DVD光盘复制格式剖析
时间：[2007-8-11]
一、引言
DVD是数字通用光盘(Digital Versatile Disc)的缩写。它集计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体，其目的是为了满足人们对大存储容量、高性能的存储媒体的需求，主要用于存储多媒体软件和影视节目。 DVD光盘的大容量特性为软件创作者提供了巨大的想象空间和施展才能的舞台，可以利用它开发出更加丰富多彩的节目。DVD光盘不仅已在民用音视频领域内得到了广泛应用，而且将会带动出版、广播、通信等行业的发展。目前，DVD光盘的高品质音视频已得到广泛认同，DVD播放机已成为家庭影院系统中的重要组成部分。与现有CD/VCD相比，DVD-Video光盘除了具有更大的存储容量外，还增加了如下功能：
每一张盘上可放置多个节目(如可放置同一影片的不同版本)；
多声轨(如可放置多种语言)；
多种文字字幕；
父母锁定控制；
多角度观赏选择；
版权保护；
提供4:3或16:9的高品质视频图象，并能配以多通道伴音。要实现这些功能，必须将所有数据按一定的格式存放在DVD盘上，DVD播放机才能读出这些数据,播放出高品质的画面和优美动听的音乐。
二、DVD盘的物理结构
从表面上看，DVD盘与CD/VCD盘很相似，其直径为80mm或120mm，厚度为1.2mm。但实质上，两者之间有本质的差别。按单/双面与单/双层结构的各种组合，DVD可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种物理结构。CD-ROM能容纳650MB的用户数据，而单面单层DVD盘的容量为4.7GB(约为CD-ROM容量的7倍)，双面双层DVD盘的容量则高达17GB(约为CD-ROM容量的26倍)。CD的最小凹坑长度为0.834μm，道间距为1.6μm，采用波长为780～790nm的红外激光器读取数据，而DVD的最小凹坑长度仅为0.4μm，道间距为0.74μm，采用波长为635～650nm的红外激光器读取数据。表1列出了各种情况的组合及其相应的容量。单面DVD盘可能有一个或两个记录层。与CD一样，激光器从盘的下面读取单面盘上的数据，如图1所示。双面DVD盘上的数据分别存放在盘的上下两面。有两种方法读取双面盘上的数据:
在播放完盘上第一面的节目后，将盘从播放机中取出，翻面后再放入播放机中继续播放第二面上的节目；
在播放机中装两个读激光器，分别从盘的上下两面读取数据，或者在播放机中只装一个读激光器，但在读完盘的第一面后可以自动地跳到盘的另一面继续播放。如果采取后一种方案，则读完盘的第一面后不需要将盘取出翻面。
双层盘实际上是将两层盘迭加在一起，下层是一半反射层，透过它可以读取上层的数据。读下层盘时总是从内圈开始，并从里往外读取，读完下层后再读上层。读取上层盘有两种方法：一种是逆光道路径OTP (Opposite Track Path)法，即读上层盘时从外圈开始，并从外向里移动 (图3中的箭头示出了读取方向)；另一种是顺光道路径PTP (Parallel Track Path)法，即读上层盘时从内圈开始，并从里向外移动 (图4中的箭头示出了读取方向)。读激光器在读上下层盘上的数据时，其光学焦点会改变。无论是单层盘还是双层盘都由两片基底组成，每片基底的厚度均为0.6mm，因此DVD盘的厚度为1.2mm。对于单面盘而言，只有下层基底包含数据，上层基底没有数据;而双面盘的上下两层基底上均有数据。
三、DVD盘数据的组织方式
与CD/VCD盘相似，每一层DVD盘上的数据均分为导入区(Lead-in Area)、数据区(Program Area)和导出区(Lead-out Area)三个区域。对双层OTP盘而言，还有一个中间区(Middle Area),如图3和4所示。 DVD盘上的数据是按扇区(Sector)形式组织的。每个扇区由1024位数据组成，扇区之间没有间隙，并按如下方式连续地存放在盘上:
对于单层盘，从导入区的开始处到导出区的结束处;
对于双层盘的第0层，从导入区的开始处到中间区的结束处;
对于双层盘的第1层，从中间区的开始处到导出区的结束处。
对于采用OTP方式的双层盘，第1层中间区开始处的扇区号由第0层数据区的最后一个扇区号按位取反而得到，此后的扇区号就连续增加直至第1层导出区的结束处。图5示出了各种结构DVD盘(包括单层盘、PTP双层盘和OTP双层盘)上数据区中的逻辑扇区和物理扇区的组织结构。
单层盘类型
PTP双层盘类型
OTP双层盘类型
有时称扇区为“数据扇区”、“记录扇区”或“物理扇区”，这主要取决于记录在盘上之前信号处理的状态。一个数据扇区由2048字节的主数据、12字节的标识和其它数据以及4个字节检错码组成。一个记录扇区是在编码纠错码后产生，并由一个数据扇区再加上外码奇偶校验OCP和内码奇偶校验ICP组成。物理扇区由一个扇区按8/16转换调制后得到，它就是记录在盘上的真实扇区。导入区、数据区、导出区和中间区所含的扇区数是可变的，主要取决于程序内容的长度。一般来说，数据区的第1个扇区号总是指定为196608号(030000H)。导入区由参考码和控制数据组成。其中的参考码由32个扇区长的2个纠错块组成。控制数据由192个纠错块组成，主要包括盘的物理格式信息、盘的制造信息和节目提供者信息：
盘的类型(只读/可重写/可记录)和版本号(0.9/1.0)
盘的尺寸(8/12 cm)和最小读出速率(2.52/5.04/10.08 Mbps)
盘的结构(层数/光道路径/层类型)
记录密度(线密度和道密度)
数据区的分配(起始位置(总是开始于030000H)和结束扇区号)
BCA描述符(突发切断区存在/不存在)
数据区的数据是用户数据。中间区的所有主数据均置为0。导出区的所有主数据也均置为0。
四、DVD盘的逻辑结构
本节描述DVD光盘上的数据是按何种逻辑结构安排的。
一张DVD盘总是包含一个逻辑卷。对于多层DVD盘，卷被分成与层数相对应的分区。一个逻辑卷里的基本逻辑单元是一个逻辑扇区，它包含2048个字节，与一个物理扇区相对应。一个卷主要包含卷及文件结构、DVD-Video区和非DVD-Video区(该区是可选的)，如图6所示。视频文件放在DVD-Video区内，计算机数据放在非DVD-Video区内，这样就可在同一张DVD盘上存放影视节目和计算机游戏节目。
4.1卷及文件结构
DVD盘的卷和文件结构符合ISO-9660和UDF通用盘格式两个国际标准，这两个标准规定了程序如何才能在盘上找到要读的扇区位置。
4.2 DVD-Video区
DVD-Video区包含一个视频管理器(VMG)和1到99个节目集(VTS)两部分，如图7所示。
(1) 视频管理器
视频管理器由可选的菜单视频对象(VMGM_VOBS)、控制数据(VMGI)及其备份数据构成的两个或三个文件组成(如图8所示)，它包含如下两部分内容：
DVD-Video区中所有视频节目集VTS的目录表；
视频管理器信息VMGI，它是以静态信息形式存放的控制数据，用于回放节目和支持用户操作。
(2) 视频节目集
视频节目集VTS由3至12个文件组成，其中包含一个控制数据(称之为视频节目集信息VTSI)文件、一个可选的用于VTS菜单的视频对象集文件、1至9个用于VTS中节目的视频对象集文件和一个控制数据备份文件(如图8所示)。
五、DVD盘的数据结构
DVD盘上有浏览数据(Navigation Data，即处理回放数据)和演播数据(Presentation Data，即音频、视频、子图等数据)两种数据结构。用户可以按照浏览数据中的控制信息，播放演播数据中的音频、视频和子图等数据，图9示出了这两种数据结构与DVD播放机之间的关系。
5.1 浏览数据的结构
浏览数据主要控制如何回放演播数据，它由视频管理器信息(VMGI)、视频节目集信息(VTSI)、程序链信息(PGCI)、演播控制信息(PCI)和数据搜索信息(DSI)等5个部分（应该是"5种类型" — randoman）组成。下面将详细介绍这些数据的结构和组成。
视频管理器信息
DVD盘中必须包含视频管理器信息VMGI。VMGI中包含节目搜索信息管理表、节目搜索指针表、视频管理器菜单PGCI单元表、父母锁定管理信息表、视频节目集属性表、文本数据管理器、视频管理器菜单单元地址表和视频管理器菜单视频对象单元地址图等8个部分，其中父母锁定管理信息表和文本数据管理器是可选的，如表2所示。
视频节目集信息
视频节目集信息VTSI包含有关节目及节目菜单上的信息，由视频节目集信息管理表、视频节目集节目部分搜索指针表、视频节目集程序链信息表、视频节目集菜单PGCI单元表、视频节目集时间图表、视频节目集菜单单元地址表、视频节目集菜单视频对象单元地址图、视频节目集单元地址表和视频节目集视频对象单元地址图等9部分组成，其中视频节目集时间表是可选的，如表3所示。
程序链信息
程序链信息PGCI包含浏览命令和单元回放顺序，用以控制视频对象VOBS的演播。它由程序链一般信息、程序链命令表、程序链程序图、单元回放信息表和单元位置信息表等5部分组成，其中程序链命令表和单元回放信息表是可选的，如表4所示。
演播控制信息
演播控制信息PCI用于控制VOB单元的演播，包括控制多角度欣赏、加亮以及VOB中有关声音、数据及SP数据的记录信息，具体内容有PCI的一般信息PCI_GI、非无缝的角度信息NSMI_AGLI、高亮度信息HLI和记录信息RECI。
数据搜索信息
数据搜索信息DSI用于搜索并实现VOBU单元的无缝播放，它包括DSI的一般信息DSI_GI、无缝回放信息SML_PBI、无缝的角度信息SML_AGLI、VOB搜索信息VOBU_SRI和同步信息SYNCI。
5.2 演播数据
演播数据由音频、视频和子图组成。它至少含有一个节目。一个节目至少包含一个程序链PGC。一个节目中的第一个程序链总是Entry PGC。在只有一个程序链的节目中，该程序链就是Entry PGC。图10示出了一个节目中所包含的程序链之间的关系。一个程序链PGC由程序链信息PGCI和视频对象集VOBS中的单元组成。PGCI又由前命令(precommand)、后命令(postcommand)及单元(cell)组成的程序组成，这些单元指向VOBS中的单元，这样就定义了回放这些单元的顺序(图11)。
六、DVD的激光头
目前DVD播放机的光头的种类可以分为单激光器方式和双激光器方式两种，而这两种的每一种又可细分为几种： 1、单激光器方式。只有一个激光发射器，只能发射650nm的激光，故无法兼容CD－R。
具体又有以下几种方式：
（1）双透镜方式，采用两个焦距不同的透镜，分别用于DVD和CD系统，透镜必须采用机械方式进行切换。
（2）双焦点透镜方式，全息技术，在透镜上做环状切割。
（3）快门方式(孔径控制方式)。
2、双激光器方式。由于采用了两个激光器，能发射两种不同波长，故能读取CD－R。
有两种方式：
（1）双激光头方式，备有两套激光器和透镜系统，分别用于CD和DVD。
（2）双激光器单光路方式，备有分别适用于DVD和CD的专用激光器，光路和透镜系统则利用棱镜等实现公用。
由于DVD与CD/VCD规格的差异，光源波长的不同，所以DVDROM无法读取CD/VCD，CD－ROM也无法读取DVD，但DVD要向下兼容，所以各家生产商有不一样的办法来兼顾CD/VCD。因为光源波长及盘片厚度不同，要正确读取盘片有三种办法：
1、切换双镜头：为Toshiba的技术，分别准备2个焦距不同的镜片切换，但是镭射发射及接收还是共用的，成本不高也不低。
2、独立双镜头：为sony的技术，独立的两组镜头，成本最高，技术层次较低，但是兼容性是最好的。
3、双焦距单镜头：为Pioneer的技术，同一个镜头，同一组镭射接收发射器，也就是利用液晶快门的技术来达到控制焦距的目的，成本最低，技术层次最高，当然兼容性也比较不好。
复制
生产CD-ROM成品的第一步，是将数据从模片上转移到塑料基片上。一个高精度的注塑模具将光学等级的塑料所制成的融化树脂注入模具空腔。模具的一面是模片。 这一过程只需要几秒钟，其产品是一个其中一面印有点的轮廓清晰的塑料盘。其后塑料盘载有数据的一面要镀上一层极薄纯铝，这是为了形成一个读出盘上数据所必须的反光表面。典型的给盘镀金属的方法是溅镀（Sputtering）。在溅镀过程中，每一张盘都被喷射上铝原子，以产生均匀的镀层。
生产的最后一步是在铝表面再加上一层坚固的漆膜。这一层漆保护铝膜不会被划伤，不会氧化，并可作为标签印刷的工作表面。
印刷和包装
通过高速丝网印制或是胶版印刷，可以将图片印在盘的漆层上。图片的翻印可以达到八种颜色，不过这还要看复制商的标签印刷的能力。丝网印刷是最常使用的方法。它是将图片转换为一张有孔的网，墨通过网附着在盘上。这一过程与蜡纸印刷相似。
胶版印刷使用墨滚及印刷台转换图片。这一方法在传统商业印刷中使用广泛，现在也用于光盘商标的印刷。胶版印刷进行图片翻版时可以取得更高质量的分辨率，它优于丝网印刷的地方是可以印刷增强的四色图片及其他的复杂图形。
印刷之后，光盘或是自动或手工进行包装。尽管现在有许多其他可行的并进入应用的包装方法，但塑料盒子仍然是CD-ROM使用最多、最普遍的包装方法。这是由于塑料盒坚固耐用，并且全自动化的生产线很普及。
其他被普遍使用的包装方法（其中一些方法可能需要手工操作）包括：（1）轻型包装，如Tyvek和纸板套；（2）透明塑料套，如Viewpaks；（3）有益环保的纸板质地的盒子，如Digipaks的Ecopaks。
经过这五个环节，CD-ROM复制就完成了。但在生产过程中，生产的每一环节对质量都应有严格的控制，以确保符合工业生产规格。这样才能保证所有光盘的误差在可以接受的差异范围之内，即被控制在所有CD-ROM驱动器允许的范围之内。
CD-ROM的结构
对CD唱盘(CD-DA)结构了解的人，从物理上也不难理解CD-ROM。CD-ROM使用了与CD-DA相同规格的盘和光学技术，以及相同的原版盘制作和压制方法。这两种盘的主要差别是盘上的数据结构，以及数据寻址和纠错能力。下面介绍CD-ROM盘及其物理数据结构。
CD-ROM盘片
标准的CD-ROM盘片直径为120毫米（4.72英寸），中心装卡孔为15毫米，厚度为1.2毫米，重量约为14~18克。CD-ROM盘片的径向截面共有三层：
（1）聚碳酸酯(Polycarbonate)做的透明衬底；（2）铝反射层；（3）漆保护层；
CD-ROM盘是单面盘，不做成双面盘的原因，不是技术上做不到，而是做一片双面盘的成本比做两片单面盘的成本之和还要高。因此，CD-ROM盘有一面专门用来印制商标，而另一面用来存储数据。激光束必须穿过透明衬底才能到达凹坑，读出数据，因此，盘片中存放数据的那一面，表面上的任何污损都会影响数据的读出性能。
编码
为了在物理介质上存储数据，必须把数据转换成适于在介质上存储的物理表达形式。习惯上，把数据转换后得到的各种代码称为通道码。之所以叫通道码，是因为这些代码要经过通信通道。通道码并不是什么新概念，磁带、磁盘、网络都使用通道码。可以说，所有高密度数字存储器都使用0和1表示的通道码。如软磁盘，它就使用了改进的调频制（MFM , Modified Frequency Modulation）编码，通过MFM编码把数据变成通道码。
CD-ROM和CD-DA一样，把一个8位数据转换成14位的通道码，称为8－14调制编码，记为EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)。根据通道码可以确定光盘凹坑和非凹坑的长度。
数据结构
由于CD-ROM产生的技术背景是CD-DA，加上其螺旋形线型光道结构、以恒定线速度（CLV）转动、容量大等诸多因素，导致CD-ROM的数据结构比硬磁盘和软磁盘的数据结构复杂得多。
CD-ROM盘区划分为三个区，即导入区(Lead-in Area)、用户数据区(User Data Area和导出区(Lead-out Area)。这三个区都含有物理光道。所谓物理光道是指360°一圈的连续螺旋形光道。这三个区中的所有物理光道组成的区称为信息区（Information Area）。在信息区，有些光道含有信息，有些光道不含信息。含有信息的光道称为信息光道（Information Track）。每条信息光道可以是物理光道的一部分，或是一条完整的物理光道，也可以是由许多物理光道组成。
信息光道可以存放数字数据、音响信息、图像信息等。含有用户数字数据的信息光道称为数字光道，记为DDT(Digital Date Track)；含有音响信息的光道称为音响光道，记为ADT(Audio Track)。一片CD-ROM盘，既可以只有数字数据光道，也可以既有数字数据光道，又有音响光道。
在导入区、用户数据区和导出区这三个区中，都有信息光道。不过导入区只有一条信息光道，称为导入光道（Lead-in Track）；导出区也只有一条信息光道，称为导出光道（Lead-out Track）。
用户数据记录在用户数据区中的信息光道上。所有含有数字数据的信息光道都要用扇区来构造，而一些物理光道则可以用来把信息区中的信息光道连接起来。
错误检测与纠正
激光盘同磁盘、磁带一类的数据记录媒体一样，受到盘的制作材料的性能、生产技术水平、驱动器以及使用人员水平等的限制，从盘上读出的数据很难完全正确。据有关研究机构测试和统计，一片未使用过的只读光盘，其原始误码率约为3×10－4；有伤痕的盘约为5×10－3。针对这种情况，激光盘存储采用了功能强大的错误码检测和纠正措施，采用的具体对策归纳起来有三种：
(1) 错误检测码EDC(Error Detection Code)。采用CRC码(cyclic Redundancy Code)检测读出数据是否有错。CRC码有很强的检错功能，但没有开发它的纠错功能，因此只用它来检错。
(2) 错误校正码或称为纠错码ECC(Error Correction Code)。采用里德-索洛蒙码，简称为RS码，进行纠错。RS码被认为是性能很好的纠错码。
(3) 交差里德-索洛蒙码CIRC(Cross Interleaved Reed-Solomon Code)。这个码可以理解为在用RS编译码前后，对数据进行插值和交叉处理。 |