Цифровые универсальные диски

За 20 лет емкость жестких дисков увеличилась в сотни и тысячи раз. Но только в 1996 г. удалось радикально повысить емкость дисков CD-ROM - в этом году появились первые цифровые видеодиски (Digital Video Disc - DVD), которые впоследствии стали называться цифровыми универсальными дисками (Digital Versatile Disc - DVD).

Кинокомпании немедленно оценили возможности DVD как способа расширения рынка видео, так как DVD позволяли производить высококачественные фильмы на дисках, которые намного дешевле ленточных кассет. С помощью сжатия MPEG-2, т.е. системы, которая применяется в цифровом телевидении, спутниковой и кабельной связи, оказалось возможным разместить полнометражный фильм на одной стороне диска DVD. Качество изображения соответствует "живому" телевидению и диск DVD-Video может содержать многоканальный цифровой звук.

Однако для пользователей РС диск DVD означает не просто фильм; хотя дискам DVD-Video уделялось основное внимание в средствах массовой информации, для пользователей гораздо ценнее оказались диски DVD-ROM. За последующие несколько лет компьютерные накопители DVD по сравнению с домашними устройствами DVD-Video продавались в отношении 5:1. Многие, особенно производители накопителей CD-ROM, ожидают, что в начале нового века будет применяться больше накопителей DVD-ROM, чем накопителей CD-ROM.

Вначале повышенную емкость дисков DVD использовали только для фильмов. Однако необходимость большей емкости в компьютерном мире была очевидной каждому, кто имел игры и программные пакеты, занимающие несколько компакт-дисков. Беспрецедентная емкость дисков DVD позволила поставщикам приложений разместить на одном диске информацию, для которой раньше требовалось несколько компакт-дисков (базы данных телефонных номеров, энциклопедии). Конечно, работать с этой информацией удобнее. Разработчики развлекательных и справочных изделий смогли свободнее использовать аудио- и видео-клипы. Разработчики игр смогли создавать интерактивные игры с полнодвижущимся видео и объемным звуком, не боясь нехватки дискового пространства.

История дисков DVD

Когда компании Philips и Sony решили разрабатывать компакт-диски (Compact-Disc - CD), они были единственными компаниями, которые решили заменить аудиокассеты. Решения о том, как должна работать система, принимались, в основном, инженерами и все происходило довольно гладко. Ситуация с разработкой спецификации DVD оказалась совершенно другой.

Все началось со "сражения" компаний Matsushita, Electric, Toshiba и кинокомпании Time/Warner, которые продвигали свою технологию супердиска (Super Disc - SD), с компаниями Sony и Philips, усиленно продвигавшими свою технологию мультимедийного CD (MultiMedia CD - MMCD). Два дисковых формата были совершенно несовместимы, что обещало продолжительную "битву". Под давлением компьютерной индустрии основные производители образовали DVD Consortium для разработки единого стандарта. Созданный к концу 1995 г. стандарт на DVD-ROM оказался компромиссом между двумя технологиями, но опирался, в основном, на технологию Super Disc. Крупнейшие компании Microsoft, Intel, Apple и IBM поставили обеим сторонам простой ультиматум: быстро разработать единственный стандарт, а в противном случае не ожидать никакой поддержки от компьютерного мира. Основные разработчики в количестве 11 компаний без всякого энтузиазма образовали альянс, который впоследствии превратился в DVD Forum, и буквально "дрались" за каждый элемент технологии, вводимый в окончательную спецификацию.

Объяснение такому поведению очень простое. За каждый элемент оригинальной технологии, вкладываемый в DVD, владельцам технологии необходимо платить лицензионную плату. Она может быть всего несколько центов за накопитель, но когда рынок оценивается миллионами накопителей в год, борьба даже за такую плату вполне оправдана.

Опасаясь всеобщего пиратства материала DVD-Video, Голливуд объявил, что ему необходима система антикопирования, аналогичная системе SCMS (Serial Copy Management System) для лент DAT. Кроме того, Голливуд стал беспокоиться о возможности использовать компьютер для побитового копирования файлов с диска DVD на некоторый другой носитель. Следствием стала попытка утвердить в Конгрессе США юридическую ответственность, аналогичную Акту Audio Home Recording, и настоять на том, чтобы предложенный закон охватывал и компьютерную индустрию.

Несмотря на то, что попытки форсировать законодательство провалились, кинокомпании настояли на введение в стандарт DVD-Video более жестких требований защиты от копирования и к концу 1996 г. была закончена система шифрования содержания (Content Scrambling System - CSS). После этого были разработаны и другие системы защиты от копирования.

Форматы дисков DVD

Как это случилось и с обычными компакт-дисками, имеется пять физических форматов, или книг, дисков DVD:

• DVD-ROM - носитель памяти очень большой емкости.
• DVD-Video - цифровой носитель памяти для фильмов различной продолжительности.
• DVD-Audio - формат только звуковой памяти, аналогичный CD-Audio.
• DVD-R - предоставляет формат памяти с однократной записью и многократным считыванием, аналогичный CD-R.
• DVD-RAM - перезаписываемый (стираемый) диск DVD.

Имея стандартные для компакт-дисков диаметр 120 мм и толщину 1.2 мм, диски DVD предоставляют емкость до 17 ГБ с более высокой по сравнению с CD-ROM скоростью передачи и одинаковым с CD-ROM временем обращения. Выпускается четыре версии дисков DVD:

• DVD-5 - односторонний однослойный диск емкостью до 4.7 ГБ.
• DVD-9 - односторонний двухслойный диск емкостью 8.5 ГБ.
• DVD-10 - двухсторонний однослойный диск емкостью 9.4 ГБ.
• DVD-18 - двухсторонний двухслойный диск огромной емкости 17 ГБ.

Важно понимать, что в дополнение к пяти физическим форматам диски DVD имеют несколько прикладных форматов, например DVD-Video и DVD-Audio. Игровая консоль Sony PlayStation2 служит примером специального прикладного формата.

Технология дисков DVD

На первый взгляд диск DVD можно легко спутать с обычным компакт-диском: оба являются пластиковыми дисками диаметром 120 мм и толщиной 1.2 мм и в обоих дисках лазерный луч считывает данные, хранящиеся в питах на спиральной дорожке. И хотя можно сказать, что на этом сходство заканчивается, все-таки ясно, что семикратное повышение емкости диска DVD по сравнению с CD, в основном, достигнуто ужесточением технологических допусков.

Во-первых, дорожки размещаются ближе друг к другу, что увеличивает число дорожек на диске. Шаг дорожек (track pitch), т.е. расстояние между соседними дорожками, в DVD уменьшено до 0.74 мкм вместо 1.6 мкм в CD. Питы, в которых хранятся данные, также стали намного меньше, поэтому на дорожке можно разместить больше питов. Минимальная длина пита однослойного диска DVD составляет 0.4 мкм по сравнению с 0.834 мкм обычного CD. Только уменьшение шага дорожек и размера пита позволило повысить емкость DVD-ROM дисков в четыре раза по сравнению с емкостью CD.

Однако упаковка на диск как можно больше питов является только простым компонентом, а настоящий технологический прорыв DVD связан с лазером. Меньшие размеры питов означают, что лазер должен формировать меньшее пятно и в DVD это достигается уменьшением длины лазера с 780 нм инфракрасного света стандартного CD до 635 или 650 нм красного света.

Во-вторых, спецификация DVD позволяет сканировать информацию более чем с одного слоя DVD, просто изменяя фокус считывающего лазера. Вместо использования непрозрачного отражающего слоя для хранения большего объема данных можно применить полупрозрачный слой с находящимся позади непрозрачным отражающим слоем. При этом емкость диска не удваивается, так как второй слой не может быть столь плотным, как единственный слой, но позволяет одному диску предоставить 8.5 ГБ без необходимости вынимать его из накопителя и переворачивать. Интересная особенность диска DVD заключается в том, что второй слой данных можно считывать от центра диска, а также от периферии. В компакт-дисках стандартной плотности информация всегда запоминается сначала около центра диска. Это же справедливо и для одно- и двухстороннего DVD, но второй слой каждого диска может содержать данные, записанные "наоборот", т.е. на обратной спиральной дорожке. Благодаря этому можно очень быстро рефокусировать линзу с одного отражающего слоя на другой. С другой стороны, в однослойном CD, который хранит все данные на одной спиральной дорожке, требуется больше времени на перемещение оптической считывающей головки в другое место на той же поверхности.

В-третьих, технология DVD допускает двухсторонние диски. Для упрощения фокусировки лазера на меньшие питы производители использовали более тонкую пластиковую подложку, чем в CD-ROM, уменьшив глубину слоя пластика, который должен проходить лазер для достижения питов. Такое уменьшение позволило создать диски толщиной 0.6 мм, т.е. с половинной толщиной CD-ROM. Однако поскольку такие диски оказались слишком тонкими, чтобы оставаться плоскими и удобными в работе, производители "склеили" два тонких диска и получили диск толщиной 1.2 мм. В результате оказалось возможным удвоить эффективную емкость диска. Отметим, что односторонние диски тоже имеют две подложки, но одна не может хранить данные.

Наконец, в DVD реализована более эффективная структура данных. При разработке CD в конце 70-х годов прошлого века было необходимо предусмотреть сложные схемы исправления ошибок, гарантирующие воспроизведение диска. Когда биты предназначены для обнаружения ошибок, их нельзя использовать для полезных данных, поэтому применяемый в DVD более эффективный код исправления ошибок (Error Correction Code - ECC) освобождает больше места для настоящих данных.

Универсальный дисковый формат

Одно из основных достоинств дисков DVD состоит в том, что они объединяют все мыслимые применения компакт-дисков для данных, видео, звука или смеси всех трех в одной физической файловой структуре, называемой универсальным дисковым форматом (Universal Disk Format - UDF). Разработанная Ассоциацией технологии оптической памяти Optical Storage Technology - OSTA), файловая структура UDF гарантирует, что к любому файлу можно обратиться в любом накопителе, компьютере или потребительской видеосистеме. Она также обеспечивает хорошее взаимодействие со стандартными операционными системами, так как включает в себя совместимость со стандартом ISO 9660 на компакт-диски. Формат UDF снимает проблемы несовместимости, от которых страдали компакт-диски, когда стандарт постоянно переписывался всякий раз, когда появлялось новое приложение, например интерактивная мультимедиа или видео.

Так как UDF не поддерживался Windows до поставки Windows 98, провайдеры DVD должны были использовать промежуточный формат, названный UDF Bridge. Формат UDF Bridge представляет собой гибрид UDF и ISO 9660. Windows 95 OSR2 поддерживает UDF Bridge, но предыдущие версии не поддерживают. В результате для совместимости с версиями Windows 95 до OSR2, поставщики DVD должны были предоставлять поддержку UDF Bridge вместе со своими аппаратными средствами.

Накопители DVD-ROM

Аналогично дискам DVD имеется мало отличий накопителя DVD-ROM от обычного накопителя CD-ROM за исключением логотипа DVD. Даже внутри накопители имеют больше сходств, чем отличий: интерфейсом служит ATAPI или SCSI для более совершенных накопителей, а транспорт очень похож на механизм транспорта любого накопителя CD-ROM. Данные CD-ROM записываются вблизи поверхности диска. Слой данных диска DVD находится посередине, поэтому диск может быть двухсторонним.

Лазер другой и для него имеются две линзы на поворотном шарнире: одна для фокусировки луча на слои данных DVD, а другая для считывания обычных компакт-дисков.

Накопители DVD-ROM вращают диск значительно медленнее, чем накопители CD-ROM.

Но поскольку данные упакованы намного плотнее, пропускная способность существенно лучше, чем у накопителя CD-ROM с эквивалентной скоростью вращения.

Если накопитель 1x CD-ROM имеет максимальную скорость передачи данных всего 150 КБ/с, то накопитель 1x DVD-ROM может передавать данные со скоростью 1250 КБ/с, что соответствует скорости накопителя 8x CD-ROM.

Накопители DVD-ROM стали широко доступны в начале 1997 г. и эти первые устройства 1x могли также считывать диски CD-ROM со скоростью 12x, что достаточно для воспроизведения полноэкранного видео. По мере совершенствования технологии появились более скоростные накопители. К началу 1998 г. на рынке появились многоскоростные накопители DVD-ROM, которые могли считывать носитель DVD с двойной скоростью, обеспечивая скорость передачи данных 2700 КБ/с, и носитель CD с 24-кратной скоростью. К концу года появились накопители DVD-ROM с 5-кратной скоростью, а через год достигнута 6-кратная скорость (8100 КБ/с) для носителя DVD и 32-кратная скорость при считывании CD-ROM.

Диски DVD-Video

Диски DVD-Video обычно кодируются с мастер-лент цифровой студии в формате MPEG-2. Этот формат обеспечивает лучшее сжатие по сравнению с MPEG-1 и дает более резкую и чистую картинку. Закодированное в формате MPEG-2 видео обычно использует 480 горизонтальных строк на кадр (720 x 480 пикселов) вместо 425 строк для лазерных дисков и 250-270 строк для видео VHS.

Односторонний (DVD-5) диск DVD-Video был разработан для хранения типичного полнометражного фильма, который длится в среднем 133 минуты. Кодирование MPEG-2 использует сжатие с потерями, которое удаляет избыточную информацию (например, области картинки, которые не изменяются) и информацию, которую плохо воспринимает глаз человека. Получающееся видео, особенно если оно сложное и быстро изменяется, иногда содержит визуальные дефекты, зависящие от качества обработки и коэффициента сжатия. При сжатии MPEG-2 полнодвижущееся изображение требует минимальную скорость видеоданных 3500 Кб/с. Цифровой объемный звук (центральный, левый, правый, левый задний, правый задний направленные каналы плюс ненаправленный субвуфер) требует дополнительную скорость 384 Кб/с. Если добавить дополнительную память для диалоговых дорожек на разных языках и титры, требуемая скорость увеличивается до 4692 Кб/с или 586 КБ/с для каждой секунды 133-минутного фильма (минимум 4 Мб/с необходимо для получения высококачественных результатов). Общая память для хранения фильма составляет 4.68 ГБ. Повышенные скорости передачи данных могут дать лучшее качество с почти невоспринимаемым отличием от мастер-дисков со скоростью 6 Мб/с. По мере совершенствования технологии сжатия MPEG можно получить лучшее качество при меньших скоростях.

Конечный результат состоит в том, что воспризводимый с диска DVD-Video фильм должен смотреться лучше фильма, воспроизводимого с потребительской кассеты или лазерного диска, если изображение кодировалось знающим человеком. Кроме того, диски DVD-Video обычно поддерживают несколько коэффициентов формы, позволяя зрителю выбирать минимум из двух форматов: широкий экран 16:9 или обычное отношение 4:3. Наконец, диски DVD-Video обычно допускают выбирать из восьми языков и из 32 различных наборов субтитров.

Для двухслойного диска (DVD-9) емкость повышается до хранения фильма продолжительностью 240 минут. Двухсторонний диск (DVD-10) может хранить фильм продолжительностью 266 минут, но диск нужно перевернуть для просмотра другой стороны. Многие DVD-фильмы используют преимущество двухсторонних дисков, помещая на одной стороне фильм для обычного телевизора или монитора с коэффициентом формы 4:3, а на второй стороне широкоэкранную версию с коэффициентом формы 16:9.

Имеются два способа записи слоев данных диска DVD: параллельный тракт дорожки (Parallel Track Path - PTP) и противоположный тракт дорожки (Opposite Track Path - OTP). В PTP-дисках оба слоя считываются от центра диска к периферии, а в OTP-дисках внешний слой считывается изнутри наружу, а затем происходит переход к внутреннему слою. Это позволяет накопителю считать оба слоя почти непрерывно с очень коротким перерывом для рефокусировки собирающих линз. Это особенно полезно для DVD-фильмов, где требуется продолжительное время воспроизведения без прерывания.

Кодирование

Диски DVD-Video можно закодировать с помощью алгоритмов MPEG-1 или MPEG-2, как показано в приведенной таблице. Кодирование с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate - VBR) обеспечивает лучшее качество изображения при меньшей средней битовой скорости, используя больше данных для кодирования тех частей видео последовательности, которые являются более сложными или плохо сжимаются.

При использовании кодирования с постоянной битовой скорости (Constant Bit Rate - CBR) скорость видеоданных должна быть достаточно высокой для хорошего кодирования всего видео.

В первых накопителях DVD-ROM применялись два подхода для доставки видео MPEG-2. В некоторых из них использовался способ аналогового оверлея (analogue overlay), называемый также оверлеем видео (video overlay) или просто оверлеем (overlay). В других использовался способ VGA-inlay, который иногда называется VideoInlay. В обоих способах видео отображается в окне или на полном экране, но применяются разные подходы. Способ VideoInlay опирается на графический адаптер РС для масштабирования видео и вывода его на монитор. Наоборот, платы оверлея предоставляют свои схемы масштабирования и сами выводят видео, совмещая его с графическим выводом, передаваемым из карты VGA. При использовании таких плат прикладываемый к ним кабель проходит от VGA для подключения дисплейного адаптера к входу на скобе платы декодера.

Основной недостаток способа VGA-inlay заключается в нагрузке на систему. Хотя передача 30 кадров видео в секунду не насыщает шину PCI, все же коэффициент использования шины получается большим. При воспроизведении сцен, закодированных с высокой битовой скоростью, платы VGA-inlay могут перегрузить старые медленные дисплейные адаптеры огромным потоком данных, требуя снижения разрешающей способности по горизонтали для получения приемлемой картинки.

Требуя несколько больше усилий на установку и конфигурирование по сравнению с платами VGA-inlay, платы оверлея видео требуют меньше системных ресурсов и допускают более широкое разнообразие аппаратных средств. Несмотря на то, что вывод видео оказывается менее отчетливым по сравнению с отображаемым платами VGA-inlay, способ оверлея видео имеет то преимущество, что может обеспечить достаточную производительность почти с любой видеокартой.

Оригинальной спецификацией формата кодирования звука для европейских DVD-дисков был объемный звук MPEG-2, что порождало некоторую путаницу, так как для остального мира DVD основным форматом стал формат Dolby Digital AC3. Ситуация прояснилась в январе 1998 г., когда DVD Forum согласился на двойной стандарт, допускающий оба формата кодирования.

На выпуск дисков DVD-Video серьезное влияние оказали технические проблемы, не последней из которых оказалось шифрование. Плейеры DVD-Video вначале появились в Японии в ноябре 1996 г., а затем в марте 1997 г. в США. Появление их в Европе задержалось до осени 1998 г.

Шифрование

В конце 2000 г. применялись или разрабатывались шесть способов защиты дисков DVD от копирования:

• Аналоговый CPS (Macrovision): Общее название - аналоговая система защиты (Analogue Protection System - APS). Система предназначена для предотвращения копирования на потребительский видеомагнитофон. Производитель диска решает, какую степень защиты от копирования применить и платит компании Macrovision соответствующую сумму. Как и в случае с видеокассетами, некоторые DVD-диски защищены по способу Macrovision, а другие не защищены.
• CGMS: Система управления серийного получения копии (Serial Copy generation Management System) предназначена для предотвращения получения копии или копии с копии. Информация CGMS встраивается в выходной видеосигнал. Чтобы система CGMS работала, оборудование для получения копии должно распознавать и реагировать на информацию CGMS.
• CSS: Система шифрования содержания (Content Scrambling System) является разновидностью шифрования данных для запрещения считывания файлов носителя непосредственно с диска. Система требует, чтобы накопители DVD-ROM и схемы или программы видеодекодера включали в себя схему дешифрования, которая декодирует данные перед их отображением.
• CPPM: Защита содержания записанного носителя (Content Protection for Prerecorded Media) заменяет систему CSS для DVD-Audio. Ключи хранятся в начальной области (lead-in), но нет ключей названия диска в заголовках секторов. Ключ диска заменяется идентификатором альбома (album identifier).
• CPRM: Механизм защиты содержания для записываемого носителя (Content Protection for Recordable Media) поддерживается всеми рекордерами DVD, выпущенными после 1999 г. Здесь запись ассоциируется с носителем, на котором она записывается. Код шифрования ассоциируется с уникальным 64-битовым идентификатором ID диска, который выжигается в области BCA (Burst Cutting Area) пустого записываемого DVD-диска, когда на диск записывается защищаемое содержание.
• DTCP: Защита содержания цифровой передачи (Digital Transmission Content Protection) является первой из нескольких разрабатываемых систем защиты цифровых копий (Digital Copy Protection System - DCPS). Черновой вариант (он называется 5CP - five-company proposal) представлен компаниями Intel, Sony, Hitachi, Matsushita и Toshiba в феврале 1998 г. и касается цифровых соединений между компонентами с помощью шины IEEE 1394. Содержание помечается стандартными флажками CGMS - 'copy never' (никогда не копировать) или 'copy once' (копировать однократно). Соединяемые устройства, например плейер DVD и цифровой телевизор, для установления канала будут обмениваться ключами и сертификатами аутентификации. Первые изделия, использующие DTCP, появятся в конце 2001 г.

Региональное кодирование

Киностудии хотят управлять выпуском фильмов в разных странах, так как фильмы выходят не одновременно (фильм может в США выйти на дисках, а в Европе еще не сошел с экранов). Кроме того, киностудии продают права на распространение различным иностранным дистрибьюторам и хотят гарантировать исключительный рынок. Поэтому они требуют, чтобы стандарт на DVD включил в себя коды, которые можно использовать для предотвращения воспроизведения конкретных дисков в определенных географических регионах. Каждому плейеру придается код региона, в котором он продан. Плейер будет отказываться воспроизводить диски, которые не разрешены в данном регионе. В результате диски, купленные в одной стране, нельзя воспроизвести на плейерах, купленных в другой стране.

Региональные коды необязательны для производителя диска. Диски без кодов будут воспроизводиться на любом плейере в любой стране. Это не система шифрования, а просто один байт информации на диске, который распознает восемь мировых регионов для DVD, контролируемых плейером:

Диски DVD-R

Записываемые диски DVD-R (DVD Recordable) похожи на диски CD-R и представляют собой носитель с однократной записью, который может содержать любой тип информации массовых DVD-дисков - видео, аудио, изображения, файлы данных, мультимедийные программы и т.д. В зависимости от типа записанной информации диски DVD-R можно воспроизвести почти в любом DVD- совместимом устройстве, включая накопители DVD-ROM и плейеры DVD Video. Диски DVD-R в первую очередь потребовались при разработке дисков DVD-ROM, так как разработчикам программного обеспечения был нужен простой и относительно дешевый способ получения тест-дисков до перехода к массовому выпуску.

Впервые выпущенный осенью 1997 г. носитель DVD-R имел емкость 3.95 ГБ. Впоследствии она была повышена до 4.7 ГБ для однослойного и одностороннего диска DVD-R. Поскольку формат DVD поддерживает двухсторонний носитель, на одном двухстороннем диске DVD-R можно сохранить до 9.4 ГБ. Данные можно записывать на диск со скоростью 11.08 Мб/с (это эквивалент скорости "1Х" для DVD), что примерно эквивалентно скорости передачи "1Х" для CD-ROM. После записи диски DVD-R можно было считывать с такой же скоростью, что и массовые диски, в зависимости от кратности "Х" используемого накопителя DVD-ROM.

Для дисков DVD-R, как и для CD-R, применяется вращение с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocity - CLV), чтобы максимизировать плотность данных на поверхности диска. Для этого требуется обеспечивать переменное число оборотов в минуту по мере движения в процессе записи или считывания диска от одного конца к другому. Запись начинается с внутреннего радиуса и заканчивается на внешнем. При скорости "1Х" скорость вращения диска изменяется от 1623 до 632 об/мин для носителя емкостью 3.95 ГБ и от 1475 до 575 об/мин для носителя емкостью 4.7 ГБ в зависимости от положения головки на поверхности диска. На носителе емкостью 3.95 ГБ шаг дорожек составляет 0.8 мкм, а на носителе емкостью 4.7 ГБ - 0.74 мкм.

Чтобы достичь 6-7-кратного повышения емкости по сравнению с CD-R, необходимо изменить два ключевых компонента аппаратуры записи: длину волны записывающего лазера и численную апертуру фокусирующей его линзы. Для дисков CD-R применяется инфракрасный лазер с длиной волны 780 нм, а для дисков DVD-R - красный лазер с длиной волны 635 нм. В то же время, численная апертура объектива типичного накопителя CD-R составляет 0.6, а в накопителе DVD-R используются линзы с численной апертурой 0.6. Все это позволяет записать питы 0.40 мкм по сравнению с 0.834 мкм на дисках CD-R.

В следующей таблице приведены основные параметры для обоих типов носителей:

Запись на диск DVD-R реализуется с помощью записывающего слоя красителя, который "навечно" трансформируется сфокусированным лучом красного лазера.

Субстанция красителя нанесена на прозрачную поликарбонатовую подложку, которая образует одну сторону "тела" законченного диска. На поверхности подложки образована микроскопическая спиральная дорожка в виде бороздки. Эта бороздка используется накопителем DVD-R для наведения записывающего луча лазера в процессе записи и содержит записанную информацию по окончании записи. Затем на записывающий слой напыляется тонкий слой металла, чтобы при воспроизведении считывающий лазерный луч мог отражаться от диска. После этого на металлическую поверхность наносится защитный слой.

Рассмотренные действия выполняются для каждой стороны диска, используемой для записи. Если требуется только одна записывающая сторона, то обратная сторона может содержать этикетку или другую видимую информацию. Если для записи требуются обе стороны, то две записываемые стороны можно склеить. В этом случае каждая сторона должна считываться путем переворачивания диска, так как двухслойная технология пока не поддерживается.

Собственно запись производится моментальной экспозицией записывающего слоя мощным лазерным лучом (примерно 8-10 мВт), который точно фокусируется на поверхности. Когда слой красителя нагревается, он "навечно" изменяется и в бороздке формируются микроскопические отметки. Эти записанные отметки отличаются по длине в зависимости от продолжительности включения и выключения лазера и таким образом информация сохраняется на диске. Световая чувствительность записывающего слоя настроена на соответствующую длину света, поэтому экспозиция окружающим светом или воспроизводящими лазерами не повреждает запись.

Воспроизведение реализуется фокусировкой маломощного лазера с примерно той же длиной волны (635 или 650 нм) на поверхность диска. Области лэндов между отметками являются отражающими, т.е. большая часть падающего света возвращается в оптическую головку плейера. Записанные отметки отражают плохо, поэтому возвращается только небольшая часть падающего света. Набор "вкл-выкл" интерпретируется как модулированный сигнал, который затем декодируется в оригинальные пользовательские данные устройством воспроизведения.

Все диски DVD, записываемые или нет, должны иметь записанные три основные области: начальная область (lead-in), пользовательские данные и конечная область (lead-out). Начальная и конечная области являются границами, которые показывают устройству воспроизведения, где находятся внутренний и внешний пределы записи. Они не содержат доступной пользователю информации, но очень важны для обеспечения правильного функционирования диска. Базовый процесс записи аналогичен используемому в технологии дисков CD-R.

Имеются два основных метода записи на диск DVD-R - "диск сразу" (disc-at-once) и инкрементная запись (incremental writing:

• Метод "диск сразу" подразумевает запись данных на весь диск до 4.7 ГБ данных за один раз. Компьютер должен предоставлять данные с полной скоростью 11.08 Мб/с во время всей записи, чтобы избежать ошибок недогрузки буфера; такие ошибки можно минимизировать, обеспечив буфер записи большой емкости. Запись выполняется таким образом, что начальная область, область данных и конечная область записываются последовательно. Это отличается от записи дисков CD-R, в которых первой записывается область данных, затем начальная область и оглавление, а после этого конечная область. Запись "диск сразу" применяется для авторского видео из-за большого размера программ. Ее можно использовать также для мультимедийных дисков, а также работ, которые вначале собираются на жестком диске в виде законченного файла-изображения для тестирования их на оптических дисках DVD.
• Инкрементная запись также поддерживается форматом DVD-R. Она очень похожа на технологию пакетной записи, которая применяется для дисков CD-R. Инкрементная (постепенная) запись предоставляет пользователю возможность добавлять файлы прямо на диск DVD-R по одному вместо накопления всех файлов на жестком диске до записи, как этого требует метод "диск сразу". Минимальный размер при записи должен быть 32 КБ (даже если записываемый файл меньше), так как на такой минимальный блок рассчитан код исправления ошибок (Error Correction Code - ECC) для дисков DVD. Диск, на который производится инкрементная запись, нельзя считать законченным томом до сохранения последней информации или заполнения диска. Начальную и конечную области нельзя записать до удовлетворения одного из приведенных условий. Такой незаконченный (unfinalised) диск без начальной области, конечной области и данных о полной файловой системе можно считать только в накопителе DVD-R. После "финализации" с диска может считывать устройство воспроизведения, но добавить данные на диск уже невозможно.

К концу 1999 г. накопители DVD-R оставались медленными и чересчур дорогими (примерно в десять раз дороже накопите DVD-ROM) и их распространению помешало появление в середине 1999 г. накопителей DVD-ROM, способных считывать диски DVD-RAM. Благодаря большим емкости и долговечности (срок службы носителя около 100 лет) делает диски DVD-R удобными для долгосрочного архивирования любой цифровой информации. Так как диски DVD по размерам идентичны семейству компакт-дисков, они совместимы с многодисковыми накопителями и автоматами смены дисков. Это позволяет применять для автоматизированного поиска в записанных томах DVD-R в сетевой среде с 6-7-кратным превышением емкости стандартных CD-R. Спецификация Версии 2 форума DVD Forum, законченная в мае 2000 г., и последующее повышение емкости до 4.7 ГБ будут стимулировать широкое распространение дисков DVD-R.

Однако повышение емкости дисков DVD-RAM до 4.7 ГБ в середине 2000 г. вместе с обещанием их совместимости с видеомагнитофонами на основе DVD-RAM, которые появятся в 2000 г., сужает области применения дисков DVD-R до ограниченного числа специальных применений.

Диски DVD-RAM

Перезаписываемые (Rewritable) накопители DVD-ROM или DVD-RAM используют технологию смены фазы с некоторыми способами магнито-оптической технологии вместо чисто оптической технологии дисков CD и DVD. Начало им было положено в системе оптических дисков PD (Phase-change Dual). Формат бороздки лэндов ('land groove') позволяет записывать сигналы на образованные на диске бороздки, а также на лэнды между бороздками. Бороздки и заголовки секторов "выплавляются" на диске в процессе изготовления. Первое поколение изделий DVD-RAM обеспечивало 2.6 ГБ повторно используемого пространства данных на любой стороне диска. Однако эти первые накопители будут несовместимы со стандартом большей емкости, в котором используется слой улучшения контраста (contrast enhancement layer) и тепловой буферный слой (thermal buffer layer) для достижения большей емкости. Компания Hitachi достигла емкости 4.7 ГБ, уменьшив размер отметки с 0.41/0.43 мкм до 0.28/0.30 мкм и шаг дорожек с 0.74 мкм до 0.59 мкм.

Главное различие между DVD-RAM и ROM состоит в совместимости. Односторонние диски DVD-RAM поставляются с картриджами или без них и считываются накопителями DVD-ROM четвертого поколения, которые появились в конце 1999 г. Имеются два типа картриджей: Type 1 закрыт, а Type 2 допускает удаление диска. Картридж имеет размеры 124.6x135.5x8.0 мм. Диск можно записывать только тогда, когда он находится в картридже. С другой стороны, двухсторонние диски DVD-RAM выпускаются только в закрытых картриджах Type 2 и их нельзя считать в современных накопителях DVD-ROM.

Компания Panasonic осенью 1998 г. первой выпустила накопитель DVD-RAM модели LFD101 первого поколения, рассчитанный на интерфейс SCSI. Он мог записывать данные на диски DVD-RAM со средней скоростью 0.5 МБ/с и считывать данные со скорость в 2-3 раза выше. Накопитель мог также считывать диски DVD-ROM с 2-кратной скоростью и диски CD-ROM с 20-кратной скоростью. Накопитель LFD101 обеспечивает форматирование дисков DVD-RAM в формате UDF или стандарте FAT16, а также может работать диски в формате PD. Основное достоинство применения формата UDF состоит в том, что можно использовать полную емкость каждой стороны диска DVD-RAM, обходя предел в 2 ГБ, определяемый FAT16. Один из недостатков первых накопителей заключается в том, что они не могли работать с появившимися вскоре дисками DVD-RAM двойной плотности.

В начале 1999 г. первый свой накопитель DVD-RAM модели GF-1050 выпустила компания Hitachi. Он мог считывать двухскоростные диски DVD-ROM, но диски CD-ROM, CD-R и CD-RW считывал с 8-кратной скоростью, т.е. медленнее, чем накопитель компании Panasonic. Накопитель работал в режиме с постоянной линейной скоростью.

В середине 2000 г. компания Panasonic вновь первой выпустила накопитель DVD-RAM второго поколения. Он имел полную емкость 4.7 ГБ на одной стороне диска (но после форматирования она уменьшалась до 4.2 ГБ), как и однослойный диск DVD-ROM. Важно отметить, что этот диск DVD-RAM имел достаточную емкость для записи 2-часового высококачественного фильма в формате MPEG-2, что делало его идеальной заменой видеоленты. Качество записанных видеокассет начинало ухудшаться после воспроизведения 20 раз, а производители дисков объявили, что носитель DVD-RAM можно перезаписывать 100 000 раз и он сохраняет целостность данных в течение минимум 30 лет. В дополнение к форматам FAT, FAT32 и UDF 1.5 носитель емкостью 4.7 ГБ можно также форматировать в стандарте UDF 2, обеспечивая совместимость с будущим поколением видеомагнитофонов на базе DVD-RAM, которые должны появиться в 2001 г.

Диски DVD+RW

Спецификация DVD-RAM была компромиссом между отличающимися предложениями двух главных конкурентов - группы компаний Hitachi, Matsushita Electric и Toshiba с одной стороны и компаний Sony и Philips, причем лидерство захватила первая группа.

Неудача компаний Sony и Philips стала очевидной летом 1997 г., когда совместно с компанией Hewlett-Packard они отошли от согласованного формата для разработки перезаписываемого диска со сменой фазы (Phase-Change Rewritable - DVD+RW). Этот конкурирующий перезаписываемый формат, опирающийся на технологии DVD и CD-RW, был несовместим со стандартом DVD-RAM, который был принят всего три месяца назад. Разработчики дисков DVD+RW представили модифицированную форму их оригинальной спецификации Европейской Ассоциации производителей компьютеров (European Computer Manufacturers Association - ECMA) для принятия в качестве стандарта.

Накопители DVD+RW, способные считывать DVD-ROM и CD, используют технологию смены фазы с извилистой дорожкой либо формат CLV для последовательного доступа к видео, либо формат CAV для произвольного доступа. Рекламировалось, что накопитель имеет скорость передачи данных 1.7 МБ/с и лучшее время доступа по сравнению с DVD-RAM. Кроме того, работа с накопителями DVD+RW аналогична работе со знакомыми пользователям накопителями CD-RW. Например, пользователи могли записывать на "голый" диск или воспользоваться картриджем. В то же время накопители DVD-RAM требовали носителя только в картридже. Более того, объявлено, что накопители DVD+RW второго поколения будут записывать диски CD-R и CD-RW, что является еще одним преимуществом формата по сравнению с накопителями DVD-RAM.

Приверженцы накопителей DVD+RW особенно критиковали обязательность картриджа для дисков DVD-RAM, что делало их похожими на большой гибкий диск; они считали, что подход DVD-RAM заставить модифицировать накопители DVD-ROM для восприятия картриджей и дисков. Односторонний диск DVD-RAM можно вынуть из картриджа для воспроизведения в любом накопителе DVD-ROM, но производители дисков заявили, что диск DVD-RAM нельзя надежно заменить для дальнейшей записи.

Консорциум дисков DVD+RW заявил также, что требование картриджа для DVD-RAM может привести к громоздким механизмам картриджа, ограничивая применение этой технологии для лаптопов. С другой стороны, входящие в DVD Forum компании Matsushita, Hitachi и Toshiba считали, что картридж DVD-RAM улучшает надежность, особенно для двухстороннего носителя, и что расходы и трудности производства накопителей DVD-ROM drives, физически совместимых с DVD-RAM, преувеличены.

У двух форматов имеются отличия в структуре данных. Диски DVD+RW похожи на диски CD-RW тем, что данные записываются на подготовленные бороздки чистого диска и файловая система разбита на блоки данных. Диски DVD-RAM используют для хранения данных бороздки и лэнды с каждой стороны бороздок и имеют структуру данных типа PD, основанную на рельефные маркеры. На уровне данных форматы несовместимы и диски одного формата нельзя записывать на устройстве записи с другим форматом.

В результате конкурентной борьбы к концу 1998 г. оказалось, что на рынке РС имеются минимум два формата перезаписываемых дисков DVD. Обе конкурирующие группы настаивали на том, что в своих накопителях DVD-ROM они не будут поддерживать другой формат перезаписываемых дисков. Например, накопитель DVD-ROM компании Sony может считывать диски DVD+RW, но отвергает диски DVD-ROM, а накопитель компании Pioneer ведет себя прямо противоположно. Несмотря на упорство обеих сторон, представляется, что индустрия РС может оказать коммерческое давление на производителей обеих групп для поддержки обоих форматов, по крайней мере, в их накопителях DVD-ROM.

Несмотря на конкурентную борьбу и несогласованность стандартов на диски DVD, к счастью, имеется минимум одна организация, которая отстаивает интересы потребителей - Ассоциация технологии оптической памяти (Optical Storage Technology Association - OSTA). Своей спецификацией MultiRead она гарантирует обратную совместимость по считыванию среди всех типов накопителей, включая CD и DVD.

Диски DVD-RW

Ранее называвшиеся дисками DVD-R/W, а также DVD-ER, диски DVD-RW представляют собой эволюционное развитие существующей технологии CD-RW/DVD-R компанией Pioneer. Эти диски появились в конце 1999 г. Имея такие же шаг дорожек, длину отметок и управление вращением, как и диски DVD-R, диски DVD-RW обеспечивают емкость 4.7 ГБ. Используемая в них технология смены фазы означает, что эти диски имеют более высокую отражательную способность по сравнению с дисками DVD-RAM или DVD+RW и их могут считывать существующие накопители DVD-ROM. Формат дисков DVD-RW принят Форумом DVD Forum для оценки как возможного члена семейства DVD.

Спецификация MultiRead

Ассоциация технологии оптической памяти (Optical Storage Technology Association - OSTA) не относится к организация по стандартизации, но входящие в нее компании производят более 80% записываемых оптических изделий. Спецификации Ассоциации принимаются как консенсус всех членов, а не утверждаются комитетом.

Спецификация MultiRead определяет требования, которые должны удовлетворяться для того, чтобы накопитель воспроизводил или считывал все четыре основных типа компакт-дисков: CD-Digital Audio (CD-DA), CD-ROM, CD-Recordable (CD-R) и CD-Rewritable (CD-RW). Спецификация была разработана и предложена Ассоциации компаниями Hewlett-Packard и Philips. Ассоциация OSTA приняла спецификацию и образовала открытый форум для заинтересованных членов с целью уточнения спецификации. В ходе обсуждения было сделано несколько важных улучшений, включая обеспечение возможности считывания дисков CD-R в накопителях DVD-ROM. Через некоторое время спецификация была ратифицирована Советом Директоров Ассоциации OSTA.

Соблюдение спецификации MultiRead является добровольным. Для поддержки внедрения спецификации была принята программа утверждения логотипа, которой администрирует компания Hewlett-Packard. Компании, желающие иметь логотип MultiRead на своих накопителях, должны сами проверить их согласно плану тестирования, опубликованному на Web-сайте Ассоциации OSTA. Для получения лицензии на право использования логотипа необходимо отправить отчет о результатах проверки в компанию Hewlett-Packard вместе с номинальной платой за лицензию.

Как эта спецификация повлияет на "битву" стандартов перезаписываемых DVD? Она защищает потребителей, предоставляя им знание того, какой тип накопителя они приобретают (если два разных стандарта сохранятся). При наличии на накопителе логотипа MultiRead потребителям гарантируется возможность считывания всех прежних типов носителей. Единственная несовместимость остается только между накопителями DVD-RAM и DVD+RW. Поэтому потребители могут не беспокоиться о вложении средств в носители или о носителях, полученных на сегодняшних накопителях. Все будет совместимо с будущими накопителями, имеющими логотип MultiRead.

Проблемы совместимости

Формат дисков DVD страдал от проблем совместимости с самого начала. Некоторые из них были решены, но другие, особенно касающиеся вариантов перезаписываемых дисков и видео-дисков, сохранились и могут принять такой же масштаб, какой в свое время имела проблема форматов VHS и Beta в индустрии видеомагнитофонов.

Одной из первых проблем возникла проблема несовместимости дисков CD-R и CD-RW. Красители, используемые в некоторых из этих дисков не отражали достаточно света от дисков DVD-ROM и их было невозможно считывать. Для носителя CD-RW эта проблема была легко решена спецификацией MultiRead путем оснащения накопителей DVD-ROM головками, рассчитанными на лазеры с двумя длинами волн. Однако заставить накопители DVD-ROM надежно считывать все носители CD-R оказалось намного более сложной проблемой. Лазеру DVD очень трудно считывать краситель CD-R, так как изменение отражения данных при длине волны 650 нм очень малы, а при длине волны 780 нм почти такие же, как у носителя CD-ROM. Кроме того, модуляция при длине волны 650 нм также невелика. Разработать электронику, которая воспринимает такое изменение отражения, очень сложно и дорого. В то же время, сигнал от CD-RW при длине волны 780 нм или 650 нм составляет примерно одну четвертую сигнала от CD-ROM. Такое отличие можно преодолеть, повышая усиление примерно в четыре раза. Вот почему диски CD-RW первоначально предлагались многими компаниями как наилучший мост для записываемых носителей для DVD от технологии CD.

Диски DVD-R Video можно воспроизводить в видеоплейере DVD, а также в компьютере, который имеет накопитель DVD-ROM, удовлетворяющую DVD карту декодера MPEG (или программный декодер) и прикладную программу, которая эмулирует функции управления видеоплейера. Записанный диск DVD-ROM можно считать в компьютере, имеющем накопитель DVD-ROM, а также в компьютере, оснащенном оборудованием для воспроизведения видео DVD, как приведено ранее. Однако компоненты DVD Video не нужны, если материал DVD Video не нужен или отсутствует на диске.

К осени 1998 г. накопители DVD-ROM все еще не могли считывать перезаписываемые диски DVD. Такая несовместимость была преодолена в так называемых накопителях третьего поколения, которые содержали такие модификации микросхем, которые позволяли им считывать различные физические компоновки данных DVD-RAM или реагировать на дополнительные заголовки в потоке данных DVD+RW. Первые накопители DVD-ROM, способные считывать диски DVD-RAM, появились в середине 1999 г.

Еще одной проблемой для первых накопителей DVD-ROM была скорость. К середине 1997 г. лучшие накопители CD-ROM использовали полную постоянную угловую скорость (Constant Angular Velocity - CAV) для достижения более высокой скорости передачи данных и снижения вибрации. Однако в первых накопителях DVD-ROM применялась постоянная линейная скорость (Constant Linear Velocity - CLV). Это не было проблемой для дисков DVD, так как их высокая плотность допускала более медленные скорости вращения. Но поскольку CLV использовалась также для считывания дисков CD-ROM, скорость, с которой CLV-накопитель DVD-ROM мог считывать такие диски, фиксировалась на уровне 8Х.

Эти проблемы замедлили широкое использование накопителей DVD-ROM в течение всего 1997 г., и промежуток между появлением первых и вторых накопителей составил полгода. Однако в начале 1998 г. появились накопители второго поколения, которые могли считывать диски CD-R и CD-RW, причем производительность для дисков DVD была эквивалента двойной скорости, а для дисков CD-ROM эквивалента 20-скоростному накопителю CD-ROM. К середине 1999 г. наметился поворот к накопителям DVD-ROM, которые по объему продаж стали превосходить накопители CD-ROM.

В следующей таблице показана совместимость по считыванию различных накопителей DVD. В таблице аббревиатура 'DD' означает "зависит от накопителя" (Drive Dependent):

В середине 2000 г. записывающие накопители DVD все еще не могли записывать на носители CD-R и CD-RW, но появились признаки того, что в новых версиях накопителей такая возможность появится.

Диски DVD-Audio

Первыми носителями оптической памяти были звуковые компакт-диски. С тех пор области цифрового звука и цифровых данных развивались совместно, а технологические достижения одной области использовались и в другой. Прошло несколько лет, прежде чем компьютерная индустрия поняла важность CD как совершенного носителя для хранения и распространения огромных объемов цифровых данных. Однако в 90-е годы прошлого века накопители CD-ROM превратились в стандартное периферийное устройство РС.

В борьбе за стандарт DVD-Audio конкурируют супераудио CD (Super Audio CD - SACD) и цифровой аудиодиск (Digital Audio Disc - DAD). Когда один из этих стандартов окончательно победит, появятся диски с разрешающей способностью 24 бита и частотой дискретизации 96 кГц в отличие от современного формата 16 бит и 44.1 кГц. Формат SACD обратно совместим с существующими плейерами, что поможет ему победить в борьбе за потребителей.

Когда в 1996 г. были выпущены диски DVD, они не включали формат DVD-Audio. После усилий Форума DVD Forum объединиться с ведущими компаниями музыкальной индустрии в начале 1998 г. был разработан черновой вариант стандарта. Весной 1999 г. опубликована спецификация DVD-Audio 1.0.

DVD-Audio включает в себя вариант цифрового звука с импульсно-кодовой модуляцией (Pulse Code Modulation - PCM), где размеры и частоты выборок больше, чем в звуковых CD. В альтернативном варианте звук для большинства фильмов хранится как дискретный многоканальный объемный звук. Здесь применяется сжатие звука Dolby Digital или Digital Theatre Systems Digital Surround (DTS), аналогичное форматам цифрового объемного звука, используемого в театрах. Формат кодирования звука DTS аналогичен Dolby Digital и требует наличия декодера в плейере или во внешнем приемнике. Он объединяет каналы для субвуфера (subwoofer) и пяти динамиков - переднего левого, переднего центрального, переднего правого, заднего левого и заднего правого. Считают, что благодаря меньшему коэффициенту сжатия звук DTS воспроизводится лучше, чем Dolby Digital. Качество звука, как и качество видео, зависит от того, насколько хорошо произведены обработка и кодирование. В зависимости от сжатия качество звука Dolby Digital и DTS может быть равно или выше качества компакт-диска.

Диски DVD-Audio наряду с высококачественными звуковыми файлами будут содержать видео, а также ограниченную интерактивность. Емкость двухслойного диска DVD-Audio будет обеспечивать минимум два часа полного объемного звука и четыре часа для стереозвука. Емкость однослойного диска будет примерно вдвое меньше.

Первые изделия DVD-Audio появились в середине 2000 г. Задержка в их производстве объясняется медленным процессом выбора средств защиты от копирования (шифрование и водяные знаки), выдвинутыми инициативой защищенной цифровой музыки (Secure Digital Music Initiative - SDMI). В конце 1999 г. было принято решение о том, что технология защиты от копирования должна использоваться SDMI, но последующая версия спецификации DVD-Audio с учетом этих средств появилась только в середине 2000 г.

Хотя можно сделать такие диски DVD-Audio, которые будут воспроизводиться в плейерах DVD-Video, но можно сделать и такой диск DVD-Audio, который совсем не воспроизводит плейер DVD-Video. Это вызвано тем, что спецификация DVD-Audio включает в себя такие форматы и средства, с которыми не может справиться DVD-Video. По-видимому, спустя некоторое время появятся универсальные плейеры, которые смогут воспроизводить диски DVD-Video и DVD-Audio.