Následovníci kompaktních disků: DVD

Obsah

1. Následovníci kompaktních disků 2 – DVD a Blu-ray
2. DVD: Digital Video Disc nebo Digital Versatile Disc?
3. Struktura DVD
4. Kapacity DVD
5. Změny provedené v optické mechanice
6. Distribuce videa na DVD
7. Odkazy na Internetu
8. Obsah následující části seriálu

1. Následovníci lisovaných kompaktních disků 2 – DVD a Blu-ray

V předchozích dvou částech tohoto seriálu jsme si popsali jak strukturu a formát záznamu informací na „lisovaných“ kompaktních discích CD-DA (zvukový disk) a CD-ROM (datový disk), tak i princip práce zapisovatelných (CD-R) a přepisovatelných kompaktních disků (CD-RW). Při pohledu do minulosti se dá říci, že už první kompaktní disky dostupné od roku 1982 ukázaly další směr vývoje digitálních záznamových médií. Původní analogové gramofonové desky, magnetické pásky i kompaktní kazety byly prakticky ve všech směrech nahrazeny právě některým typem kompaktního disku, který se posléze (konkrétně po roce 1985) rozšířil i jako datové médium vhodné pro výpočetní techniku. Jedinou nevýhodou kompaktních disků tak zůstala poměrně nízká informační kapacita, která sice zcela dostačovala pro kvalitní finální záznam více než sedmdesáti minut zvuku, ale uložení videa v dostatečné kvalitě a délce na kompaktní disk nebylo možné, resp. nejednalo se o vážnou konkurenci k populárním kazetám systému VHS.

Obrázek 1: Klasický lisovaný kompaktní disk s průměrem 12 centimetrů

Z tohoto důvodu výrobci, přesněji řečeno konsorcia výrobců a producentů hudby i filmů, pracovali na zdokonalení kompaktních disků tak, aby se jejich kapacita několikanásobně zvýšila při zachování všech (nebo téměř všech) výhod původních CD. Výsledkem těchto snah, které ovšem ne vždy respektovaly skutečné potřeby uživatelů, je DVD, Blu-ray a již pravděpodobně mrtvý HD-DVD. Pro všechny následovníky původních kompaktních disků je typické, že se na jejich vývoji podílely především firmy orientované na trh s médii (hudba, filmy, dokonce i samotní filmoví producenti) a nikoli výrobci komponent pro výpočetní techniku (IT firmy nakonec celý trh s optickými médii zachránily před dlouhotrvajícím a pro všechny strany vyčerpávajícím konkurenčním bojem mezi dvěma podobnými technologiemi). Možná i z tohoto složení firem vyplývají některé přetrvávající problémy se zpětnou i dopřednou kompatibilitou DVD, důraz na ochranu před kopírováním dat (které jsou již ze své digitální podstaty kopírovatelné beze ztráty kvality, na rozdíl od výše zmíněných kompaktních kazet a VHS) atd. Některé z důsledků poměrně složitého vývoje DVD, na které uživatelé těchto optických paměťových médií naráží téměř každý den, si popíšeme v následujících kapitolách.

Obrázek 2: Mechanika CD-ROM s vloženým kompaktním diskem

2. DVD: Digital Video Disc nebo Digital Versatile Disc?

Po dlouhých patnácti letech kralování kompaktních disků v oblasti hudby a posléze i distribuce programů a digitálních dat se začaly objevovat technologie, které měly ambice stát se nástupcem jak kompaktních disků, tak i video kazet systému VHS. Vzhledem k tomu, že se jednalo o obrovský trh, který již nebyl zcela podřízen potřebám IT průmyslu, dalo se již dopředu očekávat, že vznikne větší množství technologií, které si budou vzájemně konkurovat. Nejprve firmy Philips a Sony, které ostatně společně vytvořily i lisovaný a zapisovatelný kompaktní disk, přišly se systémem Multimedia CD (MMCD). Ve zhruba stejnou dobu se objevil konkurenční Super Density Digital Video Disc (SDDVD), který vyvíjelo konsorcium firem Toshiba, Thomson, Pioneer, JVC a další. Po relativně dlouhých vyjednáváních (a po odmítnutí obou konkurenčních formátů významnými IT firmami, které celkem logicky požadovaly jediný standard) nakonec došlo k technologickému sloučení těchto systémů, takže se odvrátila hrozba pravděpodobně velmi nákladného konkurenčního boje, který by ostatně neprospěl ani koncovým zákazníkům.

Výsledný produkt dostal nejdříve jméno Digital Video Disc (digitální video disk). Později, avšak ještě před vytvořením finální specifikace, došlo k jeho přejmenování na Digital Versatile Disc (všestranný digitální disk), protože DVD je samozřejmě možné použít pro uložení jakýchkoli digitálních dat, nejenom videa. Aby byl zmatek v názvu dokonalý, začala Hollywoodská studia při distribuci filmů na těchto médiích používat původní název Digital Video Disc. V tomto seriálu se zabýváme především technologiemi používanými v počítačích nikoli marketingem, takže se budeme držet „neutrální“ zkratky DVD, která je pro oba názvy stejná. Ostatně i ve specifikaci DVD se již význam této zkratky nijak nevysvětluje.

3. Struktura DVD

Při návrhu DVD se vycházelo z již existující a široce zavedené technologie kompaktních disků. Na první pohled je patrné, že zůstaly zachovány základní rozměry optického média, které má běžně průměr dvanáct centimetrů (méně často se používají média o průměru osm centimetrů) a tloušťku 1,2 mm. Také způsob čtení informací se nezměnil – stejně jako u kompaktních disků, i zde se používá laserový paprsek, který čte data ze spirálové stopy, na rozdíl od magnetooptických jednotek, u kterých se využívají kruhové stopy známé i z disket a pevných disků. Co se týče dalších parametrů DVD, zde již dochází k více či méně zásadnímu odklonu od kompaktních disků, protože bylo nutné vyvinout médium s mnohem větší kapacitou při zachování odolnosti proti nepříznivým venkovním vlivům (teplota, vlhkost, světlo).

Obrázek 3: Vrstvy, ze kterých je složen kompaktní disk

První změnou, která je při podrobnějším prohlédnutí DVD viditelná, je rozdělení polykarbonátové nosné vrstvy na dvě části. Zatímco u kompaktních disků měla tato vrstva tloušťku 1,2 mm (což je i tloušťka celého CD, pokud se tedy nezabýváme mikrometrovými rozdíly), u DVD je tloušťka nosné vrstvy poloviční; pouze 0,6 mm. Aby se dosáhlo požadované tloušťky celého média 1,2 mm, jsou použity dvě polykarbonátové vrstvy, mezi nimiž se nachází jedna či dvě datové vrstvy a jednostranná či oboustranná reflexní vrstva – tímto jednoduchým způsobem je možné na DVD provádět oboustranný záznam dat a tím i zdvojnásobit kapacitu média.

Obrázek 4: Vrstvy, ze kterých je složeno jednostranné DVD

Nevýhody tohoto řešení jsou tři: poněkud se zvyšují výrobní náklady, protože lisování a následné slepení obou polovin disku musí být zcela přesné, při oboustranném záznamu se disk musí ručně obracet a nakonec možná nejzávažnější nevýhoda: laserový paprsek musí být zaostřen na datovou vrstvu vzdálenou 0,6 mm od povrchu disku, což znamená, že v místě jeho dopadu na polykarbonátovou vrstvu je jeho stopa menší, než u CD. Tím pádem i menší nečistoty či škrábance mohou způsobit chyby při čtení. Většina médií DVD však používá jednostranný způsob záznamu, potom je druhá strana pro data nevyužita a může na ní být umístěn například potisk.

Obrázek 5: Vrstvy, ze kterých je složeno oboustranné DVD

4. Kapacity DVD

Dalším vylepšením DVD oproti kompaktním diskům je zmenšení záznamové stopy a současně i délek jednotlivých pitů, které, jak již víme, slouží pro záznam změn mezi sekvencemi bitů s hodnotami nula a jedna. Minimální vzdálenost mezi osou stopy se snížila z hodnoty 1,6 mikronu na 0,74 mikronu, délka pitu z 0,972 mikronu na 0,4 mikronu. Současně se nepatrně zvětšila plocha, na kterou jsou zapisovány informace, což vedlo k dalšímu prodloužení datové stopy. Stopa na kompaktním disku leží na ploše 86,0 centimetrů čtverečních, na DVD je to 87,6 centimetrů čtverečních. K tomuto „fyzickému“ zvýšení kapacity je zapotřebí připočítat i zvýšení „logické“, především lepší využití sektorů (na CD zabírá dvoukilobytový sektor ve skutečnosti 2352 bytů, na DVD pouze 2060 bytů), odlišné kódování bytů na povrchu atd.

Faktory, které nejvíce ovlivnily zvýšení kapacity jednostranného a jednovrstvého média, jsou vypsány v následující tabulce (o dvouvrstvých médií jsou parametry poněkud odlišné):

Obrázek 6: Rozdíl mezi vzdáleností jedné otočky spirálové stopy a velikostí pitu u CD a DVD (měřítko je samozřejmě zvětšeno, vzájemný poměr je však správný)

Po započítání dalších změn, především ve způsobu zakódování logických informací, dojdeme k cca sedminásobnému zvýšení kapacity jednovrstvého a jednostranného média oproti původnímu kompaktnímu disku (4,7 GB oproti 650 MB). Při použití oboustranného DVD je kapacita přesně dvojnásobná, protože obě strany média mají naprosto stejnou strukturu i kapacitu, avšak použití dvou vrstev čtených z jedné strany disku má za následek nepatrné snížení „bližší“ vrstvy, u které muselo dojít k prodloužení pitů, aby nedocházelo k interferencím při čtení dat z hlouběji položené datové vrstvy. V následující tabulce jsou vypsány maximální kapacity typických DVD spolu s jejich označením, které je odvozeno z kapacity zaokrouhlené na celé gigabyty. Média o průměru 12 centimetrů se označují pouze jako DVD, média o menším průměru 8 centimetrů pak termínem mini-DVD.

5. Změny provedené v optické mechanice

Současně se zvýšením hustoty záznamu muselo dojít i ke změnám ve vlastní optické mechanice. Kromě zpřesnění vedení čtecí hlavy s laserem (hlava musí být naváděna s více než dvojnásobnou přesností) bylo nutné laserové světlo přesněji zaostřit a také použít i odlišnou frekvenci laserového světla. Původní vlnová délka 780 nm se zmenšila na 650 nm (červené světlo), což mělo (a má) důsledky na vzájemnou kompatibilitu mezi CD a DVD. Především došlo k tomu, že DVD mechaniky používající pouze laserovou diodu s vlnovou délkou 650 nm nedokážou přečíst CD-R, protože světlo této vlnové délky je v datové vrstvě absorbováno jak při čtení bitové nuly, tak i jedničky (řešením je použití dvojího laseru). Čtení CD-RW je však možné v DVD přehrávačích provádět, ovšem pouze v případě, že se intenzita laserového světla zvýší pomocí automatic gain control (AGC) (automatického řízení zesílení).

Další změnou oproti mechanikám kompaktních disků je složitější zaostřování laserového paprsku. Zatímco u CD mechanik byl paprsek zaostřován na vzdálenost 1,2 mm od povrchu disku (1,2 mm je tloušťka polykarbonátové vrstvy, na které je nanesena reflexní vrstva), je u DVD paprsek zaostřován na poloviční vzdálenost, tj. 0,6 mm. Kromě toho musí být mechanika schopná přečíst i dvouvrstvá média, ve kterých jsou obě datové vrstvy (čtené z jedné strany) od sebe vzdálené pouze o několik desítek nanometrů. Současně je u kombinovaných mechanik (CD+DVD) požadována i schopnost čtení klasických kompaktních disků, tj. laser (o jiné vlnové délce) musí být zaostřen o celých 0,6 mm dále od povrchu disku, což opět komplikuje konstrukci optické mechaniky. Dnes se používají dvě technologie kombinovaných mechanik – u první technologie se skutečně provádí rekonfigurace optiky (výměna čočky atd.), u druhé se v optické cestě používají holografické prvky.

Obrázek 7: Při čtení dvouvrstvého DVD se laser zaostřuje nejprve na horní datovou vrstvu a poté na vrstvu spodní

6. Distribuce videa na DVD

DVD bylo již od samého začátku navrhováno s ohledem na distribuci videa. Spolu s popisem fyzických vlastností optických médií a způsobu záznamu digitálních dat (délky sektorů, překódování jednotlivých bytů na sekvence bitů, princip záznamu opravných a detekčních kódů) byla vydána i specifikace DVD-Video popisující způsob uložení videa spolu s pomocnými daty (titulky, menu apod.) na DVD. Kvůli ochraně autorských práv bylo do specifikace DVD-Video zavedeno i několik diskutabilních vlastností; to ovšem nezabránilo tomu, aby DVD-Video už v polovině roku 2003 v prodejích předehnalo kazety VHS (první přehrávače DVD-Videa byly k dostání na vánoce roku 1997).

Video (zde je tímto termínem myšlena sekvence snímků) bývá na DVD uloženo podle normy MPEG-2 s využitím jednoduchého či hlavního profilu (norma MPEG-2 je rozčleněna do pěti podmnožin – profilů), typické rozlišení je 720×576 pixelů (norma PAL) s 25 snímky za sekundu popř. 720×480 pixelů s 30 snímky za sekundu (norma NTSC). Norma MPEG-2 připouští i další rozlišení a různé poměry stran obrazu, takže se můžeme setkat i s videem s poměrem stran 16:9, HDTV formátem atd.

Podobná variabilita panuje i při uložení audia, tj. zvukových stop synchronizovaných s video signálem. Zvukové vzorky (samply) mohou být před kódováním uloženy v 16 či 24 bitech, vzorkovací frekvence může nabývat hodnot 16, 22.05, 24, 32, 44.1 či dokonce 48 kHz, počet kanálů je roven jednomu až pěti (přitom se většinou používá konfigurace tři přední reproduktory a dva zadní s případným přidáním LFE). Bitová rychlost po zakódování audia může kolísat, je tedy variabilní (variable bit rate). Na tomto místě je vhodné říci, že populární audio kódování MP3 je odvozeno z normy MPEG-1, která mj. obsahuje i způsob kódování zvuků s využitím psychoakustického modelu. V normě je popsáno několik vrstev (layers), které může kodér i dekodér použít, z nichž nejsložitější, ale také nejvíce populární je právě vrstva III (layer III). MP3 tedy znamená MPEG-1 Layer III.

Po technické stránce je tedy DVD lepším médiem než původní kazety VHS (dokonce i v porovnání s Betamax). Ovšem DVD-Video mohou používat i diskutabilní technologii nazvanou CSS neboli Content Scramble System. Ve své podstatě se jedná o zakódování dat uložených na disku s tím, že rozkódování by mělo být teoreticky možné pouze se znalostí klíče umístěného přímo na disku (ovšem na začátku stopy v nekopírovatelné části) a klíče uloženého v mechanice a přehrávacím programu. Mezi optickou mechanikou a systémem (přehrávacím programem) se klíč přenáší pomocí zabezpečeného protokolu. CSS má dopad na dvě skupiny lidí. V první skupině se nachází všichni uživatelé chráněného disku, kterým je (alespoň teoreticky) zabráněno ve vytváření kopií videa. Druhou skupinou jsou paradoxně výrobci přehrávacích zařízení, kteří musí zažádat o licenci, jinak by nebylo možné na jejich zařízení přehrávat všechny DVD.

Při návrhu šifry však konsorcium muselo brát v úvahu omezení, které vydala vláda USA na „vývoz“ šifrovacích algoritmů, jež jsou považovány za zneužitelnou technologii a potenciální zbraň. Délka klíče musí podle tohoto omezení být menší nebo rovna 40 bitům, což je dnes považováno za zcela nedostatečnou hodnotu pro kvalitní šifru, zejména s ohledem na výpočetní sílu dnešních běžně dostupných počítačů (viz osud DESu, jehož délka klíče možná v minulosti dostačovala, ovšem dnes již pro citlivá data nikoli). Pro účely CSS byla tedy zvolena maximální povolená délka klíče, tj. 40 bitů.

Ovšem ani samotný návrh šifrovacího algoritmu použitého v CSS nebyl příliš kvalitní. Algoritmus obsahuje slabá místa, které snižují faktickou délku klíče na pouhých šestnáct bitů (ostatní bity jsou lineární kombinací těchto šestnácti bitů) – to je již tak malá hodnota, že pro rozšifrování dat hrubou silou (vyzkoušení všech možných klíčů) postačuje běžné PC a pár minut strojového času. Šifru použitou v CSS prolomil Jon Lech Johansen ve svém slavném DeCSS. Johansen posléze čelil právě kvůli zveřejnění DeCSS obžalobě, ovšem soud správně rozhodl, že k porušení zákona v tomto případě nedošlo (jiný výsledek by ostatně byl směšný).

V jeden moment, kdy panovala obava, že bude další šíření zdrojových kódů pro dešifrování CSS zakázáno, se objevily různé „alternativní“ metody zápisu dešifrovacího algoritmu, částečně proto, aby se ukázalo, že zákaz šíření něčeho tak obecného, jako je algoritmus, je už z podstaty nesmysl. Na Internetu se tak můžeme setkat například s DeCSS přetransformovaného do básničky, obrovského celého čísla (po jehož dekódování se získá sekvence bytů představující zazipovaný program; šíření čísla lze těžko zakázat), nabídkou triček s natištěným zdrojovým kódem DeCSS atd. Zajímavý je například následující Perlovský program, který má délku pouhých 478 bytů:

#!/usr/bin/perl
# 472-byte qrpff, Keith Winstein and Marc Horowitz <sipb-iap-dvd@mit.edu>
# MPEG 2 PS VOB file -> descrambled output on stdout.
# usage: perl -I <k1>:<k2>:<k3>:<k4>:<k5> qrpff
# where k1..k5 are the title key bytes in least to most-significant order

s''$/=\2048;while(<>){G=29;R=142;if((@a=unqT="C*",_)[20]&48){D=89;_=unqb24,qT,@
b=map{ord qB8,unqb8,qT,_^$a[--D]}@INC;s/...$/1$&/;Q=unqV,qb25,_;H=73;O=$b[4]<<9
|256|$b[3];Q=Q>>8^(P=(E=255)&(Q>>12^Q>>4^Q/8^Q))<<17,O=O>>8^(E&(F=(S=O>>14&7^O)
^S*8^S<<6))<<9,_=(map{U=_%16orE^=R^=110&(S=(unqT,"\xb\ntd\xbz\x14d")[_/16%8]);E
^=(72,@z=(64,72,G^=12*(U-2?0:S&17)),H^=_%64?12:0,@z)[_%8]}(16..271))[_]^((D>>=8
)+=P+(~F&E))for@a[128..$#a]}print+qT,@a}';s/[D-HO-U_]/\$$&/g;s/q/pack+/g;eval 

Nutno říci, že program sám vypadá jako by byl zašifrovaný, což je částečně pravda, stačí se podívat na posledních několik operátorů.

7. Odkazy na Internetu

1. What's on a DVD?
   http://www.do­om9.org/index­.html?/dvd-structure.htm
2. Content Scramble System:
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/Con­tent_Scramble_Sys­tem
3. Disc Technology (Fresh Spin Disc Technologies):
   http://www.fresh-spin.com/fsDis­cTechnology.htm
4. HD DVD and DVD Layers On A Single Disc:
   http://www.avi­ransplace.com/2004/12­/08/hd-dvd-and-dvd-layers-on-a-single-disc/l
5. How DVD increased density over CD ROM:
   http://www.mpeg­.org/MPEG/DVD/G­eneral/Gain.html
6. DeCSS:
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/DeC­SS
7. Jon Lech Johansen:
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/Jon_Lech_­Johansen
8. Wikipedia EN: DVD
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD
9. Wikipedia CZ: DVD
   http://cs.wiki­pedia.org/wiki/DVD
10. History of DVD technology:
    http://www.ce­.org/Press/CE­A_Pubs/929.asp
11. DVD Frequently Asked Questions:
    http://www.dvdde­mystified.com/dvdfaq­.html
12. DVD Copy Control Association and the Content Scramble System (CSS):
    http://www.dvdcca­.org/
13. Lorenc P., Matulík R.: Optické paměti 1,
    ComArr, IDG
14. CD-R Media Survey, Jerome L. Hartke, Media Sciences, Inc.:
    http://www.msci­ence.com/surve­y.html
15. Why CD-Rs Fail, Jerome L. Hartke, Media Sciences, Inc.:
    http://www.msci­ence.com/cdrfa­il.html
16. Do Burned CDs Have a Short Life Span?:
    http://www.pcwor­ld.com/article/124312/d­o_burned_cds_ha­ve_a_short_li­fe_span.html
17. CD-R/DVD-R reliability:
    http://www.rou­mazeilles.net/new­s/en/wordpres­s/2007/01/04/cd-rdvd-r-reliability/
18. Frequently Asked Questions, Interchangeable Media for Computer Mass Storage:
    http://www.msci­ence.com/faq.html#CD

8. Obsah následující části seriálu

V další části seriálu o architekturách počítačů dokončíme poměrně rozsáhlé téma věnované pamětem, jejichž mechaniky obsahují pohyblivé části (jedná se především o optické, magnetooptické a magnetické disky, včetně disket); popíšeme si totiž technologie zapisovatelných a přepisovatelných DVD i jejich nástupce – Blu-ray. V navazující části se pak již budeme věnovat zcela odlišným typům pamětí, konkrétně Flash pamětem (technologie NAND), které jsou stále více populární, ať již ve formě „USB klíčenek“, tak i ve formě paměťových karet různých typů používaných například v kamerách a digitálních fotoaparátech. Samozřejmě nezapomeneme ani na SSD (Solid State Disc) a hybridní disky, včetně úvahy nad praktickými důsledky maximálního počtu zápisů do jednotlivých paměťových buněk (tyto úvahy nabraly na intenzitě především s nástupem miniaturních notebooků, z nichž některé obsahují místo klasických pevných disků právě SSD).