de um CD de 74 minutos é de 742 MB, que são organizados em setores de 2352 bytes cada um. Cada setor inclui uma área adicional de 98 bits (o subcanal Q) que inclui sinais de sincronismo, informações sobre a faixa e 16 bits de ECC, que oferecem um sistema rudimentar de correção de erros.

Nos CDs de dados são reservados 288 bytes adicionais para os códigos ECC e 16 bytes para sincronismo e endereçamento. Este uso massivo do ECC resulta em uma mídia muito mais confiável, onde os dados podem ser lidos mesmo depois de muitos arranhões. Por outro lado, mais espaço reservado ao ECC corresponde a menos espaço para os dados, o que faz com que a capacidade total do CD-ROM seja de apenas 650 MB.

Dentro do CD, os dados são armazenados na forma de sulcos, que contrastam com a superfície lisa e reflexiva do disco. Durante a leitura, os sulcos dissipam o laser do leitor, enquanto o restante da superfície o reflete, permitindo que o leitor diferencie os bits "1" dos bits "0" com base na intensidade da reflexão:

Diferente do que temos nos HDs (onde são usadas trilhas concêntricas), no CD os dados são armazenados na forma de uma espiral contínua, como em um disco de vinil. Esta espiral engloba todo o disco dando cerca de 20.000 voltas e tendo um comprimento total de quase 5 quilômetros em um CD de 74 minutos.

O disco é lido a partir do centro, o que possibilitou o surgimento dos mini-CDs (185 MB), CDs em formato de cartão (50 MB) e também dos CDs com formatos especiais, com capacidades variadas. Temos também os CDs de 80 minutos (700 MB) onde o espaçamento entre as voltas da espiral é sutilmente reduzido para acomodar mais dados.

O baixo custo de produção, combinado com a grande capacidade de armazenamento (para a época) fizeram com que os CD-ROMs se tornassem rapidamente a mídia mais usada para distribuição de softwares, antes que a popularização das conexões de banda larga possibilitassem o download de grandes arquivos. Mesmo hoje em dia, os CDs ainda são bastante populares como uma forma de transportar dados, já que as mídias são baratas e praticamente qualquer PC possui um drive óptico.

Considerando o impacto que o CD e os sucessores tiveram, o funcionamento básico é bastante simples, baseado na reflexão da luz. Dentro do drive, o CD gira a uma grande velocidade e a cabeça de leitura se desloca para atingir toda a superfície do disco. Embora inclua apenas uma lente, a cabeça de leitura é composta por dois componentes independentes: o laser de leitura e um sensor, que capta a luz refletida pelo disco, possibilitando a leitura.

Laser de leitura em um drive de notebook

Os CDs prensados são compostos por três camadas. A base é um disco de policarbonato (um polímero resistente) que contém os sulcos gravados. Para possibilitar a leitura, é adicionada uma fina camada de alumínio, que atua como um espelho, refletindo o laser. Ela é recoberta por uma camada de laquê, que sela o disco, evitando oxidação.

A camada de laquê (a única proteção nas mídias lisas) é bastante fina e frágil, o que faz com que o CD seja muito vulnerável a riscos na parte superior. Pequenos danos criam também pontos de oxidação ou bolhas, que com o tempo se espalham inutilizando a mídia. Para tornar as mídias mais resistentes, a maioria dos fabricantes adota o uso de camadas de proteção adicionais (como as usadas nas mídias foscas) ou rótulos impressos.

A fina e frágil proteção de laquê das mídias lisas

O bom e velho CDR

Um dos grandes motivos do sucesso do CD é o baixo custo de produção das mídias, o que permite que elas sejam distribuídas em massa em revistas ou até mesmo de graça, como na época dos infames CDs da AOL.

Tudo começa com a criação de um disco mestre, feito de vidro. Ele é gravado usando um laser de alta potência, que vaporiza pontos da camada superficial, criando uma imagem positiva do CD final, com todos os sulcos. Este disco de vidro é usado para produzir uma série de moldes metálicos, que são prensados contra o original, produzindo imagens negativas do disco.

Estes moldes de metal são usados para produzir os discos finais, através de um processo simples de prensa, onde grânulos de policarbonato são forçados sobre o disco de metal dentro de uma câmara aquecida, criando o disco plástico com os sulcos. Depois de solidificado, ele recebe a camada reflexiva, a camada de laquê e a estampa. As prensas atuais são capazes de gravar um disco a cada 3 segundos, o que torna o custo unitário bastante baixo.

Os dois grandes problemas com os CDs prensados é que eles não são regraváveis (já que seria impossível realocar os sulcos do disco) e que eles são viáveis apenas em grande quantidade, o que levou ao surgimento do CD-R (CD gravável) e do CD-RW (CD regravável), que eliminaram o estigma de mídia somente-leitura.

Os CD-R e CD-RW utilizam uma estrutura um pouco diferente da dos CDs prensados, com o uso de uma camada de gravação entre o disco e a camada reflexiva. Esta fina camada é baseada em compostos orgânicos sensíveis ao calor, que têm sua composição química alterada devido ao calor gerado pelo laser do gravador, que utiliza uma potência bem maior que durante a leitura. As partes da superfície queimadas pelo laser ficam opacas e criam pequenas bolhas, deixando de refletir a luz do leitor, substituindo sulcos dos CDs prensados. É por isso que usamos a expressão "queimar CDs" em relação à gravação:

A cor da mídia varia de acordo com o composto usado na camada de gravação (as mídias douradas usam o Phthalocyanine enquanto as azuis usam o Cyanine, por exemplo). Na época em que os CD-R foram introduzidos, muito se discutia sobre as diferenças na taxa de reflexão e durabilidade das diferentes cores de mídia, mas com a evolução dos materiais isso deixou de ser um fator significativo.

Nos CD-RW a camada de gravação é composta por uma liga contendo telúrio, antimônio, prata e outros metais. Diferente dos compostos orgânicos usados nos CD-R, estas ligas são capazes de alternar entre dois estados (opaco e cristalino), de acordo com a temperatura em que são fundidas.

Durante a gravação, o drive usa um laser infravermelho mais forte, que aquece a camada de gravação a uma temperatura de 400 graus. O rápido aquecimento faz com que os pontos marcados se tornem opacos, assumindo o papel dos sulcos que dissipam o laser de leitura.

Os CD-RW trabalham com um índice de refração luminosa muito mais baixa que a dos CD-R, por isso muitos leitores antigos possuem dificuldade em lê-los. Com exceção disso, eles se comportam da mesma forma que CDs gravados, conservando os dados por muitos anos.

A grande diferença é que os dados podem ser apagados posteriormente, reaproveitando a mídia. Nesse caso, o gravador usa um laser com uma potência mais baixa, realizando um processo mais lento de aquecimento e resfriamento que retorna a liga a seu estado cristalino original, deixando a mídia pronta para uma nova gravação. A opção de apagar o disco está disponível em qualquer programa de gravação. No K3B, por exemplo, ela é acionada através do "Ferramentas > Apagar CD-RW".

Além da opção de apagar todo o disco a cada gravação, existe a opção de fazer uma gravação multisessão, ou de usar um sistema de packet writing para gravar novos arquivos conforme necessário, de forma mais parecida com o que faria em um pendrive ou cartão de memória.

A gravação multisessão é o sistema mais tradicional, que permite manter o CD "aberto", gravando os dados a prestação até que a capacidade da mídia se esgote. A gravação em multisessão pode ser feita em qualquer tipo de mídia (tanto CD-R quanto CD-RW) mas a maior incidência de problemas de leitura e perda de dados fizeram com que ela nunca fosse muito popular.

A segunda tecnologia é o packet writing, que permite acessar a mídia de forma muito similar a um drive de disco, gravando e apagando arquivos conforme desejado. Embora tenha surgido como uma função do DirectCD, o packet writing é baseado no sistema de arquivos UDF, um formato aberto, que é suportado por outros utilitários (como o InCD) e também no Linux. Ele pode ser usado em qualquer mídia óptica, incluindo CDs, DVDs e até mesmo em mídias Blu-ray.

Outro truque conhecido é o oversize, que permite usar a área de terminação do CD (lead out) para armazenar dados, permitindo esticar a capacidade das mídias em alguns megabytes. O oversize é atualmente suportado por quase todos os programas de gravação (procure pela opção na janela com as opções de gravação) e pode ser útil quando você precisa gravar arquivos um pouco maiores que a capacidade do CD (como no caso de muitos arquivos de vídeo, que teimam em ter 701 MB em vez de 700) e não quer usar duas mídias.

Período paleolítico: o DVD

Em seguida temos o DVD, a evolução natural do CD, que surgiu como uma mídia para a distribuição de filmes, substituindo as antigas fitas VHS. Assim como no caso dos CDs de áudio, o padrão foi rapidamente adaptado para a gravação de dados, dando origem ao DVD-ROM.

Uma das grandes diferenças entre o CD e o DVD é o comprimento de onda do laser, que é de 780 nm no CD e 650 nm no DVD. Combinada com outras melhorias técnicas, a mudança permitiu reduzir o comprimento dos sulcos de 1.6 para 0.74 micron, resultando em uma capacidade total de 4.7 GB.

Diferente do CD, onde a camada reflexiva vai na parte superior do disco, o DVD é composto por dois discos de 0.6 mm colados, com a camada reflexiva posicionada entre ambos. Além de tornar a mídia mais resistente, isso abriu as portas para a criação dos DVDs double-sided (DS) onde são usados os dois lados da mídia, dobrando a capacidade. Temos também as mídias dual-layer (DL) que são compostas por duas camadas de gravação sobrepostas, que são lidas variando o foco do laser de leitura:

A combinação das duas técnicas deu origem aos 4 padrões de DVDs, que incluem o DVD 5 (um lado e uma camada, com 4.7 GB), DVD 9 (um lado, duas camadas, com 8.5 GB), DVD 10 (dois lados, uma camada cada, com 9.4 GB) e DVD 18 (dois lados, duas camadas cada, com 17 GB). Embora os DVDs de duas camadas sejam bastante comuns em filmes longos, os padrões com duas faces são bastante raros, já que o alto custo das mídias faz com que seja mais viável usar usar dois DVDs separados.

Por pressão dos grandes estúdios, o primeiro formato de DVD gravável (desenvolvido pela Pioneer) tinha uma capacidade ligeiramente menor que as mídias prensadas, com apenas 3.95 GB. Essa limitação foi introduzida com o objetivo de impedir a cópia direta de DVDs de filmes, mas os fabricantes logo passaram a ignorá-la, resultando nas mídias de 4.7 GB (single-layer) e 8.5 GB (dual-layer) que usamos atualmente.

Uma peculiaridade dos DVDs graváveis é a guerra dos formatos, entre o DVD-R, DVD+R e o DVD-RAM, três formatos similares, porém incompatíveis.

O padrão DVD-R foi finalizado em 1997 e foi o primeiro formato a se popularizar, enquanto oDVD+R é um formato mais novo, desenvolvido em 2002. Embora as mídias sejam similares, o DVD+R implementa um sistema de correção de erros mais robusto, que torna as mídias um pouco mais confiáveis e resistentes a danos. Em ambos os padrões temos também mídias regraváveis, chamadas de DVD-RW e DVD+RW.

Felizmente, a existência dos dois padrões não levou a uma guerra de formatos, pois os fabricantes passaram a produzir leitores e gravadores compatíveis com ambos os padrões, criando os drives "DVD±R", que são de longe os mais comuns atualmente. Apesar disso, o DVD-R continua sendo o padrão mais compatível, já que muitos leitores antigos oferecem suporte apenas a ele.

Embora as capacidades nominais sejam de "4.7" e "8.5" GB, existem pequenas diferenças de capacidade entre os dois padrões. As mídias DVD-R armazenam 4.707 MB (single-layer) e 8.543 (dual-layer), enquanto as DVD+R armazenam respectivamente 4.700 MB e 8.547 MB.

Em ambos os casos, as capacidades são calculadas em bits decimais (como nos HDs), o que faz com que a capacidade real indicada pelo sistema operacional seja ligeiramente inferior, com 4.38 ou 7.96 GB.

O DVD-RAM por sua vez oferece uma opção de mídia regravável de acesso aleatório, onde você pode gravar e apagar os arquivos livremente, como em uma mídia magnética. Isso também é possível em outras mídias usando um software com suporte ao packet writing, mas no DVD-RAM esta é uma função nativa, que não depende do uso de um software externo.

Além de diferenças nas funções lógicas (uso de um sistema de correção de erros mais desenvolvido e gerenciamento de blocos defeituosos) as mídias DVD-RAM utilizam trilhas concêntricas (como em um HD) e não uma espiral contínua, como em outras mídias ópticas.

Embora sejam práticas e mais confiáveis que as mídias DVD-RW e DVD+RW, as mídias DVD-RAM nunca se tornaram muito populares. Existem muitos motivos para isso, incluindo o alto custo (as mídias DVD-RAM são consideravelmente mais caras que as concorrentes) e o fato de uma grande percentagem de leitores não serem compatíveis com elas. Outro motivo é a popularização dos pendrives e HDs externos, que fizeram os DVDs e CDs regraváveis de uma forma geral caírem muito em popularidade.

O Blu-Ray

Concluindo, temos o Blu-ray, que representa a terceira geração das mídias ópticas, desenvolvido com o objetivo de atender à demanda por uma uma mídia capaz de armazenar filmes em 1080p comprimidos em H.264 ou VC1, que ocupam em média 5 vezes mais espaço que os 480p usados no DVD. O padrão foi desenvolvido pela Sony e apresentado em 2002, mas começou a se tornar popular apenas a partir de 2009, em parte devido à batalha contra o HD DVD da Toshiba.

O Blu-ray utiliza um laser com comprimento de onda de 405 nm, o que resulta na cor azulada que deu origem ao nome. Assim como no DVD, o menor comprimento de onda permitiu o uso de sulcos menores, com apenas 0.32 micron de comprimento (contra 0.74 micron do DVD), o que elevou a capacidade para 25 GB nas mídias single-layer e 50 GB nas dual-layer.

Existem também mídias prensadas com 27 GB, que utilizaram uma espiral ligeiramente mais extensa (assim como nos CD-ROMs de 80 minutos). Elas são muito usadas em discos com filmes, para dificultar a cópia direta em mídias graváveis.

Temos aqui um comparativo entre o tamanho dos sulcos e do ponto focal do laser no Blu-ray e no DVD, que mostra a diferença na escala:

Devido à questão do foco do laser de leitura, a camada de gravação nas mídias Blu-ray não fica mais no centro da mídia (como no DVD) mas sim diretamente na parte inferior, protegida apenas por uma camada protetora com 100 micra (0.1 mm) de espessura.

No caso das mídias dual-layer, o conjunto é ainda mais frágil, com o uso de uma camada de separação de 25 micra entre as duas camadas de gravação e uma camada protetora de apenas 75 micra sobre as duas, o que faz com que a espessura total do conjunto seja a mesma de uma mídia single layer.

Combinada com a maior densidade de gravação, isso torna as mídias Blu-ray especialmente vulneráveis a arranhões, o que demanda mais cuidado no manuseio. Durante a fase de desenvolvimento, chegou a ser cogitado o uso de um cartucho plástico de proteção (como nos antigos discos Zip), mas a ideia acabou sendo abandonada, já que tornaria as mídias caras e desajeitadas.

Os discos Blu-ray prensados são chamados de BD-ROM, enfatizando o fato de serem mídias apenas para leitura. Os discos graváveis são chamados deBD-R e os regraváveis de BD-RE. Diferente das mídias CD-R e DVD-R, que utilizam compostos orgânicos na camada de gravação, tanto as mídias BD-R e BD-RE são baseadas em compostos inorgânicos, mudando apenas a composição.

Assim como nas gerações anteriores, os drives Blu-ray mantêm a compatibilidade com os padrões anteriores, permitindo ler também CDs e DVDs. Entretanto, isso não se deve à compatibilidade entre os padrões, mas sim ao uso de múltiplos laseres de leitura, que são usados de acordo com a mídia. Isso leva aos casos de drives combo, que são capazes de gravar CDs e DVDs, mas apenas leem discos Blu-ray:

Uma curiosidade é que a maioria dos drives usam lentes separadas para o Blu-ray e para o combo CD/DVD. Por estranho que possa parecer, essa é uma solução adotada para reduzir os custos, já que permite aproveitar componentes da geração anterior (cujo custo já está mais do que amortizado), simplesmente adicionando um conjunto separado de laser, lente e sensor para o Blu-ray. Como os dois conjuntos são semi-independentes, não é incomum que apenas um deixe de funcionar em caso de defeito, fazendo com que o drive passe a ler apenas DVDs ou apenas mídias Blu-ray:

Diferente dos CDs e DVDs graváveis, que rapidamente se tornaram populares, os discos Blu-ray graváveis terão uma batalha mais difícil pela frente, já que o custo inicial das mídias é muito mais alto e a capacidade continua sendo baixa em relação à dos HDs. Em 2012 teremos cartões de memória de 32 GB a preços relativamente baixos, fazendo com que os 25 GB das mídias BD-R single-layer soem como algo ultrapassado. É bem provável que a maioria continue usando os CDs e DVDs para o transporte de pequenos arquivos, migrando para os pendrives de grande capacidade e HDs externos na hora de transportar grandes volumes.

A principal esperança para os discos ópticos são as mídias Blu-ray de grande capacidade, que estão em desenvolvimento e podem chegar ao mercado nos próximos anos.

O padrão Blu-ray permite o uso de um número indefinido de camadas de gravação, que podem ser lidas de forma alternada variando o foco do laser, em uma versão mais precisa da tecnologia já usada nas mídias dual-layer. Isso deixou as portas abertas para a produção de mídias multi-layer, com de 100 GB (4 camadas) a 500 GB (20 camadas). O grande problema é que estas novas mídias serão mais caras (já que são baseadas no empilhamento de múltiplas camadas de gravação independentes) e dificilmente serão compatíveis com os leitores atuais, o que dificultará a adoção.

Concluindo, uma observação óbvia, porém importante é que as taxas de leitura e gravação das mídias mudam de acordo com o padrão. No CD-ROM, uma taxa de 1x corresponde a apenas 150 KB/s, de forma que um leitor de 56x atinge um máximo de 8.4 MB/s e um gravador atinge 4.8 MB/s ao gravar a 32x. Em ambos os casos, a velocidade máxima é atingida apenas nas trilhas mais externas, já que os drives atuais usam o sistema CAV (Constant Angular Velocity), onde o disco gira sempre na mesma velocidade.

No caso dos CD-ROMs, a velocidade acabou estacionando nos 56x, já que o uso de velocidades mais altas esbarra nos limites físicos para a velocidade de rotação da mídia. A Kenwood chegou a apresentar um drive capaz de ler a 72x em 2001, utilizando sete feixes de laser separados, mas a tecnologia era cara e os drives acabaram não fazendo sucesso.

Entretanto, a migração para o DVD e o Blu-ray abriu as portas para o uso de taxas mais altas, já que o uso de sulcos menores permite ler mais dados por rotação dos discos. A nomenclatura também mudou, acompanhando o aumento no bitrate dos conteúdos.

No DVD, 1x corresponde a 1.35 MB/s (equivalente a 9x do CD-ROM), o que faz com que um leitor de 24x leia a até 32.4 MB/s e um gravador capaz de gravar a 16x atinja 20.6 MB/s, gravando uma mídia single-layer em cerca de 4 minutos.

No caso do Blu-ray, a taxa nominal subiu para 4.5 MB/s (equivalente a um CD-ROM 30x), de forma que um leitor que trabalhe a 12x atinge nada menos que 54 MB/s. O mesmo se aplica aos gravadores, que atingem 18 MB/s a 4x e 36 MB/s a 8x, velocidade na qual uma mídia single-layer é gravada em 12 minutos.

Como sempre, a velocidade de gravação é limitada pela qualidade da mídia e pela configuração do PC (que precisa ser capaz de fornecer os dados ao gravador na velocidade necessária), por isso é sempre menos problemático gravar usando velocidades mais baixas.