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第10回 データを光で記録する
メディアの種類メディア（媒体）とはデータを記録して持ち歩くための「いれもの」です。 データを記録してPC本体から簡単にとりはずしたり交換したりできるものということになります。記録の方法には、ハードディスクやFD（フロッピィディスク）、磁気テープのように磁気を使うもの、フラッシュメモリのように半導体を使うもの、CD-ROMやDVDのように光を使うものに分けられます。 磁気を使うメディアFDは容量や記録・再生速度の点からすでに使命を終えており、FDD（フロッピーディスク装置）を内蔵しないPCを見かけることも多くなりました。ハードディスクは固定した装置として使うことが通常で、可搬型のケースに収めて持ち歩くこともありますが、メディアとして使われることは多くありません。磁気テープは大容量データのバックアップ用途に使用されていますが、PCでは一般的ではありません。 半導体を使うメディアSDメモリカードやメモリスティックなどのフラッシュメモリカードやPCに直接接続して使うUSBメモリが普及しています。規格や形状は異なりますが、フラッシュメモリの応用製品です。記憶容量あたりの単価が高く、データの配布や複数枚を差し替えて利用するような使い方はまだ多くありません。デジカメの写真を記録し、PCに移したら消去して再利用のような一時的な保存用メディアとして利用がほとんどです。 光を使うメディアCD、DVD、CD-R、DVD-Rなどデータやプログラムの配布、バックアップ、一時的な保存にいたるまでさまざまな用途に使われており、メディアの価格も安く、入手も容易で、今日のデータ記録用メディアの主流となっています。
※1バッファローHD-H250FB/M（UATA100 7200rpm、http://www.coneco.net/ 2007年1月31日現在） 光記憶メディアには、再生専用から追記型、書き換え可能型、さらに光だけでなく同時に磁気を使って記録するものなど、次のような種類があります。
CDの基礎知識最近のPC環境ではOSをはじめソフトウェアの多くがCD-ROMで供給されています。このCD-ROMの元になったのは、1984年に登場した音楽用CD（CD-DA、 Compact Disc Digital Audio）の規格です。サンプリング周波数44.1kHz、量子化16ビットのPCM方式でデジタル録音され、直径12cmまたは8cm、厚さ1.2mmのディスクに74分から約80分のデジタルオーディオ信号が録音されています（12cmの場合）。この音楽用CDから、今日、PC用として盛んに利用されているCD-ROM、CD-R、CD-RWが誕生しました。始めにCD-DAで、CDメディアの構造やしくみを説明しておきましょう。 CDメディアの構造音楽情報は、CD-DAの盤上のピット（くぼみ）とランド（平面）の凹凸の組み合わせで記録されています。CDのピットは次のような寸法です。
人間の毛髪の太さが約60μmですから、毛髪1本分に30本以上のトラックが入ることになります。
この基盤を通してレーザー光を照射して反射光を読み取っています。上図では下から上に向かってレーザー光が照射されます。
読み取りには波長が780nm(ナノメートル：1／10億メートル)の赤外線レーザー光を使用します。レーザーダイオードから射出されるレーザー光は、コリメータレンズ（※6）で平行光になり、反射ミラーを経由して対物レンズに入ります。対物レンズはレーザー光を絞り込んで、ディスクに照射します。 ※6コリメータレンズ：平行光線を得るためのレンズ。凸レンズの焦点に点光源を置くことで実現できる。 記録のしくみ次にデータがどのようにCDに記録されているかを説明します。
このらせんのトラック上に次のようにデータが記録されています。
リードイン・リードアウトCDの盤面の最内周にリードインという領域があります。最後の曲の後にリードアウトと呼ばれる領域があります。データはリードインとリードアウトに挟まれる状態で記録されています。リードインには、データの始点になる情報とそのセッションのトラック情報やTOC（Table Of Contents、目次情報）が記録されています。Windows Media Playerは、ここを読み取って、CDのトラック番号や曲の長さを表示しています。リードアウトはデータの終了点を示すだけで、データは書き込まれません。 セッションリードイン領域からデータを含みリードアウト領域までをセッションと呼びます。CD-DAではセッションは1つ（シングルセッションという）ですが、CDの拡張規格ではセッションを複数記録できるもの（マルチセッションという）があります。 トラックHDDのような同心円ではなく、らせんの線上に連続して配置されます。CD-DAでは収録された曲が1曲ずつ1トラックになっています。1枚のCDには99トラックまで収録することができます。 セクタトラックを構成する1／75秒分のデータです。トラックが同心円ではないので、ハードディスクのように規則正しい扇型ではありません。CDの1セクタあたりのデータは2352バイトです。これはセクタが98のフレームという単位に分割され、それぞれのフレームが24バイトのデータで構成されているからです（24バイト×98フレーム＝2352バイト）。 フレームCD-DAのデータの最小単位です。1フレームに6回分のサンプリングデータが入ります。音楽用CDの分解能は16ビット、ステレオ2チャンネルですから、次のように計算できます。
実際に記録されるのはデータに加えて、エラー訂正用のデータ8バイト、サブコード1バイトの合計33バイト、さらに読み取りの安定化のためにEFM変換を行います。8ビットを14ビットに変換して記録します。さらに同期信号24ビット、マージン3ビットで合計588ビットになります。 CIRC（Cross Interleaved Reed-Solomon Code）エラー訂正のしくみです。 EMF（Eight to Fourteen Modulation）符号化通常1バイトは8ビットですが、CDの盤上では14ビットで表現されます。CDの盤上で、データの0や1の同じ符号が連続するとピットまたはランドが続いて、読み込みの位置を見失う可能性があります。そこで、こうした連続が起こらないように、8ビットで表現される値を14ビットの特定パターンに置き換えて記録するのがEFM符号化です。 サブコード拡張用のデータ領域です。1フレームあたりに8ビットで、1セクタ（98フレーム）単位で意味を持っています。それぞれのビットは、P、Q、R、S、T、U、V、Wと名付けられた8つのチャンネルに分かれています。Pチャンネルはトラック間の無音部分を示し、Qチャンネルは、トラック番号、トラック内のインデックス番号、トラック内でのそのフレーム位置の経過時間、ディスク内でのフレーム位置の経過時間を示します。R〜Wチャンネルは画像や文字情報等の特殊用途に使用されます。CD-DAを拡張して、文字や画像を表示するCD-TEXTやCD-Gは、このサブコードにデータを格納しています。 CD-ROM(CD Read Only Memory)、データ用のCD今日のPC環境では、ほとんどの場合、ソフトウェアや大容量のデータがCD-ROMやCD-Rで提供されます。650MB〜740MBと大容量で、軽量で扱いやすく、ローコストで複製できることから、ソフトウェアやコンテンツの配布用メディアとして最適です。
※7 Orange Book Part IはCD-MO（光磁気記録方式）。CD-MOは普及しなかったが、その技術からMO（光磁気ディスク）が誕生した。 CD-ROMのエラー訂正CDの場合CIRCによりエラー率は109〜1010ビットにつき1ビット（約12〜118分に1ビット）程度に抑えられますが、CD-ROMではエラー訂正の追加により1012ビット（650MBのCD-ROM 180枚程度に1ビット）につき1ビットに抑えられているといわれます。
Yellow Bookでは、1枚のメディア上でのMode1とMode2の混在を認めていません。マルチメディア素材のように画像や音声などMode2で記録したいものと、それ以外のプログラムなどを1枚のメディアにまとめたい場合には不都合です。そこで、Mode2を拡張し、エラー処理を追加したのがCD-ROM XA(eXtended Architecture)です。次の図のように、CD-ROM Mode2のユーザーデータ部分にCD-ROM XA独自の情報を記録するサブヘッダーとエラー訂正符号を含む予備データ領域を追加したForm1とサブヘッダーとエラー検出符号だけを組み込んだForm2が規格化されました。
現在ほとんどのCD-ROMがMode1で作成されており、画像や音声を含むものはMode2 Form1で作成されています。 CD-R(CD Recordable)、一度書き込んだら消せない追記型一度書き込んだら消去することはできませんが、ディスクの容量がいっぱいになるまでは追加して記録できるのが追記型です。記録できるCDとして最もポピュラーなのが、CD-Rです。 メディアの構造CD-Rは、CDの基盤と反射層の間に有機色素でできた「記録層」が追加されています。レーザー光を反射させるため反射層を半透明の有機色素の膜が覆っているような構造です。
盤面には溝が刻まれています。CD-Rメディアの記録面は、何も記録されていなくても細かな溝で覆われています。この溝がプリグルーブです。データを書き込む位置を案内するための溝です。プリグルーブの壁面は、一定周期で規則正しく左右に波うっています。これをウォブルといいます。グルーブで半径方向の位置が、ウォブルで円周方向の位置がわかるようになっています。
記録のしくみ記録層の色素は、一定の波長のレーザー光線にだけ反応して性質が変化します。記録用のレーザー光が照射されると変色します。変色した部分がピットの代わりとなって、読み取り時にレーザー光を反射せず、CDと同じようにデータが保存できるのです。一度変色すると、そこは元に戻りません。消去できないのはそのためです。 データの書き込み方法CD-Rへの書き込み方式は、大きく分けると2通りあります。
ディスクアットワンスリードイン、データ、リードアウトまでを一度に書き込みます。
トラックアットワンスインクリメンタルライトを代表する書き込み方式で、トラックごとにデータを書き込みます。メディアの容量に余裕がある限り99トラックまでデータを追加することができます。メディアを効率的に使うことができますが、トラックとトラックのつなぎ目にリンクブロックが作成されます。データを記録している限り問題はありませんが、音楽のようにつなぎ目を作りたくない場合には、トラックアットワンスは不向きです。
パケットライト（Packet Write）CD-RをフロッピィやMOディスクのように使うための特殊な方式です。トラックよりも小さなパケットという単位で書き込みを行います。データはランイン、ランアウトに挟まれて記録されます。記録方法が特殊なので、パケットライトによる書き込みや読み込みは、特別なドライバ・ソフトウェアが必要です。ドライバ形式なので、一度インストールしてしまうと、Windows のエクスプローラからまるでフロッピィやハードディスクのように扱うことができますが、細かいファイルのバックアップに適しています。
セッションアットワンス（Session At Once）セッションアットワンスは、1つのセッションをディスクアットワンスのように一気に書き込んでしまう方式です。たとえば、CD EXTRAのように第1セッションを音楽CD形式で書き込み、第2セッションにコンピュータのデータを書き込むEnhanced CDを作成する場合に使用します。 CD-RW(CD Rewritable)、何度でも書き換えできるメディアCD-RWは、FDやMOように記録したり消したりできるCDメディアです。1000回程度までの書き換えが可能とされています。便利なメディアですが、CD-Rに比べてメディアが高価、DVD-RWなど大型メディアの登場、HDDの大容量低価格化、過般型メディアとしてUSBメモリの大容量化・低価格化などの状況下で便利なわりには、CD-Rほど使用されていないのが実情です。 メディアの構造メディアはCD-Rよりも保護層が増えて七層構造になっています。
CD-RWはレーザー光の熱による記録層の物理的な変化を記録に利用しています。書き換えや消去も同様の原理で行っており、そのために高度な温度管理が必要とされます。
記録のしくみ記録層に使われる物質がレーザー光の熱により、結晶質（クリスタル）と非結晶質（アモルファス）に変化することを利用して信号を記録しています。こうした物質の変化を相変化といいます。この性質を使う記録を相変化記録といいます。 記録時レーザー光で記録層を一気に融点まで熱して、非結晶質状態にします。その状態でレーザー光を止めて急速に冷却すると非結晶質状態のまま固まります。これがピットの役割をします。一方、レーザー光を照射し、記録層が融点には達しない程度まで熱して、徐々に冷却すると記録層は結晶質状態になります。これがランドの役割をします。 消去時データを消去するときは、溶融はしないが結晶化するには十分という温度になるよう微弱にレーザー光を照射して熱し、それから徐々に冷却することで、非結晶質相は結晶相に戻り、新しい記録が可能な状態にします。 読み取り時ほかのCDと同じ方法で反射光を読み取りますが、メディアの持つ反射率がCD-Rの65％に対して、15〜25％と低いため、かつてはCD-RWが読み取れないドライブがありました。 メディア選択時の注意CD-RWには、従来の4倍速までのメディアに加えて次のようなメディアが出ています。
これらは専用のメディアと対応ドライブを使用する場合にのみ性能が発揮されるようになっており、たとえばHighSpeed専用メディアは4倍速までのドライブでは読み出しのみ可能で書き込むことはできないので注意が必要です。 CDメディアは徐々にDVDに置き換わりつつあります。PCにもDVDドライブを内蔵する機種が多く、DVDレコーダの普及によりメディアの価格も下がっています。次回は、このDVDメディアを取り上げます。 
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FDからMOやCDへ、そしてDVD、さらに市場に登場し始めた次世代DVDなど、光で記録するメディアへの注目度が高まっています。2006年秋以降、Blu-ray Disc、HD DVDの次世代DVDメディアを採用する製品が市場に投入されました。光メディアは、ハイビジョン放送、デジタル放送、高画質ゲームなどの映像分野への利用が期待されています。
