Compact Disc の規格

一般的に使用されるコンパクトディスクは、 Red Book、Yellow Book、Orange Book、White Book、Blue Book、Green Book のいずれかに大別されます。それらを列挙し、関連事項を紐解きます。

Red Book Family

CD-DA (CD Digital Audio)　1981年
ソニー、フィリップス社により共同開発されました。 ＣＤの物理的な規格や記録方式は赤いバインダーの仕様書にまとめられ、 Red Book と呼ばれます。最大７４分のデジタルオーディオを記録できます。

ＣＤの断面
CD の構造
ＣＤの構造は、表側から、ラベル印刷層、保護層(ポリカーボネート)、 反射層(アルミニウム)、基板（ポリカーボネート）という順に重なっています。（図１）
基板には突起（凹み）があり、これを「ピット」と呼びます。 そしてピット以外の部分（平面部分）を「ランド」と呼びます。 これらに 780nm の波長のレーザーをあてると、ランド・ピットの境界部と、 それ以外とで反射に違いが現れてきます。 境界部を「1」、それ以外の部分を「0」とみなします。（図２）

CD-DA のセクタ
Red Book では、ＣＤの物理セクタは１セクタが 2352 バイトで構成され、 再生される場合には１秒間に７５セクタが読み出される、と定義しています。 この定義から、１秒間に読み出すデータを計算すると、

2352 * 75 * 8 = 1,411,200 (bit)

データとピットの対応

となります。 また、16bits のデータが、44.1kHz の周波数で２チャンネル分記録されていることから、 １秒分のデータ数を計算すると、

16 * 44100 * 2 = 1,411,200 (bit)

と、同じ数字が算出されます。

また、実際の物理的なメディアの記録を意識すると、 ２回のＣＩＲＣ (Cross Interleaved Reed-Solomon Code)、 ＥＦＭ変調 (Eight to Fourteen Modulation) のメディア特性による冗長性、 サブコーディングの付加等により、もっと多いデータ量が記録されています。 １６bits, ２ch のデータ６サンプル分１９２bits (＝２４bytes) が、 ５８８bits の１フレームを形成します。 このフレームが９８個で、セクタを形成します。

24 * 98 = 2,352 (byte)

CD-G (CD-Graphics)　1985年
ＣＤ−ＤＡのオーディオ再生と同時に、 ２８８x１９２dot、２〜１６色の画像データが表示可能になっています。 画像データはサブコードに記録されています。


サブコード
１フレームあたりに８ビット含まれる情報で、 １セクタ（９８フレーム）を単位に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 の８個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。
サブコードひとつあたりの時間は、１フレームが６サンプルであることから、 ９８フレーム分の時間を計算すると求めることができ、

(1 / 44,100) * 6 * 98 ≒ 0.0133 (s)

となります。この 0.0133(s) の逆数を求めることで、単位時間（１秒） あたりのサブコード数、及びセクタ数が求められ、７５となります。


CD SINGLE　1987年
直径８cm の小型ＣＤ。最大２０分のデジタルオーディオを記録できます。


CDV　1987年
ＣＤとレーザーディスクを合体させたようなもので、 ディスク内周に最大２０分のデジタルオーディオ、 残りの外周に最大５分の動画を記録できます。 動画の記録方式はＬＤと同じ無圧縮のアナログ形式のため記録時間が短く、 一般のＣＤプレーヤでは動画を再生できなかったため、あまり一般化しませんでした。


CD-EG　1991年
ＣＤ−Ｇの発色数を２６万色中の２５６色に拡張した上位規格です。


CD+MIDI　1990年
ＣＤ−ＤＡのオーディオ再生に同期して、 ＭＩＤＩ機器にデータを送信して再生が可能です。 ＭＩＤＩのデータはサブコードに記録されます。


Yellow Book Family

CD-ROM　1985年
ソニー、フィリップス社により、Yellow Book で規格化された、 ＣＤにデータを記録するための規格です。 Yellow Book では物理フォーマットは規定されましたが、 論理フォーマットは自由とされました。


セクタの構成
CD-ROM の物理フォーマット
Yellow Book では、ＣＤ−ＲＯＭの記録フォーマットとして、 ＭＯＤＥ１、ＭＯＤＥ２の２つを用意しています。 ＭＯＤＥ１では、１セクタ 2352 バイト中に、 ランダムアクセスのための同期データ、ヘッダ、 ＥＤＣ（Error Detecting Code）、ＥＣＣ（Error Correction Code）等を確保して、 ユーザが読み出せるデータ記録部分を 2048 バイトと定義しています。（図３）
誤り訂正の無いＭＯＤＥ２では、同期データ、ヘッダのみ確保し、 2336 バイトをユーザデータとしています。 ＣＤ−ＲＯＭ１枚の容量は約７４７ＭＢですが、ＭＯＤＥ１の場合、約６５０ＭＢ、 ＭＯＤＥ２の場合は、約７４２ＭＢの容量となります。

CD-ROM の読み出し速度
１秒間に７５セクタが読み出される定義から転送速度を計算すると、

2048 * 75 / 1024 = 150 (KByte/s)

の値が、ＭＯＤＥ１の等速読み出しの速度になります。


エラー訂正
ＣＤは本来、平均すると１０の５乗ビットにつき１ビット程度のエラー （約０．０７秒に１ビット）が発生するといわれていますが、 ＣＩＲＣにより１０の９〜１０乗ビットにつき１ビット（約１２〜１１８分に１ビット） 程度に抑えられます。 ＣＩＲＣは、データをバラバラに並び替えた上でパリティを付加する訂正方式（実際はかなり複雑です）で、ランダムエラー（製造上の単発的なエラー）だけでなく、 バーストエラー（傷などによる連続的なエラー）にもある程度対応できるようになります。
また、ＭＯＤＥ１及びＦＯＲＭ１のＥＤＣ／ＥＣＣを利用することで、 １０の１２乗ビットにつき１ビットのエラー率になると言われています。 これは、６５０ＭＢのＣＤ−ＲＯＭ１８３枚に対して１ビットのエラー率となります。


CD-ROM XA (eXtended Architecture)　1988年
ＣＤ−ＲＯＭの拡張規格です。 ＩＳＯ９６６０を採用し、 ＣＤ−Ｉのオーディオ・ビデオ記録の仕様が取りこまれています。


CD-ROM XA の物理フォーマット
Yellow Book では「１枚のディスクにＭＯＤＥ１とＭＯＤＥ２が混在してはならない」 とあり、１枚のディスクにＭＯＤＥ１のデータとＭＯＤＥ２の画像（動画）データを、 同時に記録するためには新たな規定が必要でした。 そこから規定されたのが、ＦＯＲＭ１とＦＯＲＭ２です。 ＦＯＲＭ１はＥＣＣが有り、データ記録用として、 ＦＯＲＭ２はＦＯＲＭ１のＥＣＣを取り除いたもので、 画像（動画）等の目的で使用されます。 これらＦＯＲＭ１、ＦＯＲＭ２のフォーマットが CD-ROM XA となります。（図３）


CD-ROM の論理フォーマット
Yellow Book では、ＣＤ−ＲＯＭへのデータ記録に関して、 物理フォーマットを規定しましたが、論理フォーマットは規定しませんでした。


HSF (High Sierra Format)
ハイシエラグループによって最初に提案された、 ＣＤ−ＲＯＭ専用のファイルフォーマットです。


ISO 9660
1988年、ＨＳＦを加筆修正し、ＩＳＯに登録したものです。 ＣＤ−ＲＯＭ上のファイルとディレクトリの論理フォーマットに関して定義した標準規格で、 特定のハードウェアやソフトウェアに依存せずにＣＤ−ＲＯＭを読み出せることを目標に、 規格化が行われました。


HFS (Hierarchical File Format)
Macintosh OS のファイルフォーマットで、 ＣＤ−ＲＯＭのフォーマットはＨＤＤと同じで起動も可能です。 これは階層構造によるファイル管理のほか、作成したＣＤ−ＲＯＭには、 リソースフォーク、データフォーク、クリエータといった、 マッキントッシュのファイル管理情報が全て反映され、 マッキントッシュ以外のＯＳでは読むことができません。


Hybrid
一般的に、 MS-Windows と Macintosh の両方で使用可能なＣＤ−ＲＯＭのフォーマットを差します。 ＩＳＯ９６６０と、ＨＦＳの両方に対応しています。


EI Torito
Phoenix Technologies、ＩＢＭ社によって開発された規格で、 ＰＣ上でのブート可能なＣＤ−ＲＯＭのフォーマットを規定しています。 システムのブートが出来るフロッピーディスク、或いはハードディスクのイメージが、 そのままブートイメージとしてＣＤ−ＲＯＭに収められます。 システムが起動する際に、BIOS を介してブートイメージをＡ、 またはＣドライブと見せ掛け、起動します。


フォト CD　1990年
イーストマンコダック社が考案した規格で、 銀塩写真フィルムに撮影された静止画像をデジタル化してＣＤに記録したものです。 メディア自体はＣＤ−Ｒを使用します。 構成はマルチセッションを採用したため、データ（画像）の追記が可能です。 ＣＤ−ＲＯＭ ＸＡ、Orange Book、ハイブリッドＣＤの仕様に基づいています。


カラオケ CD　1993年
ＣＤ−Ｉ ＤＶをカラオケシステム用に利用した規格で、 日本ビクターとフィリップス社によって合意されました。


Green Book Family

CD-I (CD-Interactive)　1986年
ソニー、フィリップス社により、Green Book で規定された規格で、ＣＤに音声、画像、 アニメーション、文字といった情報を３次元的に記録し検索機能を持たせると共に、 ユーザが画面を見ながらインタラクティブに操作できることが特徴です。 ＣＤ−Ｉプレーヤには、ゲーム機を思わせるコントロールパッドが接続されていて、 これを使ってユーザはメニュー操作を行うことが出来ました。 日本ではＣＤ−Ｉプレーヤはほとんど普及しなかったようです。


CD-BGM　1989年
圧縮技術により、 ステレオ４時間モノラル８時間のオーディオの記録を実現した規格です。 店舗等の業務ＢＧＭ用に使われました。


CD-I Ready　1990年
ＣＤ−Ｉプレーヤで再生したときに字幕や付加画像が表示されるように情報を記録した オーディオＣＤです。


CD-I DV (CD-I Digital Video)　1992年
ＭＰＥＧ−１圧縮により、最大７４分の動画と音声が記録可能な規格です。 ＣＤ−Ｉ ＤＶは、 インタラクティブな制御機能を持った専用プレイヤ以外では再生できず、 一般に普及するタイプのメディアではありませんでした。 ＣＤ−Ｉ ＤＶからインタラクティブ機能を簡素化し、 動画再生に的を絞った規格がビデオＣＤです。 CD-I FMV (Full Motion Video) とも呼ばれます。


White Book Family

VIDEO CD　1993年
White Book で規定されました。 ＭＰＥＧ−１圧縮により、最大７４分の動画と音声が記録可能です。 カラオケＣＤの規格を一部変更し、高精細静止画、 メニュー再生などの機能が追加されています。 物理フォーマット的には、ＣＤ−ＲＯＭ ＸＡに属します。


CD-I Bridge
ＣＤ−Ｉ情報を、 ＣＤ−ＲＯＭ ＸＡディスクへ記録するための方法を定義した仕様セットです。 フォトＣＤとビデオＣＤで使用されています。 この規格により、ＣＤ−ＲＯＭ ＸＡのメディアが、 ＣＤ−Ｉプレーヤでも再生可能となります。

Orange Book Family

ＣＤ−Ｒの断面
CD-MO　1990年
ソニー、フィリップス社により、Orange Book PART1 で規定されました。 光磁気記憶方式を応用した、書き替え可能なメディアです。 一般用途向けに製品化はされなかったようです。


CD-WO (CD-Write Once)　1990年
Orange Book PART2 で規定されました。 この規格に基づく実際の製品が、 現在普及しているＣＤ−Ｒ (CD-Recordable) です。 また、ＣＤ−Ｒという名前は太陽誘電社が開発した追記型ＣＤの商品名でした。


CD-R の構造
ＣＤの構造と異なる点は、反射層と基板の間に記録層（色素 - Organic Dye）があることです。（図４）
また、基板にはグルーヴ (Groove) と呼ばれるレーザーの案内溝があります。 ブランクのＣＤ−Ｒメディアでは、プレスＣＤのピットに相当するものがないため、 グルーヴはレーザーを導く目的で設けられています。


CD-R の記録方法
ＣＤ−Ｒメディアに記録するためには、ＣＤと同一波長（780nm）で、 数十倍強力なレーザー光を照射し、グルーヴの部分に集中させます。 レーザーを、有機色素の記録層が吸収・発熱し、局部的に 300 ℃の温度になります。 この温度上昇によりプラスチック基板の変形、 および記録層の色素分解による屈折率変化が起こり、 光干渉条件が変化して、ピットに相当する部分が形成されます。


セッション
ＣＤ−ＲＯＭにデータを記録する際、データの前に「Lead In」、 データの後に「Lead Out」というものがセットになり、 Lead In−Data−Lead Out という３つをまとめて１つのセッションといいます。
Lead In には、データ部分のファイル情報などが書き込まれていて、 これをＴＯＣ（Table Of Contents）といいます。 １つ目の Lead Out では 8.8MBytes、 ２つ目以降の Lead Out では 4.4MBytes の無音データが書き込まれ、 これは Red Book との互換性のために書き込まれ、セッションの終わりを示しています。
このことから、Track At Once 書き込みの場合、まずデータを書き始め、 その後セッションを閉じる為に Lead In、Lead Out と書き込み、 セッションを完了させます。
Disk At Once 書き込みの場合、Lead In、Data、Lead Out の順に書き込みます。 （レーザーの出力が途切れることはありません。）


PCA と PMA
ＣＤ−ＲＯＭでは、メディア最内周に Lead In が存在しますが、 ＣＤ−Ｒでは、Lead In のさらに内側に ＰＣＡ（Power Calibration Area）、 ＰＭＡ（Program Memory Area）という領域が存在します。
ＣＤ−Ｒドライブでは、動作温度（気温）やメディアの種類によって、 レーザーの出力を調節しています。 レーザーが強すぎても弱すぎても、正常にピットを刻むことが出来ないためです。 レーザーの強さを調整する事を Calibration といい、 この Calibration を行う領域がＰＣＡです。
ＰＭＡは、トラックの先頭及び末尾のアドレスを保存しています。 この領域により、ＣＤ−ＤＡを１トラックずつ書き込むことが可能となっています。 Track At Once 書き込みで、１つのセッションを閉じるとき書き込まれる Lead In は、 このＰＭＡのデータを参照しています。


ISO9660 Interchange Level と ファイル名の規格
ＣＤ−Ｒにデータを記録する際に、読み出しを行うＯＳによって、 ファイルの命名法が変わります。


ISO9660 Level 1
最初に作られた ISO9660 Level1 は、 DOS を含むほとんどのＯＳで読み込むことができますが、 そのため、ファイルのレコーディングと命名法に制限があります。 具体的には、ファイル名８桁、拡張子３桁、ディレクトリは８桁となっています。 使用を許される文字は、大文字の A 〜 Z、数字の 0 〜 9、 それにアンダースコア (_) を加えた３７文字だけです。 また、ファイルは、断片化したりインターリーブさせずに、 連続したバイトストリームとして書き込む必要があります。


ISO9660 Level 2
Level1 から文字制限を緩め、３１文字までの使用が許されています。 レコーディングに関して、Level1 と同様の制限があります。


ISO9660 Level 3
Level2 からレコーディングの制限を外しています。


RockRidge
UNIX OS で使われるファイルシステムで、 SunMicrosystems 社を中心としたグループにより規定された、ISO9660 拡張仕様です。 ISO9660 でのファイル名の制限はなくなっています。 また、ファイルに対して実行のパーミッションを設定することが可能です。


Joliet
Microsoft 社が Windows95 用に開発した規格で、ＣＤ上でロングファイル名が扱えます。 Joliet では、スペースを含む６４文字までの文字をファイル名に使用でき、 ユニコード国際文字セットも使用できます。 また、(8+3) 文字のＤＯＳファイル名も同時に記録するため、 ロングファイル名をサポートしないＯＳでも読み出すことが可能です。


Romeo
スペースを含む１２８文字までの名前をつけたファイルを、 ＣＤに書き込むことが出来る規格です。 Joliet と異なり、ユニコードはサポートされません。 また、ＤＯＳファイル名の同時書き込みを行わないため、 ＯＳによっては、読み出し不可のファイルシステムとなります。 また、ファイル名が３１文字以下の場合、Macintosh OS で読み出すことが出来ます。


CD-RW (CD-ReWritable)　1996年
Orange Book PART3 で規定されました。 レーザーの熱で構成物質に、結晶と非結晶（アモルファス）を作り分けます。 結晶はレーザーを反射し、非結晶は拡散させます。 Rewritable の名前が示すように、1000 回程度の書き換え（或いは消去）が可能です。 また、レーザーの反射率が低いため、読み出しにＡＧＣ（Auto Gain Control） と呼ばれる増幅回路が必要となり、 対応していないドライブでは読み出しが行えません。 ＡＧＣに対応したドライブを「MultiRead」対応と呼びます。


相変化メディアの記録方法
相変化ディスクは、記録層の「相」を可逆的に変化させることで、 記録、書き換えを行うメディアです。 記録部分では、素材はアモルファス（非結晶）相であり、比較的反射率が低く、 逆に消去部や未記録部は結晶相であり、比較的反射率の高い状態となっています。 この二つの相の反射率の違いをグルーヴに沿って読み取ることで読み出しを行います。
記録部の形成には、比較的高パワーな記録ビームを適切な変調をかけて照射し、 記録材料を融点付近の高温まで昇温させ、その後急激に冷却させます。 すると、高温でのランダムな状態が凍結されアモルファス相となります。 また、消去部の形成には比較的低パワーの記録ビームを照射し、 結晶化転移温度まで昇温させ、その後徐々に冷却させます。 これによりアモルファス相は結晶相に変化します。

Blue Book Family

Mixed MODE CD
規格として定まっていませんが、 第１トラックにデータ（ＣＤ−ＲＯＭ或いはＣＤ−ＲＯＭ ＸＡ）、 第２トラック以降にオーディオが記録され、 シングルセッションで構成されたメディアを指します。 Combined Disc とも呼ばれます。


CD Extra　1995年
アップル、マイクロソフト、ソニー、フィリップス社が考案し、 ソニーとフィリップス社により、Blue Book で規定されました。 マルチセッションの構成中で、第１セッションがオーディオ、 第２セッション以降にデータ（ＣＤ−ＲＯＭ ＸＡ）が記録される規格です。 Blue Book が策定されるまでには、CD Plus、Enhanced Music CD とも呼ばれていました。

Scarlet Book Family

SACD (Super Audio CD)　1999年
ソニー、フィリップス社による規格で、今夏にも製品の市場投入が予定されています。 仕様書は Scarlet Book と呼ばれます。 ＳＡＣＤの主な特徴は、DSD (Direct Stream Digital： １bit の信号を 2.8224MHz の周波数で記録) 技術を用いた、 ＣＤＤＡの４倍の密度の信号記録層と、ＣＤＤＡと同じ記録層を持つ、 ２層構造のハイブリッド・ディスクであることです。 この２層構造により、ＣＤＤＡと互換性を持つ仕様が実現されています。 この点で、DVD-Audio と差別化が図られています。
高密度層には２チャンネルステレオのほか、 マルチチャンネルによるサラウンド音声も記録できます。 また、テキストやグラフィックス、ビデオクリップなどを記録することも可能で、 演奏時間はどちらの記録層も７４分と、ＣＤＤＡと同じです。