Physikalisches Seminar Die PC-Peripherie - DVD / Blu-ray Disc
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Physikalisches Seminar
Die PC-Peripherie
DVD / Blu-ray Disc
vorgelegt von
Andreas von Blohn
Betreuer:
Dr. Merten Joost
Fachbereich 3: Naturwissenschaften
Institut für Integrierte Naturwissenschaften
Abteilung Physik
Universität Koblenz-Landau
Koblenz, im Juni 2008
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 DVD
2.1 Geschichte 2
2.2 Formate
2.2.1 Non-recordable 3
2.2.2 Recordable 3
2.3 Technik
2.3.1 Basiswissen 4
2.3.2 Typen 5
2.3.3 Layeraufbau 5
2.3.4 Lasertechnik 6
2.3.5 Datenkodierung und Modulation 8
2.3.6 Fehlerkorrektur 9
2.3.7 Disc-Struktur 9
2.3.8 Abspeichern von Inhalten 11
2.4 Multimedia
2.4.1 DVD-Video 11
2.4.2 DVD-Audio 12
2.5 Kopierschutzmaßnahmen
2.5.1 Region-Codes 12
2.5.2 Content Scrambling System 13
2.5.3 Analog Protection System 13
i
3 Blu-ray Disc
3.1 Geschichte 14
3.2 Formate
3.2.1 Non-recordable 15
3.2.2 Recordable 15
3.3 Technik
3.3.1 Basiswissen 16
3.3.2 Lasertechnik 16
3.3.3 Schichten 17
3.4 Multimedia
3.4.1 Profile 18
3.4.2 Codecs 19
3.5 Digital Rights Management
3.5.1 Region-Codes 20
3.5.2 AACS 21
3.5.3 BD+ 21
3.5.4 BD ROM-Mark 21
4 Fazit 22
5 Literatur 23
ii
Einleitung
1. Einleitung
Optische Medien sind heute fester Bestandteil der Industrie und Gesellschaft. Den
digitalen Durchbruch schaffte Anfang der 80er erstmals die Compact-Disc (CD). Da sich
mit der Zeit die Anforderungen an Speichermedien ändern, war die Entwicklung neuer
Standards notwendig. Zweier dieser Standards nennen sich DVD (Digital Versatile Disc)
und Blu-ray Disc.
Typische Anwendungsgebiete im Endverbrauchermarkt sind Heimkino - und
Soundsysteme. Genauso entwickelten sich diese Optische Medien zum Standard
digitaler Datenspeicherung im EDV- und Computersektor. Interessant sind dabei nicht
nur die technologischen Aspekte, welche höhere Datenkapazitäten ermöglichen. Denn
Kopierschutzmechanismen und digitale Rechteverwaltung sind gerade für die Film- und
Plattenindustrie entscheidende Argumente, für oder gegen ein neues Speichermedium.
Diese Arbeit soll einen kleinen Einblick in die Funktionsweise und verwendeten
Technologien optischer Datenträger liefern. Als Basis dient der DVD-Standard. Das
Kapitel Blu-ray Disc geht weniger auf technische Aspekte ein, ferner soll es den
Fortschritt der Entwicklung im direkten Vergleich mit dem aktuellen Standard
darstellen.
1
DVD
2. DVD
Abbildung 1: DVD Logo [WK_08b]
2.1 Geschichte
Anfang der 90er war die CD weit verbreiteter Standard zur Datenspeicherung. Dies
umfasste den Audiobereich, wie auch den Multimedia und Spielesektor. Allerdings war
die Kapazität der CD recht begrenzt, je nach Technologie fasst sie 650-800MB. Zur
Speicherung von Audiodaten ausreichend, für aufwendigere Computerspiele oder gar
Videodaten ungenügend. Trotz digitalem Zeitalter behauptet sich im Heimkinosektor
der VHS-Standard nach wie vor. Vorrangig in Japan gab es noch den Standard Laser-Disc.
Dieser setze sich wegen schwierigerer Handhabung und höherer Kosten nie auf dem
Massenmarkt durch.
Daher schloss sich ein Komitee aus Filmgesellschaften, Computerindustrie und weiteren
Anbietern von Unterhaltungselektronik zu einem Bund zusammen um einen Nachfolger
der CD zu finden. Man wollte unbedingt einen einheitlichen Standard finden um einen
Formatkrieg wie zu VHS / Beta Max- Zeiten zu verhindern. Abgesehen von der
Verunsicherung der Endkunden, setze sich damals mit VHS der technisch schwächere
Standard durch.
1993 befanden sich 2 verschiedene Formate zur Speicherung von Daten hoher Dichte in
Entwicklung. Zu einem die Multimedia-CD, entwickelt von Sony und Philips, zum
anderen die Super-Density-Disc, entwickelt von Toshiba, Time Warner und weiteren
Elektronikkonzernen. Darunter Matsushita, Hitachi, Mitsubishi, Pioneer, Thomson und
JVC.
Schlussendlich gaben Sony und Philips nach und entschieden sich für den SD -Disc-
Standard. Allerdings wählte man die etwas ineffizientere EFMPlus Modulation und die
Dual-Layer Technik der MM-CD. Aus dieser Zusammenarbeit entstand der DVD-
Standard, 1995 spezifiziert durch das DVD-Konsortium.
2DVD
1997 wurde das DVD-Konsortium durch das DVD-Forum ersetzt. Während das
Konsortium vielmehr eine interne Entwicklungsgruppe war, steht das Forum allen
anderen Firmen offen.
Der Name „DVD“ hat laut Spezifikation keine bestimmte Bedeutung. Üblich sind
mittlerweile die Bedeutungen „ Digital Versatile Disc“ oder auch „Digital Video Disk“.
2.2 Formate
2.2.1 Non-recordable:
DVD-ROM:
Diese Discs sind Read-only-Memory und werden vorrangig in hohen Stückzahlen
produziert. Erhältliche Video oder Audio DVDs basieren auf diesem Format.
DVD-D:
Diese Medien zerstören sich nach dem Öffnen der Verpackung von selbst. Eine
chemische Schicht reagiert auf den Sauerstoff in der Luft und macht die Daten unlesbar.
Trotz häufiger Versuche der Industrie, damit den DVD-Verleih überflüssig zu machen,
ist diese Art von DVD kaum verbreitet.
DVD Plus:
Kein offizielles Format. Auf einer einzigen Disc wird ein DVD und CD-Layer kombiniert.
Geeignet um einen Film inklusive Soundtrack ausliefern.
2.2.2 Recordable:
DVD-R:
DVD-R ist das Standard-Aufnahmemedium. Diese Discs können nur einmalig bespielt
werden. DVD-Brenner in Rechnern oder auch DVD-Recorder sind dazu fähig.
DVD-RW:
Ähnlich einer DVD-R, allerdings mehrfach bespiel- oder löschbar (ca. 1000-mal)
DVD-R DL:
bespielbare DVD mit 2 Datenschichten, also auch doppelt so hoher Speicherkapazität
3DVD
DVD-RAM:
RAM Medien weichen von dem üblichen DVD-Standard ab. Sie besitzen ein eingebautes
System zur Fehlerkorrektur und sind bis zu 100 000-mal wiederbeschreibbar. Zudem
eignen sie sich zum Langzeit-speichern von Daten (30 Jahre Datenerhalt).
Abgesehen vom ursprünglichen „minus“ Standard gibt es noch „plus“ Varianten einiger
Medien. Dazu gehören die DVD+R, die DVD+RW und DVD+R DL. Diese Formate wurden
von der DVD+RW Alliance spezifiziert, welche es sich zum Ziel gemacht hat, eine
höchstmögliche Kompatibilität zwischen DVDs auf Heimkinogeräten und
Computerlaufwerken zu gewährleisten. Technisch unterscheiden sich diese Formate
kaum; die meisten Laufwerke sind in der Lage „plus“ als auch „minus“ Medien zu
beschreiben und lesen.
2.3 Technik
2.3.1 Basiswissen
Es war von der Industrie gewollt, dass die neuen DVD-Geräte auch CDs abspielen
können. Daher besitzt eine DVD die Ausmaße einer CD. Sie hat einen Durchmesser von
12cm und eine Dicke von 1,2mm. Allerdings fällt der Durchmesser der Mini-DVD mit
8cm geringer aus, was jedoch dem Standard einer Mini-CD entspricht.
Es ist möglich beide Seiten einer DVD zu bespielen. Zudem erlaubt die Dual-Layer
Technik 2 Datenschichten je Seite übereinander zu stapeln.
Die Kapazität einer Datenschicht beträgt 4,70 GB. Das höhere Fassungsvermögen der
DVD gegenüber der CD wird nicht nur über die multiplen Datenschichten, sondern auch
über das höhere Auflösungsvermögen der Fokussieroptik erreicht. In DVD-Laufwerken
kommt ein neuartiger Laser, mit Licht aus dem roten Farbspektrum, und niedrigerer
Wellenlänge zum Einsatz. Die einfache Lese- und Schreibegeschwindigkeit beträgt 10,5
Mbit/s und ist damit um einiges höher als die eines CD-Laufwerks.
4DVD
2.3.2 DVD-Typen
Es gibt verschiedene Varianten von DVDs. Sie unterscheiden sich in Durchmesser,
Anzahl der Datenschichten, verwendeten Seiten und der Gesamtkapazität.
Bezeichnung Seiten Schichten Durchmesser/cm Kapazität GB
DVD-1 1 1 8 1,46
DVD-2 1 2 8 2,66
DVD-3 2 2 8 2,92
DVD-4 2 4 8 5,32
DVD-5 1 1 12 4,70
DVD-9 1 2 12 8,54
DVD-10 2 2 12 9,40
DVD-14 2 3 12 13,24
DVD-18 2 4 12 17,08
Tabelle
DVD-1 bis 4 sind Mini-DVDs, deren Anwendung beispielsweise in Camcordern ist. Die
größte Variante speichert bis zu 5,32 GB. Der Standard DVD-Typ ist die DVD-5. Sie ist
einseitig, hat nur eine Datenschicht und speichert bis zu 4,70GB.
Auch die DVD-9 ist recht weit verbreitet. Sie speichert durch eine doppelte Datenschicht
bis zu 8,54 GB ab. Doppelseitige DVDS wie die 10,14 und 18 sind kaum verbreitet. Ein
komfortables Auslesen ohne Wenden der Disc wäre nur mit einem Laufwerk mit 2
Lasern möglich. So hat die DVD-18 mit ihren 2 Schichten pro Seite eher experimentellen
Charakter und ist, unter anderem wegen dem schlechten Preisleistungsverhältnis, kaum
verfügbar.
2.3.3 Layeraufbau
Der Aufbau eines einzelnen Layers ist dem einer CD sehr ähnlich. Die Datenspuren sind
vom inneren Ring an, spiralförmig bis ans äußere der Disc angeordnet. Die Gesamtlänge
der Spirale umfasst 12km.
Ähnliche Datenspuren werden zu einem Sektor zusammengefasst. Die Sektoren
umfassen einen Datenbereich von 2048 Byte, 4 Byte Fehlercode, 12 Byte Header und
haben damit jeweils eine Größe von 2064 Byte.
5DVD
Abbildung 2: DVD Layer [EK_08]
Der innere Ring der Disc besteht aus einer Plastikschicht, welche zum Berühren der Disc
gedacht ist. Daran schließt sich der eigentliche Layer an. Der innerste Bereich besteht
aus dem Lead-In. Der Lead-in beinhaltet im Table of Content (TOC) Informationen zur
Verzeichnis und Datenstruktur. Auf den Lead-In folgt der eigentliche Datenbereich. Auf
diesem wiederum folgt der Lead-Out. Der Lead-Out besteht aus Datenspuren welche nur
Nullen enthalten und signalisiert damit das Ende der DVD.
2.3.4 Lasertechnik
Die Informationen sind in den einzelnen Datenspuren kodiert. Diese bestehen aus
sogenannten Pits und Lands. Pits sind aus Sicht des Lasers kleine Berge, Land das
umgebende Null-Level.
Je enger die Datenspuren aneinander liegen (track pitch) und je geringer die minimale
Länge der einzelnen Pits ist (pit-length), desto dichter können die Informationen
gepackt werden. Allerdings benötigt man zum Auslesen eine hochauflösende
Fokussieroptik. Diese besteht aus einem System aus Laser und Linsen.
Einfach ausgedrückt, wird das Laserlicht auf die Disc gelenkt, die Datenpits reflektieren
das Licht stärker als das umgebende Land. Die so reflektierten Laserstrahlen werden zu
einer Fotodiode umgelenkt, welche diese in elektrische Signale umsetzt.
6DVD
Abbildung 3: CD/DVD Laser [WK_08d]
Der rote DVD-Laser besitzt eine geringere Wellenlänge als der einer CD. Dies erlaubt
eine höher auflösende Fokussieroptik und resultiert in einem kleineren Laserspot,
welche in der Lage ist noch kleinere Pits zu erkennen. Genaue Daten sind de r folgenden
Tabelle zu entnehmen.
Bezeichnung DVD CD
Laserspot / µm 1,3 2,1
Wellenlänge / nm 635 780
Track pitch / µm 0,74 1,6
Min. Pit length / µm 0,4 0,85
7DVD
2.3.5 Datenkodierung und Modulation
Abbildung 4: DVD Datenkodierung [TC_97]
Jeder Flankenübergang, also Wechsel von Pit zu Land und umgekehrt, symbolisiert eine
binäre „1“. Das Land zwischen den Einsen präsentiert „0“. Anhand einer Clock wird in
gewissen Abständen ein neuer Wert ermittelt. Mit dieser Art der Messung ist eine
aufeinanderfolgende Darstellung von Nullen ohne weiteres möglich, allerdings bereitet
die Darstellung von aufeinanderfolgenden Einsen Probleme. Zu schnelle Wechsel von
Land-Pit /Pit-Land führen meist zu schweren Lesefehlern, deshalb ist es notwendig die
Daten so zu modulieren, dass ein Byte mit all seinen möglichen Werten problemlos
dargestellt werden kann.
Man hat herausgefunden dass es besonders effizient ist ein Byte in einer Darstellung zu
kodieren, welche minimal zwei und maximal 10 Nullen zwischen zwei Einsen erlaube n.
Nach diesem Schema benötigt man 14 Bits um ein Byte, also 8 Bits, zu kodieren. Die CD
verwendet die sogenannte 8:14-Modulation EFM, allerdings wurde ein Byte in ein
Datenwort von 17 Bit umgesetzt. Die zusätzlichen 3 Bit sind Trennbits und sorgen
dafür, dass auch aufeinanderfolgende Datenwörter die Bedingung, von mindestens 2
maximal 10 Nullen, erfüllen.
Bei der DVD kommt eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens, EFMPlus zum Einsatz.
EFMPlus kodiert ein Byte zwar nur in 16 Bit Datenwörter, speichert aber dank
effizienteren Algorithmen ähnlich effektiv und mit höherer Dichte wie die gewöhnliche
8:14-Modulation. Durch EFMPlus wird 7% weniger Datenraum in Anspruch genommen.
8DVD
2.3.6 Fehlerkorrektur
Gerade wegen der immer höheren Datendichte optischer Medien spielt Fehlerkorrektur
eine große Rolle. Werden keine Cartridges verwendet entstehen schnell Kratzer und
Fingerabdrücke auf der empfindlichen Datenseite.
Die DVD verwendet den Reed Solomon Product Code (RSPC). RSPC basiert auf einem
Reed-Solomon-Code, einem bekannten Verfahren zur Fehlerkorrektur aus der
Signaltechnik. Damit ist es möglich 6mm lange Datentracks zu rekonstruieren. Das alte
CIRC Verfahren der CD erlaube nur die Korrektur 2mm langer Spuren.
Die Verwendung dieser Fehlerkorrektur nimmt 15% des Speicherplatzes in Anspruch.
Warum eine solch große Menge zustande kommt, erklärt folgende Rechnung
beispielhaft:
- Anordnung eines Sektors in 12 Zeilen a 172 Bytes
- 16 Sektoren bilden einen Datenbereich
- jeder Sektorzeile wird 10 Byte Korrekturcode hinzugefügt. Zeilengröße = 182 Bytes
- jeder Sektor erhält eine weitere Zeile Korrekturcode 16*12 + 12 Zeilen = 208 Zeilen
- Einteilung in Aufnahme-Sektoren von je 13 Zeilen. Vor Byte „0“ und Byte „91“ wird
zusätzlich Synchronisationscode eingefügt.
Endergebnis:
16 Sektoren mit je 13 Zeilen mit jeweils 1488 Channel-Bits +2 Synchronisationsframes.
[TC_97]
Erst nach diesem Prozess wird die 8:14-Modulation angewandt und auf die Disc
geschrieben.
2.3.7 Disc-Struktur
Je nachdem ob man mehrseitige oder mehrschichtige Discs betrachtet, variiert auch der
innere Aufbau. Vereinfacht kann man sich vorstellen dass eine DVD-18 mit 2 Seiten und
2 Schichten aus 2 Halbdiscs mit jeweils 2 Datenschichten „zusammengeklebt“ worden
ist.
Einen kleinen Einblick soll der Aufbau der einschichtigen DVD-5 und der Dual-Layer
Disc DVD-9 gewähren.
9DVD
Abbildung 5: DVD-5 Schichten[CR_00]
Zum Schutz befindet sich direkt über der Datenschicht ein Layer aus Polykarbonat. Die
Inhalte selbst werden auf einer Schicht aus Aluminium aufgetragen. Darunter sorgt eine
Klebeschicht, der sogenannte Bonding Agent für die Verbindung zur zweiten Diskseite.
Bei einer DVD-5 ist diese inhaltslos und besteht nur aus Polykarbonat, eventuell noch
aus einem Labelaufdruck.
Abbildung 6: DVD-9 Schichten [CR_00]
Der Aufbau einer DVD-9 ist etwas komplizierter. Die erste Datenschicht besteht aus
Gold, weil Gold lediglich 20-30% des Laserlichts reflektiert. Dies ist notwendig, weil ein
Großteil des Lichtes bis zur tieferliegenden Datenschicht vordringen könne n muss.
Diese besteht wie bei einer DVD-5 aus Aluminium. Um auf die tiefere Datenebene zu
10DVD
gelangen, muss der Laser einfach auf das Aluminium Layer fokussieren. Auch hier
besteht die zweite Discseite aus Polykarbonat und Labelaufdruck.
2.3.8 Abspeichern von Inhalten
Die meisten Massenmedien werden im Presswerk produziert. Anhand der Rohdaten
welche sich auf speziellen Bandlaufwerken befinden wird ein sogenannter Glassmaster
hergestellt. Der Glassmaster dient als Positiv für die Pressstempel. Mit den Stamps
(Pressstempeln) werden die Pits in die Aluminiumschicht gepresst. Dies muss von der
anderen Seite der Schicht aus erfolgen, damit die eingepressten Pits aus Sicht des Lasers
als Berge erscheinen.
Rohlinge, welche zum individuellen Beschreiben daheim oder in der Firma vorgesehen
sind, haben einen anderen strukturellen Aufbau.
Um mit einem Laser Daten auf einer DVD zu speichern, wird über der Reflektionsschicht
ein Layer aus Farbstoff aufgebracht. An den Stellen wo Licht reflektiert werden soll
(Pits), ätzt der DVD-Laser den Farbstoff weg und legt somit die Reflektionsschicht frei.
Komplizierter ist das Beschreiben von den Wiederbeschreibbaren Medien. Um Daten
wieder löschen und verändern zu können, muss ein phasenveränderndes Material als
Layer auf die Disc aufgebracht werden. Je nach Zustand, ob kristallin oder amorph,
ändern sich dementsprechend die Reflektionseigenschaften. Trifft der Laser auf diese
Schicht, sorgt die Wärmeenergie für einen Phasenübergang. Damit dieser Vorgang nicht
unbeabsichtigt geschieht, werden die Datenschichten mit einer dielektrischen Schicht
wärmeisoliert.
2.4 Multimedia
2.4.1 DVD-Video
DVD-Video unterstützt zur Abspeicherung von Videomaterial sowohl den MPEG -1 und
MPEG-2 Codec. In Höchstqualität erlaubt dies 2 Stunden Videomaterial mit Ton. Bei
niedrigerer Auflösung und Bitrate verlängert sich diese Zeit entsprechend.
Der Ton kann in einigen Formaten, unter anderem MPEG-1 Audio Layer 2 oder Dolby
Digital gespeichert werden. Zudem erlaubt der Standard Navigationsmenüs, die
Unterstützung von multiplen Subtiteln, multiple Audiostreams, Region-Codes und
Kopierschutzmechanismen.
Auch Bonusinhalte, wie Trailer oder Bildergallerien sind möglich.
11DVD
2.4.2 DVD-Audio
Trotz des Alters, ist die CD bisher noch Standardmedium zur Speicherung und dem
Vertrieb von digitalen Audioinhalten. Man kann sich darüber streiten ob es möglich ist
den Unterschied zwischen einer Audio-CD und einer DVD-Audio herauszuhören, aber
abgesehen von höheren Bitraten bietet die DVD-Audio noch weitere Features.
Audio-CDs speichern ihre Daten im Stereo Format, Nutzer einer Surround-Anlage
bleiben auf der Strecke. Die Audio DVD füllt diese Lücke und erlaubt außer HD-Sound
multiple Tonspuren, Surround Sound und den relativ sicheren Kopierschutz CPPM. Dank
der höheren Kapazität ist auch die Speicherung ganzer CD-Compilations auf einer Disc
möglich.
2.5 Kopierschutzmaßnahmen
2.5.1 Region-Codes
Abbildung 7: DVD Region-Codes [CF_08]
Legende:
Region 1: Nordamerika Region 2: Europa, Japan, Nordafrika, Südafrika
Region 3: Südostasien Region 4: Australien, Mittel-und Südamerika
Region 5: Afrika, Russland, Indien..
Region 6: China, Tibet
12DVD
Die Region-Codes sollen verhindern, dass ein Medium aus Übersee in heimischen
Geräten abgespielt werden kann. Dies soll der Film, Musik- und Spieleindustrie mehr
Gewalt über den Markt verschaffen.
Dafür gibt es 2 Gründe:
1. Man will verhindern dass DVDs von Filmen, die gerade erst im Heimatland angelaufen
sind, an den Mann geraten.
2. Die Firmen wollen ihre Verwertungsrechte gewahren. Teure Lizenzen wären umsonst
eingekauft, wenn der Markt von billiger Importware überschwemmt wird.
Abgesehen von den Codes 1-6 gibt es noch den DVD-Code „0“. Dieser erlaubt
ausdrücklich jedem Gerät, egal aus welcher Zone, das Abspielen.
Allerdings stieß diese Art von Marktkontrolle bei den meisten Nutzern auf Empörung.
Daher sind die meisten Abspielgeräte in der Lage den Region-Code zu umgehen und
spielen Medien aus aller Welt ab.
2.5.2 Content Scrambling System
Um ein Kopieren von DVD-Video und Audio Inhalten zu unterbinden, hat man sich dazu
entschieden das CSS in den DVD-Standard zu integrieren. Dabei werden die Daten des
Kopierschutzes im Innenring der DVD abgespeichert.
Sowohl das Medium, wie auch das Abspielgerät, verfügen über einen CSS-Schlüssel. Erst
eine Kombination dieser beiden Codes ergibt den Schüssel, der zur Entschlüsselung der
Multimediadaten genutzt werden kann.
Schon 1999 wurde CSS vom einen 16-jährigen Norweger geknackt. Trotzdem hält die
Industrie das Content Scrambling System für ein genügend sicheres
Kopierschutzsystem. Dies mag vielleicht auch darin begründet liegen, dass ein Update
des CSS-Verfahrens einen Austausch aller alten, inkompatiblen Abspielgeräte zur Folge
hätte.
2.6.2 Analog Protect System
APS ist auch bekannt als „Copy Guard“ und soll Direktkopien von DVD zu VHS
unterbinden. Dabei wird in den Bildstrom ein APS-Signal eingeschleust. Dies führt zu
einer verzerrten Darstellung auf VHS-Rekordern. Allerdings kann es vorkommen, dass
auch ältere TV-Systeme nicht in der Lage sind mit dem APS-Signal umzugehen.
13Blu-ray Disc
3. Blu-ray Disc
Abbildung 8: Blu-ray Logo [WK_08c]
3.1 Geschichte
1998 tritt High-Definition-TV den Verbrauchermarkt. Obwohl zumindest die
technischen Grundlagen existieren HD-Inhalte abzuspielen, fehlt es an einem HD-
Speichermedium. Schon im Jahr 2000 existieren einige Prototypen von High-Density-
Medien. Dazu gehört insbesondere die DVD Blue, entwickelt von Sony und Pioneer.
2 Jahre später wird das Projekt offiziell als „Blu-ray“ bekanntgegeben und die Blu-ray
Disc Association mit den 9 Initialmitgliedern Sony, Pioneer, Panasonic, Philips,
Thomson, LG, Hitachi, Sharp und Samsung gegründet.
Schon vor der Fertigstellung der physischen Spezifikationen 2004 und der offiziellen
BD-ROM Spezifikation 2006 existieren erste Verbrauchergeräte. Darunter ein BD -RE
Recorder von Sony. Akzeptant seitens der Filmindustrie fehlt dennoch, da noch kein
fester Standard definiert und kein DRM integriert worden ist.
Der Vollständigkeit halber zu erwähnen: 2002 gab Toshiba und NEC ihren Advanced
Optical Disc Standard als HD-DVD bekannt und wollten damit ein Konkurrenzformat zu
Blu-ray auf den Markt werfen. Der Formatkrieg zwischen HD-DVD und Blu-ray wurde
intensiv gefochten, jedoch hatte die Blu-ray Disc eine größere Anhängerschaft und nach
und nach sprangen Filmstudios vom HD-DVD Standard ab. Dies lag vermutlich an dem
besseren DRM-System der Blu-ray Disc.
Im Februar 2008 erklärte Toshiba die HD-DVD offiziell für tot, daher ist die BRD
momentan der einzige Standard zur Speicherung von HD-Inhalten auf dem
Verbrauchermarkt.
14Blu-ray Disc
3.2 Formate
Ähnlich dem DVD-Standard, gibt es hier einerseits Medien mit vordefinierten Inhalten
und andererseits Medien welche die individuelle Abspeicherung von Daten erlauben.
3.2.1 Non-Recordable
BD-ROM SL:
Stellt ähnlich der DVD-ROM den Basis-Standard dar. Verschiedene Abspielprofile
verleihen der BD-ROM die Fähigkeit, Video oder Audiodaten nach Spezifikation zu
speichern.
BD-ROM DL:
Analog zur BD-ROM SL, jedoch mit 2 Datenschichten und daher doppelter
Speicherkapazität.
3.2.2 Recordable
BD-R:
Medium mit Aufnahmefähigkeit. Die BD-R findet Einsatz in Blu-ray Recordern oder
Brennern in PC-Geräten. Allerdings kann sie nur einmal bespielt werden.
BD-RE SL:
Medium mit Aufnahmefähigkeit. Ähnlich der BD-R, verfügt jedoch über die Fähigkeit
mehrfach bespielt und gelöscht zu werden.
BD-RE DL:
Analog zur BD-RE SL, jedoch mit 2 Datenschichten.
15Blu-ray Disc
3.3 Technik
3.3.1 Basiswissen
Auch die Blu-ray Disc besitzt identische Ausmaße wie DVD und CD. Allerdings erlaubt
sie theoretisch bis zu 8 Datenschichten übereinander. Der bisherige Standard für den
Endkunden entspricht lediglich maximal 2 Layer pro Seite. Eine einzelne Datenschicht
fasst je nach Kodierung 23.3, 25 und 27 GB.
Blu-ray verwendet einen neuartigen blauen Laser, welcher eine niedrigere Wellenlänge
als bisherige Lasertechnik bietet. Die einfache Schreibe- und Lesegeschwindigkeit
beträgt dabei 36Mbit/s und ist damit mehr als 3-mal so hoch wie bei DVDs.
Auch hier wird die höhere Kapazität durch multiple Layers und eine höhere Auflösung
der Fokussieroptik erreicht.
3.3.2 Lasertechnik
Abbildung 9: DVD / Blu-ray Vergleich [DA_08]
Durch das neue Fokussierverhalten der neuen blauen Laseroptik ist es notwendig
geworden die Datenschicht der BRD an den äußeren Rand der Disc zu verlegen. Dies
16Blu-ray Disc
resultiert in einer weitaus höheren Kratzempfindlichkeit. Aus diesem Grund sind erste
Blu-ray Disc in Schutzhüllen, sogenannten Cartridges ausgeliefert worden.
Da sich die Datenschicht am Rand befindet, sind die optischen Eigenschaften des
Füllmaterials auf der anderen Seite, unbedeutend für die Reflektionsfähigkeit und damit
auch für den Lesevorgang.
Bezeichnung DVD BRD
Wellenlänge / µm 650 450
Spotgröße / µm 1,03 0,59
Track pitch / µm 0,74 0,32
min. pit-length / µm 0,15 0,4
Die niedrigere Wellenlänge ermöglicht zudem eine geringere Größe des Laserspots. So
können die minimale Länge der Pits verringert werden, wie auch der Abstand zwischen
den einzelnen Datenspuren. All dies erlaubt eine ca. 5-mal höhere Datendichte, wie bei
einer DVD. Die CD übertrifft die BRD um den Faktor 35.
3.3.3 Schichten
Der schichtweise Aufbau der BRD ähnelt stark der DVD. Die untere Grafik präsentiert
die Schichten eines BD-RE DL Rohlings. Zwar unterscheiden sich die verwendeten
Legierungen, aber auch hier werden die Datenschichten durch ein Dielektrikum isoliert
um Datenbeschädigungen zu vermeiden. Interessant ist an diesem Beispiel die Cover-
Schicht welche aus Kunststoffharz besteht.
Um die extrem kratzempfindlichen Medien auch ohne Cartridge benutzen zu können,
wurden neue Kunstharze entwickelt, welche trotz Kratzfestigkeit die
Reflektionseigenschaften weitestgehend nicht beeinflussen. Erste Firma war TDK mit
ihrem Hard-Coating Verfahren. Dabei wird auf den Datenlayer eine dünne Schicht,
Durabis genannt, aufgetragen. Andere Hersteller, beispielsweise Sony, haben ähnliche
Verfahren entwickelt um ihre Medien stabiler zu machen.
17Blu-ray Disc
Abbildung 10: BD-RE Schichtenaufbau [WK_08e]
Es gibt einige Machbarkeitsstudien bezüglich der BRD. TDK präsentierte schon eine Disc
mit 100 GB Fassungsvermögen, was mit 4 übereinander gelegten Datenschichten
erreicht worden ist. Dem schloss sich eine Disc mit 200 GB Fassungsvermögen,
bestehend aus 6 Datenschichten mit je 33,3 Gigabyte, an.
Auch wenn manche Hersteller eine 100GB Version versprechen, die in gewöhnlichen
BRD-Laufwerken abspielbar ist, werden diese den Endkunden wohl nie erreichen.
3.4 Multimedia
3.4.1 Profile
Für Blu-ray Player gibt es vier verschiedene Arten von Abspielprofilen. Je nach
Aufgabenbereich verwendet ein Gerät zum Beispiel das Video Profil oder im Falle von
Musik das Audio-Profil. Alle Video-basierten Geräte müssen die BD-J Java-
Implementation unterstützen und je nach Typ über eigenen Systemspeicher verfügen
um Inhalte abzuspeichern.
18Blu-ray Disc
BD-J bildet eine Teilmenge des Standard Sun Java Befehlssatzes. Das Blu-ray Java
ermöglicht interaktive Menüführung, die Fähigkeit Bildergallerien anzuzeigen und
besitzt Schnittstellen um über das Internet Verbindungen aufzubauen.
Die vier Profile:
BD-Video (Profile 1.0):
Dieses Profil verlangt 64KB persistenten Systemspeicher. Die Fähigkeit zur
Abspeicherung von Daten oder dem Aufbau von Internetverbindungen wird nicht
verlangt.
Bonus View (Profile 1.1):
Bonus View ergänzt BD-Video um die Fähigkeit lokal zu speichern und mehrere Video-
und Audio-Decoder zu benutzen. Damit sind Bild-in-Bild Ansichten oder interaktive
Spiele realisierbar.
BD-Live (Profile 2.0):
Diese Plattform umfasst den Online Service der BD und verlangt zum Systemspeicher 1
GB lokalen Speicher. Beispielsweise können so Inhalte, welche beim Release eines Films
nicht verfügbar waren, über das Internet nachgeladen werden.
BD-Audio (Profile 3.0):
Steht mit den anderen Profilen in keinem direkten Kontext, und repräsentiert für die
Blu-ray Disc so etwas wie das Pendant zum DVD-Audio Standard. Bisher sind keine
Inhalte mit BD-Audio Unterstützung bekannt.
3.4.2 Codecs
Die BRD erlaubt die Nutzung 3 verschiedener Codecs. Der in die Jahre gekommene
MPEG-2 Codec, in Verwendung bei der DVD, wird weiterhin unterstützt um
Abwärtskompatibilität zu gewährleisten. Allerdings beschränkt dessen Nutzung bei
High-Definition Inhalten die Spielzeit auf 2 Stunden.
Der neue H.264 Codec, Weiterentwicklung von MPEG-4, schafft es dagegen in gleicher
Qualität 4 Stunden Film in HD abzuspeichern. Dies gilt auch für das Konkurrenzformat
VC-1.
19Blu-ray Disc
Alle BD-Player müssen in der Lage sein Audiodaten in den Formaten Dolby Digital AC-3,
DTS und linear PCM wiederzugeben. Weitere HD-Audio Formate wie Dolby True HD
sind optional wählbar. Blu-ray erlaubt zudem die Kombination verschiedener Codecs
auf einer Film-Disc.
3.5 Digital Rights Management
3.5.1 Region-Codes
Abbildung 11: BRD Region-Codes [WK_08c]
Legende:
A: Americas, East- and Southasia, Bermuda
B: Africa, Europe, Oceania, Middle East, French and British Territory
C: Central and- Southasia, Mongolia, Russia, China
Im Vergleich zur DVD fällt schnell auf, dass die Anzahl an verschiedenen Regionen
drastisch reduziert worden ist. Anstatt sechs Regionen gibt es nur noch die drei Gebiete
A, B und C. Anscheinend hat die Industrie auf die damalige Empörung der Verbraucher
reagiert. Das Problem dass Hollywoodfilme noch während der Kinoausstrahlung im
Ausland auftauchen scheint trotzdem noch im Griff. Lediglich die Gefahr, dass
Importware das eigene Land überschwemmt, ist leicht gestiegen.
20Blu-ray Disc
3.5.2 AACS
Das Advanced Access Content System umfasst sowohl Kopierschutz, als auch digitale
Rechteverwaltung. Anscheinend hat man aus den Fehlern beim DVD-Kopierschutz CSS
gelernt, denn man hat sich für den sehr sicheren Verschlüsselungsalgorithmus AES
(Advanced Encryption Standard) entschieden. Auch wenn es 2006 gelang den
Kopierschutz zu umgehen, gilt AACS als sehr sicher und ist bisher nicht geknackt
worden. Mögliche Lücken in der Architektur von AACS gilt es noch aufzufinden.
Ein großer Vorteil von AACS ist die Möglichkeit einzelne Geräte individuell
auszusperren. Fällt zum Beispiel ein Gerät beim Umgehen des Kopierschutzes auf und
gelangt dessen Kennnummer an die Sicherheitsabteilung, werden zukünftige Blu-rays
mit Schlüsseln ausgestattet die zu diesem Gerät inkompatibel sind. CSS erlaubte nur die
Sperrung ganzer Geräteserien, solch ein Vorgang hätte viele Unschuldige getroffen und
teure Austauschaktionen mit sich gezogen.
3.5.3 BD+
BD+ ist Bestandteil des DRM und kontrolliert die Soft- und Firmware auf BD-
Abspielgeräten. Zudem ist es verantwortlich für die Entschlüsselung des Datenstroms.
BD+ ist durch eine virtuelle Maschine realisiert und ist fähig, wenn es zum Beispiel
Veränderungen an der Firmware bemerkt, diese zurückzusetzen oder zu patchen.
3.5.4 BD-ROM-Mark
Das Mark ist ein individueller Identifier und auf allen vorbespielten BD-Roms
eingeprägt. Zwar erkennt der Player dieses Mark, überträgt es jedoch nicht mit im
Datenstrom. Eine Manipulation von Außen ist damit unmöglich. Ohne solch ein ROM-
Mark verweigert der Player die Wiedergabe des Mediums.
21Fazit
4. Fazit
Die Blu-ray Disc bietet genügend Kapazität um multimediale Inhalte nächster Jahre
abzuspeichern. Im TV- und Videobereich wird wohl erst nach einer Ablösung des
aktuellen High-Definition Standards der Ruf nach einem neuen Speichermedium laut
werden. Allerdings ist fraglich, ob zu diesem Zeitpunkt die kommerzielle Verbreitung
von Multimediainhalten immer noch über optische Medien erfolgen wird. Eine
Alternative stellt beispielsweise die komplette Vermarktung über Onlineplattformen
und Breitbandanschlüssen dar.
Nachfolge-Technologien zur Blu-ray Disc sind schon seit geraumer Zeit in Entwicklung.
Einer der vielversprechendsten Möglichkeiten ist die Holographic Versatile Disc. Auf ihr
werden die Daten nicht mehr in zweidimensionalen Spuren abgespeichert, sondern auf
einer holographischen Schicht in allen drei Raumdimensionen. Dies ermöglicht
theoretisch die Speicherkapazität von 3,9 TeraByte auf einer 12cm Standard Disc.
Allerdings ist diese Technologie noch weit von der Massenvermarktung entfernt, da zum
Beispiel extrem leistungsfähige Lasertechnologie verwendet wird. Die Erforschung
empfindlicherer Polymere oder leistungsfähiger Laser für den Endverbraucher, stellen
die Basis einer Lösung dar.
So bleibt abzuwarten, welche Vermarktungswege in Zukunft eingeschlagen und welche
Technologien sich durchsetzen werden.
22Literatur
5. Literatur
[CR_00] CINRAM. DVD in Detail, 2008,
http://www.cinram.com/dvd/tech/dvdindetail.pdf , letzter Zugriff
12.06.2008
[EK_08] Elektronik-Kompendium. Artikel: DVD, 2008,
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0507171.htm , letzter
Zugriff 14.06.2008
[CF_08] Cinefacts. DVD-Background, 2008,
http://www.cinefacts.de/dvd/background/index.php , letzter Zugriff
15.06.2008
[TC_97] TU-Chemnitz. Sven Sieber: Proseminar Ausarbeitung DVD, 1997,
www.tu-chemnitz.de/informatik/RA/news/stack/kompendium/
vortraege_97/dvd/dvd.html , letzter Zugriff 13.06.2008
[DA_08] Dynamicaudioonline. Vergleich CD / DVD / BD, 2008,
http://www.dynamicaudioonline.com/276367828Why.jpg,
letzter Zugriff 10.06.2008
[WK_08a] Englisches Wikipedia. Artikel: DVD, 2008,
http://en.wikipedia.org/wiki/Dvd, letzter Zugriff 14.06.2008
[WK_08b] Deutsches Wikipedia. Artikel: DVD, 2008,
http://de.wikipedia.org/wiki/Dvd , letzter Zugriff 13.06.2008
[WK_08c] Englisches Wikipedia. Artikel: Blu-ray, 2008,
http://en.wikipedia.org/wiki/Blu_ray, letzter Zugriff 14.06.2008
[WK_08d] Deutsches Wikipedia, Artikel: CD-Prinzip, 2008,
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:CD_Prinzip.png , letzter Zugriff
14.06.2008
[WK_08e] Deutsches Wikipedia, Artikel: BD-RE, 2008,
http://de.wikipedia.org/wiki/BD-RE, letzter Zugriff 14.06.2008
[WK_08f] Englisches Wikipedia, Artikel: Holographic Versatile Disc, 2008,
http://en.wikipedia.org/wiki/Holographic_Versatile_Disc , letzter Zugriff
15.06.2008
23Sie können auch lesen
