A NEW SYSTEM TO INCREASE THE LIFE EXPECTANCY OF OPTICAL DISCS. PERFORMANCE ASSESSMENT WITH A DEDICATED EXPERIMENTAL SETUP.

The past decade has witnessed an exponential growth in the use of digital supports for big data archiving. However, the expected lifespan of these supports is inadequate with respect to the actual needs of heritage institutions. Stemming from the issues raised by UNESCO [1, 2], we address the problem of alleviating the effects of aging on optical discs. To achieve this purpose, we propose a novel logical approach that is able to conteract the physical and chemical degradation of different types of optical discs, increasing their life expectancy. In other words, the objectives of this thesis are the design and the implementation of a new intelligent strategy aimed at increasing the life expectancy of optical discs. An experimental setup has been developed in order to investigate the physical and chemical degradation processes of discs, by means of accelerated aging tests that simulated the operational disc-use conditions. Critical areas are identified where disc degradation is statistically faster than average, while in safe areas the degradation is relatively slow. To collect the needed data, two experimental devices have been built. The first is a climatic chamber, which is able to induce artificial disc aging. The second is a robotic device, which is able to detect the amount of errors in each data block prior to the “Reed Solomon” error correction stage (before and after the accelerate aging stage, without dust and in an environment with controlled temperature and humidity). The analysis of the data allows to identify the aforementioned physical areas where data blocks have a number of errors that approaches or exceeds the data correction capability of the standard Reed Solomon code. The results of these analyses have led to develop an “Adaptive Reed Solomon Code” (A-RS code) that allows to protect the information stored within the critical areas. The A-RS code uses a redistribution algorithm that is applied to parity symbols. It is calculated from the fitting of the experimental errors obtained through the “degradation function”. The redistribution algorithm shifts a certain number of parity symbols from Data Blocks in safe areas to Data Blocks in critical areas. Interestingly, these processes do not diminish the memory capability of Digital Versatile discs (DVDs) and of Blu-Ray discs (BDs). This strategy therefore avoids the early dismission of optical discs, due to possible losses of even minimal parts of the recorded information.

Negli ultimi decenni si è registrata una crescita esponenziale per quel che riguarda l'uso di supporti digitali per l’archiviazione dei dati informativi. Tuttavia, l’aspettativa di vita di questi supporti è inadeguata rispetto alle necessità delle istituzioni che si occupano di archiviare e preservare, ad esempio, il patrimonio artistico, storico, e culturale. Sulla base di questa problematica, più volte sollevata dall’UNESCO [1,35], proponiamo un approccio innovativo che la degradazione chimico-fisica dei dischi ottici in modo da aumentarne l’aspettativa di vita. Gli obiettivi di questa tesi sono quindi la progettazione e la messa in atto di una nuova strategia intelligente, volta ad aumentare l'aspettativa di vita dei dischi ottici. Diversi apparati sperimentali sono stati sviluppati al fine di studiare i meccanismi della degradazione chimico-fisica dei dischi tramite test di invecchiamento accelerato che simulano le condizioni operative di utilizzo del disco. Nei dischi sono state identificate aree critiche, nelle quali la degradazione cresce statisticamente più velocemente della media, e delle aree sicure, dove la degradazione cresce invece più lentamente. Due apparati sperimentali sono stati costruiti. Il primo è una camera climatica in grado di indurre invecchiamento artificiale sui dischi. Il secondo è un sistema robotico in grado di rilevare la quantità di errori in ogni blocco di dati, prima della fase di correzione degli errori effettuata dal codice "Reed Solomon" (prima e dopo la fase di invecchiamento artificiale, senza polveri, e in un ambiente con controllo di temperatura e umidità). L'analisi dei dati così raccolti ha permesso di identificare le già citate aree fisiche in cui i blocchi di dati hanno un numero di errori che si avvicina o addirittura supera la capacità di correzione dei dati propria del codice Reed Solomon standard. I risultati di queste analisi hanno portato allo sviluppo di un "Codice Reed Solomon Adattivo" (codice A-RS), che consente di proteggere le informazioni memorizzate all'interno delle aree critiche. Infatti, il codice A-RS utilizza un algoritmo di redistribuzione che viene applicato ai simboli di parità. La ridistribuzione della ridondanza è stata calcolata tramite una funzione di degrado, a sua volta ottenuta fittando gli errori rilevati nella fase sperimentale. L'algoritmo di redistribuzione sposta i simboli di parità dai blocchi di dati nelle aree sicure ai blocchi di dati nelle aree critiche. Inoltre, è interessante sottolineare come questo processo non diminuisca la capacità di memoria dei Digital Versatile Discs (DVDs) e dei Blu-ray Discs (BDs). Questa strategia consente quindi di evitare la dismissione anticipata dei dischi ottici, dovuta alle possibili perdite di dati.