Предшественники проигрывателей компакт-дисков — универсальные проигрыватели видео- (LD) и звуковых (CD) компакт-дисков

Несколько позже фирма Philips попыталась продвинуться в области записи изображения путем создания золотых компакт-дисков формата CDV с классическим диаметром 12 см, на которые можно было нанести максимум шестиминутную аналоговую запись изображения, а также приблизительно двадцатиминутную цифровую звукозапись. И хотя эта система не пользовалась большим успехом, тем не менее она способствовала утверждению мнения и том, что по соображениям технологии производства и последующей эксплуатации может быть применим лишь компакт-диск, который по своим размерам и способу записи будет совместим с ранее созданными компакт-дисками. Итак, предполагалось, что новый формат будет полностью цифровым, при этом высокое качество записанного изображения должно совмещаться с достаточно продолжительным временем воспроизведения. Таким образом задача была еще раз поставлена, однако ее решение было очень и очень непростым. Поскольку для полной оцифровки цветного движущегося изображения необходимо обеспечить поток информации, составляющий около 27 Мбайт/с, легко вычислить, что на классический компакт-диск объемом 650 Мбайт можно было бы записать всего 650 : 27 = 24 секунды изображения. Кроме того, эту запись невозможно было бы воспроизвести в реальном времени, поскольку тогдашняя аппаратура не обеспечивала считывание столь высокого потока информации. И все же решение было найдено. Была предложена только что разработанная технология компрессии (сжатия) информации, принцип которой был основан на преобразовании каждого кадра или последовательности кадров. В нем, во-перных, используется особенность человеческого зрения, для которого более существенной является информация о яркости изображения, чем о его цветности. А во-вторых, то, что в каждой видеозаписи, даже весьма динамичной, содержание кадров, следующих друг за другом, меняется лишь частично, поэтому достаточно постоянно изменять лишь движущиеся объекты, а полную картинку обновлять лишь после нескольких кадров (рис. 2). Это позволяет существенно снизить поток и объем записываемой информации.

При сжатии информации, содержащей записи движущихся объектов, целые кадры записываются в длительных интервалах, а в промежутках демонстрируются только меняющиеся части изображения

Указанные новые технологии были с успехом использованы создателями диска Video-CD, по размерам и внешнему виду весьма схожего с классическим диском. Формат Video-CD с цифровой аудиовизуальной записью, сжатой по методу MPEG- 1 (Motion Picture Experts Group), т.е. с постоянным потоком информации 1,5 Мбайт/сек, обеспечивает создание изображения с горизонтальным разрешением 240 строк (как и в системе VHS) продолжительностью 74 минуты. Впрочем, для записи художественных фильмов, продолжительность которых составляет от 90 до 140 минут, этого объема явно не хватает.

В то время, когда фирмы-изготовители диска Video-CD старались популяризировать свое изобретение, произошел еще один качественный скачок. Поскольку производители кинофильмов и компьютеров вес громче требовали создания оптического носителя записи огромного объема, а прогресс в области полупроводниковой техники уже позволял достигнуть такого повышенного объема, фирмы-изготовители занялись усовершенствованием уже существующего компакт-диска. Таким образом через пятнадцать лет после рождения звукового компакт-диска состоялся дебют его видеонаследника, обладающего намного большим объемом. Однако проблема заключалась еще и в том, что этот наследник не был единственным... Кроме фирм Philips и Sony, создателей первого компакт- диска и диска Multimedia CD (MMCD), некоторые другие фирмы, объединенные вокруг компаний Toshiba и Thomson, представили собственную версию нового видеодиска, названную Super Density Digital Video Disc (SDDVD). И все же угроза конкурентной борьбы, которая не пошла бы на пользу ни соперникам, ни потребителям, ни самим системам, после долгих переговоров была успешно предотвращена. Изделие, созданное в результате достигнутого компромисса (лишь коммерческого, но не технического) получило «нейтральное» название DVD (Digital Versatile Disc), причем слово Versatile в данном случае можно перевести как «всесторонний, универсальный». Как и его предшественники, новый компакт- диск должен будет иметь несколько разновидностей таких, как DVD-Video, DVD- ROM, DVD-R для одноразовой записи, DVD-RAM для многоразовой записи, а несколько позже, видимо, следует ожидать появления и DVD-Audio. Вот один пример, ярко говорящий о готовности компьютерных фирм бросится внедрять такую разновидность DVD, как DVD-ROM: по прогнозу фирмы Intel к 1999 году ожидается объем продаж 70 миллионов DVD-ROM-накопителей и полное прекращение выпуска CD-ROM в 1998 году

Как работает формат DVD и что он предлагает

Внимательные читателя нашего журнала, постоянно следящие за перипетиями, связанными с созданием DVD, могут спокойно пропустить этот раздел. Остальным расскажем об этом очень кратко. Сокращение длины волны светового потока, излучаемого лазером, с прежней величины 0,76 мкм до 0,65—0,635 мкм обеспечило возможность снизить размер питов для записи приблизительно наполовину, а расстояние между отдельными дорожками — с 1,6 до 0,74 мкм (рис. 3.).

Размеры и расстояния между углублениями с записями на дисках формата CD (слева) и DVD (справа)

Это позволило увеличить объем информации, записанной на компакт-диске, с 650 Мбайт (CD) до 4,7 Мбайт (DVD), т.е. более, чем в семь раз. Впрочем, усовершенствования коснулись не только объема диска. В дисках CD более широкий луч лазера проходит через предохранительный слой толщиной 1,2 мм. Для того, чтобы более узкий луч лазера, применяемый в DVD-проигрывателях, смог проникнуть в углубления меньшего размера, толщина предохранительного слоя была снижена наполовину. Однако с учетом того, что общая толщина компакт-диска должна оставаться неизменной, конструкторы поместили под предохранительный слой второй слой — укрепляющий, на котором им, естественно, захотелось также разместить запись. Таким образом одновременно с «классическим» компакт-диском с одним активным слоем, на котором помещается 134-минутная запись, был создан еще один тип диска — двухслойный, причем оба слоя разделяет расстояние, равное толщине человеческого волоса. При воспроизведении двухслойного диска луч лазера вначале считывает информацию, записанную на нижнем, более глубоком слое, а затем автоматически перефокусируется на верхний, полупрозрачный слой. Выравнивающая память проигрывателя компакт-дисков работает таким образом, чтобы зритель не заметил перехода от одного слоя к другому. Указанные усовершенствования позволяют повысить объем информации, записанной на диске, до 8,5 Гбайт, т.е. до величины, обеспечивающей 236 минут воспроизведения. Но, как известно, аппетит приходит во время еды, поэтому конструкторы предложили еще одно усовершенствование — двусторонние одно- и двухслойные компакт-диски, сделанные по образцу классических, с объемом, составляющим соответственно 9,4 и 17 Гбайт (рис. 4), Однако такие диски могут воспроизводиться лишь на проигрывателях, оснащенных двумя независимыми считывающими системами (рис. 4). Время воспроизведения записи на таких носителях информации составляет (не пугайтесь!) четыре с половиной и восемь часов соответственно!

Четыре варианта компакт-диска формата DVD: односторонний однослойный (1), односторонний двухслойный (2), двусторонний однослойный (3), двусторонний двуслойный (4)

Рост объема информации, записываемой на компакт-диск, мотивировался не только желанием поместить на диск фрагменты большей продолжительности. Конструкторы не забыли и о повышении качества воспроизведения. Если бы диск DVD обладал лишь повышенным объемом, он занял бы равное место рядом со своими многочисленными предшественниками. На более высокую ступень ему помогло подняться большое расширение его качественных и функциональных возможностей.

Начнем с изображения, которое до сих пор записывается н стандартах NTSC и PAL При этом используется раздельная запись яркостной и цветностной составляющих сигнала в соответствии с протоколом 4:2:0, который обеспечивает более чистое изображение, а также компрессия по методу MPEG-2 с переменным потоком информации. При таком способе записи существует правило, в соответствии с которым больший поток информации обеспечивает лучшее качество изображения, однако на компакт-диск помещается меньший объем информации. При воспроизведении демонстрационных дисков с небольшим объемом информации может применяться поток, достигающий величины 11 Мбайт/с, в то время как при воспроизведении сравнительно долгих художественных фильмов величина потока составляет в среднем около 3,5 Мбайт/с. Фактическая величина потока зависит от содержания фрагмента, который полностью показывается при появлении каждого пятнадцатого кадра, а также от масштаба происходящих сюжетных изменений. Поэтому при записи и воспроизведении более динамичных сцен поток информации обладает более высокой величиной по сравнению с более простыми статическими сюжетами. Результирующее изображение, создаваемое в стандарте PAL 720 х 576 точками, обладает горизонтальным разрешением до 480 строк, т.е. в два раза большим по сравнению с изображением, которое могут обеспечить система VHS или компакт-диск формата Video-CD (рис. 5).Еще более значительным преимуществом диска формата DVD является увеличенное соотношение сигнал/шум. Формат DVD предполагает создание прямоугольного изображения с соотношением ширины к длине 16:9, однако позволяет применение и классического соотношения 4:3. Широкоформатное изображение на обычном экране можно воспроизводить целиком (в этом случае изображение сверху и снизу будет окаймлено черными полосами) или в сокращенном виде (в этом случае изображение заполнит весь экран за счет сокращения с обеих сторон ширины оригинального изображения).

Максимальное горизонтальное разрешение в системе VHS составляет 3 МГц (приблизительно 240 строк), в системе S-VHS 5 МГц (приблизительно 400 строк), в формате DVD 6 МГц (приблизительно 480 строк)

Уровень изображения, создаваемого форматом DVD, очень близок к уровню профессиональных студийных видеозаписей. Что же касается качества звучания, то формат DVD нисколько им не уступает. Высокое качество звучания, создаваемое 16-, 20- или 24-разрядной линейной импульсно-кодовой модуляцией с частотой считывания 48 или 96 кГц, которая обеспечивает передачу полосы частот до 22 или соответственно до 44 кГц (для сравнения: обычный компакт-диск при 16-разрядной модуляции и частоте считывания 44, 1 кГц обеспечивает передачу полосы частот до 20 кГц). Поскольку даже сжатое изображение нуждается в сравнительно высоком объеме носителя информации, следует учитывать, что на передачу звука в формате DVD от общего потока информации остается всего 384 кбайт/с, т.е. около половины общего потока, что составляет около 64 кбайт/с на 1 канал при пятиканальной системе передачи. Поэтому максимальная частота считывания, составляющая 24 бит/96 кГц практически применяется лишь для звукозаписи, т.е. в тех случаях, когда изображение играет второстепенную роль.