全面了解DVD技术

孔晖
1997-01-01

　　ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｉｄｅｏ　Ｄｉｓｃｓ）数字视盘技术近年来发展迅速并已日渐成熟，人们相信它最终将取代ＣＤ和ＶＣＤ而成为视频、音频以及交互式媒体的有效载体，。本文就ＤＶＤ技术的特点及主要问题进行简要的论述。
#2　　一、ＤＶＤ的由来
　　目前流行的ＶＣＤ其技术本身就存在先天性的不足，主要体现在视频方面。对于现有的ＶＣＤ盘片而言，在ＭＰＥＧ－Ⅰ标准下压缩的图像数据经解码后最多只能播放７４分钟，对于大多数电影而言，这个容量是远远不够的。在各大公司的不断努力下，相继推出了多媒体ＣＤ和超密度ＣＤ，最终于１９９５年１２月８日就ＤＶＤ统一规格达成协议，并以新的数字多功能盘（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｄｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃｓ）取代了原有的视频盘（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｉｄｅｏ　Ｄｉｓｃｓ）的概念。产品线由音频到视频，从只读到可重写，全面奠定了ＤＶＤ作为下一代光盘产品的技术基础。
（见表一：ＤＶＤ产品的种类）
#2　　二、ＤＶＤ技术的规格特点和标准：
　　（一）ＤＶＤ产品的规格标准：
　　主要包括盘片规格、存储容量、生产标准、同上一代ＣＤ产品的连续性等。
#3　　１．盘片规格
　　采用双面光盘结构，将两张直径１２０ｍｍ，厚为０．６ｍｍ的盘面背对背粘合而成，其生产成本比普通ＣＤ高出很多，而且更易于被损坏。
#3　　２．存储容量
　　ＤＶＤ产品以单面光盘为基础，每面容量为４．７ＧＢ，单面即可记录长达１３３分种的ＭＰＥＧⅡ音频和视频信号（包括字幕信息），容量为现有ＣＤ的７倍以上。
　　表二为ＣＤ与ＤＶＤ的容量比较表，其中后三种产品都可轻松存储长达４个小时以上的电影节目。
#3　　３．生产特性
　　ＤＶＤ产品的生产工艺与ＣＤ不同。众所周知，欲提高现有ＣＤ盘片的存储容量，减小其轨道间的距离和凹坑长度以提高单位面积上可存放的数据量是最有效的办法，这样就要求聚焦到盘片上的激光斑直径要足够小。而要达到这个要求，只有采取波长较短的激光发生器和数值孔径较大的光学系统。就现今科学技术而言，蓝色激光波长较短，仅为４３０ｎｍ，在技术理论上最为适合，但是它的成本过高，不可能在短时间内完全进入市场。ＤＶＤ也因此只能采用６３５ｎｍ或６５０ｎｍ的红色激光光头。
　　下表可以说明ＣＤ与ＤＶＤ在生产工艺方面的一些区别：
　　　ＣＤ
　　激光波长：７８０ｎｍ（红外）
　　数值孔径：０．４５
　　轨道间距：１．６μｍ
　　凹坑长：０．３８４μｍ
　　线速度：１．２ｍ／ｓｅｃ．ＣＬＶ
　　信号调制：ＥＦＭ
　　纠错：ＣＩＲＣ
　　　ＤＶＤ
　　激光波长：６３５ｎｍ或６５０ｎｍ（红色）
　　数值孔径：０．６
　　轨道间距：０．７２５μｍ
　　凹坑长：０．４μｍ
　　线速度：４．０ｍ／ｓｅｃ．ＣＬＶ
　　信号调制：ＥＦＭ＋
　　纠错：ＲＳ－ＰＣ
#3　　４．与上代ＣＤ产品的连续性
　　由于ＤＶＤ的标准与ＣＤ没有互换性，它采用了更先进的主调制、纠错方式、与ＣＤ不同的更为精细和复杂的生产工艺，因而ＤＶＤ盘片在ＣＤ－ＲＯＭ上不能有效的读取和写入数据，但ＤＶＤ可向下兼容ＣＤ、ＶＣＤ等光盘，不仅适用于ＡＶ领域，而且符合ＩＳＯ　９６６０和Ｍｉｃｒｏ　ＵＤＦ（即通用磁盘格式）标准，支持ＣＤ－ＲＯＭ／ＸＡ标准，因而现有的ＣＤ盘、ＶＣＤ盘片在ＤＶＤ机上均可照常使用，ＤＶＤ驱动器与常规的２倍、４倍、６倍ＣＤ－ＲＯＭ驱动器相比，在使用上仅仅相当于１０倍速的４ＧＢ以上容量的ＣＤ－ＲＯＭ驱动器而己。
#2　　（二）ＭＰＥＧ－４的数据存储扩音视频的压缩编码标准：
#3　　１．视频
　　首先我们要介绍一下ＭＰＥＧ标准：
　　ＭＰＥＧ（Ｍｏｖｉｎｇ　Ｐｉｃｔｕｒｅ　Ｅｘｐｅｒｔｓ　Ｇｒｏｕｐｓ）是““运动图像专家组”的缩写，这一组织成立于１９８８年，现隶属于国际标准化信息技术委员会，ＭＰＥＧ先后进行了ＭＰＥＧ－Ⅰ。ＭＰＥＧ－Ⅱ，ＭＰＥＧ－Ⅲ，ＭＰＥＧ－Ⅳ标准的研究，其中ＭＰＥＧ－Ⅲ标准于１９９２年撤消，ＭＰＥＧ－Ⅳ标准至今尚末完全制定公布。
　　众所周之，从生理学角度而言，人的视觉对于静止图像的敏感度高于对运动图像的反应，ＶＣＤ所采用的ＭＰＥＧ－Ⅰ标准之所以能够在６５０ＭＢ空间储存长约７４分钟的电影节目，是以损失图像质量，丢失帧数，降低分辨率为代价的，对于音频信号而言，ＭＰＥＧ－Ⅰ同样降低了信号的采样频率，压缩了采样后的数据，减少了声道数。
　　ＤＶＤ所采用的是ＭＰＥＧ－Ⅱ压缩技术与ＭＰＥＧ－Ⅰ固定比特率不同，ＭＰＥＧ－Ⅱ采取了变比特率（ＶＢＲ）的编码方案。数据流传输的比特率可以从１．５ｍｂｐｓ到４０ｍｂｐｓ，比特率越高，每一帧所分配的比特就越多，因而图像信号丢失的就越少，图像质量也就越高。在实际应用中ＭＰＥＧ－Ⅱ的平均视频比特率在理论上应尽可能接近３．５Ｍｂｐｓ，同时又考虑到在运动或复杂的场景中，需要额外增加１帧以尽力避免比较生硬的人为痕迹，此时比特率最高可以达到９．８Ｍｂｐｓ，即使是平均比特率也可以达到４．６９Ｍｂｐｓ。也就是说，ＭＰＥＧ－Ⅱ对视频图像的处理可以分为两步：首先确定图像的复杂程度，而对于简单的图像则在不影响图像的同时，提高图像的传输位流量；而对于简单的图像像则在不影响图像质量的前提下降低位流量，从而可以有效的消除在ＶＣＤ中常见的“马赛克”现象，使ＤＶＤ的图像与ＶＣＤ相比更清晰，色彩更鲜艳，运动更流畅，音响更逼真。
　　至于分辨率，ＭＰＥＧ－Ⅱ由普通级到广播级分为四个等级，ＤＶＤ采用的是７２０×４８０（ＮＴＳＣ）和７２０×５７６（ＰＡＬ）的主等级。
　　下表列出了ＶＣＤ与ＤＶＤ在视频处理方式上的几个不同点，如表三：
#3　　２．音频
　　采用了现今国际流行的杜比ＡＣ－３　５．１音响系列，能够有效地去除频带中能量较低的并且令现有设备都难于表现的数据信息，以及人耳生理上不容易感觉到的音频信息。同时为了增强音响效果，还采取了５＋１层声道，即在空间模拟前左、前中、前右、后左、后右５个音源声道，同时增加超重低音环绕声道。
　　同时，杜比ＡＣ－３还采用了一种最新的称为交叉相关的方案，在消除冗余信息的同时，又保留了不同声道之间的差异信息，这使５．１声道环绕立体声比标准的１６ｂｉｔ　４４．１ＫＨｚ立体声采样所需的比特率更低，存储容量更小，更便于存储，因此ＤＶＤ允许同时存放几种不同的ＡＣ－３数据流。在部分ＤＶＤ节目中，还采用了更为先进的被称为线性ＰＣＭ的音频标准，这种标准采用了更高的数据采样率，更大的数据传输率，更多的声道数和更小的压缩比，使声音失真度更小，音响效果更为逼真。
　　下面对ＤＶＤ与ＶＣＤ音频处理方式作一比较，如表四：
#2　　（三）ＤＶＤ发展中存在的问题
#3　　１．ＤＶＤ技术真的能够完全向下兼容吗？
　　从技术上讲，采用较短波长激光技术设计的ＤＶＤ系统是能够读取目前采用较长波长激光技术工艺生产的音乐ＣＤ及ＶＣＤ、ＣＤ－ＲＯＭ等各种逻辑格式的光盘的，但从目前看来，这并不包括现存的ＣＤ－Ｒ盘。
　　兼容性的另一个问题在于实际存在的ＤＶＤ多种多样的格式和由此引起的兼容问题，对于用户而言，在面对众多ＤＶＤ驱动器或是ＤＶＤ机进行选择时，价格及兼容性应当是首先要考虑的因素。
#3　　２．规模化生产是否会很快成为可能？
　　ＤＶＤ要迅速普及进入家庭，价格是一个决定性因素。但归根结底取决于软件（电影及其它多媒体节目制造商）、硬件ＤＶＤ产品生产商两方面的支持。就目前情况而言，似乎有些困难。
　　数字式影碟最大的优势之一是易复制性，但因此也就极易进行盗版，损害了节目供应商的利益。因此在盗版受到有效限制前，娱乐界特别是以美国为首的影视业是不会将他们的节目做到ＤＶＤ上的，而缺少了节目的ＤＶＤ便无法给用户带来巨大的诱惑。。
　　从硬件上来说，由于ＤＶＤ的技术特点，其光学系统、数字伺服机构、信号处理方法、解压缩芯片及盘片制作工艺等都和ＣＤ唱机以及ＶＣＤ播放机有所不同，加上技术上的封锁，都给ＤＶＤ的推广带来一些困难，另外ＤＶＤ产品对相关家用电器例如电视，音响的要求很高，也制约了它的普及。
#3　　３．前途光明
　　目前各大公司纷纷推出各自的ＤＶＤ相关产品，包括ＭＰＥＧ－Ⅱ编码—译码芯片ＳＴＢ（ｓｅｔ　Ｔｏｐ　Ｂｏｘ）、ＤＶＤ—ＲＯＭ驱动器以及ＤＶＤ唱机、ＤＶＤ数字影碟机等。Ｃｏｍｐａｇ、Ｓｏｎｙ、ＩＢＭ等还在其部分机种中率先推出内置ＤＶＤ—ＲＯＭ的家用多媒体ＰＣ。
　　同时Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ己准备在新推出的代号为Ｍｅｍｐｈｉｓ的操作系统中增加对ＤＶＤ—ＲＯＭ驱动器的支持。
　　今年七月，ＧＡＴＥＷＡＹ为其所有的低价位台式多媒体，电脑引入了ＤＶＤ功能，其中一部分机型将ＤＶＤ驱动器引入作为标准配置，另一些机型则将其作为可选配置，此外ＩＢＭ宣布它己经开发出了一种可对ＤＶＤ视盘中的加密软件进行解码的软件，这样即可使ＰＣ机以较低价格配置ＤＶＤ—ＲＯＭ驱动器，又可以很好地保护ＤＶＤ影片的版权，所有这些都可以让我们相信，ＤＶＤ终将取代ＣＤ、ＶＣＤ而进入千家万户。
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