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DVD光盘复制结构论述


DVD光盘复制结构论述

【摘要】:光盘复制:主要包括VCD/CDROM/CD光盘复制,DVD5/DVDROM光盘复制,随着社会的发展光盘复制方式在不断增多,VCD/CDROM/CD光盘复制和DVD5/DVDROM光盘复制目前主要以光盘面印刷,光盘刻录复制为最基本的方法,另外一种也是最基本的一种即光盘批量压制。这主要适合大批量光盘的生产与复制。

由模拟信号向数字信息转变的革命浪潮中,最显而易见的产物之一是那些迅速淹没我们这个世界的海量数据。
上个世纪最后十几年时间里,曾经无比辉煌的CD技术非常圆满的承担了过渡任务。这项由SONY和Philips联盟在1981年创造的光介质存储技术至今仍应用于包括音频、视频、数据等各个领域。但对于越来越庞大的“数字巨兽”来说,CD最多几百M的身材着实显得单薄了些,该由位更强壮的勇士来承担驯服工作,CD则脱离不了在抽屉里享受退休隐居生活的命运。
这次Pioneer走在了时代的前沿。PC用CD-ROM开始成为流行产品标准被大众接受的时候,Pioneer在1994年9月推出一种尺寸同CD-ROM相同,容量却要大出8倍的光介质存储格式。接着CD-ROM缔造者做出了迅速反应,3个月后SONY、Philips联盟发表MMCD(MultiMedia CD)格式,其容量为每单面3GB。另一方面,早已投入研发新一代光存储介质多时的Toshiba与Time Warner阵营, 亦于1995年1月发表SD(Super Disc)规格。
或许有些人还记得磁记录时代的VHS与Beta之争,SONY方面显然觉得如此的争执并不能为自己带来多大的利益,于是双方于1995年9月在IBM的调停协商之下,达成规格统一协定,并于1995年9月组成DVD Consortium。1997年4月DVD Consortium更名为DVD联盟,其成员共十家,包括七家日本厂商:Sony、Matsushita、Hitachi、Toshiba、Pioneer、JVC、Mitsubishi,两家欧洲厂商:Thomson(法国)、Philips(荷兰)和一家美国厂商Time Warner。


在标准确认之初,新的大容量光介质存储格式被命名为Digital Video Disc。其主要应用是提供相比LD(Laser Disc)更廉价,而容量全面超过CD-ROM的高质量视频存储解决方案。但随后的发展使得新格式的涵盖规模已超过当初设定的视频播映的范围,因此后来又有人提出了新的名称:Digital Versatile Disc,意即用途广泛的数字化储存光碟媒体,也就是目前我们所熟知的接替CD承担历史重任的下一代勇士:DVD。
1997年:全世界第一批DVD播放机正式面世,超过500套片同时推出。
1998年:全球第一批DVD-ROM以及驱动器正式在高端计算机上应用 。
2002年:大量的厂商推出各类家用、PC用DVD产品,DVD-ROM驱动器的价格几乎已经接近CD-ROM驱动器。
虽然目前厂商们对DVD格式(尤其是可擦写的DVD)仍有很多分歧,但最终受惠的始终是用户。除了运行速度更快,一般普通的 DVD可存放超过 4.7GB资料;有些更可达 17GB,足足是传统CD的30倍。虽然尺寸上和前辈没有两样,但是技术进步所造成差异是惊人的,究竟新的光存储技术包含了什么奥秘呢?

相对于CD-ROM标准650MB的存储容量,DVD-ROM光碟的存储容量可达到17GB。从表面上看,DVD与CD很接近。但实质上,两者之间有本质的差别。按单/双面与单/双层结构的各种组合,DVD可以分为:单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种物理结构。
CD(包括CD,VCD,CD-ROM等)厚度是1.2mm。而单层的DVD盘片是0.6mm,这样使得从盘片表面到存放信息的物理坑点的距离大大减少,读取信息的激光束不用再穿越像现在的CD-ROM那么厚的塑料体,而是在更小的区域聚焦,所以存放信息的物理坑点能做得更小,排布得更加紧密,从而提高了存储量。

不过这么高密度的盘片可不是一般的激光头能读的,读DVD盘片的激光波长要短一些,这样它每次能识别的坑点就更多,也不至于误认坑点内的信息。
CD的最小凹坑长度为0.834μm,道间距为1.6μm,采用波长为780-790nm的红外激光器读取数据,而DVD的最小凹坑长度仅为0.4μm,道间距为0.74μm,采用波长为635~650nm的红外激光器读取数据。
这种技术参数的差异导致的直接结果就是现有的CD-ROM驱动器是不能读DVD-ROM的,同时,为了让DVD-ROM驱动器和现在的CD-ROM兼容,DVD的光头也要特别的设计。另外,DVD采用的纠错方式也比较特殊,比以往的CD方式要强数十倍,即使损害较大的DVD-ROM也可以毫不费力读取内容。
根据不同的应用领域,目前DVD总共有5种规格,分别名为Book A B C D E,这些规格是由DVD Forum的10个会员所制定。这 10个会员分别是Hitachi、Panasonic、Mitsubishi、Philips、Pioneer、Sony、Thomson Multimedia、Time Warner、Toshiba、JVC。
Book A: DVD-ROM,高容量之 DVD唯读资料格式,制定了 DVD光碟储存资料的方法以及档案系统等。
Book B: DVD-Video,制定了影片在 DVD上的影音编码方式。这是现时 DVD的最普遍之用途,所以有人称 DVD为数码影音光碟 (Digital Video Disc)。
Book C: DVD-Audio,制定了储存高质素音效在 DVD上所采用之音乐储存格式。 DVD Audio可以高达 8声道,取样频率高达 96KHz,精确度达 24bit,以无失真之 Linear PCM格式录制之音效,比起现时 Audio CD之 2声道 (Stereo) 44.1KHz 16bit之规格,简直是天壤之别。除 Linear PCM之外, DVD-Audio亦有机会用到 AC-3(Audio Code Number 3,即 Dolby Digital), DTS(Digital Theater System) SDDS(Sony Dynamic Digital Sound)等格式。
Book D: DVD-R,一次性可录 (write-once)之 DVD格式。
Book E: DVD-RAM,可无限次读写的 DVD格式,提供了每面 2.6GB的容量。由於 DVD-RAM不是以「圆碟」的形式存在,所以对现在的 DVD-ROM驱动器 (DVD-ROM Drive)不兼容,有鉴於此,一些厂商便「另起炉灶」,制定一些名为 DVD-RW DVD-R/W等制式之 DVD无限次读写之规格。

DVD与CD的主要技术参数比较

技术手段 CD/VCD DVD
镜数值孔径na 0.45 0.6
影像质量 240线 540-720线
影音质量 16比特 24比特,96k hz
纠错编码冗余度 31% 15.4%
通道码调制方式 8/17调制 8/16调制
激光波长λ 780nm 650nm/635nm
光斑直径 1.74μm 1.08μm
道间距 1.6μm 0.74μm
凹坑最小长度 0.83μm 0.4μm
凹坑宽度 0.6μm 0.4μm
容量 650mb 4.7gb(单层单面)


另外按照容量又可以分成4种:
DVD-5(D5):这个格式是指单面单层之 DVD碟,涂料为银色 (采用之物料为铝, Aluminium),总容量达 4.7GB,略多於两小时之 DVD-Video播放长度。
DVD-9(D9):这个格式是指单面双层之 DVD碟,利用轨与轨之间的空间来阅读第二层的资料。由於第一层之涂料为半透明 (因为要方便激光可穿越其涂层来读取第二层的资料 ),金色 (采用之物料为金, Gold),而第二层之涂料为银色,所以双层 DVD的颜色呈现金色。总容量达 8.5GB,大约为四小时之 DVD Video播放长度。
DVD-10(D10):这个格式是指双面单层之 DVD碟,是由两边,每边各厚 0.6mm的单层 DVD组成,总容量达 9.4GB,大约为四个半小时之 DVD Video播放长度。
DVD-18(D18):这个格式是指双面双层之 DVD碟,总容量达 17GB,约八小时之 DVD Video播放长度。

由内而外的超越:激光读取技术

目前的DVD-ROM驱动器有单激光头和双激光头两种。
单激光头的DVD-ROM驱动器又可分为单头单眼,如Panasonic(松下)的DVD-ROM驱动器;单头双波长,如Pioneer(先锋)的DVD-ROM驱动器;单头双眼,如Toshiba(东芝)的DVD-ROM驱动器。双激光头如Sony(索尼)的DVD-ROM驱动器。
单头单眼的DVD-ROM驱动器,采用单激光头单聚焦镜双聚焦点方案,用特别的全息综合透镜,通过透镜中间部分的激光束形成CD驱动器的聚焦点;再通过透镜边缘部分的激光束形成DVD驱动器的聚焦点,这使得激光头内部结构十分复杂。这种工作方式虽然降低了读盘精度,但同时也降低了成本(因为生产单头产品要比生产多头产品的成本低),而且没有机械传动,机械故障少,认盘速度也能得到提高。
单头双波长的DVD-ROM驱动器,采用单激光头双波长激光束系统,用同一个激光头读取DVD和CD光盘信号,也就是在一个激光头内安装两个不同的激光发生器。其原理是使用一组聚焦镜所产生的650nm和780nm波长的激光信号,来分别读取不同的DVD、CD光盘信号,在保持单头单眼方案原有优势的基础上更加提高了读盘性能和认盘速度。
另外,还有采用一个激光头两组聚焦镜的单头双眼DVD-ROM驱动器,通过转换不同的聚焦镜来分别读取DVD和CD光盘,它的外形看起来与双头的DVD-ROM驱动器相似(因为我们只能看到两组聚焦镜,激光头在内部看不见)。它读取信号的质量较高,但由于要转换聚焦镜,所以认盘速度相对较慢。
双激光头的DVD-ROM驱动器则采用两个完全独立的激光头分别读取DVD和CD光盘,拥有两套完全独立的聚焦镜。由于双激光头的DVD-ROM驱动器伺服机构读盘时有一个切换过程,读盘时间比起单激光头要长,这种驱动器往往价格也较高。

由内而外的超越:解码技术

为了有效的对抗极其猖獗的盗版活动,现在的DVD加密防拷技术主要分成“数码加密”和“类比加密”两部分。
数码加密(CSS)
DVD影片的数码加密主要是由 CSS(Content Scrambling System,数据干扰系统)来实现。所有存入DVD影片中的数据都要经过它来进行编码,而要播放这些影片中的数据必须先经过解码。
传统的VCD盘是把影音数据放在光盘的MPEGAV这个目录下,直接用VCD播放工具打开文件,就可以播放了。而DVD驱动器却不行,因为DVD影片数据现在被CSS保护,所以你在DVD影片里看到影像必须经过“解码授权”。
类比加密(APS)
DVD影片的另一个加密保护的重点就是防止您用录像机拷贝。在DVD影片内,有一个APS(Analog Protection System,类比信号保护系统),它主要是通过一块称作Macrovision 7的芯片,利用特殊信号影响录像机的录像功能。如果您是用电脑播放DVD影片,并希望把它接到电视上欣赏,但假如您的显卡没有APS Macrovision认证的话,您依旧无法在电视上享受DVD影片的优秀画面,只能被迫蹲在电脑前,望着那只有15英寸的显示器,虽然可以清晰一点,但总是让人觉得视野太少,当然您有21英寸的显示器例外。

由内而外的超越:视频/音频标准

容量爆增的好处之一就是能够带来画质的飞跃。DVD-ROM驱动器采用国际通用的活动图像压缩标准MPEG-2(ISO/IEC13818),其系统码流传输数据的速率是可变的(1Mbps~10.7Mbps)。现阶段DVD-Video产品选用MPEG-2的11种规范中的主型主级规范,即NTSC制式电视720像素/行×576行/帧,30帧/秒;PAL制式电视720像素/行×488行/帧,25帧/秒,数据传输速率最大为15Mbps,达到了广播级电视图像质量的标准(其水平分辨率为500线以上)。要实现更高清晰度的画质,还可选用MPEG-2中对应的高级规范。
DVD-ROM驱动器的系统码流由主视频码流(MPEG-2/MPEG-1压缩码流)、子图像码流(最多可录放32个码流,用于32种文字电影对白和卡拉OK字幕显示)和音频码流(最多可录放8个码流,支持8种语言的音频)等3部分组成。整个系统码流的最大数据传输速率可达10.08Mbps。DVD-ROM驱动器还具有多结局(欣赏不同的多种故事情节发展)、多角度(从9个角度观看图像)、变焦(Zoom)和父母控制(去掉儿童不宜观看的画面)等新功能。画面的长宽比有3种方式可选择:全景扫描、4:3普通屏幕和16:9宽屏幕方式。
音响效果优秀。DVD驱动器具有8(7.1)个独立的音频码流,足以实现数字环绕三维高保真音响效果。DVD驱动器标准规定:对于NTSC制式(例如美国、日本地区)强制规定采用杜比AC-3“与/或线性PCM音频系统”;对于PAL电视制式(例如欧洲和中国)强制规定采用MPEG音频格式“与/或线性PCM音频系统”。其中,1992年美国杜比实验室发布的AC-3数字环绕立体声系统,能以6个完全独立的声道(左、右、中、左环绕、右环绕和超重低音,简称为5.1声道)和全频带高精度*真声场工作,产生非常好的临场数字环绕高保真音响效果。

由内而外的超越:区码限制

基本上,当某DVD影片决定不推出第六区的版本时,我们需要另外购买一套能够播放非六地区DVD片的设备,因而有买得起DVD播放机买不起DVD光盘的说法;所以才会有破解版的DVD播放设备,而DVD光盘套件也有提供数次的区域码更改机会。不过要提醒朋友们的是,只有美国八大电影公司出版的DVD影片才有这样的限制,而非DVD原始规格的规定,也就是说,非美国八大电影公司出版的DVD影片都没有区域限制,一般称为自由区域码(FreeRegionCode)或称全区片。
美国八大电影公司:
1、华纳(WarnerBros")2、哥伦比亚(Colombia)
3、20世纪福斯(20thCenturyFOX)
4、派拉蒙(Paramount)
5、环球(Universal)
6、UA(UnitedArtist)(007)
7、MGM(MetroDogwynMayer)
8、华德迪斯尼(WaltDisney)
DVD规格的制定仍要回溯到1994年的12月。两种不同标准的存储格式阵营互不相让,美国的电影业者和电脑业者于是极力敦促双方协议统一规格。1995年12月终于确定所谓DVD的初步规格,并组成了“DVD十大授权联盟厂商”,主导未来DVD的各项规格制定。规格虽然确立,但美国的消费电子制造商协会CEMA,和握有最多影像资源的美国电影协会MPAA,却在此时强力要求日本的DVD Player制造厂商加装“防止拷贝管制系统”,而光盘片上则要编注不同的“区域码”以资辨识。
美国电影协会旨在保护业者的软件不受盗版的伤害,然而不法业者其实仍然可进行整盘的拷贝。加装“防止拷贝管制系统”的电路非但没有达到防拷的意图,反而增加了硬件制造商的成本,甚至增加了软件设计的复杂程度。
至于区域码辨识则是将全球分为6大地区,每个地区所发行的DVD-Video只能以当地制造的光盘机来播放。美国电影协会坚持使用区域码辨识,主要是因为每部电影在世界各地上映时间不同,为避免电影未上演,DVD-Video却先行上市的利益损失,遂以区域码加以控制,让一地区的电影上映后,已加码的DVD再推出。为了顾及业者的权益,美国电影协会相当强势,但最新的决议却是让北美、日本和西欧地区的光盘机享有不受区域码的限制。

域码的设定分别是 :
1:美国 加拿大及美国本土
2:日本 欧洲 南非和中东(包括埃及)
3:东南亚(包括香港)
4:澳洲 新西兰 太平洋群岛 中美洲 墨西哥 南美洲
5:欧洲 俄罗斯 印度 北韩 蒙古
6:中国
7:暂时留空
8:指定特别地区(如航机上)

发展仍在继续:容量和创造力

大致上,近期的发展目标会是读取速度更快的HD-DVD驱动器。Zenith Electronics公司展示的新一代DVD-ROM驱动器样机采用波长为405nm的蓝紫色半导体激光器为光源,光盘的尺寸虽与现行DVD光盘相同,但其单面的记录容量则达到了18GB。采用该套系统可以实现HDTV高清晰度影像的存储。覆盖上记录膜后的光盘厚度为0.3mm,约比现行DVD光盘薄一半,且记录通道的间距为0.35μm,记录坑道长为0.22μm。
显然获得高质量的影音内容已经让人十分高兴。现在再来看一下目前,和不远的将来会有些什么更振奋人心的东西?APPLE在今年年初发表了配置DVD-ROM RW驱动器的高端笔记本计算机,如果说DVD以影视娱乐应用作为漂亮的开场白,那么灵活掌握那些可观的存储能力将是人们下一步所应该期待的。
但是人类的丰富的创造能力并不会让新技术骄傲太长时间。可能目前我们需要为怎样塞满那几十GB的移动空间思考上那么一会,而明年这个时候或许就会有4张DVD装的游戏,或者软件摆上商店的货架。就象一些传统的游戏里设定的那样:不断有更强的战士出现,而那是为了对付越来越厉害的怪物。


2008-1-10

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