Integration der DVD-Technologie in einen Studiokomplex des SWR Baden-Baden

Inhaltsangabe

Vorwort

TEIL I : Grundlagen der DVD-Technik
1.0 Einführung in die Thematik
1.1 Herkunft der DVD
1.2 Verwendungszweck einer DVD
1.3 Das DVD-Forum
1.4 DVD-Format-Spezifikation
2.0 Physikalischer Aufbau einer Disc
2.1 Physikalische Abmessungen
2.2 Pits und Lands
2.3 Daten-Layer
2.4 Disc-Typen
2.5 Schichtaufbau einer DVD
2.6 Physikalische Eigenschaften einer DVD-Disc
2.6.1 Umgebungsbereich
2.6.2 Haltbarkeit
2.6.3 Reflexionsfähigkeit
3.0 Datenformatierung der Disc
3.1 Aufteilung einer Disc
3.2 Anfangs-, Mittel- und Endbereich
3.2.1 Lead-in-Bereich
3.2.2 Middle- und Lead-out-Bereich
3.3 Datenbereich (User-Data)
3.3.1 Modulation
3.3.2 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur
3.4 Das Datei-System
4.0 Prerecorded DVD
4.1 DVD-ROM
4.2 DVD-Video
4.2.1 Video-Spezifikation
4.2 .2 Audio-Spezifikation
4.2.3 Features einer DVD-Video
4.2.4 Kopierschutz
4.2.4.1 Analog Protection System
4.2.4.2 Content Scrambling System
4.2.4.3 Content Protection für Recordable Media
4.2.4.4 Copy Generation Management
4.2.4.5 Wasserzeichen
4.2.4.6 Digital Transmission Content Protection
4.2.4.7 High-Bandwidth Digital Content Protection
4.2.5 Struktur einer DVD-Video
4.2.5.1 Benutzer- Inhaltstruktur
4.2.5.2 Interne physikalische Inhaltsstruktur
4.2.5.3 Interne logische Inhaltsstruktur
4.3 DVD-Audio
4.3.1 Audio-Spezifikation
4.3.2 Features einer DVD-Audio
4.3.3 Kopierschutz
4.3.4 Struktur einer DVD-Audio
4.3.4.1 Benutzer-Inhaltsstruktur
4.3.4.2 Interne physikalische Inhaltsstruktur
4.3.4.3 Interne logische Inhaltsstruktur
4.4 Hybrid DVD
5.0 Recordable DVD
5.1 DVD-R Authoring
5.2 DVD-R General
5.3 Prinzip der Datenspeicherung
6.0 Rewriteable DVD
6.1 Phase-Change Technologie
6.2 DVD-RW und DVD+RW
6.3 DVD-RAM
6.3.1 Fehlermanagement
6.3.2 Datenzone
6.3.3 Sektor-Format
6.3.3.1 Header Format
6.3.4 Aufnahmeverfahren
7.0 Herstellungsprozeß
7.1 Premastering im DVD-Studio
7.1.1 Projekt-Plannung
7.1.2 Bit-Budgetierung
7.1.3 Vorbereitung des Ausgangsmaterial
7.1.3.1 Video-Encoding
7.1.3.2 Audio-Encoding
7.1.4 Authoring
7.2 Vervielfältigung im Presswerk
7.2.1 Glas-Mastering
7.2.2 Galvanik
7.2.3 Replikation
7.2.4 Labeldruck
7.2.5 Konfektionierung und Packaging
8.0 Hardware zur Nutzung von DVD-Disc
8.1 Wichtige Funktionseinheiten der Hardware
8.1.1 Laser-Abtasteinheit
8.1.2 Signalverarbeitung
8.1.3 Der Track Buffer
8.2 Verschiedene DVD-Geräte
8.2.1 DVD-Laufwerke
8.2.2 DVD-Brenner
8.2.3 DVD-Video-Player
8.2.4 DVD-Audio-Player
8.2.5 DVD-VideoRecorder
9.0 Vergleich verschiedener Systeme
9.1 Video-CD, Super Video-CD und DVD
9.2 Laserdisc und DVD
9.3 VHS-Kassette und DVD

TEIL II : Entwicklung eines Software-Tools
1.0 Einführung in die Software-Entwicklung
2.0 DirectX
2.1 Component Object Model
2.2 Objekte und Interface
2.3 Globally Unique Identifier
2.4 Direct Show
2.4.1 Software Bausteine
2.4.2 DVD-Applikation
2.4.2.1 Interfaces
2.4.2.2 Strategien für bestimmte Programmteile
3.0 Die Entwicklungsumgebung
4.0 Das DVD-Tool
4.1 Aufbau des Software-Tools
4.2 Programmablauf
4.3 Wichtige Details zur Programmierung
5.0 Verfügbare Software
5.1 Professionelle Software-Programme
5.1.1 SURVEYOR
5.1.2 MPROBE
5.2 Download Software aus dem Internet
5.2.1 DVD Genie 3.81
5.2.2 Drive Info 1.1
5.2.3 Bbmpeg 1.22
5.2.4 MP3Yam 1.02
5.2.5 Y-Tool 0.96
5.2.6 PowerDVD 3.0
5.2.7 WinDVD 2.3
5.2.8 Hyper Snap-DX Pro 4.01.09
5.2.9 Flask MPEG 0.594
5.2.10 Glad DVD 1.71
5.2.11 Snoop DVD

TEIL III : Integration des DVD-Playout-Server
1.0 Einführung in die Studio-Planung
2.0 Interessen des Südwestrundfunk
2.1 Gründe für die Anschaffung
2.2 Technische Anforderungen an das System
2.3 Meßtechnische Überprüfung
3.0 Einbindung des DVD-Playout-Servers
3.1 Bildspeicher
3.2 DVD-Playout-Server
3.2.1 Details zum Servers
3.2.2 Probleme des Servers
3.2.2.1 Hardware-Probleme
3.2.2.2 Software-Bugs
3.3 Integration in den Studiokomplex 5/6
3.4 Generierung der VOB-Dateien
3.4.1 FAST Silver Schnittsystem
3.4.2 Bildmaterial-Abschätzung
Schlusswort

TEIL IV: Anhang
Anhang A
DVD-Forumsmitglieder
Physikalische Parameter einer DVD
DVD-Format Vergleich
DVD-RAM Standard Versionen
Anhang B
Microsoft Foundation Class Bibliothek
Anhang C
Anschlußübersicht des DVD-Playout-Servers
Anschlußübersicht des Bildspeicher-System
Liste mit Problemen des DVD-Playout-Server
Messung des Augendiagramms des SDI-Videoausgang
Messung des SDI Format des SDI-Videoausgang
Messung des Augendiagramms des AES/EBU-Audioausgang
Messung des Jitters am AES/EBU-Audioausgang
Anhang D
Literaturverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis

Vorwort

Seit geraumer Zeit werden in den verschiedenen Rundfunk- und Fernsehanstalten vermehrt computerbasierte Systeme eingesetzt. Die meist zur Editing- und Nachbearbeitung genutzten Systeme waren bis vor kurzem nur Insellösungen. Aufgrund der nun stärker einsetzenden Vernetzung der einzelnen Schnittsysteme und der serverbasierten Playout-Stationen, wird der Schritt, den man beim Hörfunk bereits getätigt hat, immer mehr auch für eine Fernsehanstalt interessant. Nicht zuletzt hängt vieles von den hervorragenden Datenreduktions-Algorithmen ab, die es ermöglichen die Bildinformationen enorm zu komprimieren. Die Reduktionsalgorithmen- und Techniken sind mittlerweile so gut, daß kaum die Bildqualität darunter leidet. Daraus ergeben sich vermehrt Anwendungen im Bereich der schmalbandigen Internetverbindungen. Aus diesem Grund, und aus der bereits fast abgeschlossenen Umstellung auf eine digitale Übertragungs- und Aufzeichnungstechnik, verschmilzt die Computer- und Fernsehtechnikwelt immer mehr. Diese Überschneidung wird noch wesentlich verstärkt und vorangetrieben durch den verstärkten Einsatz, des wahrscheinlich populärsten Datenträgers der Welt, der Digital Versatile Disc (DVD). Der Name dieser 12 cm großen Scheibe verrät schon die Vielfältigkeit ihrer Verwendung und wird deswegen zur Speicherung und Verteilung von Video-, Musik-, Daten- und Multimedia-Anwendungen eingesetzt. Die DVD ist das optimale Medium, um dieses Zusammenwachsen der beiden Techniken weiter voran zu treiben. Im Bereich der Cosumer-Elektronik gibt es täglich viele Angebote, die das Medium DVD stärker auf dem Massenmarkt etablieren sollen. Aufgrund einer hohen Bild- und Tonqualität, überragt die DVD in dem Consumer-Marktsegment das Video Home System (VHS) und wird dieses in absehbarer Zeit vollständig verdrängen. Aber auch die Musik-CD sowie CD-ROMs und PC-Wechselplatten könnten gegenüber der DVD in den Hintergrund treten. Im Bereich der professionellen Nutzung hinkt die Verbreitung der DVD-Technik etwas hinterher, aber hier werden auch höhere Anforderungen an solche Systemkomponenten gestellt. Dennoch gibt es auch auf dem professionellen Broadcastmarkt etliche Anwendungen, die die hohe Speicherdichte und das ausgezeichnete Format der DVD nutzen könnten. Der Südwestrundfunk (SWR) möchte mit diesem auf den DVD-Files basierendem Serverkonzept erste Erfahrungen sammeln und den Produktionsprozeß in mehrerlei Hinsicht weiter optimieren, dabei spielen Produktionskosten, sowie Arbeitszeitaufwendungen eine wesentliche Rolle.

Teil I: Grundlagen der DVD-Technik

1.0 Einführung in die Thematik

1.1 Herkunft der DVD

Seit der Einführung der Compact Disc Digital Audio 1982 (Red Book) und der CD-ROM 1985 (Yellow Book), hat sich die CD als universeller Datenträger für Musik, Daten und Multimedia-Anwendungen etabliert. Aufgrund besserer Wiedergabequalität, und vor allem durch praktische Verbrauchsvorteile wurde die CD so schnell wie kein anderes Massenmedium, akzeptiert und drängte andere Produkte in den Hintergrund.

Im Dezember 1994 veröffentlichte Sony und Philips ihre einseitige 3,7 GByte fassende MultiMedia Compact Disc (MMCD). Einen Monat später im Januar 1995 sorgte die SD-Alliance, bestehend aus sieben Firmen (Hitachi, Matsushita, Mitsubishi, Victor, Pioneer, Thomson und Toshiba) mit der zweiseitigen jeweils 5 GByte fassenden Super Density Disc (SD) für Aufsehen. Beide konkurrierende Formatvorschläge hatten schon einige Standardisierungsversuche hinter sich, als die Computerindustrie, die sehr aufmerksam die Formatstreitereien verfolgte, eine aus fünf Herstellerfirmen (Apple, IBM, Compaq, HP und Microsoft) bestehende Arbeitsgruppe gründete. Diese Arbeitsgruppe stellte die folgenden Hauptanforderungen eines neuen Speicherformates in einer Liste zusammen, die einen einzigen weltweiten Standard favorisieren würde. Ansonsten würde am Horizont wieder ein Formatstreik entfacht, wie damals bei Video Home System (VHS), Betamax und Video 2000.

1. ein Format für beide Anwendungen Video und Computer
2. ein neues Dateisystem, das beide Anwendungen ermöglicht
3. Rückwärtskompatibilität zur Musik-CD und CD-ROM
4. ein Caddy oder Cartridge sollte nicht zwingen erforderlich sein
5. die Datenzuverlässigkeit soll vergleichbar oder besser sein, als bei einer CD-ROM

Da die Computerindustrie nicht zwischen den beiden Formaten wählen wollte, bat man nun die Elektronikhersteller einen Kompromiß einzugehen. Die Datenspeichermethode und die Dual-Layer-Technologie wurde von der MMCD übernommen und verbunden mit den verklebten Substraten der SD sowie die verbesserte Fehlerkorrektur, so daß ein optimales Medium zustande kam. Beim Namen einigte man sich einheitlich auf „Digitale Video Disc“, kurz DVD. Mittlerweile war aber ein so großes Interesse der Audio- und Computerindustrie an diesem Medium entstanden, daß der Name die vielseitig Einsetzbarkeit deutlich machen sollte. Das griffige Kürzel wollte man beibehalten und nannte sie um in „Digital Versatile Disc“. Die CD-Nachfolge-Disc ist eine vielversprechende Weiterentwicklung der CD. Die Disc besticht durch ihre hervorragenden Eigenschaften einer großen Speicherkapazität, schnelleren Transfergeschwindigkeiten und einer Datenrate von fast 10 Mbit/s, die es erlaubt hochqualitatives Videomaterial auf diesem Medium abzuspeichern. Durch diese erste, sich am Markt durchsetzende Anwendung, hat die analoge VHS-Kassette ihren Nachfolger bereits gefunden. Wegen der vielfältigen inhaltlichen Ausschmückungen, mit Hilfe zahlreicher Funktionalitäten, hinsichtlich interaktiver multimedialer Anwendungen, könnte die DVD-ROM auch die bisher verwendete CD-ROM ablösen. Die klassische Musik-CD wird von der geplanten DVD-Audio wohl nicht verdrängt werden, aufgrund der Anschaffung eines neuen Players, der dieses Format unterstützt, und vor allem weil die bisherigen Player ausschließlich DVD-Videos sowie abwärtskompatibel zur CD sind und die Qualität der CD immer noch bestechend ist.

Unter anderem kann man erwähnen, daß eine Disc in Verbindung mit DVD oder CD wird mit einem „c“ geschrieben, nicht mit „k“. Die Definition der Unterscheidung, ob Disc mit „c“ oder mit „k“ geschrieben wird, erfolgt nach dem Arbeitsprinzip. Eine optische Disc wird mit „c“ und eine magnetische Disk mit „k“ geschrieben.

1.2 Verwendungszweck einer DVD

Der Name des Mediums drückt schon die Vielseitigkeit einer DVD-Disc aus. Neben der bekanntesten Anwendung, DVD-Video, kann und wird das Medium DVD in verschiedensten Bereichen äußerst erfolgreich eingesetzt.

Viele Musikstars verwenden, anstatt der herkömmlichen Musik-CD, eine DVD und bieten damit ihren Fans ein erweitertes Angebot, um sich noch attraktiver zu vermarkten. Das erweiterte Angebot können Mitschnitte von Live-Konzerten und ebenso Interviews mit den Sängern bzw. Bandmitgliedern sein. Auch denkbar sind Backstage-Eindrücke dem Zuschauer zu vermitteln oder Biographien der Musiker zu veröffentlichen. Dabei ist das Angebot keineswegs nur auf aktuelle Künstler des Zeitgeschehens begrenzt, sondern erstreckt sich über die komplette Bandbreite von Musik-Stilrichtungen. So sind die aufwendigen DVD-Produktionen auch bei Musikliebhabern sehr begehrt, die sich eher für klassische Musik, Opern oder Ballette begeistern.

Die DVD wird aber auch im industriellen Umfeld verstärkt eingesetzt. Durch die relativ geringen Kosten für DVD-Abspielgeräte und DVD-Discs ist die DVD-Technologie für Firmen optimal, um den Mitarbeitern Firmen Trainings anzubieten. Das Medium DVD eignet sich aber auch zur Lehrer bzw. Ausbilder Fort- und Weiterbildung sowie für eindrucksvolle Verkaufspräsentationen, die durch den gemeinsamen Einsatz von Audio und Video eine effektivere Performance ermöglichen. Außerdem wird die DVD als reiner Informationsträger verwendet, auf dem sich Berichte, Bedienungsanleitungen, sowie detaillierte Referenz-Handbücher befinden können. Diese eignen sich perfekt für eine DVD-Veröffentlichung und verweisen in Verbindung mit HTML Links auf Firmen-Homepages. Auch umfangreiche Produktkataloge von Firmen können per DVD schnell und billig an Kunden weitergegeben werden. Außerdem befinden sich alle Daten auf einer Disc, so daß keine gedruckten Kataloge plus zusätzliche VHS-Kassetten verschickt werden müssen.

Auch zu Hause wird Aus- und Weiterbildung groß geschrieben, und somit können von Sprachkursen, bis hin zu Heimwerkerlehrgängen oder Kochkursen für alle Interessengebiete attraktive Angebote gemacht werden. Hobbyfotografen erstellen selbst mit einem digitalen Fotoapparat DVDs und können so ihre Fotos optimal archivieren.

Hinsichtlich der Computer-Software-Industrie wurde die DVD schnell zum Verteilmedium Nummer 1, denn die umfangreichen Applikationen übertreffen die Speicherkapazität einer CD-ROM, und anstatt mehrerer CD-ROMs an die Kundschaft zu verteilen, erfüllt eine DVD den gleichen Zweck. Die DVD wird eingesetzt für Softwarebibliotheken und Telefonbuchapplikationen sowie für Clip Artsammlungen und Enzyklopädien, die durch zusätzliche Video- und Audiounterstützung an Realitätsnähe gewinnen. Der Einsatz einer DVD für Multimedia-Games mit real-life Video und vollem Sound in Verbindung mit 3D-Graphiken ist auch äußerst beliebt. Selbst Spielkonsole Hersteller kombinieren ihre Systeme mit der DVD-Technologie, so daß man in einem Gerät Game-, DVD- und CD-Player vereint.

In der Automobilindustrie wird sich das DVD-Medium auch durchsetzen, um die benötigten Daten für umfangreiche Navigationssysteme verfügbar zu machen. Dabei werden sich die System nicht mehr nur auf ein deutschlandweites Straßenverkehrsnetz erstrecken, sondern aufgrund der hohen Speicherkapazität europaweite Applikationen zur Verfügung stellen. Denkbar wären auch Bilderarchive mit Informationen zu integrieren, so daß ein multimediafähiger interaktiver Reiseführer durch sehenswerte Regionen navigiert und informiert.

1.3 Das DVD-Forum

Das DVD-Konsortium wurde 1995 von den folgenden 10 Firmen der Unterhaltungsindustrie und den großen Unterhaltungselektronik-Herstellern gegründet.

Hitachi Ltd. Matsushita Electric Industrial Co.Ltd.

Mitsubishi Electric Corporation Pioneer Electronic Corporation

Royal Philips Electronics N.V. Sony Corporation

Thomson Multimedia Time Warner Inc.

Toshiba Corporation Victor Company of Japan Ltd.

Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der DVD hinsichtlich Computeranwendungen und verschiedener Unstimmigkeiten unter den Gründungsmitgliedern, schalteten sich verstärkt die Computerhardware-Hersteller sowie Softwarefirmen in die Diskussionen ein. So wurde am 07. August 1997 zunächst für eine Dauer von 10 Jahren das DVD-Forum ins Leben gerufen. Mittlerweile haben sich mehr als 230 Firmen dem DVD-Forum angeschlossen. Im Anhang finden Sie eine Auflistung aller Mitgliedsfirmen. Die Mitgliedschaft in diesem Forum ist offen für jede Firma oder Organisation, die Interesse an der Erforschung, Entwicklung und Herstellung der DVD-Technik besitzt. Es gibt zwei Arten der Mitgliedschaft: Principal Members und Associate Members. Principal Members haben die Möglichkeit bedeutende Beiträge zur Entwicklung, Vermarktung und Verbesserung des DVD-Formats bei zu steuern. Sie sind auch berechtigt in Work Groups zur Format-Standarisierung teilzunehmen und haben vollen Zugriff auf alle technischen Informationen. Sie sind aber auch verpflichtet durch eine nicht-enthüllende Vereinbarung (non-disclosure contract) des Forums den Schutz der anvertrauten technischen Informationen und Daten außerhalb der Work Groups zu gewährleisten. Associate Members haben die Berechtigung auf die Berichte, die von Zeit zu Zeit erscheinen und die Aktivitäten der Work Groups beschreiben, zuzugreifen. Allerdings ist die Mitgliedschaft nicht ganz billig, denn Principal Members bezahlen 1 Million japanische Yen und Associate Members 300 000 japanische Yen pro Jahr. Bei Mißachtung der Forumsregel kann sogar ein Ausschluß aus dem Forum drohen.

Der Firmen-Zusammenschluß verfolgt den Zweck eine Plattform zu schaffen, durch die der Austausch von Ideen und Informationen über das DVD-Format sowie dessen technische Fähigkeiten, Verbesserungen und Innovationen gewährleistet ist. Ein weiterer Grund dieser Massenvereinigung war die Entwicklung eines Weltstandards durchzusetzen, um nicht wieder einen Formatstreik zu entfachen, so wie es bei der Videoanwendung (VHS, Betamax und Video 2000) vor einigen Jahren der Fall war. Außerdem wird das Ziel verfolgt eine breite Akzeptanz für die DVD-Produkte quer durch alle Unterhaltungs-, Consumer Elektronik und IT-Industrie-Bereiche zu festigen. Die Aufgaben des Forums liegen darin die DVD Format Spezifikationen zu definieren, Mitglieder mit Neuigkeiten und Nachschlagwerken zu versorgen und DVD-Format sowie DVD-Logo Lizensierungen durchzuführen. Außerdem werden weltweite DVD-Konferenzen und Vermarktungsinformationen über DVD organisiert, das beinhaltet auch den Webauftritt des DVD-Forums (www.dvdforum.org).

Das DVD-Forum organisiert sich durch folgenden Gremien:

Hauptversammlung (General Meeting)

Eine Generalversammlung wird vom Steering Committee einberufen und alle Mitglieder werden dazu eingeladen. Das Steering Committee berichtet über die Aktivitäten des Forums bzw. was die Working Groups geleistet haben. Es werden aber auch Dinge wie z.B. Mitgliedsbeiträge beschlossen, wobei ein Beschluß immer die absolute Mehrheit der anwesenden Principal Members erfordert. Den Vorsitz der Hauptversammlung hat die Chair Company des Forums.

Steering Committee

Das Steering Committee dient als ausführendes (executiv) Organ des DVD-Forums. In diesem Committee sind die 10 Gründungsfirmen des DVD-Forums vertreten, sowie 10 zusätzliche Principal Members. Auch hier besitzt die Chair Company des Forums den Vorsitz. Das Committee ist auch verantwortlich für die Annahme und die Veröffentlichung neuer DVD-Formate bzw. Revisionen bereits bestehender Formate. Außerdem wird von diesem Committee aus auch die Lizensierung der DVD-Formate und DVD Logos an Forumsmitglieder oder andere Firmen betreut.

Technische Koordinationsgruppe (Technical Coordination Group, TCG)

Diese Gruppe setzt sich zusammen aus den Mitgliedern des Steering Committee und den Vorstandsfirmen der einzelnen Arbeitsgruppen. Die Vorstandsfirma der Technischen Koordinationsgruppe wird von allen Mitgliedern der TCG gewählt und vom Steering Committee für 2 Jahre anerkannt. Die Technische Koordinationsgruppe koordiniert die Aktivitäten der Working Groups und übermittelt technische Vorschläge an das Steering Committee.

Arbeitsgruppen (Working Groups, WG)

Das DVD-Forum gründete verschiedene technische Working Groups (WG), die die Format-Standardisierung jedes DVD-Produktes erarbeiten, verbessern und erweitern. In diesen Arbeitsgruppen dürfen nur Firmen, die die Principal Mitgliedschaft besitzen, mitentwickeln. Folgende Working Groups wurden für die unterschiedlichen Anforderungen eingesetzt:

WG 1: DVD-Video Anwendungen

WG 2: Physikalische Spezifikation der DVD-ROM

WG 3: File-System-Spezifikation für alle DVD-Varianten

WG 4: DVD-Audio Anwendungen

WG 5: Physikalische Spezifikation der DVD-RAM

WG 6: Physikalische Spezifikation der DVD-R und DVD-RW

WG 9: Kopierschutz (CPTWG)

WG 10: Professionelle Anwendungen der DVD

Vermarktungs- & Kommunikationsausschuß (Promotion & Communication Committee, PCC)

Dieser Ausschuß wird organisiert durch das Steering Committee. Er setzt sich aus den darin enthaltenen Firmenmitgliedern zusammen. Die Vorstandsfirma des PCC wird, genauso wie beim TCG, von den Mitgliedern des Promotion & Communication Committee gewählt und vom Steering Committee anerkannt. Die Aufgabe dieses Ausschusses besteht darin, den Austausch von Informationen unter Teilnehmern zu versorgen, um das allgemeine Verständnis und eine große Akzeptanz für das DVD-Format in jeder Region der Erde zu erleichtern. Außerdem fördert dieser Ausschuß die Kommunikation mit dem Konsumenten und repräsentiert das DVD-Forum nach außen.

Die offizielle Sprache innerhalb des DVD-Forums wurde auf Englisch festgelegt. Alle anzufertigende Schriften und Spezifikationsbücher werden in englischer Sprache herausgegeben und an die Mitglieder verteilt. Im Sekretariatsbüro des DVD-Forums, das sich in Japan befindet, können die Spezifikationsbücher bestellt und die finanziellen Bedingungen geregelt werden. Die Adresse lautet:

DVD Forum Secretariat

Shiba Shimizu Bldg. 5F

2-3-11, Shibadaimon,

Minato-ku, Tokyo 105-0012, Japan

Tel: +81-3-5777-2881

Fax: +81-3-5777-2882

Für ein Spezifikationsbuch verlangt das DVD-Forum 5.000 US Dollar, und die Unterzeichnung des non-disclosure Knebelvertrages durch den spezielle Informationen hauptsächlich über die DVD-Anwendungsebene geheim bleiben sollen. Jedes weitere Buch kostet dann nur noch 500 US Dollar. Insgesamt umfaßt der Standard 5 Bücher, die zusammen 7.000 US Dollar kosten.

1.4 DVD-Format-Spezifikation

Die offizielle Spezifikation der DVD ist, ebenso wie bei der CD, dokumentiert in einer Reihe von fünf Büchern, die vom DVD-Forum veröffentlicht werden. Die Bücher unterscheiden die verschiedenen Formattypen und Anwendungsformate, die der Standard festschreibt. Die Bücher sind untergliedert in drei verschiedene Teile, wobei Teil 1 die physikalische Spezifikation, Teil 2 die Datei-System-Spezifikation und Teil 3 die Anwendungsspezifikation enthält.

In den Büchern sind keinerlei Informationen über die verwendeten Kopierschutzverfahren der DVD enthalten, diese sind lizensiert und separat dokumentiert. In der DVD-Format- Spezifikation werden ausschließlich die Disc und deren Inhalt definiert, so daß jedem Unternehmen die Freiheit der DVD-Player-Implementation bleibt. Solche offenen Standards fördern zwar die Innovationslust der Entwickler, führen aber auch zu Unvereinbarkeiten und Unverträglichkeiten mancher Player. In der DVD-Spezifikation ist also nur ein Leitfaden vorgegeben, welche Player-Merkmale (Features) und Bedienelemente dem Endkunden zur Verfügung stehen sollen.

Teil 1: beschreibt die typischen Standardeigenschaften eines DVD-Mediums. Beispiele hierfür wären die Reflexionsfähigkeit des Materials, durchschnittliche Datenrate oder Speicherkapazitäten sämtlicher DVD-Varianten.

Teil 2: beschreibt das Dateisystem, wobei man bei der DVD vom UDF-Brigde-Format spricht. Es beinhaltet die beiden Dateisysteme UDF und ISO 9660. Man implementierte hier beide Systeme, um die PreRecorded DVDs in Standalone-Geräten, als auch in PC-Laufwerken gleichermaßen benutzen zu können.

Teil 3: beschreibt das logische Format, das definiert wie die Daten auf der Disc organisiert sein müssen, um eine bestimmte Anwendung zu realisieren. Das erste Anwendungsformat war die DVD-Video, wobei noch weitere Anwendungsformate hinzu kamen. Die DVD-Audio sowie drei zusätzliche Formate zur Echt-Zeit-Aufnahme wurden spezifiziert. Die Aufzeichnungsformate werden nachfolgend aufgezählt.

DVD-VR Video Recording

DVD-AR Audio-Recording

DVD-SR Streaming Recording

Das von Sony, Philips und Hewlett Packard favorisierte DVD+RW-Format ist kein offizielles Mitglied der DVD-Familie.

In der Abbildung 1.1 ist die Struktur der Bücher und die drei Komplexitätsstufen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Spezifikationseinteilung der DVD-Büchern

2.0 Physikalischer Aufbau einer Disc

2.1 Physikalische Abmessungen

Die DVD-Disc ist in zwei Größen verfügbar, nämlich in einer 8 cm (3,1 inches) und einer 12 cm (4,7 inches) Version. Die Toleranzen für eine 12 cm Scheibe liegen bei ± 0,3 mm. Das Innenloch sollte einen Durchmesser von 15 mm haben. Insgesamt ist eine DVD 1,2 mm dick. Dabei entspricht die DVD-Dicke zwar der CD-Dicke, aber die DVD besteht aus zwei 0,6 mm dicken zusammengeklebten Halbseiten. Dadurch bleibt man auf physikalischer Ebene kompatibel zur CD und die DVD selbst wird starrer in ihrer Stabilität, so daß es bei Rotation der Disc zu weniger Gleichlaufschwankungen kommt und der Laser die Spur zuverlässiger verfolgen kann. Das Gewicht einer Disc sollte zwischen 13 g und 20 g betragen.

In dem Bereich der Durchmesser 44,0 mm bis 48,0 mm befindet sich die Lead-In-Zone einer Disc. Die Daten- oder Informationszone einer Disc kann man zwischen den Durchmessern 48,0 mm und 116,0 mm lokalisieren. Anschließend folgt die Lead-Out-Zone bis zu einem Durchmesser von 117,0 mm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Maße und Bereichsbezeichnungen einer DVD-Disc

Außerdem gibt es noch einen Bereich auf der Disc, der sich Burst Cutting Area (BCA) nennt. Dieser Bereich kann optional bei einseitigen DVD-Discs genutzt werden. Je nach DVD-Auftraggeber wird der Code nach dem Disc Herstellungsprozeß aufgebracht und enthält eine Disc Seriennummer oder eine fortlaufende Disc Numerierung. Den Namen bekam diese Zone von der „Burst Cutting“-Methode, mit der ein YAG-Laser diesen Bereich beschreibt. Der BCA ist ein Strichcode, der sich zwischen dem Durchmesser 44,6 mm und 47,0 mm befindet. Jedes Bit wird durch zwei Channel Bits dargestellt und im Return to Zero-Code (RZ) codiert. Er besteht aus einer einzeiligen vier Byte großen Preamble, gefolgt von bis zu 188 Byte Informationsdaten und einer einzeiligen, vier Byte großen BCA Postamble. Zwischen Informationsdaten und Postamble befinden sich noch 4 Byte zur Fehlererkennung und 16 Byte Fehlerkorrektur. Die Informationsdaten berechnen sich aus (16 ´ n) – 4 Byte, wobei für n folgendes gilt: 1 £ n £ 12. Der BCA-Code wird bei Recordable Discs für Kopierschutz-Systeme verwendet. Dabei wird ein einmaliger Media ID-Key im BCA-Code gespeichert, der benötigt wird, um verschlüsselte Daten zu decodieren. Die nachfolgende Zeichnung verdeutlicht noch einmal den BCA-Code Aufbau sowie die Lage des BCA-Code:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Lage des BCA-Code sowie dessen Struktur

Im gleichen Radius-Bereich befindet sich auch noch der Source Identifikation Code (SID), der nur zwingend bei DVD-Read-Only Discs vorgeschrieben ist. Dieser Code besteht aus zwei Elementen, dem Mastering Code und dem Mould Code. Der Mastering Code wird durch den Laser Beam Recorder erzeugt und existiert schon im Stamper beim Produktionsprozeß. Er setzt sich aus zwei Teilen zusammen, wobei der erste Teil das IFPI-Logo der International Federation of Photographic Industry (IFPI) bildet. Der zweite Teil beschreibt eine Laser Beam Recorder Identifikation, die aus vier alphanumerischen Zeichen besteht. Der Mastering Code steht in einem Bereich von 30°, wobei die nächsten 30° für weitere Informationen reserviert sind. Die Zeichen sind mindestens 0,5 mm groß, klar voneinander getrennt und damit mit dem bloßen Auge sicht- und lesbar. Der Mould Code bildet sich genauso wie der Mastering Code, allerdings wird anstatt der LBR-ID eine Mould Identifikationszeichenfolge verwendet.

2.2 Pits und Lands

Die Daten auf einer DVD werden in mikroskopisch kleinen Pits gespeichert. Der Raum zwischen zwei Pits wird Land genannt. Da die DVD eine Weiterentwicklung der CD ist, unterscheiden sich die beiden Medientypen im wesentlichen nur durch die verkleinerten Pitstrukturen. Daraus ergibt sich eine deutliche Erhöhung der Datendichte auf dem Medium. Weiterhin rücken die Pits, durch den sehr viel feiner arbeitenden Laser, über die Hälfte weiter zusammen, so daß noch mehr Spuren auf einer DVD Platz finden. Der Spurabstand beträgt bei einer DVD-Disc nur noch 0,74 mm mit einer maximal zulässigen Toleranz von ± 0,03 mm.

Die Pits und Lands stellen aber keinen direkten Bezug zu den digitalen Nullen und Einsen des Inhalts der DVD dar. Nur der Übergang von Pit zu Land bzw. Land zu Pit wird signaltechnisch als logischer Wert „1“ gewertet, ansonsten sind Pits und Lands eine Folge von dem logischen Wert „0“ mit variabler Länge. Auf der Disc ist es also nicht möglich den logischen Wert „1“ mehrfach hintereinander darzustellen. Um alle Byte in eine Codierungsform zu bringen, bei der es nicht notwendig ist zweimal den logischen Wert „1“ hintereinander zu schreiben, wird eine 8/16 Modulation gewählt. Dadurch dienen die Hälfte aller abgespeicherten Daten auf einer DVD zum einen dem Schutz gegen Fehler, und zum anderen erfüllt man die physikalischen Voraussetzungen zur Speicherung von Daten, keine zwei Pit-Land-Übergänge hintereinander zu zulassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Vergleich von Pitgröße und Spurabstand zwischen CD und DVD

2.3 Daten-Layer

Eine clevere und sehr innovative Idee der DVD ist die Nutzung von zwei übereinanderliegender Informationsschichten auf einer Seite, den sogenannten Layern, um die Speicherkapazität weiter zu erhöhen. Die zum Abtastlaser liegende Schicht wird mit einem halbdurchlässigen Material beschichtet und somit der Layer semireflektierend gemacht. Das wird durch die Metallisierung einer nur etwa 20 bis 30 nm dicken Schicht aus Gold oder Silizium sowie verschiedenen Silberlegierungen erreicht. Dadurch ermöglicht man dem Abtastlaser, durch Variation der Fokussierebene den außen bzw. innen liegenden Layer auszulesen. Diese zweite Informationsebene kann aus Datensicherheitsgründen nicht so dicht beschrieben werden wie der erste Layer. Deshalb läßt sich die Speicherkapazität durch Hinzufügen eines zweiten Layers nicht ganz verdoppeln. Die Schicht, die direkt an der Ausleseoberfläche liegt, wird Layer 0 genannt und die weiter innen Liegende Layer 1. Da nun der Laser durch den ersten Layer „hindurchsehen“ kann, entfällt das Wenden einer DVD und die Daten bzw. der Film kann kontinuierlich ausgelesen werden. Der Laser beginnt also spiralförmig die Daten vom Layer 0 von innen nach außen zu lesen, wobei er am Ende der ersten Schicht sich schnellst möglichst auf die zweite Schicht fokussiert, um dann den Layer 1 von außen nach innen zu lesen. Diese Ausleseprozedur nennt man Opposite Track Path (OTP) und kommt meist bei der DVD-Video zur Anwendung. Eine andere Prozedur ist das Parallel Track Path-Verfahren (PTP), bei dem die Lasereinheit beim Erreichen des Endes des ersten Layers wieder nach innen zurückspringt, um dort den Layer 1 ebenfalls von innen nach außen auszulesen. Der Sprung von einer Layer-Ebene zur anderen nennt man auch Layerbreak. Das nachfolgende Bild 2.4 zeigt zunächst eine DVD-Disc mit nur einem Informationslayer und dem herkömmlichen Ausleseverfahren von innen nach außen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Ausleseverfahren einer DVD mit Single-Layer

Die Abbildungen 2.5 und 2.6 verdeutlichen noch einmal die beiden unterschiedlichen Ausleseverfahren, die beide zum Einsatz kommen, OTP meist bei DVD-Videos und PTP meist im Computerbereich bei DVD-ROMs.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: OTP-Ausleseverfahren einer DVD mit Dual-Layer

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: PTP-Ausleseverfahren einer DVD mit Dual-Layer

2.4 Disc-Typen

DVDs unterscheiden sich auch dadurch, ob sie auf einer Seite (single-sided), oder auf beiden Seiten (double-sided) Daten enthalten. Wie schon erwähnt, besteht eine DVD-Disc aus zwei zusammengeklebten Halbseiten, wobei eine single-sided Disc nur eine Daten enthaltende Halbseite enthält und mit einer leeren Halbseite, die auch Dummy heißt, verklebt wird. Bei der double-sided Disc werden auf beiden Halbseiten Daten gespeichert und „Rücken“ an „Rücken“ zusammengeklebt.

Um die ganze Sache der Speicherkapazitätserhöhung weiter voran zutreiben, ist es nun noch möglich auf jede Seite einer DVD zwei Layer unterzubringen. Außer der verringerten Pitstruktur und des verkleinerten Spurabstandes ist dies wohl der zweite wesentliche Faktor, der einer DVD ihre enorme Speicherkapazität verleiht. Es gibt folgende verschiedene Datenspeicherformate der DVD, die momentan nur als Abspielformate existieren und deswegen nur bei den PreRecorded DVD, also bei der DVD-ROM, DVD-Video und DVD-Audio zum Einsatz kommen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

zu den Abkürzungen: SS bedeutet Single-Sided SL bedeutet Single-Layer

DS bedeutet Double-Sided DL bedeutet Dual-Layer

Um die Double-Sided-Discs abspielen zu können, ist es immer noch erforderlich die Disc auswerfen zu lassen und mit der Hand umgedreht wieder ins Laufwerk zu befördern. Vielleicht wird für die Double-Sided-DVDs sogar ein Player entwickelt, der von oben und von unten mit Hilfe von zwei Lasersystemen die Daten ausliest. Ein weiteres Format ist die einmal beschreibare DVD-R, deren maximale Speicherkapazität im Moment auf 4,7 GByte begrenzt ist. Das heißt bei diesem Medium wird nur eine Seite mit einem Layer zur Datenspeicherung benutzt.

Weiterhin sind wiederbeschreibbare DVD-Formate auf dem Markt zu finden. Dabei wurde das DVD-RAM-Format vom DVD-Forum als Book E spezifiziert und von Matsushita und Hitachi vorangetrieben. Allerdings hat Sony und Philips ein DVD+RW-Format und Pioneer ein DVD-RW-Format entwickelt. Speicherkapazitäten bis zu 5,2 GByte stehen hier ein- oder zweiseitig mit jeweils einem Layer zur Verfügung. Diese Formate eigenen sich hervorragend für Datenbackup’s oder zum Datenaustausch, aber sie sind meist nicht kompatibel zu heute eingesetzten DVD-Video-Playern. Bei den wiederbeschreibaren Formaten herrscht daher ein reges Gedränge um die Marktführung, wobei dieser Formatkrieg, der eigentlich verhindert werden sollte, wieder einmal auf den Schultern der Verbraucher ausgetragen wird.

2.5 Schichtaufbau einer DVD

Je nach verwendetem Disc-Typ, werden auch unterschiedliche Schichten zum physikalischen Aufbau einer DVD benötigt. Zunächst werden PreRecorded Discs betrachtet, d.h. Kauf-DVDs, die reine Daten enthalten und nur ausgelesen werden. Beispiele hierfür sind Computer-DVD-ROM’s, DVD-Video und DVD-Audio. In diesem Marktsegment werden hauptsächlich die Disc-Typen DVD5 und DVD9 verwendet.

Die DVD5 enthält nur auf einer Seite und in einem Layer Informationsdaten, man sagt deshalb auch Single-Sided/ Single Layer. Die eine Halbseite enthält keine Daten und wird wie oben schon erwähnt Dummy genannt. Die andere Halbseite besteht aus dem Daten enthaltenden Polycarbonat-Träger, der mit einer Aluminiumschicht, dem Reflective Layer, beschichtet wird. Diese Aluminiumschicht hat einzig und allein die Aufgabe den auslesenden Laserstrahl zu reflektieren. Aufgrund des Zusammenklebens der beiden Halbseiten, entsteht zwischen den beiden eine 50 mm dicke Kleberschicht, der sogenannte Bonding Layer. Er darf eine Toleranz von ± 15 mm aufweisen. Um eine Disc vom Typ DVD10 zu erhalten, wird die Dummy-Substratseite einfach durch einen weiteren Polycarbonat-Träger auf dem weitere Informationen enthalten sind, ersetzt. Der Nachteil einer DVD10 ist das manuelle Drehen der Disc, um beide Seiten auslesen zu können.

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Abbildung 2.7: Physikalischer Schichtaufbau einer DVD 5 mit 4,7 GBytes

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Eine DVD9 trägt ebenfalls nur auf einer Seite Informationsdaten, allerdings in zwei Schichten. Die eine Halbseite ist wie gewohnt eine Dummy-Halbseite und die andere Halbseite ist folgendermaßen aufgebaut: zunächst einmal wird dem Polycarbonat-Träger die semireflektierende Schicht aufgebracht, danach folgt eine Kleberschicht, auf die die reflektierende Aluminiumschicht aufgetragen wird. Da die Herstellung für eine solche Halbseite sehr aufwendig ist und zudem noch Abfallprodukte entstehen, hilft man sich bei der DVD9-Produktion mit einem Trick. Die eigentliche Dummy-Halbseite enthält die Daten des Layers 1 und wird mit dem reflektierenden Aluminium versehen. Die zweite Halbseite enthält die Daten des Layers 0 und wird jedoch mit einem semireflektierenden Material beschichtet. Durch das Zusammenkleben der beiden Halbseiten entsteht der Eindruck, als ob zwei Informationsebenen sich auf einer Halbseite befinden. Da der Bonding-Layer nun zum Strahlengang des Lasers gehört, muß beim Verkleben auf höchste Präzision geachtet werden. Hier kann man sich keine Unebenheiten oder Luftblasen im Bonding-Layer leisten. Um die Produktion einer DVD18 zu realisieren, kann dieser Trick nicht angewendet werden. Hier müssen zwei Informationsschichten pro Halbseite erzeugt werden, damit die maximale Speicherkapazität von 17 GByte erreicht werden. Nachteil dieser aufwendigen Herstellungsmethode ist die Entstehung von zwei Abfallhalbseiten pro DVD-Disc.

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Abbildung 2.8: Zwei Arten des physikalischen Schichtaufbaus einer DVD 9

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Eine Recordable Disc ist die DVD-R-Disc, auf die Daten einmalig geschrieben werden können. Im Grunde setzt sie sich ähnlich zusammen wie die bisher betrachteten Discs. Den wesentlichen Unterschied kennzeichnet der sogenannte Dye-Layer. Man spricht hier von einem organischen Farbmaterial, das in einer Dicke von dreistelligen Nanometern aufgebracht wird. Zunächst kommt also wieder das Polycarbonat, diesmal nur als reines Trägermaterial mit der spiralförmigen Laserführungsspur, auf dem der Dye-Layer aufgebracht wird. Anschließend folgt der reflektierende Layer, um den Laserstrahl zurück zu werfen. Die Farbe des Rohlings entsteht aus der Kombination der Farbe des verwendeten Dyematerials und der Farbe des Reflexionsmaterials.

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Abbildung 2.9: Physikalischer Schichtaufbau einer Recordable Disc

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Die drei wiederbeschreibbaren Formate DVD-RAM, DVD-RW und DVD+RW haben hinsichtlich des Schichtaufbau’s einer Disc die gleiche Struktur. Es werden auch hier, wieder zwei 0,6 mm dicke Halbseiten zusammengeklebt. Die informationstragende Halbseite besteht zunächst aus dem Polycarbonat-Träger, in dem sich die Spurführungsrille für den Laser befindet. Danach folgt eine Schicht des unteren Dielektrikums, mit einer Dicke von etwa 90 nm. Anschließend kommt die eigentliche Informationsspeicherschicht, der Recording-Layer. Der Recording-Layer, den man auch als Phase-Change-Layer bezeichnen kann, ist nur wenige Nanometer dick und erfordert höchste Herstellungspräzision. Es werden hier seltene Erden für diese komplexe metallische Schicht eingesetzt. Darauf aufbauend folgt noch einmal ein oberes Dielektrikum und abschließend der reflektierende Layer. Diese Originalstruktur einer wiederbeschreibbaren Disc basiert auf diesem vier Layersystem, bestehend aus unteres Dielektrikum, Recording Layer, oberes Dielektrikum und dem Reflexionslayer. Man hat durch nachträgliche Untersuchungen weitere Layer eingeführt, um die Performance einer Disc attraktiver zu gestalten, so daß bis zu sieben Schichten eingesetzt werden. Bei solchen Discs gibt es einen zweiten Reflexionslayer (ALCr – Aluminium-Chrom-Legierung und AlTi – Aluminium-Titan-Legierung) bzw. einen optischen Kompensationslayer (OCL) und zwei, einen unteren und einen oberen, Interface-Layer. Die beiden Interface-Layer bestehend aus Germaniumnitrid (GeN) umhüllen den Recording-Layer und schützen ihn vor Ionen aus den Dielektrikum-Schichten. Aufgrund dieser Schichtenanordnungen werden mehr als 100 000 Überschreibzyklen erreicht, ohne daß die Signalamplitude oder die Reflektivität negativ beeinflußt werden bzw. Jitterbeein-trächtigungen auftreten.

2.6 Physikalische Eigenschaften einer DVD-Disc

2.6.1 Umgebungsbereich

In den verschiedenen ECMA-Standards für die DVD-Formate werden auch Aussagen darüber getroffen, welche physikalischen Eigenschaften und Umgebungsbedingungen eine DVD entsprechen und aushalten muß. Die DVD-Medien sind in einem überraschend großen Umgebungsbereich einsatzfähig. Die Umgebungstemperatur für den Arbeitseinsatz kann zwischen –25°C und 70°C liegen mit einer relativen Feuchtigkeit zwischen 3% und 95%. Dabei soll der Datenaustausch auch noch bei plötzlichen Temperaturschwankungen von maximal 50°C und Feuchtigkeitsschwankungen von maximal 30% funktionieren. Üblicherweise erfolgt die Aufbewahrung optischer Medien im Büro oder Arbeitszimmer, wobei man für eine Langzeitspeicherung auf eine kühle und trockene Umgebung achten sollte. Auch hier schreibt der Standard eine Archivierumgebung vor, die eine DVD auf jeden Fall aushalten sollte. Der Temperaturbereich liegt zwischen –20°C und 50°C sowie eine relative Feuchtigkeit zwischen 5% und 90%. Außerdem darf die Temperaturabweichung nur maximal 15°C pro Stunde und maximal 10% Feuchtigkeitsänderung pro Stunde betragen. Trotz all dieser klimatischen Parameter sollte man die Disc vor Gebrauch zwei Stunden akklimatisieren lassen, wenn die Arbeitsumgebung sich gravierend vom Aufbewahrungsort unterscheidet. In den technischen Datenblättern der Medienhersteller sind diese großen Einsatzbereiche nicht angegeben, vielmehr wird hier darauf geachtet die minimalen Umgebungsparameter zu veröffentlichen, in denen die Medien auf jeden Fall noch einsatzfähig sind.

2.6.2 Haltbarkeit

Aufgrund von Alterungstest und früheren Experimenten mit optischen Medien hat sich gezeigt, daß es keinerlei Abnutzungserscheinungen durch das optische Abtastsystem gibt. Der wesentliche Faktor für die Haltbarkeit einer DVD-R ist der Alterungsprozeß des organischen Farbmaterials, man nennt es auch Dye-Material. Die DVD-R Datensicherheit wird bei EMTEC für 100 Jahre garantiert, bei Kodak sogar zwischen 40 und 200 Jahre. Das Dye-Material wechselt seine absorbierenden Eigenschaften im Laufe der Jahre, so daß vor allem bei einer Langzeitspeicherung von DVD-R's auf eine relativ dunkle Lagerumgebung geachtet werden sollte. Das Dye-Material ist besonders photoempfindlich bei blauem und ultravioletten Licht, wobei beide Lichtwellenlängen im alltäglichen Sonnenlicht enthalten sind. Bei den löschbaren Formaten, DVD-RAM, DVD-RW und DVD+RW, erwartet man eine Haltbarkeit von 25 bis 100 Jahre. Primärer Faktor der Lebensdauer von diesen Discs ist die chemische Zusammensetzung der Phase-Change-Legierung. Hier erreicht man die Grenze der Lebensdauer durch die maximale Anzahl von Lösch-Schreib-Zyklen.

2.6.3 Reflexionsfähigkeit

Die Reflexionsfähigkeit des Aluminiumlayers muß bei DVDs mit einem Layer zwischen 45% und 85% sowie bei DVDs mit zwei Layern zwischen 13% und 35% betragen. Im Vergleich zur CD, bei der rund 80% reflektiert werden müssen, kommt man bei der DVD mit wesentlich weniger Signalenergie aus.

3.0 Datenformatierung der Disc

3.1 Aufteilung einer Disc

Die spiralförmige Datenträgerspur auf einer DVD-Disc teilt sich in drei Informationsbereiche auf, die Lead-in Zone, die Datenzone und die Lead-out Zone. Die Einlaufspur bzw. die Lead-in Zone befindet sich im inneren Bereich, so daß eine Disc prinzipiell von innen nach außen beschrieben bzw. gelesen wird.

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Abbildung 3.1: Bereichsaufteilung einer DVD-Disc

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Eine Disc mit Single-Layer bzw. Dual-Layer, die im PTP-Verfahren ausgelesen wird, besitzt pro Layer eine Informationszone. Bei Dual-Layer Discs, die mit dem OTP-Verfahren ausgelesen werden, gibt es lediglich nur eine Informationszone, die sich über beide Layer erstreckt. Dadurch entsteht bei einer solchen Disc zwischen Ende des ersten Layers und Beginn des zweiten Layers eine mittlere Zone, die es dem Laserstrahl erlaubt vom Layer 0 zum Layer 1 zu wechseln. Das besondere an dieser Art Disc ist das gegenläufige Auslesen des Layers 1, also von außen nach innen. Die Lead-in Zone beinhaltet ausschließlich Kontrollinformationen und die Lead-Out-Zone erlaubt einen fließenden Auslesevorgang. In der Datenzone werden die Daten des Benutzers abgespeichert.

3.2 Anfangs-, Mittel- und Endbereich

3.2.1 Lead-in-Bereich

Die Lead-in Zone bzw. die Einlaufspur ist der innerste Bereich der drei Informationsbereiche und dient zur Spuransteuerung sowie zur Fokussierung des Laserstrahls. Dieser Lead-in Bereich teilt sich in folgende Teilzonen auf:

- Initial Zone

Der ECMA-Standard spezifiziert nicht die Anzahl der physikalischen Sektoren in der Initial Zone. Allerdings sollten die Daten innerhalb der Initial Zone in allen physikalischen Sektoren auf 00 gesetzt sein.

- Referenzcode Zone

Die Referenzcode Zone besteht aus 32 physikalischen Sektoren und beinhaltet 2 ECC-Blocks. Der Zweck dieses Referenzcodes ist die Unterstützung eines Kanal-Bit-Musters auf der Disc, das besondere Signale generiert. Jedes DVD-Laufwerk benötigt diese Signale, um den Equalizer so einzustellen, daß er die HF-Signale lesen kann. Außerdem wird in diesem Bereich der Disc Key gescrambled hinterlegt.

- Buffer Zone 1

Die Buffer Zone 1 beinhaltet 30 ECC-Blocks in 480 physikalischen Sektoren. Die User-Daten eines jeden Datensektors in dieser Zone sollten alle auf den Wert 00 gesetzt sein.

- Kontrolldaten Zone

Diese Zone besteht aus 3072 physikalischen Sektoren, in denen 192 ECC-Blocks enthalten sind. Die Kontrolldaten Zone enthält 191 ECC-Blocks mit redundanten Daten und einem ECC-Block, der sich aus folgenden drei Teilen zusammensetzt:

1. Physikalische Formatinformationen

In 2048 Byte Daten sind discspezifische Informationen, wie z.B. Disc Kategorie, Disc Struktur, Disc Größe, Versionsnummer, maximale Transfer-Datenrate enthalten.

2. Disc Herstellerinformationen

Auch hier stehen 2048 Byte für herstellerspezifische Informationen zur Verfügung. Der ECMA-Standard hat weder das Format noch den Inhalt festgelegt.

3. Inhaltsanbieter Informationen

Für Informationen vom Inhaltsanbieter der Disc werden 14 ´ 2048 Byte Speicherplatz bereit gestellt. Das Format und den Inhalt dieser 28 672 Byte erfordert das Einverständnis aller beteiligten Parteien, ansonsten wird der Bereich auf 0 gesetzt.

- Buffer Zone 2

Diese Zone besteht aus 512 physikalischen Sektoren, die 32 ECC-Blocks beinhalten. Die User-Daten eines jeden Datensektors in dieser Zone sollte auf den Wert 00 gesetzt sein.

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Abbildung 3.2: Adressierungsbereiche und Unterteilung der Lead-in-Zone

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3.2.2 Middle- und Lead-out-Bereich

Im Middle Zone Bereich sollten die User-Daten der Datensektoren auf den Wert 00 gesetzt sein. Für diesen Bereich wurde keine Anzahl von physikalischen Sektoren festgelegt.

Auch in der Lead-out Zone, bzw. auch Auslaufspur genannt, sollten die User-Daten innerhalb der Datensektoren auf 00 gesetzt sein und auch hier wurde keine bestimmte Anzahl von physikalischen Sektoren spezifiziert.

3.3 Datenbereich (User-Data)

Die Datenzone beginnt ab dem Adressbereich 30 000 hex bzw. 196 608 dez und besteht aus vielen Datensektoren, die jeweils eine Größe von 2064 Bytes haben. Davon sind 2048 Bytes für die User-Daten reserviert und 16 Bytes enthalten weitere Informationen (Header) zu diesem Sektor. Diese Zusatzinformationen am Anfang des Datensektors spalten sich auf in die Sektorenidentifikation mit 4 Byte, eine Fehlererkennung für die Sektoridentifikation mit 2 Byte, sowie eine Kopierschutzorganisationsinformation mit 6 Byte. Am Ende des kompletten Datensektors folgt noch eine 4 Byte große Nutzdaten Fehlererkennung.

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16 Byte Informationsdatenaufteilung :

- 4 Byte - Sektor-Identifikation (ID)
(1 Byte für Sektorinformationen)
(3 Byte für Sektorennummer)
- 2 Byte - ID Error Detection (IEC)
- 6 Byte - Copyright Management Information (CPR_MAI)
- 4 Byte - User-Data Error Detection (EDC)

Das Byte, in dem Sektorinformationen enthalten sind, macht Aussagen auf welchem Layer bei einer dual Layer Disc oder in welchem Bereich der DVD sich der Datensektor befindet. Außerdem wird angezeigt, ob es sich um Read-Only Daten handelt und wie groß die Reflexion des Laserstrahls von der Disc ist.

Alle Benutzerdaten innerhalb eines Datensektors werden mit Hilfe eines Bit-Shifting-Verfahrens verwürfelt, um die Daten zu verteilen und dadurch eine Fehlerkorrektur zu ermöglichen. Der gesamte Datensektor wird dann in 12 Zeilen mit je 172 Byte angeordnet.

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Abbildung 3.3: Struktur eines Daten-Sektors

Die Zeilen von solchen 16 Datensektoren werden wiederum vermischt, um die Daten weiter zu streuen, und in einem Fehler-Korrektur-Code-Block (Error Correction Code Block) zusammengefaßt. Dieser ECC-Block besteht dann aus 192 Zeilen mit je 172 Byte. Für jede dieser 172 Spalten des Fehler-Korrektur-Blocks wird nun ein 16 Byte Outer-Parity Reed-Solomon-Code berechnet, der erneut in 16 neuen Zeilen am Ende des ECC-Blocks angehängt wird. Anschließend wird für jede dieser 208 Zeilen (192+16) ein 10 Byte großer Inner-Parity Reed-Solomon-Code berechnet und jeder Zeile hinzugefügt. Ein gesamter Fehler-Korrektur-Block besteht also aus 208 Zeilen mit je 182 Byte und ist insgesamt 37 856 Byte groß. Jeder ECC-Block wird dann wieder aufgelöst in sogenannte Recording-Sektoren, die jeweils 12 Datenzeilen plus einer dreizehnten Parity-Code-Zeile beinhalten. Mit diesem Verfahren wird auch der äußere und innere Parity-Code weit ausgebreitet und dadurch die Fehlerelastizität weiter erhöht. Also jeder Recording-Sektor hat eine Größe von 2366 Byte, bestehend aus 13 Zeilen, mit je 182 Byte. Damit zerfällt ein ECC-Fehler-Korrektur-Block in 16 kleine Recording-Sektoren.

3.3.1 Modulation

Jeder Recording-Sektor wird mit einer 8/16-Modulation bearbeitet, d.h. jedes 8-Bit-Byte wird in ein 16-Bit-Wert umgesetzt und physikalisch auf der DVD-Disc abgelegt. Somit entsteht ein physikalischer Sektor der Größe 4836 Byte. Die Daten werden mit dem NRZI-Format (Non-Return-to-Zero-Code, inverted) Zeile für Zeile als Kanaldaten auf die Disc geschrieben.

Dieser Modulationsprozeß ersetzt also ein 8 Bit Wort durch einen 16-Bit-Code, der in einer Tabelle hinterlegt ist und ermöglicht Datenwörter eineindeutig zu identifizieren. Der 16-Bit-Code garantiert mindestens zwei logische „0“ und höchstens zehn logische „0“ hintereinander zwischen zwei logischen Werten „1“. Der Modulationsprozeß wird EFMPlus (Eight-to-Fourteen Modulation) genannt und stammt noch aus der Zeit der Kanal-Daten-Modulation der CD. Bei der CD kam damals das 8/14-Modulationsverfahren (EFM) mit 3 Merge-Bits zum Einsatz.

Um ein Byte, bei dem es 256 mögliche Kombinationen gibt, zu codieren damit man ohne aufeinanderfolgende logische „1“ auskommt, sind 16 Bit nötig. Also für 8 Bit auf der DVD-Disc so abzuspeichern, damit keine logischen „1“en aufeinanderfolgen, sind insgesamt 16 sogenannte Channel-Bits erforderlich. Somit erhält man eine Modulation-Effektivität von 8:16. Wählt man eine zu knappe Modulation-Effektivität, so ist das ganze System nicht sehr fehlertolerant, was ja durchaus wichtig ist, aufgrund von Fingerabdrücken oder Kratzern. Um also die Fehlerwahrscheinlichkeit möglichst gering zu halten, vereinbarte man mindestens zwei und höchstens zehn aufeinanderfolgende logische Werte „0“. Die Vorteile dieser Modulation liegen in der geringen Gleichspannungsenergie und in den einfachen Decodierschaltkreisen.

Aufgrund dieser Modulationsmethode wird ein Recording-Sektor gerade doppelt so groß wie er war, d.h. aus den 13 ´ 182 Byte = 2366 Byte werden 4732 Byte. Das ist aber noch nicht alles, die Struktureinheit, die letztendlich auf der DVD abgebildet wird, sieht folgendermaßen aus:

Ein EFMPlus-kanalcodiertes Recording Frame wird in der Hälfte jeder Zeile aufgespaltet und jede dieser Halbzeilen bekommt desweiteren einen 4 Byte großen Synchronisationscode vorangestellt. Eine solche Halbzeile plus Synchronisationscode nennt sich Sync Frame. Zwei Sync Frames in einer Zeile zusammengefaßt in einen Block mit 13 Zeilen, nennt sich Physikalischer Sektor und besitzt insgesamt 2418 Byte. Dieser Physikalische Sektor wird auf die DVD geschrieben und ist für alle physikalischen DVD-Formate identisch.

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Abbildung 3.4: Aufbau eines Recording Frame mit Sync-Information

3.3.2 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur

Fehler beim Lesen einer DVD-Disc können aus vielerlei Gründen entstehen zum Beispiel können Fingerabdrücke, Kratzer oder Staub auf der Disc, genauso wie eine verschmutzte Linse im Abspielgerät selbst dafür verantwortlich sein, daß ein Fehlerkorrektur-Verfahren seinen Dienst verrichten muß. Zu den eigentlich nur benötigten User-Daten werden also annähernd 13% Fehlererkennung- und Fehlerkorrekturinformationen hinzugefügt. Das Grundprinzip funktioniert so, daß für jede Zeile und für jede Spalte eine Checksumme berechnet wird und diese mit überträgt. Angenommen die Kratzer oder Staubkörner auf der Disc sind gravierend und enorm viele Daten wurden dadurch zerstört, so kann es passieren, daß selbst die Fehlerkorrektur versagt und Disc nicht auslesbar ist.

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Für einen Recording-Sektor sieht die Fehlerkorrektur-Rechnung folgendermaßen aus:

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Beim Reed-Solomon-Produkt-Code (RS-PC) wird zu dem bereits bestehenden Inner Parity Code ein weiterer übergeordneten Outer Parity Code berechnet. Hierbei wird der Outer Parity Code über die Zeilen gekreuzt mit dem Inner Parity Code über die Spalten. Damit erzeugt man ein weiteres Level von Fehlerschutz. Der Reed-Solomon-Produkt-Code kann einen zufälligen Fehler von 2 ´ 10-2 (1 Fehler pro 200 Bit) auf weniger als 1 ´ 10-15 (1 Fehler pro 1 000 000 GBit) reduzieren. Diese Fehlerkorrektur-Effizienz ist nahezu 10 mal zuverlässiger als bei der herkömmlichen CD, bei der der CIRC (Cross Interleave Reed Solomon Code) zum Einsatz kommt. Die zweidimensionalen Blocks mit denen der RS-PC arbeitet scheinen für Computerdaten wesentlich besser geeignet als die eindimensionale Fehlerkorrektur beim CIRC, der die Daten als kontinuierlichen Datenstrom behandelt. Durch dieses äußerst raffinierte Fehlerschutzverfahren lassen sich maximale Aussetzfehler von 2800 Byte bei einer DVD-ROM korrigieren, das entspricht etwa einer physikalischen Beschädigung von 6 mm Länge. Bei DVDs mit zwei Layern lassen sich sogar Fehler bis zu 6,5 mm Länge ausbügeln. Zum Vergleich: bei der CD waren es nur 500 Byte bzw. 2,4 mm.

3.4 Das Datei-System

Das verwendete Dateisystem wurde speziell für optische Medienformate von der Optical Storage Technology Association (OSTA) entwickelt und nennt sich Universal Disc Format (UDF). Das UDF-Format ist eine Weiterentwicklung des, von der CD noch bestens bekannte, plattformübergreifende ISO-9660-Format, das allerdings zu starr war und den neuen Anforderungen eines generellen DVD-Dateisystems nicht entsprach. Auch UDF wurde als ein plattformübergreifendes Format konzipiert, mit dem die Handhabung der Datenaufbereitung wesentlich vereinfacht wurde und schließlich als ISO/IEC 13346 Norm standardisiert. Es ist also möglich auf UDF von verschiedenen Betriebssystemen, Windows, OS/2, UNIX und Mac, zuzugreifen. Sämtliche Einschränkungen des ISO-Formates fallen weg, so sind Dateinamen bis zu 256 Zeichen erlaubt, anstatt 8 Zeichen plus 3 für die Dateinamenerweiterung. Zudem sind Dateigrößen bis zu 128 TeraByte adressierbar und die Verzeichnistiefe ist nicht mehr auf acht Ebenen begrenzt. UDF unterstützt alle möglichen Sprachen, so daß die Verarbeitung von Sprachen wie z.B. chinesisch oder japanisch gegeben ist. Mit diesem Format können die unterschiedlichsten Dateiattribute verschiedener Betriebssysteme aufgenommen werden. Bezüglich des Schreibens auf DVD-R’s und DVD-RAM’s wurde UDF optimiert, wodurch Dateien fragmentiert gespeichert werden können, d.h. die Daten müssen nicht kontinuierlich abgelegt werden, sondern können über mehrere logische Medien verteilt vorliegen bzw. in sogenannte Pakete geschrieben werden.

Um das UDF-Dateisystem den unterschiedlichsten Betriebssystemen verständlich zu machen, benötigt man einen Treiber. Bei ISO-9660 war dies zum Beispiel für Windows die MSCDEX.EXE-Datei. Bei UDF existieren derzeit noch wenige Treiber, die Ausnahme sind die Betriebssysteme Windows 98/ 2000, wodurch natürlich Schwierigkeiten entstehen reine UDF-Discs abzuspielen. Damit die Kompatibilität und die Lesbarkeit einer Disc auf Systemen ohne UDF-Treiber dennoch gelingt, wird fast jede DVD mit einem ISO-9660-Mantel umgeben. Ein System mit ISO-Treiber identifiziert diese UDF/ISO-Bridge-Disc als ISO-Disc und ein System mit UDF-Treiber ordnet dieselbe Disc als UDF-Disc ein. Dieses Format nennt sich dann UDF-Bridge bzw. Micro-UDF (M-UDF). Auf der Disc selbst existieren aber keine zwei Partitionen, denn beide Systeme greifen auf dieselben Dateien und Verzeichnisse zu. Die Lokalisierung der Dateien und welche Merkmale genutzt werden können, unterscheiden die beiden Dateisysteme. Die Rückwärtskompatibilität zum älteren ISO-9660-Format ermöglicht wenigstens einen eingeschränkten Lesezugriff auch von älteren Betriebssystemen aus.

4.0 Prerecorded DVD

Zu dieser Art von DVD gehört die DVD-ROM und deren Spezialanwendungen, die DVD-Video und die DVD-Audio. Mit PreRecorded bezeichnet man Kauf-DVDs, deren Inhalt wie z.B. Computerspiele, Kinofilme oder Musik sich bereits auf dem Medium befinden und die in großen Presswerken mit Hilfe von Spritzgussmaschinen hergestellt werden.

4.1 DVD-ROM

Die DVD-ROM ist ein reines Computer-Speichermedium, mit erheblich größeren Speicherkapazitäten. Auch die ersten DVD-ROM Anwendungen, wie z.B. realistische Grafikprogramme oder große Datenbanken, nutzen den Vorteil der enormen Speicherkraft aus. Die Datenraten von einer heutigen DVD sind faszinierend und die Zugriffszeit auf ein Datenvolumen von mehr als 1,5 GByte liegt etwa bei 140 Millisekunden. Das ist in etwa zehnmal höher als bei einer CD-ROM. Die DVD-ROM ist die Mutter aller DVDs und besitzt die gleiche Datenstruktur wie eine DVD-Video, so daß DVD-ROM-Laufwerke ebenfalls DVD-Videos abspielen können.

4.2 DVD-Video

Die DVD-Video wird landläufig häufig als ein weiteres Format der DVD-Spezifikation betrachtet, jedoch ist es nur eine Spezialanwendung der DVD-ROM. Sie unterscheidet sich also nicht zur herkömmlichen DVD-ROM; allerdings wurde extra für diesen Anwendungstyp ein Hardware Stand-alone-Player, die sogenannten DVD-Player, entwickelt und sind in Audio und Video begeisterten Konsumentenkreisen äußerst beliebt.

4.2.1 Video-Spezifikation

Die Videoinformationen einer DVD-Video werden im hochauflösenden MPEG2-Format (ISO/IEC 13 818) Main Profile at Main Level (MP@ML) oder Simple Profile at Main Level (SP@ML) abgespeichert und erlauben erstmals eine Spielzeit von bis zu acht Stunden je nach DVD-Typ und Kompression. Aus Kompatibilitätsgründen wird das MPEG1-Format ebenfalls unterstützt. Das MPEG2-Format kann Datenströme, sowohl mit variabler (VBR), als auch konstanter Bitrate (CBR) erzeugen. Bei der variablen Bitrate schwankt die Bitrate während eines Films zwischen 1,5 Mbit/s und maximal 9,8 Mbit/s. Dieser maximal theoretische Wert wird für reine Videoanwendungen nicht erreicht, denn für Untertitel, Standbilder und Tondaten müssen Reserven frei bleiben. Die meisten DVDs benutzen eine durchschnittliche Datenrate zwischen 3,5 Mbit/s und 4,5 Mbit/s. Bevor aber die MPEG-Kompression einsetzt, wird das Quellmaterial mit dem ITU-R BT.601 Format 4:2:0 abgetastet und mit durchschnittlich 12 Bit pro Pixel quantisiert. Dadurch erreicht man eine unkomprimierte Datenrate von 124,416 Mbit/s (720 x 576 x 12 x 25). Jeder Abtastwert wird dabei mit einer Farbtiefe von 24 Bit codiert, wobei 1 Byte für die Helligkeit (Y), 1 Byte für das Farbdifferenzsignal Rot (CR) und 1 Byte für das Farbdifferenzsignal Blau (CB) reserviert ist. Die Bildqualität hängt aber nicht allein von der Datenrate ab, sondern auch von dem Rechenaufwand der in die MPEG 2-Kompression investiert wurde. Diese gute Bildqualität wird erreicht durch das Komponenten-Videosignal, bei dem die Helligkeits- und Farbinformationen getrennt übertragen werden, sowie die hohe horizontale Auflösung von 576 sichtbaren Zeilen. Dadurch erreicht man scharfe Konturen mit einem hohen Signal/Rauschabstand von 65 dB und eine natürliche Farbwiedergabe ohne Cross-Effekte. Generell bietet die digitale Signalverarbeitung ein klares Bild ohne Rauschen und ermöglicht eine verlängerte Aufzeichnungszeit, weil die Videodaten per MPEG-Verfahren datenreduziert werden können. Die DVD-Spezifikation schränkt allerdings die zur Auswahl stehenden Parameter des MPEG-Standards erheblich ein. In der nachfolgenden Tabelle werden die zur DVD-Verwendung zugelassenen Parameter gezeigt:

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Tabelle 4.1: MPEG-Parameter des DVD-Standards

Eine DVD-Video unterstützt zwei Fernsehanzeigesysteme, nämlich NTSC mit 525 Zeilen und 60 Hz sowie PAL/SECAM mit 625 Zeilen und 50 Hz. Viele PAL-DVD-Player konvertieren NTSC-Discs in ein PAL-Standard Ausgangssignal, jedoch NTSC-Player unterstützen die PAL-Wiedergabe dagegen eher selten.

Die DVD-Video bietet die Möglichkeit die aufgezeichneten, gestauchten 16:9 Bilder für gewöhnliche Fernsehgeräte mit 4:3-Format im „Letterbox“ oder „Pan&Scan“-Modus bzw. im WideScreen-Modus auf 16:9 Bildschirmen formatfüllend darzustellen. Natürlich ist es auch möglich normale 4:3 Bilder auf 4:3 und 16:9 Bildschirmen darzustellen.

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Abbildung 4.1: Arten der Bildschirmdarstellung eines 16:9-Bildes

4.2 .2 Audio-Spezifikation

Die Audiospezifikation der DVD-Video erlaubt bis zu acht parallele Audiodatenströme mit jeweils 8 Kanälen. Bei einer DVD-Produktion dürfen verschiedene Tonformate in den acht Audioströmen beliebig kombiniert werden, so daß beispielsweise der erste Datenstrom mit einem 2-Kanal-PCM-Ton, der zweite Datenstrom mit einem 6-Kanal-Dolby Digitalton und der dritte mit einem 8-Kanal-MPEG-Ton usw. belegt sind. Pro Audiodatenstrom sind also maximal acht Kanäle möglich, wobei zur Zeit nur höchstens sechs, vorne rechts/links, Mitte, hinten rechts/links und ein separater Subwoofer-Kanal, genutzt werden. Der Subwoofer-Kanal ist in seinem Übertragungsspektrum begrenzt und nur für extreme Tiefton-Effekte vorgesehen. Das DVD-Forum schreibt verbindlich vor, daß mindestens Linearer PCM-Ton enthalten sein muß. Bei europäischen DVDs kam es zu einigen Unstimmigkeiten im Bezug auf Mehrkanalsysteme. Zunächst waren für die PAL-Regionen MPEG2-Audio Pflicht. Aufgrund von Verzögerungen bei der Optimierung von MPEG2-Audio, wurde diese Bestimmung wieder aufgehoben und europäische DVD-Produzenten konnten nun zwischen dem MPEG2 oder Dolby Digital Verfahren wählen. Für die NTSC-Regionen ist aber nach wie vor Dolby Digital verbindlich vorgeschrieben. Beide Regionen können jeweils das andere Komprimierungsverfahren optional einsetzen, wobei MPEG-Audio im NTSC-Land USA nicht unterstützt wird. Aber auch bei den PAL-Discs gibt es sehr wenige auf denen MPEG-Audio enthalten ist. Der Trend geht eindeutig zum Dolby Digital-Verfahren bzw. einem dolbyähnlichen Verfahren mit vergleichbaren Ergebnissen, das Digital Theatre System (DTS). Bei der DVD ist die Abtastfrequenz für Dolby Digital AC-3 und MPEG2-Audio auf 48 kHz festgelegt.

Der Linear-PCM-Ton kann wahlweise mit 48 oder 96 kHz abgetastet und mit einer Bitauflösung von 16 Bit, 20 Bit oder 24 Bit codiert werden. Ein Dynamikbereich von 96 dB bei 16 Bit bzw. 120 dB bei 20 Bit kombiniert mit einem Frequenzbereich von 22 kHz garantiert eine hochwertige Sound Reproduktion. Mehrkanaliges Audio ist nur mit geringer Auflösung und niedriger Abtastfrequenz in unkomprimierter Form verfügbar, da eine Überschreitung der maximalen Audiodatenrate von 6,144 Mbit/s nicht erlaubt ist. Bei Videoanwendungen, bei denen der größte Teil der maximalen Datenrate für Videobilder verwendet wird, verzichtet man deshalb auf ein mehrkanaliges Audio in unkomprimierter Form. Auch weil unterschiedliche Sprachversionen die maximal verfügbare Datenrate sprengen würde, deswegen greift man für mehrsprachige Mehrkanalversionen auf die gängigen Datenreduktions-Audioformate zurück.

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Tabelle 4.2: Abhängigkeit der PCM-Datenrate von der Anzahl der Kanäle

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Dolby Digital ist ein Datenkomprimierungsverfahren, das vor 1995 noch unter dem Namen AC-3 (Audio Coding Nr.3) bekannt war. Um dieses Verfahren einsetzen zu können, muß das Quellmaterial mit einer Frequenz von 48 kHz abgetastet und mit 24 Bit aufgelöst sein. Trotz der enormen Komprimierung erzeugt das Dolby Digital-Verfahren eine hervorragende Tonqualität, die natürlich von der Qualität des Ursprungsmaterials abhängig ist. Bei Dolby Digital (AC-3) ist Mono, Stereo und ein 6-Kanal-Ton (5.1) erlaubt und spezifiziert. Dabei ist für die DVD-Anwendung eine Datenrate des Dolby Digital-Formats zwischen 64 kbit/s und maximal 448 kbit/s erlaubt. Im Monobetrieb unterscheidet man zwischen Musik mit 96 kbit/s und Sprache mit 64 kbit/s. Für Stereo werden normalerweise 192 kbit/s verwendet und üblich für eine 5.1 Mehrkanal-Tonanwendung ist eine Datenrate von 384 kbit/s bzw. 448 kbit/s. Bei Dolby Digital werden also fünf vollkommen voneinander getrennte Tonkanäle digital und mit einem Frequenzbereich von 3 Hz bis 20 kHz übertragen. Zusätzlich wird noch ein separater Tieftonkanal mit einem Frequenzumfang von 3 Hz bis 120 Hz übertragen, der für den kinotypischen Baß-Sound sorgt.

MPEG-Audio ist ebenso wie Dolby Digital ein Komprimierungsverfahren. Hier muß das Ausgangsmaterial im 48-kHz-und-16-Bit-Modus vorliegen. Aufgrund der Abwärtskompatibilität zu MPEG1, könnte MPEG2-Audio auch von älterer MPEG1-Hardware abgespielt werden, allerdings unter Verzicht der zusätzlichen Kanäle. Deshalb überträgt das System die Mehrkanal-Tonsignale in Form von zwei Stereokanälen, denen beim Codierprozeß die zusätzlichen Informationen für den Center und die Surroundkanäle hinzuaddiert wurden. Ein MPEG1-Decoder kann diese vollwertigen Stereokanäle direkt decodieren und ignoriert schlicht weg die Zusatzdaten. Ein MPEG2-Decoder kann mit Hilfe einer Matrixschaltung die vier verschachtelten Kanäle separieren und liefert so den vollständigen Mehrkanalton mit 5.1-Kanälen. Um nun eine vergleichbare Tonqualität wie Dolby Digital zu erreichen, müssen dazu höhere Datenraten verwendet werden. MPEG arbeitet dabei mit einer variablen Datenrate von 64 kbit/s bis maximal 912 kbit/s, üblicherweise verwendet man 384 kbit/s. Für einen MPEG 1-Audiostream wurde die Datenrate auf 384 kbit/s begrenzt. Bei MPEG-Audio spezifizierte man Mono, Stereo und einen 6-Kanal-Ton (5.1) sowie zusätzlich einen 8-Kanal-Ton (7.1). Dieser 8-Kanal-Ton fügt einen linken und einen rechten Center Lautsprecher hinzu, wobei diese Anwendung nicht für den Heimgebrauch entwickelt wurde. Der DVD-Standard schreibt die Verwendung von MPEG1 Layer 2 oder MPEG2 Layer 2 vor.

Digital Theatre System (DTS) ist hauptsächlich als Kino-Sound-Format bekannt, das gegen Dolby Digital um Marktanteile kämpft. Es ist aber auch ein weiteres Komprimierungsverfahren der DVD, mit dessen Hilfe es möglich ist aus einer DVD-Video reine Audiodiscs zu erzeugen und damit ein weiteres Konkurrenzformat zur DVD-Audio darstellt. Dabei tarnen sich die DTS-Daten als Standard-PCM-Tracks und die DTS-Audiotracks sind problemlos in herkömmlichen DVD-Video-Playern abspielbar. Die maximale Datenrate, mit der das DTS-Format arbeitet, liegt bei 1,536 Mbit/s, wobei auch niedrigere Datenraten möglich wären (ab 64 kbit/s). Dennoch bleibt diese Datenrate erhalten und sichert so den potentiellen Qualitätsvorsprung gegenüber Dolby Digital. Außerdem möchte man das DTS-Format als High-End-Surroundsystem für HiFi-Freaks etablieren. Die Abtastfrequenz liegt auch hier bei den DVD-üblichen 48 kHz und erlaubt eine maximale Sampleauflösung von 24 Bit.

Sony Dynamic Digital Sound (SDDS) ist ebenso wie DTS ein optionales Verfahren zur Tonspeicherung auf einer DVD-Disc. Bisher ist dieses Verfahren ausschließlich in Kinos anzutreffen. Wobei hier das ATRAC-Verfahren zum Einsatz kommt, das bei der Minidisc verwendet wurde. Es handelt sich auch hier um ein digitales Mehrkanal-Tonverfahren, das 5.1 und 7.1 Modi unterstützt. Die maximale Datenrate liegt bei 1280 kbit/s.

Die Mehrkanal-Tonverfahren bieten Toneffekte, wie es von den Machern des Spielfilms beabsichtigt wurde. Dabei verbessert der Subwoofer-Kanal erheblich die realitätsnahe Wiedergabe. Außerdem kann ein großer Dynamikbereich und ein breiter Frequenzgang ausgeschöpft werden. Es entsteht eine natürliche Klangatmosphäre, die sehr faszinierend ist. Nachfolgend werden die wichtigsten Parameter, der verschiedenen Tonformate, in einer Tabelle übersichtlich zusammengefaßt:

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Die bisher betrachteten Verfahren sind allesamt digitale Verfahren. Das Dolby Surround - bzw. Dolby ProLogic -Verfahren ist ein älteres analoges Raumklangformat, das in einem normalen Stereosignal versteckt und mit speziellen Dolby Surround-Decodern herausgefiltert wird. Die beiden zusätzlichen Kanäle, Center und Rear, werden mit einer geringen Bandbreite von 100 Hz bis 7 kHz übertragen und sorgen so für diesen räumlichen Effekt. Der Rear- bzw. Surround-Kanal kann mit einem oder zwei Monolautsprechern wiedergegeben werden und wird hauptsächlich für Geräuscheffekte eingesetzt. Bei der Wiedergabe des herkömmlichen Stereosignals stören die beiden zusätzlichen Kanäle nicht. Nachteilig dieses analog codierten Surround-Systems ist die Abhängigkeit der Wiedergabequalität vom Decoderchip und von der Verstärkerelektronik.

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Abbildung 4.2: Konstellation eines analogen und digitalen Surroundaufbaus

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Tabelle 4.4: Vergleich von analogem und digitalem Mehrkanalton

4.2.3 Features einer DVD-Video

Multi-Angle

Eines der innovativsten Features des DVD-Standards erlaubt den Gebrauch von neun parallelen Videodatenströmen, dadurch sind verschiedene Kameraperspektiven oder Filme mit unterschiedlichen Handlungsverläufen möglich. Der Zuschauer kann, vorausgesetzt das Ausgangsmaterial erlaubt es, per Fernbedienung individuell seinen eigenen Film zusammenstellen. Um diese Eigenschaft dem Zuschauer bereitzustellen, werden bis zu neun gleichzeitige Videoströme aufgezeichnet. Daraus ergibt sich auch ein wesentlicher Nachteil dieses Features, nämlich die Reduzierung der Speicherkapazität durch redundante Kameraperspektiven. Das Feature wird auch manchmal in Verbindung mit deutschen Bedienungsanleitungen Blickwinkel-Funktion genannt.

Standbilder

Standbilder mit einer hohen Bildqualität sind möglich. Die DVD-Spezifikation erlaubt sogar einzeln Videoframes, die in voller Farbe und Auflösung codiert sind. In erster Linie werden die Standbilder als Hintergrundgrafik für interaktive Menüelemente eingesetzt. Daneben werden die Bilder auch für Still- oder Slide-Shows benutzt. Unter einer Still-Show versteht man eine Reihe von Videobildern, die durch den Benutzer manuell vorgeführt werden; eine Slide-Show läuft dagegen vollkommen automatisch ab. Beide Shows können mit begleitendem Ton hinterlegt werden.

Untertitel bzw. Subtitles

Auf der Scheibe lassen sich bis zu 32 verschiedene Untertitelsprachen aufspielen, die der Benutzer über ein Menü auswählen kann. Von manchen Filmemachern werden zu den normalen Untertiteln zusätzliche Informationen für Hörgeschädigte ergänzt. Solche Untertitel nennt man dann auch „Close Caption“ oder „Movietext“. Im Gegensatz zu Videotext-Systemen sind DVD Untertitel mit Hilfe Bildschirm füllender Graphiken, den sogenannten Subpictures realisiert, die überall auf dem Bildschirm angezeigt werden können. Für die Darstellung von Subpictures stehen nur wenige Farben zur Verfügung, jedoch können die Graphiken bzw. die Farben mit jedem Bild wechseln, so daß einfache Animationen oder Spezialeffekte erzeugt werden können.

Kindersicherung bzw. Parental Level

Dieser generelle Schutz dient dazu Kinder und jugendliche Zuschauer vor allzu brutalen Sequenzen eines Films zu bewahren. Je nach Filmversion werden einzelne Sequenzen mit Hilfe der nahtlose Verzweigung (seamless branching) übersprungen ohne das jemand etwas davon bemerkt. Die DVDs enthalten aber auch Angaben für welche Altersklasse die Filme freigegeben sind und die meisten DVD-Player erlauben mit Hilfe eines Paßwortschutzes eine Definition, ab welcher Altersklasse das Paßwort zum Abspielen eingegeben werden muß. Realisiert werden die acht verschiedenen Schutz-Levels mit dem Parental Management Level (PML) in einem Bereich von 1 bis 8, wobei Level 8 die größte Einschränkung und Level 1 gar keine Einschränkung besitzt. Videodaten, die mit einem PML versehen sind nennt man Parental Block, wobei ein solcher Block aus einem Kapitel, mehreren Kapiteln, einem Titel oder mehreren Titeln bestehen kann. Es werden folgende Parental Levels unterschieden:

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Zusatzinformationen

Aufgrund der hohen Speicherkapazität können, neben dem Film, weitere Informationen enthalten sein. Zum Beispiel Werbetrailer von anderen Spielfilmen, Hintergründe und Tatsachenberichte zur Filmgeschichte, Making of ... oder Interviews mit den Hauptdarstellern oder dem Regisseur sind denkbar.

Menüsteuerung

Die meisten DVDs enthalten ein On-Screen-Inhaltsmenü mit Auswahlknöpfen zu den unterschiedlichsten Features. Hier kann der Zuschauer eine Reihe von Steuerungs- und Interaktionsoptionen auswählen, zum Beispiel ob er den Hauptfilm sehen möchte und mit welcher Audiosprache bzw. welchem Untertitel. Oder ob er die Zusatzinformationen zum Film erhalten will. Die Navigation durch diese DVD-Menüs erfolgt per Knopfdruck auf die jeweiligen Buttons, wodurch der Player die entsprechenden Befehl von der Disc erhält und zu den gewünschten Positionen auf der Scheibe springt.

Karaoke

Der DVD-Standard unterstützt auch spezielle Audio Medien zur Musik Wiedergabe, durch die Karaoke-Liebhaber voll auf ihre Kosten kommen. Bahnbrechend ist dabei die Unterstützung durch die 32 möglichen Texteinblendungen, so daß Sprachhindernisse kaum noch von Bedeutung sind. Das Karaoke-Feature wird nicht von allen DVD-Abspielgeräten unterstützt, da zusätzliche Eigenschaften dafür implementiert werden müssen, wie z.B. die Fähigkeit in einen Stereo Track einen Karaoke Audio Track zu mixen.

Unterbrechungsfreie Verzweigung bzw. Seamless Branching

Die DVD-Video-Applikation ist in der Lage eine unterbrechungsfreie Verzweigung zwischen verschiedenen Videoblöcken darzustellen. Dadurch bietet dieses Feature die Möglichkeit, durch das gleiche Bildmaterial unterschiedlich zu navigieren und zum Beispiel in Verbindung mit dem Feature Parental Level besonders brutale Sequenzen für minderjährige Zuschauer zu überspringen.

Ländercode

Diese Regionalcodierung ist auf den DVD-Medien ebenso enthalten wie in den Abspielgeräten. Will man sich nun eine DVD anschauen so muß stets der Ländercode beider DVD-Komponenten übereinstimmen. Damit soll verhindert werden, daß die Hollywood-Filmindustrie die Kontrolle über die internationale Distribution von Filmen und Videos verliert. In Europa neu erschienene Kinofilme sollen nicht durch bereits in den USA erhältliche DVDs, übergangen werden und dadurch ein ganzes Marktsegment von Kinobetreibern und Videotheken auslöschen. Die Benutzung des Regional Codes ist ein gänzlich optionales Feature des DVD-Standards. Da der Regional Code auch nicht verschlüsselt ist und jeder Player nur eine Ein-Bit-Information auf der Disc checkt, werden Discs auch ohne jeden Regional Code herausgegeben. Dieser Schutzmechanismus wird nur bei CSS-verschlüsselten DVD-Video-Disc verwendet, nicht bei DVD-Audio-, unverschlüsselten DVD-Video- oder DVD-ROM-Discs. Ein DVD-Player mit Regionalcode wird mit der Abkürzung RPC (Regional Protection Code) gekennzeichnet. Dabei gab es zwei Kontroll Phasen, deshalb bezeichnet man Player der ersten Phase mit RPC1 und Player aus der zweiten Phase mit RPC2. Verschiedene Anbieter versprechen diesen Ländercode bei Standalone-Geräten zu deaktivieren und für DVD-Laufwerke tummelt sich das Softwaretool „DVD-Genie“ im Internet zur willkürlichen Umstellung des Ländercodes. Der DVD-Standard teilt hinsichtlich des Regionalcodes die Welt in die folgenden acht Regionen auf, wobei Region 7 für spätere Verwendung reserviert ist.

Region 1: USA, Kanada
Region 2: Europa, Japan, mittlerer Osten, Ägypten, Südafrika, Grönland
Region 3: Südostasien (Südkorea, Philippinen, Indonesien)
Region 4: Zentralamerika, Südamerika, Australien, Neuseeland
Region 5: Rußland, Osteuropa, Indien, Afrika (außer Südafrika)
Region 6: China, Tibet
Region 7: reserviert
Region 8: spezielle Anwendungen (Flugzeuge, Kreuzfahrtschiffe, Hotels)

Region 0 ist zwar ein allgemeiner, aber auch irreführender, Ausdruck. Es gibt definitiv keine Region 0. Regionalcode-freie Player oder Discs, abspielbar in allen Regionen, existieren. Wobei ein modifizierter Player, der alle Regional Code Discs abspielen kann, hat alle Bit einer Regionalcode-Maske gesetzt, was technisch als Region 65 535 bzw. Region FFFF ausgelegt werden kann.

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4.2.4 Kopierschutz

Für Hollywood war von Anfang an klar, daß die DVD ein hervorragendes Medium zur optimalen Bild- und Tonspeicherung darstellt und sich gleichzeitig äußerst gut zur Distribution eignet. Aber es war auch von Anfang an klar, daß Mechanismen eingesetzt werden müssen, um die illegalen Kopien der Consumer zu unterbinden. Bei der DVD wurden gleich mehrere Schutzmechanismen eingefügt, die das illegale Kopieren unmöglich machen sollen. Dabei spielt es keine Rolle, ob nun eine analoge oder digitale Kopie angefertigt werden soll.

Die Copy Protection Technical Working Group 9 (CPTWG) des DVD-Forums investierte viel Geld und Man-Power in die Kopierschutz-Systeme, um analoge und digitale Kopien von DVDs zu verhindern bzw. zu erschweren. Das Ergebnis dieser Anstrengung ist, daß der Durchschnittskonsument nicht mehr in der Lage ist, eine Videokassetten-Kopie bzw. eine File-Kopie auf eine Harddisc zu kopieren. Jedoch wird ein Technik begeisterter Consumer immer Mittel und Wege finden den Kopierschutz zu umgehen.

Das DVD-Forum hat alle technischen und rechtlichen Details des Kopierschutzes von der restlichen DVD-Spezifikation abgetrennt. Die Kopierschutz-Features werden mit separaten Lizenzverträgen an Gerätehersteller verkauft, die sich damit einverstanden erklären die Kopierschutz-Features zu implementieren. Dadurch erhalten die Hersteller vollen Zugriff auf eingesetzte Entschlüsselungs-Keys und Algorithmen, die zum Abspielen des encrypteten Inhalts benötigt werden. Die DVD wird nicht mit weniger als acht Kopierschutzmechanismen vor illegalen Kopien geschützt.

4.2.4.1 Analog Protection System

Das Kopieren von DVD auf VHS oder auf andere analoge Aufnahmesysteme verhindert das Analog Protection System (APS), das maßgeblich von einer Firma namens Macrovision entwickelt wurde, deshalb nennt man dieses System auch Macrovision-System.

Alle Computer Graphikarten mit einem Composite- oder S-Video-Ausgang enthalten das APS-System. DVD-Abspielgeräte oder DVD-Computer können auch ohne dieses Schutzsystem gebaut werden, erhalten dann allerdings keine Lizenz, um CSS geschützte Videos abspielen zu können. Das System unterstützt zwei getrennte Verfahren, das Automatic Gain Control (AGC) und das Colorstripe. Die von Macrovision stammende AGC Technologie ist seit 1985 zum Schutz von Verkaufsvideokassetten in Gebrauch. Hierbei wird in der vertikalen Austastlücke ein Impuls hinzugefügt, um den automatischen Aufnahme-Schaltkreis eines Videorecorders zu stören und dadurch ein verrauschtes, instabiles Bild aufzeichnet. Das Colorstripe-Verfahren erzeugt einen hochfrequenten, modulierten Farbburst, der den Chroma-Schaltkreis eines Videorecorders beeinflußt und horizontale Streifen bei der Wiedergabe verursacht. Die ursprüngliche Verwendung der beiden Verfahren zeigt aber auch bei DVD-Playern ihre Wirkung, so daß Effekte wie z.B. Helligkeitsschwankungen oder Schwarz/Weißbilder auftreten.

Die Disc selbst teilt dem Player dabei mit, ob der analoge Kopierschutz aktiv ist oder nicht. Allein die Disc-Macher entscheiden welche DVD mit Macrovision ausgestattet ist und welche nicht. Für jede Video Object Unit (VOBU) können Bits im Datenstrom gesetzt werden, die den Macrovision-Schutz aktivieren.

4.2.4.2 Content Scrambling System

Das Content Scrambling System (CSS) ist ein Daten-Entschlüsselungs- und Authentifikationsschema. Es wurde entwickelt, um Videodateien nicht direkt von der DVD auf eine Harddisc kopieren zu können. Die enthaltenen Video-, Audio- und Subpicture-Daten werden von diesem System so verwürfelt, daß die Daten in dieser Form zu keinem brauchbaren Ausgangssignal führen. Dabei wird ein Challenge-Response-Verfahren eingesetzt, d.h. jeder Hersteller erhält vom DVD-Forum einen geheimen Schlüssel (Player Key) mit dem sich der Player gegenüber der DVD ausweisen muß. Bei erfolgreicher Überprüfung übergibt die DVD dem Player zwei weitere Schlüssel (Disc Key und Title Key) durch die der Player in der Lage ist, die Daten zu decodieren und weiter zu verarbeiten. Der Title Key wird in dem 6 Byte großen CPR_MAI-Feld des Daten-Sektor-Headers gespeichert. Der Disc Key dagegen wird im Lead-in-Bereich innerhalb der Referenzcode Zone gescrambelt abgespeichert.

Der Gebrauch des CSS-Systems ist streng kontrolliert und lizensiert, so daß zu jeder CSS-Lizenz ein Player Key vergeben wird. Damit die DVD den Player erkennen kann, werden in einem geschützten Bereich der Disc die Schlüssel aller erlaubten Player abgelegt. Insgesamt waren es 408 Schlüssel.

Mittlerweile kann man diesen Schutz mit einem kleinen Programm, namens DeCSS, umgehen und eröffnet dadurch die Möglichkeit die VOB-Dateien auf der Festplatte eines PCs abzuspeichern, diese abzuspielen und in andere Videoformate umzuwandeln. An diesem Crack-Programm waren ein sechzehnjähriger Norweger und eine Hackergruppe MoRE (Masters of Reverse Engineering) beteiligt. Dabei hatte man entdeckt, daß bei einem Software-Player der Player-Key nicht verschlüsselt war und machte sich dies zu nutze. In Fachkreisen war dieses 40-Bit Verschlüsselungssystem sowieso zu schwach, um ernsthaft vor Raubkopien Schutz zu bieten. Mittlerweile ist der CSS-Schutz Makulatur.

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