Андрей Ряхин

DVD-диски: руководство для домашнего пользователя

Содержание:

- Немного истории
- Физические параметры
- DVD-Video как DVD-ROM
- Компрессия видео
- Компрессия звука
- Субтитры, графика и навигация
- Защита от кодирования
- Отображение широкоформатного видео
- Файловая система DVD-Video
- DVD-R/RW DVD+RW

О преимуществах DVD-дисков по сравнению с морально “устаревшими” CD написано так много статей, что новые публикации на эту тему уже перестали привлекать внимание. И это не удивительно, ведь технология записи, хранения и распространения информации на DVD, родилась еще в прошлом веке! А сейчас некоторые из нас уже могут похвастаться DVD-Video плеером и даже домашней библиотекой DVD-фильмов. Правда, еще совсем недавно стоимость таких дисков была столь велика, выбор русскоязычных фильмов столь узок, а возможности записи на DVD собственных видеоматериалов столь ограничены, что большинство все-таки воспринимало DVD как “буржуинский” каприз — бесспорно перспективно, но не актуально, впечатляет, но тратить деньги на эту дорогую “игрушку” пока не стоит.

Ситуация кардинально изменилась этим летом, когда в России появились DVD рекодеры по цене менее $900 (первые модели Pioneer DVR-S101 стоили $18 000, а последовавшие за ними Pioneer DVR-S201 — $5000) и чистые DVD-диски к ним емкостью 4,7 Гбайт по цене около $10. И это только первые ласточки: уже этой зимой ассортимент подобных устройств будет существенно расширен, а их стоимость — снижена. Достаточно качественный кодер MPEG-2 для оцифровки и эффективной компрессии видео сейчас можно приобрести за $500, подешевели и программы для создания (авторинга) образов DVD-Video дисков. И хотя мы говорим об упрощенных продуктах, даже их ограниченного набора функций вполне достаточно, чтобы удовлетворить требования не только домашних, но и большинства корпоративных пользователей. Наконец-то, и в России создание DVD-Video дисков перестало быть уделом только профессионалов, работающих в элитных студиях, а стало доступно для всех. Поэтому, давайте, вспомним основные принципы формата DVD, разберемся в терминах и основных понятиях. Я уверен, что в самое ближайшее время эти знания понадобятся многим.

Годом рождения DVD можно считать 1994. К середине 90-х годов в индустрии создания и распространения коммерческих фильмов для домашнего просмотра практически безраздельно царствовали кассеты VHS, хотя огромные преимущества цифровой записи над традиционными аналоговыми к тому времени уже были доказаны. CD-аудио компакты повсеместно вытеснили виниловые диски: чистый звук, малые размеры, удобство и надежность хранения, долговечность по достоинству были оценены миллионами 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 компрессии MPEG-1, практически осталось на том же уровне, что и у стандартных видеолент. Пожалуй, единственным преимуществом Video-CD была возможность просмотра записанных фильмов на компьютере. Чтобы удовлетворить повышающиеся запросы потребителей к качеству видео, были созданы 12-дюймовые лазерные видеодиски (LD). Несмотря на аналоговый метод записи, они действительно давали определенный выигрыш в качестве, а, 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. Все осознавали, что необходим принципиально новый стандарт для записи видео. И в 1994 г. специальный комитет (Motion Picture Studio Advisory Committe), созданный по инициативе ведущих голливудских компаний, сформулировал основные требования к фильмам на компакт-дисках:

• разрешение видео выше, чем у лазерных дисков;
• звук качества CD и объемное звучание;
• не менее 133 мин видео на одной стороне диска;
• звуковое сопровождение на трех – пяти языках, возможность выбора языка;
• четыре — шесть вариантов субтитров (на тех же или других языках);
• различные форматы отображения широкоэкранного видео на экране;
• возможность запрета просмотра определенных сцен детьми (функция родительской защиты);
• надежная защита от копирования;
• совместимость в отношении воспроизведения с существующими CD-дисками;
• разделение на части и независимый доступ к каждой из них;
• низкая стоимость производства, сравнимая с достигнутой для CD-дисков.

В качестве возможных претендентов были изучены различные форматы, в том числе Super Disc (SD), предложенный в 1995 г. компаниями Toshiba и Warner, и Multimedia CD (MMCD), анонсированный в том же году их извечными соперниками — фирмами Philips и Sony. В качестве компромиссного решения, призванного примирить претендующих на “царство” конкурентов, в конце 1995 г. был создан DVD Consortium, объединивший десять компаний, занимавших лидирующее положение на мировом рынке видеотехнологий (Hitachi, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, Thomson, Time Warner, Toshiba и JVC), который и утвердил спецификацию стандарта DVD-дисков. Она включает следующие основные положения:

• высококачественное MPEG-2 видео с многоканальным объемным звуком длительностью 133 мин или более;
• звуковое сопровождение на восьми языках;
• субтитры на 32 языках;
• интерактивное разветвленное меню с произвольным доступом к различным главам и вариантам отображения;
• возможность задания и выбора пользователем до девяти углов зрения (camera angles) на показываемый объект;
• цифровые и аналоговые защиты от копирования.

Первоначально аббревиатура DVD была образована от названия Digital Video Disc (цифровой видеодиск), а позже ее стали использовать для обозначения многофункциональных цифровых дисков — Digital Versatile Disc. В 1996 г. были опубликованы спецификации DVD-ROM и DVD-Video форматов (версия 1.0), а в конце 1996 г. в Японии проданы первые DVD-плееры. В 1997 г. широкие продажи DVD начались по всей Америке, а годом позже — в Европе, название DVD Consortium было изменено на DVD Forum, и эта организация стала открытой для вступления новых членов. В настоящее время DVD Forum насчитывает более 200 членов (в том числе более 20 европейских), а в его регламентирующий комитет кроме десяти компаний учредителей вошли еще семь: IBM, Intel, NEC, Sharp, LG Electronics, Samsung, Industry Research Institute of Taiwan. В рамках форума постоянно работают восемь групп по следующим направлениям:

• DVD-Video спецификация;
• DVD-диски — спецификация физических параметров;
• файловая система DVD;
• DVD-Audio спецификация;
• DVD-RAM спецификация;
• DVD-R и DVD-RW спецификации;
• системы защиты от копирования;
• промышленные и профессиональные применения DVD;

а также функционируют комитеты по верификации DVD-дисков, DVD- плееров и продвижению DVD-формата.

Внешне DVD-диск напоминает CD: 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 им 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 отражается точно на регистрирующий детектор, его сигнал превышает заданный порог, что и соответствует логической единице. При отсутствии дырки луч рассеивается, сигнал с детектора оказывается ниже заданного порога – фиксируется логический ноль.

CD- и DVD-диски во многом подобны, но их ключевые физические параметры значительно отличаются.

Главное преимущество DVD-дисков по сравнению с CD – существенно более высокая информационная емкость, обеспечивается большей поверхностной плотностью пит. Достичь такого показателя позволили новые технологические решения, среди которых в первую очередь стоит отметить следующие:

• двухкратное уменьшение геометрических размеров пит;
• более чем двухкратное уменьшение шага спирали между соседними дорожками пит;
• применение лазерного луча с меньшей длиной волны и увеличенной до 0,6 апертурой фокусирующей линзы для надежного считывания столь малых пит;
• использование более эффективных схем модуляции цифровых данных и улучшенной схемы коррекции ошибок, позволяющих на порядок повысить надежность считывания данных, несмотря на более высокую плотность их записи.

Еще одно важное отличие DVD-дисков заключается в том, что они всегда двухсторонние. Два отдельных диска (толщина каждого составляет 0,6 мм) склеены между собой нерабочими сторонами. В простейшем варианте данные содержит только одна их сторон, а вторая является пустой.

С каждой стороны может быть не один, а два рабочих информационных слоя: первый – “основной” - выполняется по стандартной технологии создания пит (прессования или выжигания) и напыления отражающего слоя, а 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 после завершения его чтения — на внешнем. Типы DVD-дисков емкостью от 4,7 до 17 Гбайт приведены ниже. Цифра, содержащаяся в их названии типа, соответствует округленному значению емкости.

Пропорционально емкости возрастает допустимая длительность видеофильма, который может быть размещен на диске: для DVD-5 и каждой стороны DVD-10 – 133 мин, для DVD-9 и каждой стороны DVD-18 — 240 мин. В настоящее время наибольшее распространение получили DVD-5 и DVD-10.

DVD-ROM - это фабрично изготовленный DVD-диск, предназначенный только для чтения (ROM – сокращение от Read Only Memory). Такие диски предполагают массовое тиражирование (тысячи и миллионы экземпляров), что, несмотря на сложность технологии, позволяет существенно снизить себестоимость одного диска. На них можно серийно воспроизвести самую различную информацию, поэтому DVD-ROM может быть DVD-Video, DVD-Audio или компьютерным диском, содержащим, например, мультимедийные приложения. Все типы дисков (DVD-Video, DVD-ROM, DVD-Audio) содержат цифровые данные в файлах, причем файловая система для всех дисков общая. Но DVD-Video и DVD-Audio содержат данные в особых директориях, которые не могут быть пустыми — VIDEO_TS и AUDIO_TS. У обычных DVD-ROM эти директории отсутствуют. Поэтому, говоря о DVD-ROM, часто подразумевают диск с компьютерными данными, а 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 привода необходим еще и декодер MPEG-2).

Все данные на дисках DVD-Video подразделяются на две взаимосвязанные категории: навигационные, или управляющие (Control Data), и воспроизводимые объекты (Object or Presentation Data). Навигационные данные служат указателями (адресами) на соответствующие объекты, подобным образом соотносятся таблица FAT (File Allocation Table) компьютерной операционной системы и файлы с данными. Объекты воспроизведения в свою очередь делятся на видео, аудио и графику. Таким образом, DVD-Video диск содержит данные четырех типов.

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

• длительность воспроизведения не менее 133 мин (для DVD-5);
• объемный звук;
• до 32 вариантов субтитров на различных языках;
• различные варианты отображения широкоэкранного видео;
• защиту от копирования и региональное кодирование;
• интерактивность просмотра.

Несложно подсчитать, что при объеме данных 4,7 Гбайт длительность воспроизведения 133 мин определяет среднее значение потока данных, равным 4,7 Мбит/с. При этом максимальный поток данных (включая видео, аудио + субтитры + меню) ограничивается 9,8 Мбит/с (а с учетом контрольной информации — 10,08 Мбит/с). Очевидно, что на долю видео приходится основная часть данных в потоке, и она существенно зависит от числа звуковых каналов. Но в любом случае для передачи видео остается около 4 Мбит/с, поэтому для обеспечения его высокого качества требуется эффективный алгоритм сжатия. Для DVD-Video выбрана компрессия в формате MPEG-2 по схеме 420 MP@ML со структурой GOP 15/3 (более подробно о формате MPEG-2 см. статью “MPEG-2 и нелинейный видеомонтаж”, “ЦВ”, №1’2000). 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-изображений (Intra), P-изображений с предсказанием вперед (P – Predictive) и B-изображений с предсказанием как вперед, так и назад (Bi-directional). Вся временная последовательность изображений разбивается на группы GOP (Group Of Pictures). Каждая GOP обязательно начинается с I-кадра 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-кадру (или I). 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, цифры 420 характеризуют цветовое разрешение и определяют, 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 Мбит/с (в пике – до 10) результирующее качество видео оказывается сравнимым со студийным.

DVD-диски могут нести до восьми цифровых потоков аудио (вариантов звукового сопровождения на разных языках). Каждый из них в свою очередь может содержать от двух (стерео) до шести (или даже восьми) каналов. В последнем случае реализуется концепция объемного звучания 5.1 (или 7.1), при которой звук поступает к слушателю с пяти (или семи) сторон:

• из центра спереди,
• слева и справа спереди,
• слева и справа по бокам (только для варианта 7.1),
• слева и справа сзади.

В любом варианте присутствует низкочастотный канал (НЧ) глубоких тонов, который называют сабвуфером (sub-woofer), он предназначен для передачи особых эффектов глубоких тонов. 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 тому, что используется 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 одного до восьми звуковых каналов с частотой дискретизации 48 или 96 кГц и глубиной оцифровки 16, 20 или 24 бит. При этом полоса частот для 48 кГц составляет 4 24 000 Гц, а для 96 кГц — 4—48 000 Гц, а динамический диапазон записи – 96дБ при 16-битах и более 120 дБ при 20-битном звуке. Платой за такое высокое качество является слишком большой поток данных, требуемый для передачи аудио. Максимальный цифровой поток данных при LPCM составляет 6,144 Мбит/с, а значит, на долю видео остается недопустимо мало. Поэтому некомпрессированный звук используется только в стандарте DVD-Audio, а для DVD-Video, как правило, применяются различные схемы сжатия.

Система Dolby Digital, известная также как AC-3 (Audio Coding 3), обеспечивает звук по схеме 5.1: пять 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 пренебрегает неслышимыми или плохо различаемыми человеческим ухом звуками). При этом происходит определенная потеря данных, зато в результате на шесть каналов звука приходится меньшая доля в потоке данных, чем на два исходных некомпрессированных канала. Для полного варианта 5.1 требуется 348 Кбит/с.

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

Разработанный в США метод DTS (Digital Theater System) является альтернативой Dolby Digital. Он во многом схож с AC-3 (те же методы компрессии и те же алгоритмы кодирования, частота дискретизации 48 кГц, до 24 бит на отсчет), но поток данных может достигать 1536 Кбит/с. В последнее время метод DTS, первоначально разработанный для записи звуковых дорожек к кинофильмам для современных кинотеатров, 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.

В состав DVD-Video кроме динамически меняющегося основного видео могут входить фиксированные изображения (кадры) с различной информацией, требующей внимательного просмотра (чтения), например, страницы со сведениями об авторских правах, предупреждениями 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.

В DVD-Video присутствуют и особые графические субизображения (произвольного размера – от нескольких пикселей до полного кадра 720х576), состоящие всего из четырех цветов (три + 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 восьми 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. Возможность выбора одного из трех 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) – их может быть до 99. Главы в свою очередь состоят из разделов (Chapters - сцен, клипов, программ) – максимальное их число то же 99. Переход на любую из частей диска может выполняться “мгновенно”. 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 для звукового сопровождения и субтитров, угол камеры или даже возможное развитие сюжета, вызывать дополнительную видео и графическую информацию (биографии актеров, подробности съемки и т.д.). Хотя все эти возможности и предусмотрены стандартом, то, насколько они реализуются, зависит от конкретного производителя, и очень часто на DVD- диске размещают только одну главу (например, один фильм).

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. В нашей стране сложилась весьма странная ситуация: Россия (вместе с Африкой, Индией и Пакистаном) попала в пятую зону, хотя в основном у нас продаются диски из Европы (вторая зона) или Америки (первая зона). Впрочем, и DVD-проигрыватели, предлагаемые у нас, предназначены, в основном, для второй зоны. Что касается российских DVD-дисков, то их ассортимент пока очень мал, но зато их выпускают в мультизонном варианте (их можно воспроизвести на любом DVD плеере). Сейчас на рынке широко представлены и мультизонные проигрыватели (довольно часто это достигается местной доработкой аппаратов нашими умельцами).

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. Для дисков разных типов применяются свои схемы кодирования. В DVD-Video используется метод CSS (Content Scrambling System), в DVD-Audio – CPPM (Content Protection for Pre-Recorded Media), в записываемых дисках — CPRM (Content Protection for Recordable Media). CSS-защита требует лицензирования: каждому из лицензиатов “выдается” фиксированный ключ из мастер-набора, содержащего 400 различных ключей. Именно этот ключ записывается на каждый CSS-защищенный диск (по ключу можно определить правообладателя).

Аналоговая защита APS (Analogue Protection System) основана на технологии фирмы Macrovision, заключающейся в том, что волновой фронт аналогового сигнала на выходе проигрывателя подвергается особому роду искажений (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. Правда, APS работает только по композитному выходу, а если получать сигнал через выходы RGB или YUV, он пойдет без искажений. Впрочем, в настоящее время ведется работа по защите от копирования и через “профессиональные” выходы. Правда, российские левши уже научились “дорабатывать” любой DVD-проигрыватель — снимать защиту от перезаписи и “взламывать” 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 смотреть фильм уже практически нельзя, так как даже с процессором мощностью 1 ГГц он идет рывками.

Наконец, стоит упомянуть, что сейчас завершается разработка специальной системы “водяных” знаков – скрытых от просмотра идентификаторов, позволяющих по копии проверить и установить исходный источник и истинного владельца.

Классическое соотношение сторон телевизионного экрана равно 4:3, и именно 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 уже производятся под такой более широкий формат. Однако, парк старых телевизоров столь велик, что задача правильного отображения видео 16:9 на экране 4:3 весьма актуальна. 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 соблюдении 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.

Как уже отмечалось, для дисков всех типов (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 директории VIDEO_TS. Согласно ограничениям формата Micro-UDF, их размер не может быть более 1 Гбайта и они 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 файлов VOB 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 файлов VOB, а их максимальный размер — 1 Гбайт.

Базовой единицей файловой системы диска являются файлы VOB (Video Object). Они включают в себя не только видео и аудио, но вспомогательные субизображения и данные по навигации. 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 пункты программы в соответствии с выбором зрителя (по командам с пульта управления).

Каждый VOB-файл построен из ячеек (Cells) — самых мелких единиц DVD, к которым 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 задается соответствующей цепочкой программы PGC. Глава может иметь как одну цепочку (One_Sequental_PGC_Title), так и несколько (Multi_PGC_Title). Одни ячейки одновременно могут быть задействованы в нескольких цепочках, а на другие зритель будет попадать только в особых случаях.

Разработка полноценного проекта DVD-Video, в котором задействованы все возможности, является трудоемкой творческой задачей, требующей тщательной проработки всех деталей. Программные пакеты, позволяющие реализовывать любые творческие задумки и создавать полноценный образ диска, который соответствует спецификации стандарта, весьма сложны и дорогостоящи. Цена подобных профессиональных программ для DVD-авторинга измеряется тысячами и десятками тысяч долларов. Но уже появились разнообразные облегченные и упрощенные версии таких программ (Impression DVD-SE, Sonic DVDit! LE, Spruce MyDVD, PixelTools SimpleDVD, Ulead GoDVD и др.) стоимостью всего несколько сотен долларов (а некоторые из них условно бесплатны, поскольку входят в комплект поставки плат нелинейного монтажа). Конечно, такие версии ограничивают пользователя минимальным набором функций: только один вариант языка, статичные меню, только стереозвук, упрощенная структура глав. Эти программы ориентированы на непрофессионалов, сравнительно просты в освоении и помогают справиться со сложной задачей построения необходимых связей и создания образа DVD. Только сделав это, можно приступать к финальному этапу – записи созданного образа в формате UDF на DVD-диск.

Одним из главных событий 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 минус RW и плюс RW) вышло из области затяжных теоретических дискуссий на арену практической реализации.

Первый из них настойчиво продвигает компания Pioneer, хотя, несмотря на официальное утверждение DVD-форумом стандарта DVD-R, долгое время она оставалась в гордом одиночестве. И только летом прошлого года Pioneer удалось образовать для продвижения DVD-RW новый консорциум RW Products Promotion Initiative (RWPPI). Первыми его членами были понские компании, но в настоящее время к RWPPI присоединились уже более 40 компаний, среди которых такие известные, как Aiwa, Yamaha, Fuji, Sanyo, Nikon, Sharp, Sony, Hitachi, TDK, Zoran, Samsung, Eastman Kodak, Thomson, JVC, LG и др. В феврале 2001 г. DVD-форум признал DVD-RW в качестве официального стандарта 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 (для PC) и Apple (для MAC) компьютеров. Активные розничные продажи DVR-A03 начались в середине этого лета: первые устройства продавались по цене $995, а к осени их стоимость снизилась до $800. Чистые диски к DVR-A03 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 его участники предполагают изменить ситуацию на рынке в свою пользу. Особенно активно выступают Philips, Ricoh и HP. Представитель Philips даже заявил, что они не нуждаются в одобрении DVD-форума, так как их формат и так полностью совместим с DVD-стандартом (“мы просто добавили кнопку для записи”). Компания Philips планирует этой осенью начать выпуск своих видеорекодеров DVD+RW по цене около $2500 и соответствующих устройств компьютерной периферии (стандартного IDE интерфейса) по цене около $1000. Ожидается, что ориентировочная стоимость дисков +RW составит около $15. Еще более “агрессивно” настроена фирма Ricoh, которая предполагает начать поставки компьютерных DVD+RW драйвов тоже этой осенью, причем их розничная цена не будет превышать $700. Компания HP обещает начать продажу своих продуктов в октябре-ноябре этого года, и их стоимость также будет составлять $700. Однако, другие участники DVD+RW альянса, проявляют большую осторожность и ждут 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. Технологическая особенность такой записи — использование лазера с длиной волны 635 нм, хотя для чтения DVD-дисков возможно использование лазеров с длинами волн 635 и 650 нм. Важно отметить, что во всех DVD-Video плеерах и приводах DVD-ROM для чтения применяются лазеры с длиной волны 650 нм.

Формат DVD-R существует уже около четырех лет. Емкость первых диски ограничивалась 3,95 Гбайт, стоили они около $50, а в качестве рекодера предлагалась единственная модель, которую компания Pioneer создала в 1997 г. — DVR-S101 за $17 000. Только в 1999 г. Pioneer объявила версию DVD-R емкостью 4,7 Гбайт и в ограниченном количестве начала выпускать рекодеры DVR-S201 за $5000, позволяющие записывать диски 3,95- и 4,7-гигабайтные диски. Область применения новых рекордеров из-за высокой стоимости ограничивалась формированием корпоративных архивов и библиотек видеоданных (например, для музеев, медицинских и научных центров) и созданием тестовых образцов DVD-Video дисков до их отправки в массовое производство. Но эти образцы в большинстве случаев не могли быть использованы в качестве мастер-дисков для штамповки DVD-Video – для этих целей заводы использовали образы дисков, записываемые на DLT-ленты.

Чтобы удовлетворить потребности массового рынка в доступных по цене устройствах записи на DVD-диски (причем не только аудио и видеоматериалов, но и данных общего назначения) и избежать конфликта 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 сокращенно 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 предназначен для записи дисков DVD-R(G), в то время как DVR-S201 стоимостью $5000 поддерживает только DVD-R(A). Принципиальная идея DVD-R(G), позволившая резко снизить цены, как 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, для DVD применяются защиты различных видов, 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, поэтому перенос ключа при копировании оказывается физически невозможен. Таким образом, DVD-R(G) являются copyright protected. Диски DVD-R(A) такой защитой не обладают, но так как стоят они существенно дороже, использовать их для коммерческого копирования не имеет смысла. Однако в новой спецификации DVD-R(A) указано уникальное свойство, которое может оказаться весьма привлекательным для профессионалов – Cutting Master Format (CMF). Этот формат позволяет использовать DVD-R(A) диски вместо DLT-лент в качестве мастер-носителей при штамповке. Практическая ценность данного нововведения пока не ясна, но фирма Pioneer уверена, что оно будет способствовать сохранению спроса на DVR-S201 и другие DVD-R(A) устройства.

Одним из важных свойств рекодера Pioneer DVR-A03 является поддержка не только DVD-R(G), но и DVD-RW стандарта. 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 специального органического красителя, используемого в RW дисках в качестве физического носителя информации, изменять фазовое состояние. Краситель, нагреваемый лучом лазера (длинна волны 650 нм), при определенной температуре переходит из кристаллического состояния (“светлое”, высокоотражающее) в аморфное (“темное”, неотражающее). При последующем сканировании этих участков (питов) лазером считывающего устройства измеряется и анализируется (сравнивается с заданным порогом) уровень отраженного сигнала.

Весьма важным является вопрос о совместимости по чтению перезаписывамых DVD-дисков со “старыми” DVD-ROM приводами и DVD-Video плеерами. Чтобы разобраться в этом, давайте, рассмотрим параметры дисков DVD-ROM, DVD-R /RW и DVD+RW.

Из этих данных видно, что для устройств чтения главное отличие дисков заключается в различной отражающей способности их поверхности, у DVD-RW она заметно меньше, чем у стандартных однослойных DVD-ROM дисков, но такая же, как у двухслойных дисков. Согласно DVD-спецификации, все плееры должны читать не только однослойные диски, но и двухслойные. И большинство устройств декларируют такую возможность, а, следовательно, они могут регистрировать изменения интенсивности луча лазера, отраженного от поверхности диска DVD+RW. Поэтому теоретически должна обеспечиваться 100%-я совместимость плееров с перезаписываемыми дисками. Однако, некоторые модели плееров могут ошибочно воспринимать такие диски как обычные двухслойные и пытаться считать информацию с отсутствующего второго слоя. Следует также учитывать, 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. Впрочем, данные проблемы можно решить, внеся незначительные изменения в управляющую программу соответствующего устройства. Поэтому специалисты предполагают, что не менее 70% DVD-проигрывателей смогут воспроизводить DVD-RW.

Что касается дисков DVD-RW и DVD+RW, то из данных, приведенных в таблице видно, что пользовательские характеристики этих дисков совпадают. Подобны в них и принципы записи (за счет обратимого перехода органического красителя из аморфного состояния в кристаллическое под действием луча лазера). Однако в качестве красителей используются разные органические вещества: для изменения фазового состояния органического вещества, применяемого в DVD+RW требуется более высокая температура, но коэффициент его отражения в кристаллическом состоянии выше, чем у того, который применяется в DVD-RW.

В заключение, еще раз подчеркну, что между форматами CD и DVD есть очень много общего. Первоначально в компьютерный мир пришли диски и приводы CD-ROM, затем появились записываемые CD-R и, наконец, перезаписываемые CD-RW. Технологии производства дисков CD-R/RW и DVD-R/RW очень близки: в качестве физической среды для записи информации в них используются похожие химические материалы. И именно поэтому многие производители CD-R/RW уже заявили о своей готовности к выпуску DVD-R/RW любого типа.

Продолжение см.: Андрей Ряхин. Стань DVD-мастером!/"ЦВ", 2001 Декабрь

Дмитрий Авдакушин. DVD: когда же наступит завтра?/ “ ЦВ”, 1-2/97.

Бен Уэггонер. Многоликий MPEG-4/“ЦВ”, 4/2001.