互动科普

下一代CD

Alan E. Bell

相互竞争的电子厂商之间达成的最新协议为兼容的“数码视盘(DVD)”产品制订了一个革新的计划。新产品将在今年秋季推出。

CD（高密度光盘）和它们的播放设备是世界上最成功的家电产品。自从1982年CD音响产品问世以来，至今已出售了4亿多台CD机和60亿张CD唱盘。作为CD音响格式扩充的CD—ROM（光盘只读存储器），已证明在个人计算机应用领域中同样大获成功。有人预测，单是在1996年就将售出3500万台以上的CD—ROM驱动器。以DVD格式为基础的第二代CD—ROM将很快登场。十家主要的电子厂商打算在96年底和97年初推出一系DVD产品，其中包括DVD影碟机和DVD—ROM驱动器。

DVD格式是在激烈竞争的国际上两大阵营之间在1995年下半年达成了一个前所未有的协议后的产物。这两大竞争阵营把各自研制的不同技术方案中的优点结合了起来。该协议所描述的新一代光盘阅读器将能播放现有的激光唱盘CD和数码视盘DVD，后者因许多设计上的革新，能比现有的CD多储存14倍的信息。此外，第一代DVD播放机的回放速度——每秒10Mb（百万比特）——与快速的9xCD—ROM驱动器相区配，在性能上登上了一个新的台阶。

正如可以预料的那样，这样高的容量和性能使得DVD得到了大范围的应用。DVD能存储音乐、电影、游戏节目和其他多煤体内容，就象CD片现在已经做到的那样。但是，DVD所能包含的内容要多得多，回放的质量也好得多。此外，DVD还将带动全新的产品问世。例如，为DVD播放机所制造的一台摄像机不仅可以存储整部电影，而且还能让观看者选择摄像的角度、情节或声带语种。预期，交互式的卡拉OK节目将广受欢迎。在几年之内，可记录的DVD—RAM（随机一存取存储）和DVD—R（可记录）光盘和播放机将会上市。再往前看，我相信以DVD—RAM可记录光盘为基础的数字式摄录机将面世。

更多的坑

DVD和CD格式所采用的是同样的光子存储技术：信息用光盘表面上的微观坑来表示。这些坑是当塑料注入模具时在光盘表面形成的。有坑的那一面光盘随后用一薄层铝箔覆盖，如果是生产CD片的话，接着再涂上一层保护漆和标志。在读取数据时，播放机把一个激光点通过光盘基片照射到转动着的光盘的数据层上。根据信息通道上出现（或消失）的坑的变化，从光盘表面上反射的光的强度也发生变化。当一个坑直接位于读出点下面时，从光盘所反射的光比读出点在信息通道上一个平滑部分所反射的光要少得多。在播放机内部的一个光探测器和其他电子设备把这种变化转换成代表所存储信息的0和1数码。

CD和DVD之间有两个基本的物理差别。第一，最小的DVD坑直径只有0.4微米，而对应的CD坑直径几乎大一倍，即0.83微米。DVD数据轨道的间距只有0.74微米，而CD的数据轨道的间距为1.6微米。因此，尽管DVD的尺寸与CD一样，它的数据圈长达11公里，比CD的数据调长一倍还多。为了读出更细小的坑，一台DVD播放机的读出光束聚焦得比CD播放机的读出光束更细。为了做到这一点，DVD播放机采用了波长为635到650纳米的红色半导体激光。相反，CD播放机采用的是波长为780纳米的红外激光而且，DVD播放机采用一种聚焦能力更强的透镜，这种透镜的数值孔径要比CD播放机中的透镜更高。这些差别再加上下面要介绍的DVD格式上的额外功效，构成了每一层DVD信息层4.7GB（千兆字节）的巨大容量。

还有两项革新技术能使一张DVD盘的容量加到9.4GB，以及几乎再加倍到17GB。虽然DVD和CD的总体厚度几乎一样，即1.2毫米，但DVD拥有两层可用来承载信息的基片而CD却只有一层基片。DVD两层基片是贴在一起的，每张基片上有坑的表面在光盘的中央重合。这种安排法防止了有坑的表面受灰尘粒子和擦划的有害影响。对于设计得最简单的DVD光盘来说，要播放DVD的第二面内容就得从播放机中先把光盘取出来，翻过来，再放回去。另一种盘型是多层的设计，它可以从光盘的同一侧播放两面的信息。

在多层光盘中，上层基片上覆盖着一层部分反射部分透射的涂层。上层的反射性足以让激光束读出上层基片中的坑。它的透射性又允许激光束在下层基中聚焦，读出那一层中的坑。当激光在下信息层的坑上聚焦时，上信息层中的坑不在焦点上固此不会干扰。（为了适应在这一方法中产生的回放质量不可避免的小损失，有必要将容量略为降到8.5GB，这就是为什么一张双面双层DVD光盘上能容纳17GB的信息。）为了把两张基片贴在一起，必须用一种质量极高的光学胶水，而且光学胶水粘贴层的厚度必须控制得非常精确，以避免聚焦了的读出光点产生过分的色差。

两层基片DVD设计提供的好处不只是增大了容量，它还减少了光盘倾斜和翘曲造成的失误。所有高密度光盘都很容易翘曲。当光盘的表面倾斜时，它就不再与激光束相垂直，于是造成了读出误差倾斜造成读出光点受影响的程度与基片的厚度成正比。DVD基片厚度只有0.6毫米，因此有利于整体设计。这种比较浅的基片使得DVD对倾斜的敏感性不如CD那样大。CD的基片厚度有1.2毫米还由于其他一些原因，DVD光盘本来就不易受某些种类的翘曲和倾斜的影响。

例如，温度和湿度的突然变化能造成DVD塑料基片的膨胀或收缩但由于DVD的对称结构在一层中的变化往往抵消了另一层中的变化，减少了环境变化的总体效果，使得最终的倾斜量减低到最小。

因为消费者已经在CD唱片和CD—ROM收藏上投入了大量的钱。在设计上的一个优先考虑是DVD播放机既要能读出现有的CD片又要能读出新的DVD片。要让DVD播放机具备这种功能，就要求专门的光学设计特性最简单的设计是在一个光学头上加两个透镜，一个适用于1．2毫米厚的基片，另一个适用于0.6毫米厚的基片。然后按需要用机械方法从一个透镜转换到另一个透镜。

一个更为精致的方法采用单独一个注模透镜，在它的中央有一个全息元件。通过透镜外环的光线不受全息元件的影响在平面上聚焦成一个缩小的光点，这个光点小得足以适用于读出DVD信息。读出激光束大约有三分之一从中央部分入射既被透镜聚焦，又被全息元件聚焦，这样聚焦而成的一个光点适用于读出较厚的CD片上的坑。

更多的比特

除了比CD有多的坑之外，DVD还在它的坑里装入了更多的信息，这是因为格式编码效率上有了两方面的改进的结果。无论信息的原始形式是什么样的（数据、文本、图像、音频或视频），称为用户比特并直接表示信息内容的0和1必须在回放时防止受到的引入的错误的影响。这些错误来自诸如灰尘、擦痕或腐蚀等因素。纠错和控制（ECC）技术通过计算与用户数据存储在一起的附加数据比特的专用算法，把上述错误降到最小。这些附加比特虽然必不可少，却降低了整个光盘容量中用于实际信息内容的那部分所占的比例。

然而DVD纠错和控制极其有效。例如，它能纠正长达2000字节的突发错误，它相当于信息轨道上的大约4毫米长。在DVD格式中，纠错和控制数据大约占光盘容量的13%。相反，同样的数据要上一张CV总容量的整整三分之一。DVD纠错和控制这种高效率并不会降低纠错能力，它主要来自当前硅芯片计算能力的提高。这种计算能力在设计CD格式的时候还没有实现。

在录入时候，结合起来的用户数据与纠错和控制数据必须转换成所谓的调制码比特，后者是用光盘表面的坑所表示的实际两进制比特流。对于表示数据所要求的控制坑尺寸范围来说这一步是必须的，也是保证在回放过程中数据探测和跟踪的可靠性的重要方面。CD格式的编码方法把8个用户数据比特转换成17个调制码比特。DVD采用了一种改进的方法。它将8个用户数据比特只转换成16个调制码比特，同时又保留了原先CD方法所固有的好处。由于只需要较少的调制码比特来表示用户数据比特，DVD就可一次容纳更多的用户数据比特。这一功能导致了DVD比CD的效率提高了大约6倍。

更多的可能性

DVD格式将允许消费者首次能够买到并观看整部的电影，还伴有音质达到剧场效果的声道。这种DVD电影事实上与数字式原版影带在质量上几乎难以区分。这种可能性造成了在数字领域严重的版权保护问题。这是正在讨论的一个课题。但是，选择这种具有这样的容量与功能的DVD确实就是因为播放电影是它的主要用途之一。

尽管这种DVD光盘每一表面有4。7GB这样巨大的容量。一部数字式电影必须以压缩的形式才能存储到光盘上。采用了称为MPEG2标准的可变数据速率压缩技术。在这一技术中，压缩的程度最适合画面的瞬时复杂性：视觉上十分详细的或快速动作的序列，往往比影片不太复杂的部分更难以压缩，因此要用更多的比特，压缩流的数据速率在回放时要变化。这种可变数据速率数据速率压缩技术使影片画面的整体质量达到最佳，即使当总容量受到限制时也是如此。另一个有趣的特征是，用户在播放DVD电影时可以选择标准的电视帧宽高比（水平对垂直长度比为4：3）或更象宽银幕电影的形式（16：9）。

数字增强技术也将提高DVD电影的音频质量。在环绕主体声电影院里看过《侏罗纪公园》和《阿波罗13》的人都知道高质量多声道的音频大大增强了听觉感受。DVD电影格式或者指定杜比实验室AC一3多声道（5.1）压缩音频，或者指定脉冲编码调制（PCM）音频编码方法，以MPEG音频备选。这种DVD的杜比系统采用高达每秒448000比特的压缩音频比特速率，产生了具有CD质量音频的5个独立声道，还有一个专门用于低频声效果的第六个声道。（这种划分解释了为什么该系统称为5.1。）用于纯音频光盘（CD音频光盘的后继者）的DVD规格还没有完全制订出来，有待于音乐录制业和诸如音频工程协会等独立机构的努力。DVD容量的增大，有可能让内容更丰富的电视游戏、娱乐产品和教育参考资料的光盘的制作成本相当于目前的CD光盘成本。多媒体生产厂商明确地预测，今天的CD光盘的小容量将会成倍扩大。多媒体制作者不是把时间化在把内容缩减到只有680MB，而是很快就能有余力考虑宽如何用诱人的内容去充满具有8.5GB容量的双层光盘，或者甚至是具有17GB容量的4层DVD光盘。

前景广阔

读／写版DVD驱动器应该会在1998年出现，而一次写入的DVD-R和可擦DVD-RAM要比CD-R和CD-E（可擦的)）格式功能大得多，用途广得多。到现在为止光学录入系统一直主要依靠磁-光技术。但是对于DVD-RAM来说，录入介质更可能是采用所谓的相变材料。如果这样的话，在RAM基片表面上将沉积一薄层超细粒子多晶膜。为了存储每一个比特，从激光器发出的一个强有力的但又短暂的录入脉冲将薄膜上一个亚微米大小的区域融化。由于这样小的一点材料很迅速地冷却，这个融化区就不会再结晶。相反，它会凝结成一种不规则的无定形状态，这种状态所反射的光比晶体状态要少得多。这种反射差异意味着一束不会再融化任何材料的低强度读出光，能对数据进行解码。

相当多的研究已经鉴定和优化出一些材料，它们对录入数据有足够的稳定性，能经受几十万次录入／擦除的过程。而且相变录入有几个关键的优点。由于回放只是依靠从光盘反射回来的光的强度人们就能使用在一台DVD-ROM播放机中使用的那种同样的光学头。相反，磁-光回放需要使用能感知反射回来的读出光束中微小的偏振变化的独特器件。因此以相变介质制作的一台DVD-RAM驱动器的成本不会比只读光盘驱动器高出许多。此外，DVD—RAM光盘可以用DVD—RAM读出器来播放，只要所有其他的格式细节设计得具有这种兼容性便可。

目前已有的可消除数据存储的设备种类多得令入迷惑：高容量的和低容量的软盘，可消除的硬盘盒、磁-光介质和各种各样的磁带盒可供选择。没有人期望将来可记录的DVD-R和DVD-RAM驱动器取代现在无处不在、更高性能的磁硬盘。但是他们当然有可能提供单独一种用于各种要求可消除的读／写介质的应用场合的解决案。随着可写DVD介质的成本有望降到每兆字节0.2到0.5美分（低到足以让最热衷于将互联网内容拷贝下来的人感到心满意足），可录入DVD驱动器就能提供高的容量、优良的随机存取性能和低廉的成本，以及与DVD-ROM的兼容性性。预期DVD-ROM将成为信息传布的普遍格式。于是，单独一台DVD-RAM设备就能满足个人计算机系统目前和将来的许多应用，包括桌面出版、多媒体写作、内容分配、数据传送以及数据档案和后备。

DVD格式还考虑到了扩充的余地。例如，开发发射绿色或蓝色光的可靠的波长更短的激光器也许能将数据密度再翻一番。（见下面一篇由Robert L. Gunshor和Arto V. Nurmikko所撰写的“蓝激光CD技术”。）我们可以想象基本的DVD技术的衍生物有朝一日能在一张1.2毫米厚的光盘上容纳50GB以上的信息——在一张光盘上几乎就装下了一个小型图书馆。

一批专家现在正在为统一的DVD格式家族的整体规格作最后完善的工作。他们必须努力制造技术机会，以便为将来的应用提供功能上最强的基础，其中包括许多现在尚未想到的应用。正象电视手段很快演变成大大超越“带画面的收音机”的程度，以新的高密度光盘格式为基础的应用很可能也在不久的将来以令人吃惊的和难以预料的方式演变。