Technologia zapisu cyfrowego DVD

Najmłodsza i najbardziej obiecująca specyfikacja (wrzesień 1995) dysków optycznych, oznaczana pierwotnie DVD (Digital Video Disc), a obecnie znana jako technologia optyczna powszechnego zastosowania DVD (Digital Versatile Disc), zmienia w sposób zasadniczy dotychczas funkcjonujące wyobrażenie o pamięciach na dyskach optycznych. Technologia, opracowana początkowo przez dwa niezależne od siebie zespoły, zaowocowała wspólnym rozwiązaniem firmowym (Sony, Philips, Toshiba, Matsushita, Hitachi, Pioneer, Time Warner) pamięci optycznej o cechach do tej pory nieosiągalnych innymi środkami: duża pojemność pojedynczego nośnika (4,7-17 GB), możliwość stosowania technologii w różnych systemach (tylko odczyt, zapis jednokrotny, zapis i odczyt wielokrotny), zgodność z wcześniejszymi, już istniejącymi rozwiązaniami optycznymi (CD-ROM, CD-R, CD-WR i in.) oraz wiele ich wersji do różnych zastosowań (dźwięk, dane, obraz, film, wideo).

Jednym z głównych inicjatorów projektu CD-DVD jest przemysł filmowy (Hollywood), od dawna poszukujący cyfrowego formatu nośnika do rejestracji filmów pełnometrażowych o studyjnej jakości odtwarzania, co w dużym stopniu zadecydowało o ostatecznej wersji pojemności podstawowej (najmniejszej) standardu DVD - wynoszącej 4,75 GB. Pojemność taka wystarcza do rejestracji jednego pełnometrażowego filmu (133-135 min) z kompresją w formacie MPEG-2 (Motion Picture Experts Group), wraz z trzema odrębnymi ścieżkami dźwiękowymi i czterema kanałami do napisów w różnych wersjach językowych.

Specyfikacje DVD opisują cztery podstawowe warianty optycznych nośników dyskowych DVD o pojemnościach od 4,7 GB do ponad 17 GB dla następujących konfiguracji płyt z zapisem cyfrowym:

• Jednostronne i jednowarstwowe płyty DVD-ROM o pojemności 4,7 GB (oznaczane jako pierwsza generacja DVD5), przypominające w dużym stopniu tradycyjne dyski CD-ROM, lecz o podwyższonej szybkości transmisji. Dla nośników przygotowanych przez branżę rozrywkową (filmy) szybkość transmisji wynosi 600 kB/s, co odpowiada czytnikom CD-ROM (4x); dla aplikacji komputerowych szybkość ta przekracza 1,3 MB/s, co jest porównywalne z czytnikami CD-ROM (10x).

• Dyski jednostronne z dwiema warstwami nośników odczytywanych z jednej strony promieniem laserowym o dwu różnych stopniach intensywności świecenia. Maksymalna pojemność tak upakowanej informacji wynosi 8,5 GB, a nośniki takie są oznaczane jako DVD9.

• Nośniki dwustronne, w których informacja jest rejestrowana po obydwu stronach płyty, a do odczytania danych znajdujących się po drugiej stronie trzeba odwrócić płytę. Łączna pojemność dwóch stron płyty wynosi 9,4 GB (DVD10).

• Dwustronne i dwuwarstwowe płyty DVD, mające cztery warstwy nośnika optycznego o łącznej pojemności powyżej 17 GB (DVD18), co wystarcza na odtworzenie ośmiogodzinnej projekcji filmowej, zarejestrowanej po obydwu stronach płyty.

Do kompresowania tak dużych ilości informacji cyfrowych (obrazów) przestał wystarczać dotychczas stosowany algorytm MPEG-1 (352x240 punktów, częstotliwość 30 Hz), więc zastosowano wyłącznie bardziej wyrafinowany standard kompresji stratnej MPEG-2. Dzięki wieloetapowej procedurze kompresji MPEG-2 i zastosowaniu kompensacji ruchu obrazu na ekranie jest możliwe uzyskanie kompresji o wielkości 1:200, lecz w praktyce wartość ta oscyluje średnio w zakresie poniżej 1:50.

Zapis cyfrowy specyfikacji DVD obsługuje dwa systemy kodowania dźwięku: Dolby Surround AC-3 (inna nazwa Dolby Digital) - przeznaczony głównie na rynek amerykański (stan uzgodnień z 1998 r.) i MPEG-2 Audio - dostępny na nośnikach rozprowadzanych w Europie. W obu przypadkach korzysta się z większej liczby kanałów dźwiękowych niż w zwykłych dwukanałowych systemach stereofonicznych, niezbędnych do realizacji nagrań przestrzennych w technice 3-D.

Dolby Digital ma sześć kanałów dźwiękowych, w tym jeden dla tonów niskich. W tym systemie kodowania, oznaczanym jako 5.1 (inaczej 5+1), przypisuje się pięć kanałów odpowiednio lewemu, środkowemu i prawemu głośnikowi (umieszczonemu z przodu) oraz lewemu i prawemu głośnikowi surround do generowania efektów dźwiękowych (z tyłu). W standardzie MPEG-2 Audio przyjętym w Europie istnieją rozszerzone możliwości przez dodanie dwóch kanałów dźwiękowych, dające konfigurację oznaczaną jako 7.1.

Konstrukcja nośnika DVD

Wygląd zewnętrzny i wymiary wszystkich typów płyt z zapisem optycznym DVD są identyczne jak tradycyjnej płyty CD-ROM (średnica 120 mm, grubość 1,2 mm). Istota pamiętania gigabitowych informacji na dysku o rozmiarach zwykłego dysku optycznego CD-ROM (siedmiokrotnie wyższa pojemność na jednym dysku DVD pierwszej generacji - 4,7 GB - w stosunku do CD-ROM) polega na jednoczesnym wprowadzeniu podczas rejestracji danych w standardzie DVD kilku najnowszych rozwiązań technologicznych obejmujących:

• skrócenie długości fali świetlnej (zakres 635-650 nm) lasera zapisu i odczytu w odniesieniu do stosowanej tradycyjnie technologii CD-ROM (780-790 nm);

• dwukrotne zmniejszenie szerokości spiralnej ścieżki informacyjnej;

• zwiększenie gęstości ułożenia zwojów względem siebie, co prawie dwukrotnie wydłuża całkowitą długość ścieżki;

• zastosowanie nośnika informacji o połowę cieńszego niż w tradycyjnej płycie kompaktowej CD, dzięki czemu możliwe jest łączenie (sklejenie) dwóch niezależnych podwarstw nośnika o grubości 0,6 mm każda, tworzących w ten sposób symetryczny dysk dwustronny o tej samej łącznej grubości 1,2 mm, lecz
• dwukrotnie większej pojemności informacji;

• umieszczenie drugiej półprzezroczystej złotej powłoki ponad lustrzaną warstwą srebra, co umożliwia zapisanie dwóch warstw informacji na jednej stronie płyty za pomocą promieni laserowych o różnej intensywności. Używając promienia o mniejszej mocy, laser może odczytać dane ze złotej warstwy, o większej mocy zaś - ze srebrnej znajdującej się bezpośrednio na podłożu płyty. Łącznie daje to pojemność 8,5 GB na jednej stronie płyty, a więc niewiele mniejszą niż podwójna zawartość pojedynczej warstwy nośnika (2x4,7 GB).