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全面了解DVD

  一、什么是DVD
  DVD的英文全名是Digital Video Disk,即数字视频光盘或数字影盘,它利用 MPEG2的压缩技术来储存影像。也有人称DVD是Digital Versatile Disk,是数字多用途的光盘,它集计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体,其目的是满足人们对大存储容量、高性能的存储媒体的需求。DVD光盘不仅已在音/视频领域内得到了广泛应用,而且将会带动出版、广播、通信、WWW等行业的发展。它的用途非常广泛,这一点可以从它设定的五种规格中看出来:
  DVD-ROM——电脑软件只读光盘,用途类似CD-ROM;
  DVD-Video——家用的影音光盘,用途类似LD或Video CD;
  DVD-Audio——音乐盘片,用途类似音乐CD;
  DVD-R(或称 DVD-Write-Once)——限写一次的DVD,用途类似CD-R;
  DVD-RAM(或称 DVD-Rewritable)——可多次读写的光盘,用途类似MO。
  从下面几个方面,我们可以看出DVD优于CD、VCD:
  1、大容量和快速读取∶大多DVD与一般CD的大小相同,直径约12公分(也有8公分的),由二个厚度各为0.6mm的基质层粘贴而成,采用多面多层的技术,即每一面光盘可以储存双层信息,一张光盘最多可有四面的储存空间,DVD 利用聚焦更集中的红光镭射提高了每单位面积的储存密度,因此可说其储存空间是空前的大,(表一)将各种不同储存形式的储存容量和适用规格做了整理。此外,利用较短波长的镭射和较密集的信息坑制作,可以使单层 DVD的最大读取率达11.08 Mbit/sec,相当于八倍速的光盘机。
  2、高分辨率的视频:采用MPEG2标准影像压缩技术的DVD,其分辨率可达720×480,远超过VCD的352×240。MPEG2具有可弹性调整视频读取率的能力,因此可以在保有原画面品质的情况下,大量节省信息的储存空间。此外,DVD player内建的 Letterbox和Pan and Scan的显示模式还可调整16:9或4:3电视的画面宽高比例。
  3、高传真的音质∶DVD 可利用更精确的取样精度转换类比信息,并且将传统的二声道扩充至5.1声道,让人们真正进入多声道的世界。
   

物理格式 120mm光盘存储容量(GB) 80mm光盘存储容量(GB)
DVD-ROM
DVD-Video
单面单层
单面双层
双面单层 
双面双层
4.7 
8.5 
9.7
17
1.4
2.6
3.9
5.3
DVD-R
DVD-RAM
单面双层
双面双层 
单面双层 
双面双层
3.9
7.8
2.6
5.2
1.2
2.4
0.7
1.4

  
  二、DVD的主要特点
  DVD具有高密度、高画质、高音质、高兼容性和高可靠性等特点。
  高密度:DVD盘与CD光盘直径均为120mm,但CD光盘的容量为680MB,仅能存放74分钟VHS质量的动态视频图像,而单面单层DVD记录层具有4.7GB容量,若以接近于广播级电视图像质量需要的平均数据率4.69Mbps播放,能够存放133分20秒的整部电影。双面双层光盘的容量高达17GB,可以容纳4部电影于单张光盘上。这就要求在DVD中采用更先进的技术手段来提高信息记录密度,从而增加盘的容量。下表列出了为提高光盘记录密度所采用的几项技术手段。
  表二:
  

技术手段

CD/VCD

DVD

镜数值孔径NA

0.45

0.6

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


  
  高画质:DVD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率是可变的(1~10.7Mbps);现阶段DVD-Video产品选用MPEG-2的11种规范中的主型主级规范MP@ML(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),达到广播级电视图像质量(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)和声频码流(最多可录放8个码流,支持8种语言声音)等3部分组成。整个系统码流的最大数据速率可达10.08Mbps。DVD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(切去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。
  表三:
  

-

PCM

杜比AC-3

Audio

采样频率

48KHz/96KHz

48KHz

48KHz

采样精度

16/20/24bit

压缩数据

压缩数据

数据速率

768Kbps~2.304Mbps

最小32Kbps
最448Kbps

主码流:最小64Kbps
最大384Kbps

一个音频码流中的通道数

1

5.1

7.1

最大音频码流数

2~8

最大8

最大8


  高音质:DVD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标准规定:对于NTSC电视制式(例如美国、日本地区)强制规定采用杜比AC-3和/或线性PCM音频系统;对于PAL电视制式(例如欧洲和中国地区)强制规定采用MPEG音频格式和/或线性PCM音频系统。表三给出3种音频系统的技术参数。1992年美国杜比实验室发布了AC-3数字环绕立体声系统,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(~20KHz)高精度逼真声场,产生非常好的临场数字环绕高保真音响效果。
  高兼容性:DVD视盘机、DVD唱机和DVD-ROM/R/RAM均可播放CD唱盘;DVD视盘机和DVD-ROM/R/RAM均能回放VCD盘;DVD-ROM/R/RAM也可读取CD-ROM盘。
  高可靠性:DVD采用RS-PC(Reed Solomon Product Code)纠错编码方式和8/16信号调制方式,确保数据读取可靠。纠错码(ECC)块长为16个记录扇区长度(38688个字节),对应光道上82.5344mm长度;若原始误码率为10-3,经纠错后,误码率可小于10-20,远远低于计算机所需的误码率10-12。为了有效地防止软件被复制,在美国活动图像协会(Motion Picture Association of America)的积极参预下,于1996年7月同东芝、索尼等12家家电与计算机公司就DVD软件版权与防盗版问题达成一致协议。1996年10月,由各方组成的DVD技术联合会公布了DVD软件和硬件采用的乱码技术以及按6大地区区域码分区发行软件的措施,实现了软件著作权保护与可靠使用。
  
  三、DVD盘的物理结构
  
  从表面上看,DVD盘与CD/VCD盘很相似。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-ROM能容纳650MB的用户数据,而单面单层DVD盘的容量为4.7GB(约为CD-ROM容量的7倍),双面双层DVD盘的容量则高达17GB(约为CD-ROM容量的26倍)。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。
  单面DVD盘可能有一个或两个记录层。与CD一样,激光器从盘的下面读取单面盘上的数据,双面DVD盘上的数据分别存放在盘的上下两面。
  有两种方法读取双面盘上的数据:
  (1) 在播放完盘上第一面的节目后,将盘从播放机中取出,翻面后再放入播放机中继续播放第二面上的节目;
  (2) 在播放机中装两个读激光器,分别从盘的上下两面读取数据,或者在播放机中只装一个读激光器,但在读完盘的第一面后可以自动地跳到盘的另一面继续播放。
  如果采取后一种方案,则读完盘的第一面后不需要将盘取出翻面。
  双层盘实际上是将两层盘迭加在一起,下层是一半反射层,透过它可以读取上层的数据。读下层盘时总是从内圈开始,并从里往外读取,读完下层后再读上层。读取上层盘有两种方法:
  (一)逆光道路径OTP (Opposite Track Path)法,即读上层盘时从外圈开始,并从外向里移动;
  (二)顺光道路径PTP (Parallel Track Path)法,即读上层盘时从内圈开始,并从里向外移动。读激光器在读上下层盘上的数据时,其光学焦点会改变。
  无论是单层盘还是双层盘都由两片基底组成,每片基底的厚度均为0.6mm,因此DVD盘的厚度为1.2mm。对于单面盘而言,只有下层基底包含数据,上层基底没有数据;而双面盘的上下两层基底上均有数据。
  
  四、DVD盘数据的组织方式
  与CD/VCD盘相似,每一层DVD盘上的数据均分为导入区(Lead-in Area)、数据区(Program Area)和导出区(Lead-out Area)三个区域。对双层OTP盘而言,还有一个中间区(Middle Area)。
  DVD盘上的数据是按扇区(Sector)形式组织的。每个扇区由1024位数据组成,扇区之间没有间隙,并按如下方式连续地存放在盘上:
  (1)对于单层盘,从导入区的开始处到导出区的结束处;
  (2)对于双层盘的第0层,从导入区的开始处到中间区的结束处;
  (3)对于双层盘的第1层,从中间区的开始处到导出区的结束处。
  对于采用OTP方式的双层盘,第1层中间区开始处的扇区号由第0层数据区的最后一个扇区号按位取反而得到,此后的扇区号就连续增加直至第1层导出区的结束处。
  有时称扇区为“数据扇区”、“记录扇区”或“物理扇区”,这主要取决于记录在盘上之前信号处理的状态。一个数据扇区由2048字节的主数据、12字节的标识和其它数据以及4个字节检错码组成。一个记录扇区是在编码纠错码后产生,并由一个数据扇区再加上外码奇偶校验OCP和内码奇偶校验ICP组成。物理扇区由一个扇区按8/16转换调制后得到,它就是记录在盘上的真实扇区。
  导入区、数据区、导出区和中间区所含的扇区数是可变的,主要取决于程序内容的长度。一般来说,数据区的第1个扇区号总是指定为196608号(030000H)。
  导入区由参考码和控制数据组成。其中的参考码由32个扇区长的2个纠错块组成。控制数据由192个纠错块组成,主要包括盘的物理格式信息、盘的制造信息和节目提供者信息。
  数据区的数据是用户数据。中间区的所有主数据均置为0。导出区的所有主数据也均置为0。
  
  五、DVD盘的逻辑结构
  一张DVD盘总是包含一个逻辑卷。对于多层DVD盘,卷被分成与层数相对应的分区。一个逻辑卷里的基本逻辑单元是一个逻辑扇区,它包含2048个字节,与一个物理扇区相对应。
  一个卷主要包含卷及文件结构、DVD-Video区和非DVD-Video区(该区是可选的),视频文件放在DVD-Video区内,计算机数据放在非DVD-Video区内,这样就可在同一张DVD盘上存放影视节目和计算机游戏节目。
  
  六、DVD盘的数据结构
  DVD盘上有浏览数据(Navigation Data,即处理回放数据)和演播数据(Presentation Data,即音频、视频、子图等数据)两种数据结构。用户可以按照浏览数据中的控制信息,播放演播数据中的音频、视频和子图等数据。
  (一) 浏览数据的结构
  浏览数据主要控制如何回放演播数据,它由视频管理器信息(VMGI)、视频节目集信息(VTSI)、程序链信息(PGCI)、演播控制信息(PCI)和数据搜索信息(DSI)等5个部分组成。
  (二)播放数据
  播放数据由音频、视频和子图组成。它至少含有一个节目。一个节目至少包含一个程序链PGC。一个节目中的第一个程序链总是Entry PGC。在只有一个程序链的节目中,该程序链就是Entry PGC。
  一个程序链PGC由程序链信息PGCI和视频对象集VOBS中的单元组成。PGCI又由前命令(precommand)、后命令(postcommand)及单元(cell)组成的程序组成,这些单元指向VOBS中的单元,这样就定义了回放这些单元的顺序。
  
  七、关于DVD的6个区域码
  美国电影协会为制定区域码所划分的六个地区
  六区域码分别是:
  第一区(Region1):美国、加拿大、东太平洋岛屿
  第二区(Region2):日本、西欧、北欧、埃及、南非、中东
  第三区(Region3):台湾、香港、南韩、泰国、印尼等东南亚国家
  第四区(Region4):澳洲,纽西兰,中南美洲,南太平洋岛屿
  第五区(Region5):俄罗斯、蒙古、印度半岛、中亚、东欧、北韩、北非、西北亚一带等
  第六区(Region6):中国大陆
  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规格的制定要回溯到'94年的12月。话说 CD的创始者Philips和Sony在发表了利用精密编码技术和光学原理读取的单面双层光盘MMCD(Multimedia CD)规格之后不久,以 Toshiba和Time Warner为首,并结合了ioneer/Zenith/Hitachi和MCA等 21家厂商的加盟阵营,公布了利用贴合技术,使光盘可双层录制的SD(Super Density-Digital Video Disc)的规格。
  两派厂商互不相让,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。95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。
  
  八、DVD的激光头
  目前DVD播放机的光头的种类可以分为单激光器方式和双激光器方式两种, 而这两种的每一种又可细分为几种:
  1、单激光器方式。 只有一个激光发射器, 只能发射650nm的激光, 故无法兼容CD-R。
  具体又有以下几种方式:
  (1)双透镜方式,采用两个焦距不同的透镜, 分别用于DVD和CD系统, 透镜必须采用机械方式进行切换。
  (2)双焦点透镜方式,全息技术,在透镜上做环状切割。
  (3)快门方式(孔径控制方式) 。
  2、双激光器方式。 由于采用了两个激光器,能发射两种不同波长, 故能读取CD-R。
  有两种方式:
  (1)双激光头方式,备有两套激光器和透镜系统, 分别用于CD和DVD。
  (2)双激光器单光路方式,备有分别适用于DVD和CD的专用激光器, 光路和透镜系统则利用棱镜等实现公用。
  由于DVD与CD/VCD规格的差异,光源波长的不同,所以DVDROM无法读取CD/VCD,CD-ROM也无法读取DVD,但DVD要向下兼容,所以各家生产商有不一样的办法来兼顾CD/VCD。因为光源波长及盘片厚度不同,要正确读取盘片有三种办法:
  1、切换双镜头:为Toshiba的技术,分别准备 2个焦距不同的镜片切换,但是镭射发射及接收还是共用的,成本不高也不低。
  2、独立双镜头: 为sony的技术,独立的两组镜头,成本最高,技术层次较低,但是兼容性是最好的。
  3、双焦距单镜头:为Pioneer的技术,同一个镜头,同一组镭射接收发射器,也就是利用液晶快门的技术来达到控制焦距的目的,成本最低,技术层次最高,当然兼容性也比较不好。
  
  九、五种规格的DVD光盘驱动器
  (一)DVD-R与DVD-RW
  DVD-R为单写多读型,且与DVD-VIDEO,DVD-AUDIO,DVD-ROM兼容,最新的1.0规格容量是 3.95GB,可以DAO也可以分区段写入DVD-R。但需要高精密度的读写头,因为DVD-R的轨距只有0.8um,是CD-R的一半,最短信号坑仅0.293um,约是CD-R的1/3,目前第三代后的DVD-ROM都可读。DVD-R片子采用有机色素膜,所以看起来是紫色的,可被356NM波长的镭射光吸收。表四就是DVD-R与CD-R的比较:
   DVD-R CD-R
  读写特性 多读单写 多读单写
  镭射波长 写入:630~640nm 播放:630~660nm
   写入:775~795nm 播放:770~830nm
  功率 4~11nW 4~8nW
  轨距 0.8微米 1.6微米
  最短信息坑长 0.293 0.843
  调变方式 8-16 EFM
  基准线速度 3.84M/S 1.2M/S
  容量 3.95GB 0.682GB
  双面DVD-R的构造图二:
  (二)DVD-RAM
  DVD-RAM为多读写的DVD,可被DVDROM读取,第三代后的机种都可顺利读出。
  规格的差异主要为表五:
  DVD-RAM采用的ZCLV跟一般的CLV不太一样,是将片子像同心圆那样分成好几段,越靠近 内圈越慢,越靠近外圈越快,但是在每段内速度一样。
  而DVD-RAM是采用卡匣式的,但是为了兼顾相容性,共有3种卡匣,大小都是124.6mm*135.5mm*8mm。Type-1卡匣两面都一样,可以翻过来用,上面也有识别孔,让机器识别是单面还是双面的片子,因为不能取出,定位在高信赖度的储存装置,类似 MO;Type-2片子可以取出,只能装单面的片子,正反两面不一样,所以不能倒过来插,有识别孔,打开就可以把片子抽出去,没有把片子放进去的话就关不起来,以免机器误判;Type-3就是空匣子,方便应用,这两台的规格都几乎一样,都是SCSI-2的,都可以读DVD、DVD-R、CD、CD-R、CD-RW、读写DVD-RAM及PD的片子,都是DVD-ROM 2X、CD-ROM 20X,DVDRAM1.385KB/SEC采用切换变镜头机制,可垂直摆放。
  (三)DVD-Audio
  DVD-Audio采用的LPCM,就是未经压缩的原音重现,也是5.1声道,另外日本音响协会对CD下一代的超高音质提出了ADA(Advanced Digital Audio),针对100KHz的音域在非压缩情况下达到144db以上的动态响应范围,并在CD中做到80分钟的长度,但是音乐CD有120db,44.1KHz的能力,与自然音域相去不远,真的有必要做到那么高吗?主要的意义还是只是完整地保持原音吧。目前的DVD Audio可达到94KHz,24bit(LPCM)的超高音质,每秒流量约384Kbps,也可以采用AC-3、DTS这两种规格,但是DVD-Audio需要自己的机器,有些DVD PLAYER可以相容,PC上的话可能需要新的播放软件,或是解压缩卡。
  (四)DVD-Video
  这就是你我熟知的DVD电影,与现有CD/VCD相比,DVD-Video光盘除了具有更大的存储容量外,还增加了如下功能:
  (1)每一张盘上可放置多个节目(如可放置同一影片的不同版本);
  (2)多声轨(如可放置多种语言);
  (3)多种文字字幕;
  (4)父母锁定控制;
  (5)多角度观赏选择;
  (6)版权保护;
   DVD-ROM DVD-RAM
  单面容量 4.7GB 2.6GB
  基准线速度(CLV) 3.5M/S 6M/S
  数据传输速度 11.08Mbps 11.08Mbps
  基版厚度 2张0.6mm粘合 2张0.6mm粘合
  轨距 0.265nm 0.41nm
  最短录写标示长度 0.6nm 0.4nm
  旋转控制 CLV/CAV ZCLV
  错误管理功能 没有 有
  片匣 没有 单面可取出裸片,双面不可以
  档案系统 ISO9600/UDF UDF
  (7)提供4:3或16:9的高品质视频图像,并能配以多通道伴音。
  要实现这些功能,必须将所有数据按一定的格式存放在DVD盘上,DVD播放机才能读出这些数据,播放出高品质的画面和优美动听的音乐。影像采用MPEG-2压缩,音效可采用MPEG-2 Audio、DOLBY AC-3、LPCM及DTS,基本上是把NTSC讯号压缩至1/40左右,但是MPEG-2的压缩率是可变的,VCD速率固定在1.15Mbps,MPEG2平均3.5Mbps,最高约11Mbps,且VCD分辨率为324*240,18万像素,水平扫描240条,DVD 720*480,35万像素,水平扫描超过500条(LD也不过430条),而且还有多国字幕,AC-3、DTS这些东西,所以如果真的放满了8国语言32国字幕,再加上LPCM,又刚好是超大场面超动态的电影,那可能要双面双层才有点可能放得下,那133MIN是怎么算出来的呢?133MIN就是MPEG-2 3.5Mbps+AC-3 5.1CH 384Kbps*3+字幕10Kbps*4=0.59M/S除以单面单层4.7G,大约就是133MIN了。
  DTS是第三代后才加入的,也是5.1CH,差别在于DTS压缩的比例比较小,所以一些细微的地方DTS听到,AC-3听不到,但是信息流量也相对比较大,THX是在杜比数位或杜比环绕音效加上后续处理,让他的定位感更明确,通过THX认证及代表具有相当的音效水准。

 




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