САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В.А. Никамин
Формат BluRay
Санкт-Петербург
2010
Рецензент
кандидат технических наук
профессор кафедры акустики
В.В. Давыдов
Никамин В.А.
Н62 Формат BluRay – СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2010. - … с.
В книге обобщен материал, касающийся нового формата оптической дисковой записи BluRay. Подробно рассматриваются технологии, обеспечившие высокую информационную емкость нового носителя – оптические головки с использованием новых, специально для этого разработанных элементов, системы высокоэффективного кодирования данных, стратегии высокоплотной записи и пр. Также рассматриваются новейшие, ранее не применявшиеся технологии мастеринга BD-дисков и методы их тиражирования. Приведены основные технические характеристики BD-диска.
Издание предназначено для специалистов, работающих в области записи мультимедийных программ на носитель, а также для студентов, обучающихся по специальностям 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» и 201400 «Аудиовизуальная техника».
Рекомендовано к изданию
в качестве монографии
Советом ФАВТ 27.05.2010 г.
©В.А. Никамин, 2010.
ВВЕДЕНИЕ
Появление нового формата высокоплотной оптической записи информации, получившего название BluRay, не было неожиданностью для потребителя. Необходимость в таком формате созрела с появлением и массовым внедрением в начале XXI века телевидения высокой четкости HDTV и жидкокристаллических и плазменных дисплеев большого размера для просмотра фильмов в формате HDTV. Но записывать такие фильмы было по-прежнему не на что – диски DVD для этого не подходили ни по информационной емкости, ни по скорости потока считываемых данных. И то и другое нужно было значительно увеличивать.
Технические предпосылки для создания нового формата уже были. В первую очередь это создание дешевой промышленной технологии производства полупроводниковых лазеров на основе нитрида галлия GaN с длиной волны излучения 405 нм. Уже одно это позволяло существенно увеличить количество информации, записываемой на диск стандартных размеров (Ø120 мм). Другой элемент, обеспечивающий повышение плотности записи, – объектив с числовой апертурой NA = 0,85 изготовить несложно при условии, что коротковолновый лазер существует. В результате количество информации, размещаемой на диске, увеличилось более чем в 5 раз – до 25–27 Гб на один слой.
Кроме этого, в формате BluRay нашли свое применение еще целый ряд блестящих технологических достижений различных фирм. Это и гибридный лазер, способный генерировать излучение трех длин волн: 780 нм, 650 нм и 405 нм, объектив с изменяемой числовой апертурой (SONY), голографический оптический элемент (LG), дифракционный оптический элемент (Matsushita), высокопрочное защитное покрытие поверхности диска DURABIS2 (TDK), регистрирующие материалы для записываемых дисков – органический (Fuji) и неорганический (TDK), новейшие технологии мастеринга новых дисков – с использованием термохимической реакции в материале фоторезиста (метод PTM - Phase Transition Metal), иммерсионный метод и метод мастеринга с помощью пучка электронов (EBR – Electron Beam Recorder, PIONEER) и многие другие интересные технологии.
Значительно усовершенствована структура данных, размещаемых на диске. Теперь она имеет много общего со структурой данных на жестком диске компьютера. Удвоено количество метаданных, которые теперь располагаются как вблизи внешней, так и вблизи внутренней стороны программной зоны, что облегчает и ускоряет поиск нужного фрагмента.
В книге содержится много сведений о новом формате, которые будут полезны отечественным специалистам.
1. Общие сведения о новом формате оптической записи
1.1. История появления формата BluRay
В начале XXI века началось массовое внедрение цифрового телевидения высокой четкости HDTV (High Definition TV), обусловленное появлением и коммерциализацией плазменных и жидкокристаллических дисплеев. На смену традиционным форматам SDTV (Standard Definition TV) c разрешениями у NTSC (640x480) и у PAL (768x576) приходят широкоформатные HD-форматы 720p (1280х720) и 1080i/p (1920х1080).
На сегодняшний день существуют три стандарта HDTV:
720p: 1280 X 720, прогрессивная развёртка, отношение 16:9, частота кадров — 24, 25, 30, 50 или 60 в секунду;
1080i: 1920 X 1080, чересстрочная развёртка, отношение 16:9, частота полей — 50 или 60 в секунду;
1080p: 1920 X 1080, прогрессивная развёртка, отношение 16:9, частота кадров — 24, 25 или 30 в секунду.
В связи с этим возникла потребность в новом носителе, способном хранить большие объемы информации и обеспечивать высокие скорости ее считывания. Возможностей существовавшего к тому времени DVD-Video уже было недостаточно. Поэтому компании-производители бытовой электроники, опираясь на достигнутый к тому времени научно-технический и технологический задел, приступили к работам по созданию носителя нового поколения, который отвечал бы современным требованиям как по объему записываемой информации, так и по скорости ее считывания. Одним из таких носителей стал диск, считываемый с помощью синего лазера, получивший впоследствии название «BluRay» или BD-диск. На основе аппарата с таким диском и телевизионного приемника формата HDTV можно формировать домашние развлекательные комплексы совершенно иного качества в сравнении с существующими комплексами стандартного качества в формате SDTV (см. рис. 1.1).
Первое сообщение о том, что тандем SONY/PHILIPS подготовил новый формат оптической записи, предназначенный для замены DVD, появилось в начале 2002 года. Поскольку для считывания информации с диска предполагалось использовать синий (точнее сине-фиолетовый) лазер с длиной волны излучения 405 нм, то название формата, разумеется, произошло от словосочетания Blue ray (Синий луч), однако буква «е» сознательно исключена из слова «Blue», для того чтобы можно было зарегистрировать словосочетание «Blu-ray» как торговую марку. Без такого искажения это было бы невозможным, поскольку словосочетание «blue ray» является широко используемым в обиходе и как торговую марку его использовать нельзя.
После этого к работе над форматом BD подключилась группа компаний-производителей потребительской электроники (Matsushita (Panasonic), Samsung, LG, Thomson, Hitachi, Sharp и Pioneer), которые в том же 2002 году объединились в Ассоциацию Blu-ray дисков (Blu-ray Disc Association). В дальнейшем к ним присоединилась Apple Computers и группа кинокомпаний: Walt Disney, 20th Century Fox и Universal Music Group.
Диск формата Blu-Ray имеет те же физические размеры, что и диск DVD, но в перспективе может содержать до 8 и более регистрирующих слоев емкостью до 27 Гб каждый. Основное назначение формата – хранение движущихся изображений высокой четкости с разрешением 1920х1080 точек. Тем не менее на один регистрирующий слой диска BD можно записать до 13 часов видеоинформации с качеством VHS (сжатие данных по стандарту MPEG-2 cо скоростью потока данных до 3.8 Mбит/с) или же 2 часа видео в распространенном сейчас в Японии формате HDTV (телевидение высокого разрешения до 1600х1200 точек с 32-разрядным разрешением по цвету, со сжатием по стандарту MPEG-2 и скоростью потока данных от 8Mбит/с и выше).
Расстояние между смежными регистрирующими слоями диска – всего 25 мкм. Поэтому с каждой стороны диска можно разместить несколько слоев.
Содержимое диска BluRay защищено от копирования стандартом Advanced Access Content System (AACS). Стандарт разработан концерном AACS Licensing Administrator, состоящим из компаний Disney, Intel, Microsoft, Matsushita (Panasonic), Warner Brothers, IBM, Toshiba и Sony. Преимуществом AACS перед CSS, использующимся в DVD, является возможность блокирования отдельного устройства воспроизведения в случае, если криптографические ключи были скомпрометированы.
Диски BD будут снабжаться региональным кодом, причем разбивка по регионам достаточно сильно отличается от таковой для DVD: в регион 1 попадают Северная и Южная Америка, а также Восточная Азия (за исключением Китая). Второй регион – Европа и Африка, третий – Россия, Китай и все остальные страны (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Региональное кодирование дисков BD
Код |
Регион |
1, или А |
Америка, Восточная и Юго-Восточная Азия (кроме Китая) |
2, или В |
Европа, Океания, Африка, Ближний Восток, Гренландия |
3, или С |
Центральная и Южная Азия, Монголия, Россия, Казахстан, Китай |
Технические характеристики диска BD
Емкость – 25/27 Гб
Длина волны излучения лазера – 405 нм
Числовая апертура объектива (NA) – 0,85
Диаметр светового пятна на уровне 0,5 – 0,29 мкм
Глубина фокуса - ±0,28 мкм
Максимальная скорость потока данных – 36 Мбит/с
Толщина диска – 1,2 мм (наружный прозрачный защитный слой – 0,1 мм)
Шаг дорожки записи – 0,32 нм
Минимальная длина пита – 0,149/0,138 нм
Плотность записи – 27,3 Мбит на квадратный миллиметр
Формат записи изображения – MPEG2, SMPTE VC-1*, MPEG4 AVC (H.264)
Формат записи звука – LPCM, Dolby Digital AC3, DTS (обязательные), Dolby Digital Plus, Dolby True HD, DTS-HD (необязательные, на усмотрение производителя)
Формат комбинированного сигнала – MPEG2, MPEG4
Система защиты информации AACS (Advanced Access Content System)
*Основан на платформе Microsoft Windows Media 9
Первоначально предполагалось размещать BD-диск в картридж с габаритными размерами 129х131х7 мм, однако потом от него отказались в связи с тем, что фирмой TDK был разработан более прочный (хотя и значительно более дорогой) материал (DURABIS2) для изготовления прозрачной основы диска. Прочность его в 100 раз выше, чем у обычного традиционного поликарбоната.
Реально выпускаются сейчас диски BD с одним или двумя слоями (емкость 25 и 50 Гб, соответственно), хотя существуют экспериментальные образцы с четырьмя слоями (100 Гб).
Существуют BD-диски для однократной записи (BD-R) и для многократной перезаписи – BD-RE (Erasable).
Одновременно с началом работ по созданию технологии BD-диска, группа компаний во главе с фирмой Toshiba, также начала работы по созданию нового высокоплотного носителя, и в том же 2002 году предложила свое видение преемника существующего DVD – Advanced Optical Disc (AOD), впоследствии – 19 ноября 2003 года, на очередном заседании DVD Forum – переименованный в HD DVD (High-Definition DVD). Формат HD-DVD поддержали фирмы NEC, Microsoft, Intel, TEAC, Sanyo и Acer, а также голливудские кинокомпании Paramount Pictures и Universal Studios. Основной замысел разработчиков состоял в том, чтобы попытаться создать такую технологию нового носителя, которая при существенном повышении информационной емкости тем не менее не слишком бы отличалась от технологии его предшественника – DVD. Тогда себестоимость нового продукта не будет чрезмерно высокой и легче будет завоевать рынок. И это им в общих чертах удалось.
Диск HD-DVD действительно был очень похож на DVD – те же размеры, та же конструкция, состоящая из двух половинок толщиной 0,6 мм, та же конструкция оптической системы, даже числовая апертура объектива почти такая же – 0,65 против 0,6 у DVD. Однако лазер здесь использовался уже сине-фиолетовый с длиной волны излучения 405 нм – как и у BluRay. Поэтому информационная емкость одностороннего однослойного HD-DVD – 15 Гб (двухстороннего, или двухслойного, соответственно 30 Гб). Максимальная скорость цифрового потока данных при считывании тоже сопоставима с BluRay – 36,5 Мбит/с.
В HD-DVD использовались те же самые структура данных (сектор, блоки ECC), алгоритмы коррекции ошибок и модуляция, что и у стандартных DVD. Единственное отличие заключалось в том, что блок ECC HD DVD соответствовал по размеру двум блокам ECC DVD, обеспечивая тем самым более мощную корректирующую способность всей системы защиты от ошибок. Все HD DVD проигрыватели должны были быть обратно совместимы с DVD и CD.
Диски HD-DVD, так же как и обычные диски DVD, планировалось выпускать четырех типов – однослойные односторонние (SSSL), односторонние двухслойные (SSDL), двухсторонние однослойные (DSSL) и двухсторонние двухслойные (DSDL). Кроме того, могут быть 8-сантиметровые варианты всех четырех типов. Емкость их была следующая (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Физический размер |
Объем одного слоя |
Объем двух слоев |
12 см, одна сторона |
15 Гб |
30 Гб |
12 см, две стороны |
30 Гб |
60 Гб |
8 см, одна сторона |
4.7 Гб |
9.4 Гб |
8 cm, две стороны |
9.4 Гб |
18.8 Гб |
Кроме того, существовало два типа гибридных дисков, содержащих стандартную DVD-Video часть для совместимости со старыми DVD плеерами. Combo disc это двухстороний диск, где на одной стороне DVD, на другой HD DVD. Twin disc это односторонний диск, содержащий до трех слоев, где до двух слоев могут быть DVD или HD DVD.
Существовали диски c возможностью однократной записи HD-DVD-R, а также перезаписываемые – HD-DVD-RW, допускавшие более 1000 циклов перезаписи и магнитооптические HD-DVD-RAM, допускавшие до 100000 циклов перезаписи. Кроме того, емкость у дисков HD-DVD была несколько больше, чем у HD-DVD-RW – 20 Гб на один слой, благодаря меньшей длине пита, уменьшенному шагу дорожек (0,34 мкм) и использованию зональной постоянной линейной скорости (ZCLV).
Технические характеристики диска HD-DVD
Емкость – 15 Гб (один слой)
Длина волны излучения лазера – 405 нм
Числовая апертура объектива (NA) – 0,65
Диаметр светового пятна на уровне 0,5 – 0,38 мкм
Глубина фокуса - ±0,48 мкм
Максимальная скорость потока данных – 36,5 Мбит/с
Толщина диска – 1,2 мм (2х0,6 мм)
Шаг дорожки записи – 0,4 нм
Минимальная длина пита – 0,204 нм
Плотность записи – 16,3 Мбит на мм2
Формат записи изображения – MPEG2, SMPTE VC-1*, MPEG4 AVC (H.264)
Формат записи звука – LPCM, Dolby Digital AC3, DTS, Dolby Digital Plus, Dolby True HD, DTS-HD, MPEG1 Layer 2 и пр.
Формат комбинированного сигнала – MPEG2, MPEG4
Система защиты информации AACS (Advanced Access Content System)
*Основан на платформе Microsoft Windows Media 9
Однако формат HD-DVD несколько запоздал со своим появлением и по этой причине не смог выдержать конкуренции с все-таки более прогрессивным форматом BluRay. В результате формат HD-DVD постепенно терял сторонников среди поддерживающих его фирм. И наконец в феврале 2008 года объявила о свертывании производства и вступлении в Ассоциацию BluRay дисков сама фирма Toshiba – основной автор этого проекта.