2024年4月29日发(作者：)
硬件世界
计算机与通信
1998年第2期
DVD
摘要
简介
○
虞非虞露
计算机软硬件技术的发展,对光盘存储容量和读取速度提出了更高的要求,DVD应运而生。本文首先介绍了
DVD的应用领域,然后阐述了DVD盘片的特性和结构、DVD的生产过程、编码技术及DVD播放机的结构,最后介绍了
DVD的优越性及今后的发展前途。
关键词DVD压缩编码存储容量交互性
准。DVD-Video采用MPEG2视频压缩标准,音频可采用
Dolb
y
Ac-3、MPEG2音频压缩或LPCM等多种方式,支持多
语种及其字幕。一张单面DVD-Video盘可容纳133分钟的
视频节目。一次可写DVD盘片(DVD-R)容量为单面
3.9GB,双面7.8GB。可擦写DVD盘片(DVD-RAM)容量为
单面2.6GB,双面5.2GB。
进入20世纪90年代以来,计算机软硬件及家庭娱乐业
的发展,对存储媒体提出的新要求,使得CD类产品有了用
武之地,并以惊人的发展速度在这两个领域占领了一席之
地。
尽管CD家族成员众多,且覆盖了许多领域,但其存储
容量还局限于650MB左右。近年来计算机软硬件技术进一
步发展,尤其是多媒体技术被广泛应用,对光盘存储容量和
读取速度提出了更高的要求。针对这种市场需求,高密度数
字光盘的构想应运而生,随着这一构想的逐步完善,作为这
种高密度数字光盘的代表,DVD以一种崭新的面貌出现在
广大用户面前。这种新的高密度光盘将GB级的容量带进了
PC的光盘存储系统中,并在多媒体视听领域发挥出越来越
重要的作用。DVD光盘,原来叫数字视频光盘(DigitalVideo
Disc),后来又被称为数字多用光盘(Di
g
italVersatileDisc)。后
一种说法更为合理,因为DVD不只用于存储视频信息,而且
具有更广泛的用途。
二、DVD盘片
表2列出了DVD与CD盘片物理特征的比较。
表2CD与DVD光盘物理特征比较
DVD
盘片直径
盘片厚度
开始记录直径
最大记录直径
120mm
0.6×2mm
46mm
116mm
4.7GB(单面单层)
8.5GB(单面双层)
9.4GB(双面单层)
17GB(双面双层)
0.74um
0.4um
635～650nm
0.60
4.0m/s(CLV)
1,2,4
CD
120mm
1.2mm
50mm
116mm
记录容量
信道间距
最小记录长度
激光波长
数值孔径
盘片旋转速度
层数
0.688GB
1.6um
0.83um
780nm
0.45
1.2m/s(CLV)
1
一、概况
和传统的CD家族一样,DVD也将应用于不同的领域,
如表1所列。
从表中可以看出,未来的DVD产品是一种全方位的光
盘产品。从音频到视频,从只读到可重写,均包含在DVD
中。DVD-ROM的盘片容量由CD的650MB提高到了
4.7GB,数据传输速率达到11.08MB/s,相当于9倍速CD-
ROM驱动器,这将成为今后评价DVD传输速率性能的新基
表1DVD产品种类
BookDBookE种类BookABookBBookC
DVD-DVD-DVD-
DVD-Write-OnceDVD-Rewritable
ROMVideoAudio
只读
用途计算机
视频
家电
音频
家电
一次写
计算机,家电
可重写
计算机,家电
图1单层和双层DVD盘片的构造
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(3)数字音频/视频解码器:它把DVD上的压缩数据进
行解压,转化为演播室质量的视频和CD质量的音频,输出
到电视和立体声音响系统。
(4)微控制器:这个装置用来控制播放机的操作,将用
户的输入转化为对音频/视频解码器和读装置的命令。
视频/音频解码器有1百万个晶体管,所以它是DVD播
放机中最复杂的组件之一。它有三个最基本的功能:
音频、视频信号的分离和同步;
解码视频信号,并转化成可在电视机上播出的格式;
解码音频信号,转化并放大成可在家用音响系统中
播出的格式。
由于消费者在音乐CD和电脑CD-ROM光盘上投注了
大量的资金,因此DVD驱动器应该兼容旧式的CD光盘。最
简单的方法是在同一激光器中装两块聚焦透镜,一块适用于
盘基厚1.2mm的CD光盘,一块适用于盘基厚0.6mm的
DVD光盘,使用时根据需要由机械装置控制它们之间的转
换。另一种方法是,以一块中央嵌有激光全息元件的光学透
镜作为聚焦透镜,当照射到透镜上的部分激光束(其能量约
占激光能量的三分之二)穿过激光全息元件周围的环状透镜
区域时,它们没有受到激光全息元件的影响,被聚焦于一点,
其能量完全可以满足读取DVD光盘的需要。与此同时携带
另外的三分之一能量的激光穿过了透镜中的激光全息元件,
它们的聚焦同时受到透镜和激光全息元件的作用,因此焦点
的位置也就与前者不同,恰好适用于读取较厚的CD光盘。
五、DVD的优越性
DVD为家庭级的影视创建了一个标准,它的图像质量
接近于CCIR-601TV标准。DVD影视的记录格式是采用数
字分量记录的。所谓数字分量格式是指亮度信号Y,蓝色差
信号Cb和红色差信号Cr是分开存储的。DVD使用4:2:0分
量数字图像格式,就是在水平和垂直方向上每两个像素取一
个蓝色差和一个红色差像素值。
DVD提供5个完全独立的通道声音:前面的左、中、右
通道和后场的左右两个环绕声,再加上一个低频音效的加强
通道,从而形成5.1通道的数字环绕声。
用DVD播放电影,除了图像清晰、色彩逼真,具有剧院
质量的音效外,还具有以下一些特点:
宽屏幕格式:DVD是设计用来在今天的增强清晰度
电视机(EDTV)上播放宽屏幕电影的,这种电视机具有16:9
的幅型比。16:9的广播节目在日本和欧洲很普遍,而在美国
却很少见。当然,观众可以自由地选择是以标准电视的4:3
还是以更类似影院宽银幕效果的16:9来观看电影。
交互性:与录像带不同,DVD是一种随机存储介质。
正是因为这种随机存储的特性使得DVD有一系列有趣的应
用:比如一部电影有多个不同的结局,可以让观众来选择;可
以存储交互式的游戏;可以从不同的角度记录同一件事。比
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如从新闻记者席,从球门等不同的角度记录一场足球赛,
DVD的观众可以根据自己的喜好,选择角度来进行观看,并
且像电视导演一样在各种不同的角度之间进行无痕迹地切
换、暂停、回放、慢放等操作。
家长可控:正是因为这种交互性,使得家长可以对一
部电影中儿童不宜的片段通过口令进行加锁。这种应用演
变成为在一张DVD上可以存储一本电影的不同版本。比如
说R级和PG-13级。
多语种和字幕:DVD可以存储多条音轨,每条音轨都
是多声道的。这种格式使一本电影可以有8种语言及32种
字幕。这也为聋哑人提供了方便。
每看一次收费:DVD更容易控制收费。录像带和光盘
的问题在于它们不能控制谁在看及看了多少次。而DVD上
的数据可以被加密或加扰,使得电影的发行商可以控制它的
收视。比如,一个消费者用少量的钱(比如低于10美元)买了
一张DVD。他的DVD播放机由一个调制解调器联到电话线
上,每当他播放这张DVD时,DVD播放机就通过电话线与电
影发行商取得联系,从消费者的帐号上再扣去2美元。除此
之外,也可以把其它的数字信号与电影一起存放在DVD盘
上,比如一个与电影内容有关的游戏,这个游戏也是加密的,
消费者如果要进行游戏,必须先打电话与发行商联系,告诉
他您的信用卡号,然后从他那儿得到一个密码。
防拷贝:因为DVD的视频质量非常高,所以电影发
行商担心伪造人会将DVD作为样版,制造录像带或用计算
机拷贝到另一张光盘上。然而DVD在制作过程中,通过对电
影加密或加扰,播放过程中用DVD播放机的解密电路进行
解密,这样就杜绝了拷贝。
六、DVD的发展
现在,DVD播放机已经在国内上市,DVD-ROM驱动器
也将在近期与广大消费者见面。目前,尽管DVD播放机和
DVD盘片价格不菲,但由于DVD在容量、读取速度等方面的
优越性吸引着广大消费者,它将会有美好的发展前景。根据
ODME的预测,DVD-ROM驱动器和DVD播放机销售量将
从1997年开始呈逐渐上升的趋势,其增长势头将越来越
猛。预计到2000年DVD-ROM驱动器销售量将达到2000万
台,盘片销售量将达到4亿张。因此DVD的前景将是十分广
阔的。
到下个世纪,随着半导体激光器技术的发展,可靠程度
更高,波长更短的绿色、蓝色激光器的研制成功,将会有一种
更高容量的HD-DVD产生,它将有可能使光盘的数据存储
密度再增加一倍。让我们设想一下,或许在未来的某一天,
由当初最基本的DVD技术演化而来的那一张小小的光盘能
为我们提拱高达50GB或更多的存储容量,这就是说用一张
DVD光盘就差不多可以记录下一个小型图书馆中全部藏书
的内容了,这必将给光盘市场带来更美好的明天。
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DVD与CD在盘片的外观上很类似。它们直径相同,厚
度也相同,但CD盘片盘基厚度为1.2mm,而DVD是由两片
0.6mm厚的衬底粘合而成的。DVD盘片有单面单层、单面双
层、双面单层、双面双层四种。单面单层盘片只有一个反射
层,反射率>70%。单面双层盘片下层材料采用了3M公司
半反射技术,反射率为25%～35%,上层为全反射层,反射
率>70%,如图1所示。双面盘片是将两个单面盘片背靠背
粘在一起,它需要从盘片两面读出信息。
DVD与CD一样,用激光打出的小坑将数据记录在圆形
轨道上,播放机或DVD驱动器通过激光来读取数据。DVD盘
片的信道间距和最小记录长度比CD盘减少了许多(见图
2),这主要是由于缩短了DVD播放机中半导体激光器的波
长并加大了聚焦透镜的数值孔径,使得读出光斑比CD减少
了许多,因此允许记录斑减小造成的。由于这些改进,使得
DVD盘片容量比CD提高了许多。这样大的容量(4.7～
17GB)可用来存储9小时演播室质量的视频、多通道环绕
声、高度交互的多媒体计算机程序或30小时CD质量的音
频等。133分钟的电影正好放在一张单面单层的DVD上,因
而单面单层的DVD将会应用得最为普遍。
DVD信号的调制方式和纠错方式也做了相应的修正以
适应高密度的需要。CD存储器采用8～16(EMF)的调制方
式,而DVD则采用效率比较高的8～16+(EMFPLUS)的方
式,这是为了能够和现在的CD盘兼容,也为了和将来的可
重写的光盘兼容而采用的方式。CD存储器采用的纠错系统
是CIRC(Cross-InterleavedRead-SolomonCode),而DVD采
用RS-PC(ReedSolomonProductCode)系统,比CIRC更可
靠。
DVD-R(DVD-Recordable)为一次性写入盘。记录层采
用稳定化金属氰兰染料。当几毫瓦的激光束聚焦到染料层
上时,染料层被烧成气泡和斑痕。它与原染料层的反射率就
不相同,因而可用来记录“1”和“0”两种数字信号。烧成以后
就不可恢复,因此只能用于一次性写入,但写好后可以反复
读取。DVD-RAM的记录层采用了相变材料,这种材料的特
点是在固态时可以有两种存在状态:非晶态和晶态。具体处
于哪种状态取决于这些材料从熔化状态到冷却成固态时的
频;
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速度。相变材料迅速冷却时,液体时的非晶态就被固定下
来;如果冷却速度较慢,这种材料就会呈晶体的状态。相变
材料在晶态和非晶态时由于反射光线的能力不同,就可用来
表示“1”、“0”两种数字信号。
三、DVD生产系统
在电影从胶片转录到录像带之后,必须按一定的规则进
行格式化,才能存放到DVD上,这个生产过程包括:
(1)扫描录像带,在场景变换处插入记号(以便以后进
行变码率压缩),在有异议的或儿童不宜的场景处加上标记
(以便以后进行加锁);
(2)用变码率编码的方式以MPEG-2为标准压缩视
(3)压缩音频,转为DolbyAc3环绕声格式;
(4)视频、音频信号复接为一个数据流;
(5)制作一张母盘,以它为模板,复制其它的DVD盘。
数字视频在原始状态时非常庞大,一部电影在没有压缩
的情况下需要40张容量为4.7GB的DVD盘。然而,数字视
频有许多冗余,许多元素是相同或相近的,这些元素可被去
除,这个过程即称为压缩编码。在不明显影响图像质量的情
况下,可压缩近97%的数据量。DVD采用MPEG-2数字视
频编码标准,MPEG-2就是通过消除冗余来压缩编码的。
将一部长达133分钟的电影存放到4.7GB的DVD中而
又要保证高质量的图像,必须采用变码率编码技术。因为一
张复杂的照片(如一棵枝繁叶茂的树)与一张简单的照片(如
无云的天空)相比,含有较少的冗余,DVD编码器就用较多
的数据来代表复杂的场景而用较少的数据来代表简单的场
景。在DVD中平均视频数据传输率为3.7Mb/s。
编码是一门复杂的科学。C-Cube公司的MPEG-2编
码器包含14个并行的视频微处理器,以消除数字视频信号
的冗余。每个处理器有120万个晶体管,每秒执行25亿次运
算,也就是说编码器每秒进行350亿次运算。编码也是一门
艺术,C-Cube公司的视频编码算法仔细分析了视频的模
式,然后决定在保证图像质量的前提下,删除哪些数据。
四、DVD播放机
DVD的播放机有下面几个主要的组
成部分:
(1)读装置:读装置由马达和激光器
构成。马达用来旋转盘片,激光器产生的
激光用来读取盘片上的信息。CD的激光
采用了红外光,而DVD则采用了波长更
短的红光。
(2)数字信号处理器:它把反射回来
的激光信号转化为“”0和“1”的数字信号,
并被解码器部分所利用。
图2CD和DVD的特征尺寸
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