Dyski kompaktowe i ich odtwarzcze należą do najpopularniejszych wyrobów elektroniki użytkowej. Od 1982 roku, gdy pojawiły się na rynku, sprzedano ponad 400 mln odtwarzaczy i 6 mld dysków. CD-ROM (read-only memory - tylko do odczytu), rozszerzenie pierwotnego formatu kompaktowych płyt dzwiękowych, z podobnym sukcesem zastosowano w komputerach.

Format DVD powstał w wyniku bezprecedensowego porozumienia osiągniętego pod koniec 1995 roku przez rywalizujące ze sobą grupy międzynarodowych koncernów. Konkurenci połączyli największe zalety swoich niezależnie opracowywanych projektów. Nowa generacja czytników dysków optycznych odtwarza zarówno dyski CD, jak i DVD, które dzięki nowym rozwiązaniom mogą pomieścić 14 razy więcej informacji niż dyski CD. Ponadto odtwarzacze DVD odczytują dane z szybkością 11 mln bitów na sekundę, a więc dziewięciokrotnie szybciej niż pierwsze modele CD, ustanawiając w ten sposób nowy standard.

Zgodnie z oczekiwaniami tak duża pojemność i wydajność umożliwia bardzo szerokie zastosowanie dysków DVD. Podobnie jak na dyskach CD można na nich zapisywać muzykę, filmy oraz gry i inne pakiety multimedialne. Dyski DVD pomieszczą jednak o wiele więcej informacji, a jakość odtwarzania będzie znacznie lepsza. Mogą też przyczynić się do powstania zupełnie nowych wyrobów. DVD z filmem na przykład pozwoli widzom wybrać kąt widzenia kamery, język na ścieżce dźwiękowej lub decydować o przebigu akcji. W ciągu kilku lat na rynek powinny trafić dyski i odtwarzacze DVD-RAM (random-acces memory - pamięć z możliwoscia zapisu).

WIECEJ ZAGŁĘBIEŃ

Formaty DVD i CD wykorzystują tę samą optyczną technologię zapisu: informacja jest zakodowana w postaci ścieżki mikroskopijnych zagłębień na powierzchni plastikowej płyty, powstających podczas wtryskiwania materiału do formy. Następnie stronę dysku z zagłębieniami pokrywa się cienką warstwą aluminium, a jeszcze później - w przypadku płyty CD - ochronną powłoka z lakieru, oraz etykietuje. Aby odczytać tak zakodowaną informację, odtwarzacz kieruję wiązkę światła laserowego przez warstwę ochronną do warstwy danych. W tym czasie dysk wiruje. Natężenie światła odbitego od jego powierzchni zmienia się zależnie od tego, czy wzdłuż ścieżki informacyjnej są zagłębienia czy też ich nie ma. Od zagłebienia odbija się znacznie mniej światła niż wówczas, gdy wiązka pada na płaską część ścieżki. Fotodetektor i inne elementy elektroniczne odtwarzacza przekładają te zmiany na zera i jedynki w kodzie cyfrowym reprezentujacym zapisane informacje.

Między dyskami CD i DVD sa dwie zasadnicze różnice. Po pierwsze, najmniejsze zagłębienia na dyskach DVD mają srednicę zaledwie 0.4µm; odpowiednie zagłębienia na dyskach CD sa dwukrotnie większe - ich srednica wynosi 0.83µm. Ścieżki danych na dyskach DVD są oddalone od siebie tylko o 0.74µm, podczas gdy na dyskach CD o 1.6µm. Chociaż więc dyski DVD są tej samej wielkości co dyski CD, ich spirala zapisu danych ma przeszło 11 km długości - ponad dwa razy wiecej niż na CD. Aby odczytać mniejsze zagłębienia, wiązka laserowa odtwarzacza DVD musi być bardziej skupiona niż w odtwarzaczach CD. W tym celu wykorzystuje się czerwony laser półprzewodnikowy o długosci fali 635-650 nm. Natomiast w odtwarzaczach CD używa się laserów podczerwonych o większej długości fali - 780 nm. Ponadto odtwarzacze DVD wykorzystują soczewki o większej zdolności skupiania - mające większą aperturę niż soczewki w odtwarzaczu CD. Dzięki tym różnicom oraz dodatkowej efektywności formatu DVD opisanej poniżej, kazda warstwa informacyjna ma ogromną pojemność: 4,7 GB.

Pojemność dysku DVD można podwoić do 9,4 GB, a nawet zwiększyć czterokrotnie do około 17 GB po wprowadzeniu dwóch kolejnych innowacji. Chociaż dyski DVD i CD mają taka sama grubość (1,2mm), na DVD informacje przechowywane są w dwóch warstwach, podczas gdy na CD tylko w jednej. Warstwy informacyjne dysków DVD, czyli ich strony z zagłębieniami, przylegają do siebie wewnątrz dysku. Dzięki temu są chronione przed uszkodzeniami powodowanymi przez cząstki kurzu i zarysowaniami. W najprostszej konstrukcji dostęp do drugiej strony dysku DVD uzyskuje sie poprzez wyjęcie dysku z odtwarzacza, obrócenie go na druga stronę i włożenie z powrotem. Inna wersja - konstrukcja wielowarstwowa - pozwala odtwarzać z jednej strony płyty informacje zapisane w obu warstwach.

W dysku wielowarstwowym górna warstwa informacyjna jest pokryta materiałem częściowo odbijającym, a częściowo przepuszczajacym światło. Zdolność odbijania tej warstwy wystarcza, aby promień lasera mógł przeczytać istniejące w niej zagłębienia, natomiast dzieki odpowiedniej przepuszczalności może on odczytać zagłębienia w warstwie głębszej. Gdy wiązka laserowa skupia się na zagłębieniach w dolnej warstwie informacyjnej, zagłębienia w górnej są poza ogniskiem, a więc nie powodują interferencji. (Aby zrównoważyć niewielkie, choć nie do uniknięcia, obniżenie jakości odtwarzania w takim rozwiązaniu, niezbędna jest redukcja pojemności do 8,5 GB - dlatego właśnie dwustronny, dwuwarstwowy dysk DVD miesci około 17 GB.) Obie warstwy sa sklejone klejem optycznym doskonałej jakości, a grubość tego połączenia musi być precyzyjnie kontrolowana w celu uniknięcia nadmiernych aberracji skupionego promienia odczytującego.

Dwuwarstwowa konstrukcja dysków DVD daje oprócz większej pojemności również inne korzyści: redukuje błędy wynikające z nachylania i wypaczania się dysku. Wszystkie dyski kompaktowe maja tendencję do wypaczania, a gdy powierzchnia dysku przestaje być prostopadła do promienia lasera, mogą powstać błędy odczytu. Nachylenie zmniejsza prawidłowość odczytu wprost propolcjonalnie do grubości podłoża. W dysku DVD wynosi ona zaledwie 0.6mm, co wpływa korzystnie na odczyt. Dzięki tak cienkiej warstwie dyski DVD są mniej podatne na paczenie się niż dyski CD, w których grubość podłoża wynosi 1.2mm. Dysk DVD jest również mniej czuły na inne rodzaje nachylania i paczenia. Przykładowo: nagłe zmiany temperatury czy wilgotności mogą spowodować pęcznienie lub kurczenie się plastikowego podłoża dysku DVD. Ale jego symetryczna konstrukcja sprawia, że zmiany w jednej warstwie przeciwdziałają zmianom w drugiej, zmniejszając zsumowany efekt wpływów środowiskowych i minimalizując ostatecznie nachylenie.

Klienci wydali już spore sumy, kupując dyski kompaktowe i CD-ROM. Za priorytet uznano więc taką konstrukcję nowych odtwarzaczy, by nadawały się zarówno do dysków DVD, jak i dzisiejszych CD. Realizacja tego wymagała zastosowania specjalnych mechanizmów optycznych. Najprostsza konstrukcja polega na umieszczeniu dwóch soczewek w pojedyńczej głowicy optycznej - jednej dopasowanej do podłoża 1.2 mm, drugiej do 0.6 mm - a następnie ich mechanicznym przełączaniu w razie potrzeby.

Powstało również bardziej eleganckie rozwiązanie wykorzystujące pojedyńczy układ optyczny z hologramem w środku. Wiązka laserowa przechodząca przez zewnętrzny pierścień soczewek omija hologram i skupia się odpowiednio do odczytywania mniejszych zagłębień na dyskach DVD. Około 1/3 wiązki odczytującej, która pada na środkową część pierścienia, jest skupiana zarówno przez soczewki, jak i hologram, tak by odczytać zagłębienia na grubszych dyskach CD.

Na nowych dyskach optycznych, inaczej niż na płytach kompaktowych, informacje w postaci zagłębień (widoczne w powiększeniu) zapisane są w dwóch warstwach. Gdy dysk się obraca, mikroskopijne zagłębienia w tych warstwach przesuwają się pod wiązką światła laserowego (czerwony) i odbijają ją z różnym natężeniem. Fotodetektor i inne elementy elektroniczne przekształcają światło odbite w zera i jedynki. Zmiana pozycji soczewek umożliwia odczytywanie informacji z górnej lub dolnej warstwy informacyjnej dysku DVD (digital versatile disc). Światło przechodzące przez hologram umieszczony w środku soczewek skupia się w inny sposób, odpowiedni do odczytywania dysków CD.

WIĘCEJ BITÓW

Dyski DVD mają nie tylko więcej zagłębień niż dyski CD, ale też pozwalają upakować więcej informacji. Jest to możliwe dzięki dwóm ulepszeniom kodowania. Bez względu na formę informacji żródłowej - dane, tekst, obraz, dzwięk lub wideo - cyfrowe zera i jedynki bezpośrednio reprezentujące zawartość, zwane bitami użytkowymi, trzeba chronić przed skutkami błędów powstających podczas odtwarzania. Ich przyczyną może być kurz, rysy lub korozja. Techniki korekcji i kontroli (ECC - error correction and control) minimalizują tego rodzaju efekty dzięki specjalnym algorytmom, które wyliczają dodadkowe bity danych zapisywane wraz z danymi użytkowymi. Te dodadkowe bity mają co prawda duże znaczenie, ale zmniejszają efektywną pojemność dysku.

Mechanizm ECC jest jednak w formacie DVD bardzo skuteczny. Może na przykład poprawić błędny sygnał liczący do 2 tys. bajtów, co odpowiada około 4 mm długości ścieżki. W formacie DVD dane ECC zajmują około 13% pojemności dysku.

W trakcie zapisu połączone dane użytkowe i dane ECC muszą być przekształcone w tzw. bity kodu modulacji, które są rzeczewistymi strumieniami bitów reprezentowanymi przez zagłębienia w dysku. Jest to niezbędne do kontroli rozmiarów zagłębień wymaganych do reprezentowania danych. Od tego zależy niezawodne wykrywanie i śledzenie danych podczas odtwarzania. Metoda kodowania dla formatu CD umożliwia przekształcenie 8 bitów użytkowych w 17 bitów kodu modulacji. DVD wykorzystuje lepszą metodę pozwalającą przekształcić 8 bitów użytkowych w zaledwie 16 bitów kodu modulacji z zachowaniem zalet CD. Ponieważ mniej bitów kodu modulacji potrzeba do reprezentacji bitów danych użytkowych, dysk DVD może pomieścić ich więcej.

Płyty DVD-ROM były projektowane z myślą o wykorzystaniu w dziedzinie wideo. Nic więc dziwnego, że ich pojemność jest nieporównywalnie większa w stosunku do CD-ROM. Napędy DVD posiadają bowiem bardziej skomplikowane głowice odczytujące i lepiej zogniskowany promień lasera. Mogą zatem pomieścić nawet siedmiokrotnie więcej danych. W efekcie napęd, kórego prędkość odczytu dla CD-ROM wynosi 4X, odczytuje dane z efektywną prędkością 9X Jest to już niezły wynik jak na potrzeby multimediów. - Pojemność 4,7 GB (płyty jednostronne), - Pojemność 17 GB (płyty dwustronne) - Na dysku jest miejsce na 133-minutowy film cyfrowy z ośmioma ścieżkami dzwiękowymi typu Surround Sound. Ewentualnie dysk pomieści aplikację, która do tej pory zajmowała 7 płyt. Napędy odczytują płyty CD-ROM.

WIĘKSZE MOŻLIWOŚCI

Format DVD pozwoli klientom po raz pierwszy na zakup i oglądanie filmów długometrażowych uzupełnionych ścieżką dzwiękową dorównującą jakością kinowej; projekcja będzie niemal nieodróżnialna od pochodzącej z orginalnych cyfrowych taśm matek. Ta możliwość podnosi ważne kwestie ochrony praw autorskich w dziedzinie zapisu cyfrowego.

Mimo ogromnej pojemności każdej warstwy informacyjnej dysku DVD wynoszącej 4.7 GB film cyfrowy trzeba zapisać w postaci skompresowanej, aby się zmieścił na dysku. Wykorzystywany jest do tego standard kompresji zmiennego stopnia o nazwie MPEG2. Stopień kompresji jest tu optymalnie dopasowywany do złożoności aktualnej sceny; obrazy zawierające dużą liczbę szczegółów lub sekwencje szybkiej akcji zwykle trudniej skompresować, tak więc przydziela się im więcej bitów niż mniej skomplikowanym fragmentom filmu. W efekcie zawartość rzeczywistych danych w strumieniu skompresowanych zmienia się podczas odtwarzania. Kompresja danych zmiennego stopnia optymalizuje jakość filmu nawet wówczas, gdy całkowita pojemność nośnika jest ograniczona. Inny interesujący mechanizm pozwala użytkownikowi wybrać format filmu DVD: czy chce odtwarzarzać w standardowym formacie telewizyjnym (4:3), czy bardziej zbliżonym do kinowego (16:9).

Cyfrowe udoskonalenia wpłyną również na jakość dżwięku filmów DVD. Format filmowy DVD uwzględnia metody wielokanałowej metody kompresji dzwięku Dolby Laboratories AC-3(5.1) oraz metody kodowania dzwięku za pomocą modulacji kodowo-impulsowej (PCM - pulse-code modulation) z dżwiękiem MPEG jako opcją. W systemie Dolby używa się danych skompresowanych o szybkości przekazu aż 448 tys. bitów na sekundę, by uzyskać pięć niezależnych kanałów dzwiękowych, a także dodatkowy szósty kanał przeznaczony na efekty dźwiękowe o niskiej częstotliwości.

SPECYFIKACJA FORMATU DVD