<< Главная страница

DVD-Video: принципы и ограничения

О преимуществах DVD дисков по сравнению с морально “устаревшими” CD говорят и пишут уже столь давно, что поневоле мы перестали обращать внимание на новые публикации по данной тематике. Действительно, эта волнующая своими возможностями новая технология записи, хранения и распространения информации родилась еще в прошлом веке! И некоторые из нас могут похвастаться наличием DVD-Video плеера и даже домашней библиотекой DVD фильмов. Однако, будем честны, вплоть до настоящего времени стоимость таких дисков была столь велика, выбор русскоязычных фильмов столь узок, а возможности записи на DVD собственных видеоматериалов столь ограничены, что большинство из нас относились ко всему этому как “буржуинскому” капризу. Бесспорно перспективно, но пока не актуально. Впечатляет, но покупку отложим, лишних денег на эту “игрушку” нет.

Так вот, имею честь сообщить Вам, что буквально этим летом ситуация кардинально изменилась. Наконец появились DVD рекодеры по цене менее 900 долларов (не 18 тысяч как первые Pioneer DVR-S101, и не 5 тысяч как последовавшие за ними {Pioneer DVR-S201), и чистые DVD диски к ним емкостью 4.7 ГБ - по цене около 10. И это только первые ласточки – уже этой зимой предложение и выбор различных моделей подобных устройств существенно возрастет, а стоимость соответственно упадет. Более того, подоспели и сопутствующие технологии. Сегодня достаточно качественный MPEG-2 кодер для оцифровки и эффективной компрессии видео стоит от 500 долларов. Вполне доступны и программы для создания (авторинга) образов DVD-Video дисков. Безусловно, за такие деньги Вы получите упрощенные продукты, с ограниченным набором функций. Однако, записанные с их помощью диски удовлетворят потребности не только домашних, но и большинства корпоративных пользователей. Одним словом, наконец-то создание DVD-Video дисков перестало быть уделом только профи, работающих в элитных студий, теперь оно действительно доступно и интересно всем нам. В связи с этим пришло время освежить в памяти базовые понятия и принципы формата DVD, разобраться в терминах и прояснить различия. Согласны?

Немного истории

Годом рождения DVD можно считать 1994. К середине 90-х годов, когда в индустрии создания и распространения коммерческих фильмов для домашнего просмотра практически безраздельно царствовали VHS кассеты, была осознана возможность и необходимость нового стандарта записи высококачественных фильмов – цифровой записи на компакт-диски. Огромные преимущества цифрового формата над традиционными аналоговыми записями к тому времени были доказаны победным вытеснением виниловых дисков CD-аудио компактами. Чистый звук, малые размеры, удобство и надежность хранения, наконец, долговечность быстро привлекли миллионы пользователей. Естественным развитием CD-аудио стало появление новых стандартов для других приложений: CD-ROM для хранения компьютерных данных, Photo-CD для распространения цифровых изображений, Video-CD для видеофильмов. Однако, качество фильмов на Video-CD, обусловленное ограничениями MPEG-1 компрессии, практически осталось на том же уровне, что и у стандартных видеолент. Пожалуй, единственным преимуществом Video-CD была возможность просмотра записанных фильмов на компьютере. Попыткой ответа на повышающиеся запросы потребителей к качеству видео стало создание и распространение 12-дюймовых лазерных видеодисков (LD). Несмотря на аналоговый метод записи, они действительно давали определенный выигрыш в качестве. Кроме того, также как и Video-CD, обеспечивали некоторую интерактивность просмотра и произвольный доступ к отдельным частям записанного материала. Тем не менее, широкого распространения они не получили. В воздухе витала идея принципиально нового стандарта для записи видео. И в 1994 году специальный комитет (Motion Picture Studio Advisory Committe), созданный по инициативе ведущих голливудских компаний, сформулировал основные требования к фильмам на компакт-дисках:

В качестве возможных претендентов были изучены различные форматы, в том числе Super Disc (SD), предложенный в 1995 году компаниями Toshiba и Warner, и Multimedia CD (MMCD), в том же году анонсированный их извечными соперниками Philips и Sony. В качестве компромисса, призванного примирить претендующие на “царство” конкурирующие решения, в конце 1995 года объединением 10 мировых лидеров, получившим название DVD Consortium и объединившем Hitachi, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, Thomson, Time Warner, Toshiba и JVC, было достигнуто соглашение и утверждена спецификация стандарта DVD дисков, включающая следующие основные положения:

Первоначально DVD означал сокращение от Digital Video Disc (цифровой видеодиск), позже он стал означать Digital Versatile (многофункциональный) Disc. В 1996 году были опубликованы спецификации DVD-ROM и DVD-Video форматов (версия 1.0), а в конце 1996 в Японии были проданы первые DVD плееры. С 1997 широкие продажи DVD начались по всей Америке (в Европе – на год позже), а название DVD Consortium было изменено на DVD Forum, при этом он стал открытым для вступления новых членов. В настоящее время форум объединяет более 200 членов (из них более 20 европейских), а в его регламентирующий комитет кроме первоначальных 10 компаний вошли еще 7: IBM, Intel, NEC, Sharp, LG Electronics, Samsung, Industry Research Institute of Taiwan. Форум поддерживает и продолжает развивать спецификации DVD форматов, в его составе постоянно работают 8 групп по следующим направлениям:

Кроме того, в рамках форума функционируют комитеты по верификации DVD дисков, DVD плееров и по продвижению собственно DVD формата.

Физические параметры

Внешне DVD диск напоминает CD. Действительно, оба являются оптическими дисками диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Аналогичны они и по принципам записи цифровой информации. Оба состоят из прозрачной полимерной подложки, отражающего слоя и вспомогательного защитного (несущего) слоя, придающего необходимую жесткость. В отражающем слое тем или иным образом формируется своеобразная матрица - в виде закрученной в спираль дорожки с “дырками” (питами). Считывание информации производится лазерным лучом, сканирующим отражающую поверхность. При попадании в дырку луч точно отражается на регистрирующий детектор, его сигнал превышает заданный порог, что и соответствует логической единице. При отсутствии дырки луч рассеивается, сигнал с детектора оказывается ниже порога – фиксируется логический ноль.

Будучи подобны в принципах, диски существенно отличаются значениями ключевых физических параметров (см. нижеследующую таблицу).

Параметры

CD

DVD

Комментарии

Диаметр, см

12

12

В цифровых камерах иногда используют 8-см диски

Физическая толщина диска, мм

1.2

1.2

 

Число информационных сторон

1

1 или 2

 

Толщина стороны

1.2

0.6

 

Число информационных слоев на одной стороне

1

1 или 2

Пока распространены только однослойные диски

Емкость диска, ГБ

0,68

4.7-17

1 гигабайт (ГБ) = 109 байт

Минимальная длина пита, мкм
Ширина пита

0.83

0.5

0.4 / 0.44

0.5

0.4 для однослойного, 0.44 для двухслойного

Шаг спирали (питов), мкм

1.6

0.74

 

Длина волны лазера, нм

780

635 / 650

635 – для коммерческих DVD-Video (for Authoring)

Числовая апертура лазера

0.45

0.6

 

Схема модуляции данных

EFM

8 в 16

EFM – Eight to Fourteen Modulation, 8 в 14+3

Схема коррекции ошибок

CIRC

RS-PC

CIRC – Cross Interleaved Reed-Solomon Code,
RSPC - Reed Solomon Product Code

Главное преимущество DVD дисков над CD, а именно, существенно более высокая информационная емкость, обусловлено более высокой поверхностной плотностью пит (см. рис 1). Это стало возможным в силу ряда технологических решений, среди которых нужно отметить следующие:

Необходимо отметить еще одно важное отличие - DVD диски всегда двухсторонние. Две стороны, по 0,6 мм каждая, склеены между собой нерабочими сторонами. В простейшем случае только одна их сторон содержит (может содержать) данные, а вторая является пустой.

Более того, с каждой стороны может быть не один, а два рабочих информационных слоя. Если первый из них – “основной” - выполняется по стандартной технологии создания пит (прессования или выжигания) и напыления отражающего слоя, то второй – полупрозрачный (коэффициент отражения 40%) – наносится поверх первого.

Для считывания двухслойных дисков применяются сложные оптические головки с переменным фокусным расстоянием. Луч лазера, проходя через полупрозрачный слой, сначала фокусируется на внутреннем информационном слое, а по завершении его чтения перефокусируется на внешний. В результате может быть 4 варианта дисков с емкостью от 4.7 до 17 ГБ.

Их название (см. таблицу) соответствует округленному значению емкости.

Тип DVD

DVD-5

DVD-9

DVD-10

DVD-18

DVD-R

DVD-RAM

Число сторон

1

1

2

2

1 или 2

1 или 2

Число слоев на сторону

1

2

1

2

1

1

Емкость, ГБ

4.7

8.54

9.4

17.08

4.7 или 9.4

4.7 или 9.4

Пропорционально емкости возрастает допустимая длительность видеофильма, который может быть размещен на диске. Это 133 минуты для DVD-5 и каждой стороны DVD-10, но уже 240 минут для DVD-9 и каждой стороны DVD-18. Отметим, что в настоящее время в основном представлены DVD-5 и DVD-10.

DVD-Video как DVD-ROM

DVD-ROM - это фабрично изготовленный DVD диск, предназначенный только для чтения (ROM означает Read Only Memory). Такие диски предполагают массовое тиражирование (тысячами и миллионами экземпляров), что, несмотря на сложность технологии, позволяет существенно снизить приведенную себестоимость одного диска. В то же время информация, серийно воспроизводимая на таких дисках, может быть совершенно произвольной. DVD-ROM может быть DVD-Video, DVD-Audio или компьютерным диском, например, с мультимедийными приложениями. Все типы дисков (DVD-Video, DVD-ROM, DVD-Audio) содержат цифровые данные в файлах, причем файловая система общая для всех. Но DVD-Video и DVD-Audio содержат данные в особых директориях (они не могут быть пустыми), а именно в VIDEO_TS и AUDIO_TS. У “обычных” DVD-ROM эти директории отсутствуют. Поэтому нередко, говоря о DVD-ROM, подразумевают именно диск с компьютерными данными. Современные компьютеры сегодня нередко оснащаются DVD-ROM приводами, хотя это дополнение пока не очень популярно (напомним, что для того, чтобы проиграть DVD-фильм на компьютере, кроме собственно привода необходим еще и MPEG-2 декодер).

С информационной точки зрения все данные на DVD-Video разделяются на две взаимосвязанные категории: навигационные или, по-другому, управляющие (Control Data) и собственно воспроизводимые объекты (Object or Presentation Data). Навигационные данные служат указателями (адресами) на соответствующие объекты. Здесь можно увидеть аналогию между FAT таблицей (File Allocation Table) компьютерной операционной системы и собственно файлами с данными. Объекты воспроизведения в свою очередь делятся на видео, аудио и графику. Таким образом, DVD-Video диск содержит данные четырех типов (см. таблицу).

Тип данных

Число потоков

Поток данных

Кодирование

Видео

1

До 9.8 Мб/с

MPEG-1 или MPEG-2

Аудио

До 8

До 6.144 Мб/с

LPCM, MPEG, Dolby Digital, DTS

Субтитры и графика меню

До 32

До 3.36 Мб/с

2 бит/пиксел

Навигация

1

-

Program Chains (PGC)

Напомним, что, согласно спецификации, предназначенные для коммерческого распространения полнометражных фильмов DVD-Video диски должны обеспечивать следующие свойства:

Компрессия видео

Рассмотрим эти ограничения более детально. Несложно подсчитать, что при объеме данных 4.7 ГБ длительность воспроизведения в 133 минуты определяет средний поток как 4.7 Мб/с. При этом максимальный поток (на все: видео, аудио + субтитры + меню) ограничен 9.8 Мб/с (а если учесть контрольную информацию – то абсолютный максимум становится уже 10.08 Мб/с). Очевидно, что при этом собственно видео составляет основную его часть, которая в первую очередь существенно зависит от числа звуковых каналов. Но в любом случае для передачи видео остается около 4 Мб/с, что для обеспечения высокого качества требует использования эффективного алгоритма сжатия. Для DVD-Video выбрана MPEG-2 компрессия.

Спецификации этого алгоритма разрабатываются и утверждаются специальным комитетом (Moving Picture Experts Group) международной организации по стандартам ISO (International Standardization Organization). Сегодня известны 3 его различных вариации: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. MPEG-1, принятый в 1992 году (стандарт ISO 11172), в частности, является частью спецификации Video-CD. Будучи ограниченным всего четвертью кадра (352х288) и низким потоком (до 1,5 Мб/с), он обеспечивает невысокое результирующее качество видео (чуть ниже уровня VHS). Однако MPEG-1 стал значительным техническим достижением, поскольку его набор алгоритмов и средств кодирования (компрессии), правила формирования и описания потока данных были намного мощнее и универсальнее, чем требовалось собственно для данного стандарта. На его основе уже в 1991 году начались работы над MPEG-2, который стал стандартом уже в 1995 (ISO 13818). Основная его идея – достигнуть вещательного качества видео, учесть интерлейсную структуру полного телевизионного кадра. MPEG2 стал более “разнообразным”, включил в себя несколько уровней и профилей, адекватно отвечающих потребностям различных приложений, в том числе DVD. Что касается MPEG-4, то его отправной точкой стала задача кодирования видео и аудио для очень низких потоков данных. Сегодня этот алгоритм уже оптимизирован для трех диапазонов: до 64 Кб/с, 64-384 Кб/с, 384 Кб/с – 4 Мб/с. MPEG-4 вовлечен в развитие новой концепции компрессии мультимедиа данных для различных приложений. В том числе продолжаются работы над другими профилями и уровнями MPEG-4, в частности, для потоков до 38.4 Мб/с и даже до 1.2 Гб/с.

Как уже отмечалось, хотя использование MPEG-1 для DVD-Video и допустимо, основным алгоритмом сжатия видео является MPEG-2, причем по схеме 420 MP@ML со структурой GOP 15/3. Здесь ML означает основной уровень (Main Level), т.е. стандартное телевизионное разрешение кадра 720x576. MP – это основной профиль (Main Profile), который предполагает временную компенсацию движения между смежными кадрами и наличие опорных I (Intra) изображений, P изображений с предсказанием вперед (P – Predictive) и B (Bi-directional) изображений с предсказанием как вперед, так и назад. Вся временная последовательность изображений разбивается на группы GOP (Group Of Pictures). Каждая GOP обязательно начинается с I и с определенной периодичностью содержит P кадры. Ее структуру описывают как M/N, где M – общее число кадров в группе (расстояние между I кадрами), а N – интервал между P-кадрами. Так, типичная для Video-CD и DVD IPB группа 15/3 имеет следующий вид: IBBPBBPBBPBBPBB. Здесь каждый B кадр восстанавливается по окружающим его P кадрам (в начале и конце группы - по I и Р), а в свою очередь каждый Р кадр – по предыдущему Р (или I) кадру. В то же время I кадры самодостаточны и могут быть восстановлены независимо от других, но являются опорными для всех P и тем более B кадров группы. Наконец, сочетание 420 характеризует цветовое разрешение и определяет, что цветоразностные U- и V-сигналы по сравнению с яркостью Y представлены в два раза реже как по вертикали, так и по горизонтали. MPEG-2 действительно обеспечивает весьма эффективное сжатие, так что при среднем потоке всего около 4 Мб/с (но в пике – до 10) результирующее качество видео оказывается сравнимым со студийным.

Компрессия аудио

Что касается звука, то, как уже отмечалось, DVD диски могут нести до 8 цифровых потоков аудио (вариантов звукового сопровождения для разных языков). Каждый из них в свою очередь может содержать от 2 (стерео) до 6 (или даже 8) каналов. В последнем случае реализуется концепция объемного звучания 5.1 (или 7.1), при которой звук поступает к слушателю с 5 (или 7) сторон:

Последним во всех случаях является низкочастотный канал (НЧ) глубоких тонов, которые вне зависимости от места расположения одинаково доносит до зрителя особые эффекты глубоких тонов. Его еще называют сабвуфером (sub-woofer). Отметим, что в DVD проигрывателях, не оснащенных декодером объемного звука, “излишние” каналы смешиваются до стандартного стерео.

DVD стандарт допускает следующие кодировки цифрового звука: LPCM, Dolby Digital, MPEG-1 и MPEG-2, DTS. LPCM (Linear Pulse Code Modulation) - единственный некомпрессированный цифровой формат. Он подобен используемому в аудио CD, но обеспечивает более качественный звук за счет увеличенных частоты дискретизации и глубины квантования. Если аудио CD – это стерео на 44.1 Кгц при 16-бит, то LPCM – это от 1 до 8 каналов, частота дискретизации каждого из которых 48 или 96 Кгц, глубина оцифровки 16, 20 или 24 бит. При этом полоса частот составляет 4-24000 Гц (для 48 Кгц) или 4-48000 Гц (для 96 Кгц), а динамический диапазон записи – 96дБ при 16-битах и более 120 дБ при 20-разрядном. Платой за такое высокое качество является слишком высокий поток, требуемый для аудио. Максимальный цифровой поток данных при LPCM составляет 6.144 Мб/с, что оставляет недопустимо мало для видео. Поэтому некомпрессированный звук используется только в стандарте DVD-Audio, но в случае DVD-Video, как правило, применяются различные схемы сжатия.

Dolby Digital, известный также как AC-3 (Audio Coding 3), обеспечивает звук по схеме 5.1. Это означает 5 полноценных каналов в диапазоне 20-20000 Гц и еще один НЧ канал глубоких тонов в диапазоне 20-120 Гц. Для компрессии звука используется разработанный в лаборатории Dolby специальный алгоритм (Multichannel Perceptual Coding), учитывающий особенности человеческого слуха. Он в основном пренебрегает неслышимыми или плохо различаемыми человеческим ухом звуками. Понятно, что при этом происходит определенная потеря данных, однако в результате 6 каналов берут меньше, чем 2 исходных некомпрессированных канала. В полном варианте 5.1 требуется 384 Кб/с.

MPEG компрессия звука также связана с потерей данных и, как следствие, определенным ухудшением по сравнению с исходным качеством. Различают MPEG-1 и MPEG-2 форматы. Более простой MPEG-1, предназначенный только для моно или стерео звучания с постоянным потоком данных (CBR – Constant Bit Rate), характеризуется тремя возможными уровнями компрессии звука: соответственно Layer 1/2/3. Layer 1 обеспечивает минимальную компрессию (типично – 192 Кб/с на канал). Более эффективный Layer 2, используемый в Video-CD, ограничивает поток 128 Кб/с на канал. Layer 3, известный также как MP3 формат, “выжимает” максимум качества звука на минимальном объеме – до 64 Кб/с на канал. При этом он обеспечивает весьма приличное звучание, что определило его популярность в Интернет приложениях. Однако, для DVD основное значение имеет MPEG-2 формат. Он может быть многоканальным, обеспечивая объемный звук по схеме 5.1 или 7.1, может быть с переменным (VBR – Variable Bit Rate) или постоянным потоком данных в диапазоне от 32 до 914 Кб/с (суммарно). При этом частота оцифровки фиксирована (48 Кгц). Важно отметить, что для стереозвука кодирование в MPEG-1 и MPEG-2 идентично. В первоначальной формулировке DVD стандарта система MPEG-2 5.1 была определена как основная система записи звука для PAL/SECAM видеодисков (т.е. для Европы). Однако, впоследствии из-за отсутствия серийно выпускаемых дешевых кодеров-декодеров многоканального звука MPEG-2 это требование было снято. И сегодня де-факто и де-юре Dolby Digital вляется основным звуковым форматом для DVD-Video.

Разработанный в США метод DTS (Digital Theater System) является альтернативой Dolby Digital. Он во многом повторяет принципы AC-3: те же методы компрессии и те же алгоритмы кодирования (частота дискретизации 48 Кгц, до 24 бит на отсчет), но при этом поток данных может достигать 1536 Кб/с. Первоначально разработанный для записи звуковых дорожек к кинофильмам для современных кинотеатров, DTS в последнее время стал довольно популярным. По мнению американских специалистов, он обеспечивает лучшее воспроизведение пространственных звуковых эффектов, но при этом требует в 4 раза больше данных. Отметим, что большинство современных DVD проигрывателей уже поддерживают как AC-3, так и DTS.

Субтитры, графика и навигация

В состав DVD-Video кроме динамически меняющегося основного видео могут входить фиксированные изображения (кадры) с различной информацией, требующей внимательного просмотра (чтения). Это могут быть страницы с информацией об авторских правах, предупреждения против несанкционированного копирования, слайд-шоу из включенных в содержание фотографий или сложные меню. С целью экономии дискового пространства они хранятся на диске не в виде последовательностей, а как отдельные I-кадры.

Также присутствуют особые графические субизображения (произвольного размера – от нескольких пикселей до полного кадра 720х576), состоящие всего из 4-х цветов (3 + прозрачный). Они используются для отображения поверх видео субтитров, кнопок меню, другой дополнительной графической или текстовой информации. Поскольку стандартом для любого фильма допускается до 32 вариантов субтитров на различных языках (и это в дополнение к 8 вариантам звукового сопровождения), то сохранение на диске субтитров в виде самодостаточных готовых графических файлов, а не специфических кодов букв различных алфавитов, представляется более гибким и надежным решением. При этом возможность выбора одного из 3-х цветов отображения позволяет добиваться читаемости текста/графики на любом фоне.

Фильм на DVD-диске превосходит его VHS копию не только по качеству звука и видео. Не менее привлекательны возможность произвольного доступа к любой части записанного фильма и интерактивное управление различными функциями его просмотра. Иерархическая структура построения DVD-Video является многоуровневой и многослойной. Все содержимое диска делится на различные главы (Titles - наименования, фильмы, альбомы) – до 99 на диск. Главы в свою очередь состоят из разделов (Chapters - сцен, клипов, программ) – максимальным числом также до 99. Переход на любую из частей диска может выполняться “мгновенно”. При этом каждая глава допускает несколько различных версий развития, связанных, например, с выбором угла наблюдения (камеры), варианта финала, установкой ограничений показа “жестких” сцен (защита родителей). Зритель через экранное меню с помощью дистанционного пульта может выбирать язык звукового сопровождения, вариант сопровождающих субтитров, угол камеры или даже возможное развитие сюжета, вызывать дополнительную видео и графическую информацию (биографии актеров, подробности съемки и т.д.). Подчеркнем, что хотя все эти возможности предусмотрены стандартом, их реализация зависит от конкретного исполнения. Так, хотя всего глав в принципе может быть 99 (и все они независимы, содержат законченную аудио и видео информацию), обычно на диске размещают только одну главу (например, один фильм).

Защита от копирования

Для защиты авторских прав и предотвращения несанкционированного распространения DVD-дисков стандартом предусмотрено специальное региональное кодирование как самих дисков, так и проигрывателей для них. Для этого весь мир условно поделен на 6 регионов, каждому из которых присваивается соответствующий код:

1 – США и Канада;

2 – Европа, Япония, ЮАР, Ближний Восток;

3 – Юго-Восточная и Восточная Азия, включая Тайвань и Гонконг;

4 – Центральная и Южная Америка, Карибские острова, Австралия и Новая Зеландия;

5 – Территория бывшего Советского Союза, Африка, Индийский полуостров (Индия, Пакистан), Монголия и Северная Корея;

6 – Китай.

Для каждого из регионов выпускаются свои, предназначенные только для него, версии DVD дисков и соответственно проигрывателей. Только при совпадении кодов проигрыватель будет воспроизводить установленный в него диск. Ситуация с Россией весьма странная. Она вместе с Африкой, Индией и Пакистаном попала в 5 зону, но большинство продающихся у нас дисков из Европы (2 зона) или Америки (1 зона). Впрочем, и DVD проигрыватели у нас продаются в основном для 2-й зоны. Что касается чисто российских DVD-дисков, то их ассортимент пока очень мал, но выпускают их сразу в мультизонном варианте (они могут быть воспроизведены на любом DVD плеере). Стоит отметить, что сейчас на рынке широко представлены мультизонные проигрыватели (довольно часто это достигается местной доработкой аппаратов нашими умельцами).

Собственно защита от копирования (только аудио и видео) сочетает как цифровые, так и аналоговые методы. Цифровая защита основана на кодировании (“перемешивании”) исходных данных (scrambling raw data) с заданными ключами, которые в свою очередь в зашифрованной форме записаны на сам диск. Декодер (плеер) расшифровывает ключи и по ним восстанавливает исходные данные. Схемы кодирования для разных типов дисков различаются. В DVD-Video используется метод CSS (Content Scrambling System), в DVD-Audio – CPPM (Content Protection for Pre-Recorded Media). В то же время записываемые диски используют CPRM (Content Protection for Recordable Media). CSS защита требует лицензирования. При этом каждому из лицензиатов “выдается” фиксированный ключ из мастер-набора, содержащего 400 различных ключей. Именно этот ключ записывается на каждый CSS-защищенный диск (соответственно, по ключу можно определить, кто его правообладатель).

Аналоговая защита APS (Analogue Protection System) основана на технологии фирмы Macrovision, в соответствии с которой волновой фронт аналогового сигнала на выходе проигрывателя подвергается особому роду искажений. А именно, в состав видеосигнала вводятся особые импульсы, которые не мешают смотреть программы на экранах телевизоров, но делают невозможной их запись – блокируется работа схемы АРУ видеомагнитофона. Таким образом, хотя исходная картинка остается “идеальной”, запись на VHS ленту видеомагнитофона идет с помехами, так что последующее воспроизведение полученной копии теряет смысл. Полезно отметить, что APS работает только по композитному выходу, и если брать сигнал через RGB или YUV, то он пойдет без искажений. Впрочем, в настоящее время ведется работа по защите от копирования и через “профессиональные” выходы. В то же время стоит отметить, что российские левши научились дорабатывать любой DVD-проигрыватель, лишая его защиты от перезаписи и “взломав” идентификатор регионального кода.

Продолжая тему эффективности методов защиты от копирования, интересно отметить, что студентами Массачусетского Института Технологий была написана “простенькая” программа из семи строк кода, которая снимает цифровую scramble-защиту. Правда, сами разработчики подчеркивают, что она настолько загружает вычислительные мощности компьютера, что при этом смотреть собственно фильм уже не удастся. Даже с 1 ГГц процессором фильм идет рывками.

Наконец, для полноты описания упомянем, что сейчас заканчивается разработка специальной системы “водяных” знаков – скрытых от просмотра идентификаторов, позволяющих по копии проверить и установить исходный источник и права истинного владельца.

Отображение широкоформатного видео

Классическое соотношение сторон телевизионного экрана равно 4:3, и в таком формате раньше снималось большинство видеофильмов. Но в настоящее время более комфортным признано другое соотношение – 16:9 (а в Америке даже 25:16), так что современные телевизионные и видеопрограммы производятся уже под такой более широкий формат. Однако, парк старых телевизоров столь велик, что задача правильного отображения видео 16:9 на экране 4:3 весьма актуальна. Очевидно, что существует несколько возможных вариантов ее решения. Первый из них связан с заполнением всего экрана по вертикали и обрезанием части изображения по горизонтали слева, справа или симметрично с обоих краев (вариант Pan and Scan). Второй основан на сохранении изображения по всей ширине, что при сохранении геометрических пропорций приводит к появлению сверху и снизу горизонтальных черных полос (вариант Letterbox). Наконец, возможен и третий вариант (Anamorphic) – заполнение всего экрана при нарушении геометрических пропорций. Стандартом предусмотрена возможность самостоятельного выбора зрителем любого из этих вариантов.

Файловая система DVD-Video

Как уже отмечалось, для всех типов дисков: DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio – используется общая файловая система, названная UDF Bridge Format. Она является комбинацией Micro-UDF и ISO 9660. UDF (Universal Disk Format) – это файловая система, разработанная ассоциацией OSTA (Optical Storage Technology Association) на базе стандарта ISO 13346. Она является очень гибким, многоплатформенным стандартом, используемым, в частности, в магнитооптических накопителях и DVD. ISO 9660 – стандарт файловой системы для CD-ROM в РС приложениях. Он включен в UDF Bridge для обеспечения совместимости с существующим программным обеспечением.

Принципиальная файловая структура диска является следующей. На самом верхнем уровне DVD диск – это том (Volume), содержащий файлы данных различного типа (в рамках UDF Bridge Format системы). Том делится на зоны видео (директория Video_TS), аудио (директория Audio_TS) и зону данных остальных типов (например, компьютерных данных общего назначения, обычно составляющих основное содержимое DVD-ROM). Видеозона содержит все цифровые данные, необходимые и достаточные для воспроизведения записанного DVD-Video. Все файлы DVD-Video диска находятся в VIDEO_TS директории. Согласно ограничениям Micro-UDF формата, они не могут быть размером более 1 ГБ и должны быть записаны в виде непрерывной последовательности. Имена файлов удовлетворяют правилу 8.3 (8 символов – название файла, 3 – его расширение). Все другие файлы, не соответствующие данным правилам, DVD-плеером просто игнорируются.

Видеозона состоит из видеоменеджера VMG (Video Manager) и набора глав VTS (Video Title Set): VTS_01, VTS_02, ….. VTS_N, где N≤99. Видеоменеджер является мастер-директорией последующего содержимого DVD-Video и фактически представляет собой базовое оглавление диска. Для зрителя он обеспечивает воспроизведение вводного клипа (короткая аудио-видео последовательность, например, логотип компании производителя) и меню для выбора одной из последующих глав. На языке файлов VMG состоит из управляющих данных (файлы Video_TS.IFO & Video_TS.BUP) и меню (Video_TS.VOB). Отметим, что на пульте управления DVD-плеером есть особая кнопка Title, нажатие которой всегда возвращает зрителя именно к этому исходному меню.

Каждая глава в свою очередь состоит из меню-оглавления по разделам (навигационные файлы VTS_01_0.IFO & VTS_01_0.BUP и файл меню VTS_01_0.VOB) и набора VOB файлов собственно с содержимым главы (VTS_01_1.VOB, VTS_01_2.VOB ….. VTS_01_n.VOB, где n ≤ 9). Всего в главе может быть до 10 VOB файлов, максимальный размер которых ограничен 1 ГБ.

Базовой единицей файловой системы диска являются VOB (Video Object) файлы. Они включают в себя не только собственно видео и аудио, но вспомогательные субизображения и данные по навигации. В первую очередь VOB-файлы используются для записи основного содержания соответствующей главы. Кроме того, VOB файлы могут входить в состав меню главы, если оно кроме статичных картинок включает вводные видеоклипы по последующим разделам. При проигрывании VOB файла плеер не только воспроизводит аудио-видео содержание, но и подчиняется заложенным в нем инструкциям по отображению меню, по переходам на соответствующие пункты программы согласно выбору зрителя (по командам с пульта управления).

Каждый VOB состоит из ячеек (Cells). Ячейка является самой мелкой единицей DVD, к которой можно адресоваться при интерактивном просмотре. Они состоят из целого числа групп изображений (MPEG GOP). Минимальная длина ячейки совпадает с MPEG GOP, но ее можно задать и равной всей главе (в этом случае разбиение на разделы уже не имеет смысла). Ячейки связаны друг с другом навигационными цепочками PGC (Program Chains), определяющими порядок воспроизведения ячеек (переходов между ними) в соответствии с выбранной программой. Очередность взаимосвязанного показа сцен и задается соответствующей цепочкой программы PGC. Таким образом, глава может иметь как одну цепочку (One_Sequental_PGC_Title), так и несколько (Multi_PGC_Title). Одни ячейки могут быть одновременно задействованы в нескольких цепочках, а на другие зритель будет попадать только в “особых” случаях.

Cложность файловой структуры является обратной стороной многослойной и мультивариантой логической структуры DVD-Video. Разработка полноценного проекта, реально задействующего все возможности, действительно является трудоемкой творческой задачей, требующей тщательной проработки всех деталей. Соответственно программные пакеты, позволяющие реализовать любые творческие задумки и создать полноценный образ диска, полностью отвечающий спецификации стандарта, являются весьма сложными и дорогостоящими. Цена подобных профессиональных программ DVD-авторинга измеряется тысячами и десятками тысяч долларов. К счастью, сегодня появились разнобразные облегченные и упрощенные версии таких программ: Impression DVD-SE, Sonic DVDit! LE, Spruce MyDVD, PixelTools SimpleDVD, Ulead GoDVD и другие - стоимостью всего в несколько сотен долларов (а некоторые из них условно бесплатны - входят в комплект поставки плат нелинейного монтажа). Конечно, они ограничивают пользователя минимальным набором функций: только один вариант языка, статичные меню, только стереозвук, упрощенная структура глав. Но эти программы ориентированы на непрофессионалов, сравнительно просты в начальном освоении и последующей работе. И они в основном берут на себя сложную задачу построения необходимых связей и создания образа DVD. По завершении их работы можно приступать к финальному этапу – собственно записи созданного образа в UDF формате на DVD диск. Остается решить, чем писать.

DVD-R/RW против DVD+RW

Одной из главных новостей последней международной выставки информационных технологий CeBIT 2001 стало резкое обострение “войны” между записываемыми DVD форматами. Сегодня противостояние стандартов DVD-R/RW и DVD+RW (или, на жаргоне, минус RW и плюс RW) вышло из области затяжных теоретических дискуссий на арену практической реализации.

Первый из них настойчиво продвигает Pioneer. Несмотря на официальное утверждение DVD-R стандарта DVD-форумом, долгое время Pioneer оставался в гордом одиночестве. И только летом прошлого года ему удалось образовать новый консорциум RW Products Promotion Initiative (RWPPI) по продвижению DVD-RW. Первоначально большинство его членов были японскими компаниями, но сегодня к RWPPI присоединились более 40 компаний, и среди них такие известные имена как Aiwa, Yamaha, Fuji, Sanyo, Nikon, Sharp, Sony, Hitachi, TDK, Zoran, Samsung, Eastman Kodak, Thomson, JVC, LG и многие другие. Работа консорциума идет весьма плодотворно, и в феврале 2001 года DVD-форум также признал DVD-RW официальным стандартом для компьютерной периферии. Уже выпущена модель рекодера для DVD-R/RW Pioneer DVR-A03. Его поставка с начала этого года осуществлялась по ОЕМ соглашениям (под маркой DVR-103) фирмами Compaq и Apple соответственно для PC и MAC компьютеров. Активные розничные продажи DVR-A03 начались в середине этого лета. Если первые устройства продавались по рекомендованной цене $995, то уже к осени цена на устройство упала до $800. Чистые диски к нему сейчас предлагаются по $12-15.

Под флагом DVD+RW объединились Philips, Ricoh, Sony, HP, Yamaha, Thomson, Hitachi, Mitsubishi. Этот альянс формально менее представителен, да и некоторые его члены (Hitachi, Sony и Yamaha) благоразумно поддерживают и конкурирующий стандарт, но уже к концу текущего года он планирует существенно изменить в свою пользу ситуацию на рынке. Особенно активно выступают Philips, Ricoh и HP. Представитель Philips заявил, что им не требуется одобрение DVD форумом, так как их формат и так полностью совместим с DVD стандартом, “они просто добавили кнопку записи”. Philips планирует начать выпуск самостоятельных DVD+RW видеорекодеров уже в августе этого года по цене около $2500 (к выставке IFA в начале сентября в Берлине), а соответствующих устройств компьютерной периферии (стандартного IDE интерфейса) – в конце осени по цене около $1000. При этом ориентировочная цена дисков +RW ожидается около $15. Ricoh еще более агрессивна. Она предполагает поставки компьютерных DVD+RW драйвов этой осенью, при этом уличная цена на них не будет превышать 700 долларов. HP также обещает начать в октябре-ноябре этого года и оценивает свою продукцию в те же $700. Однако, другие участники DVD+RW альянса более осторожны - участвуют сразу в обоих союзах и, по-видимому, выжидают результата этой схватки.

Конструктивное отличие DVD-R дисков (DVD-Recordable – однократно записываемый) от фабрично тиражируемых DVD-ROM заключается в наличии специального пигментного слоя между прозрачной подложкой и отражающей поверхностью. Дырки в таком слое не штампуются, а выжигаются лазерным лучом повышенной мощности соответствующего рекодера. Технологической особенностью такой записи было использование лазера с длиной волны в 635 нм, хотя чтение DVD дисков возможно как на 635, так и 650 нм. Важно отметить, что в то же время во всех DVD-Video плеерах и DVD-ROM приводах для чтения используются лазеры на 650 нм. На самом деле DVD-R формат существует уже около четырех лет. Первое время такие диски были ограничены емкостью 3,95 ГБ и стоили около 50 долларов, а все предложение рекодеров сводилось к единственной модели 1997 года Pioneer DVR-S101 за 17 тысяч долларов. Лишь в 1999 года Pioneer объявил версию DVD-R на 4.7 ГБ и в ограниченном количестве начал выпуск рекодеров DVR-S201 за 5 тысяч, позволяющих записывать как 3.95, так и 4.7 диски. При такой стоимости область его практического использования была весьма ограниченной: формирование корпоративных архивов и библиотек видеоданных (музеи, медицинские и научные центры и т.д.), создание тестовых образцов DVD-Video дисков до их отправки в массовое производство. Необходимо отметить, что при этом в большинстве случаев они не могли быть использованы как мастер-диски для штамповки DVD-Video – для этих целей заводы использовали образы дисков, записываемые на DLT ленты.

Отвечая назревшей потребности массового рынка в доступных по цене устройствах записи на DVD диски (причем не только аудио и видеоматериалов, но и данных общего назначения) и не вступая в конфликт с индустрией производства лицензионных видеофильмов, DVD-форум утвердил новый стандарт DVD-R c длиной волны для записи 650 нм. Он получил название “DVD-R for General” (for Data, for Video) или коротко DVD-R(G), в то время как ранее существующий формат, дабы подчеркнуть его узкопрофессиональное назначение, был переименован в “DVD-R for Authoring” - DVD-R(A). Так вот, “дешевый” рекодер Pioneer DVR-A03 и предназначен для записи дисков DVD-R(G), в то время как DVR-S201 поддерживает только DVD-R(A). Принципиальная идея DVD-R(G), позволившая резко снизить цены как собственно на диски, так и на устройства их записи, заключается в том, на них физически нельзя осуществить с точностью до бита цифровое копирование защищенных коммерческих продуктов (фильмов).

Как уже отмечалось, существуют различные типы защиты, применяемые для DVD. Принципиально они основаны на сложных системах ключей (шифров), которые связывают записанное содержимое с неким уникальным номером диска-носителя. Все устройства воспроизведения проверяют соответствие этих ключей и при выявлении несоответствия либо не могут дешифровать/проиграть запись, либо осуществляют воспроизведение с недопустимыми искажениями. Наиболее распространенной системой защитного кодирования является CSS, в которой коммерческие данные шифруются с помощью специального “закрытого” алгоритма. Для их расшифровки во время проигрывания необходимо ключевое число, записанное в особой зоне DVD диска. Так вот, у DVD-R(G) эта зона оказывается недоступной для записи, так что перенос ключа при копировании оказывается физически невозможен. Таким образом, DVD-R(G) являются “copyright protected”. Диски DVD-R(A) не обладают такой защитой, но в силу существенно более высокой стоимости коммерческое копирование на них не имеет смысла. В то же время их новая спецификация привнесла уникальное свойство, потенциально весьма привлекательное для профессионалов, а именно – Cutting Master Format (CMF). Этот формат позволяет напрямую использовать их вместо DLT-лент как мастер-носители при штамповке. Действительная практическая ценность данного приобретения пока не ясна, однако на Pioneer уверены в сохранении спроса на DVR-S201 и другие DVD-R(A) устройства.

Одним из принципиальных свойств рекодера Pioneer DVR-A03 является поддержка кроме DVD-R(G) стандарта DVD-RW. Сокращение RW буквально означает ReWritable, хотя правильнее (но менее благозвучно) было бы использовать термин ReRecordable – перезаписываемый. Действительно, в отличие от однократно записываемого формата DVD-R диски типа RW допускают до 1000 перезаписей. Процесс перезаписи основан на свойстве изменения фазового состояния специального органического красителя, используемого в RW дисках в качестве физического носителя информации. Более подробно, при точечном нагреве лучом лазера (на 650 нм) до определенной температуры краситель переходит из кристаллического состояния (“светлое”, высокоотражающее) в аморфное (“темное”, неотражающее) и наоборот. При последующем сканировании этих участков (питов) лазером считывающего устройства измеряется и анализируется (сравнивается с заданным порогом) уровень отраженного сигнала.

Весьма важным является вопрос совместимости по чтению перезаписывамых DVD дисков со “старыми” DVD-ROM приводами и DVD-Video плеерами. Для понимания сути ответа в нижеследующей таблице приведены параметры дисков DVD-ROM, DVD-R /RW и DVD+RW.

  DVD-ROM DVD-R DVD-RW DVD+RW
Однослойный Двуслойный Authoring General
Емкость, ГБ

4.7

8.54

4.7 (3.95)

4.7

4.7

4.7

Длина волны

650 нм

650 нм

635 нм

650 нм

650 нм

650 нм

Отражающая способность

45-85%

18-30%

45-85%

18-30%

18-30%

Глубина модуляции

>0.6

>0.6

>0.6

>0.6

>0.6

Ширина дорожки

0.74 мкм

0.74 мкм

0.74 мкм

0.74 мкм

0.74 мкм

Минимальная длина пита

0.4 мкм

0.44 мкм

0.4 мкм (0.44 мкм)

0.4 мкм

0.4 мкм

Несложно видеть, что с точки зрения устройства чтения главное отличие этих дисков заключается в различной отражающей способности поверхности, которая у DVD-RW заметно меньше, чем у стандартных однослойных DVD-ROM дисков, но совпадает с соответствующим значением двухслойных дисков. DVD спецификация требует, чтобы все плееры в том числе читали двухслойные диски. И большинство устройств декларируют такую возможность, так что они должны регистрировать изменения интенсивности луча лазера, отраженного от поверхности DVD+RW диска. Так что теоретически должна быть 100% совместимость с перезаписываемыми дисками. Однако, некоторые модели плееров могут ошибочно воспринимать такие диски как просто двухслойные “обычные” диски и пытаться считать информацию с отсутствующего второго слоя. Еще одна сложность может возникать из-за того, что некоторые плееры определяют тип установленного диска путем считывания его идентификационного кода. Для каждого типа он свой, но поскольку DVD-RW является новым форматом, некоторые старые модели могут его не распознать.


На главную
Комментарии
Войти
Регистрация