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Blu-ray Disc (BD) - Optische Aufzeichnungsverfahren

Inhaltsverzeichnis

2.4. Blu-ray Disc (BD)

Abb. 2.4.1: Logo BD
Abb. 2.4.1: Logo BD [1]

Reicht eine Standard-DVD mit 4,7 GB für einen ‚abendfüllenden’ Film (2 Stunden) in guter TV-Qualität gerade aus, so wird bei digitalem hochauflösendem TV (HDTV, in den USA, Japan und Südkorea bereits 1988/1989 verfügbar, in Deutschland ab 2004) selbst eine zweiseitige Dual-Layer DVD (DVD 18) schnell am Ende ihrer Kapazität sein. Um einen Markt für Kauf- und Verleih-Video in dieser hochauflösenden Norm erst möglich zu machen, muss ein Medium mit ca. 30GB Kapazität geschaffen werden. Ein Rückfall auf bandgestützte Speicher wie D-VHS wollte und konnte die DVD-Fraktion natürlich nicht zulassen. So wurden ab 2002 die Spezifikationen des DVD-Nachfolgers entworfen. Dabei sollte es aber nicht nur darum gehen HD-Filme einfach vertreiben zu können, sondern darum eine komplette Plattform zu schaffen, mit der HD-Inhalte auch aufgenommen und wiedergegeben werden können.
Nahezu die gleiche Firmenkonstellation (Sony, Philips, LG, Thomson u.a. → "Blu-ray Disc Association"), die den DVD+R/RW-Standard entworfen und umgesetzt hat ("DVD+RW Alliance"), legte auch die Spezifikationen für den Blu-ray-Standard fest. Ein gleichzeitig von Toshiba entwickeltes Konkurrenzformat, die HD-DVD, das auch vom DVD-Forum zum offiziellen DVD-Nachfolger ernannt wurde, konnte sich nicht durchsetzen und wurde 2008 vom Markt genommen.

2.4.1 Physischer Aufbau

Der Name Blu-ray (Blauer Strahl) leitet sich von dem verwendeten violett-blauen Laser mit einer Wellenlänge von 405 nm ab, der in der Lage ist, entsprechend kleine Strukturen auf einer 12 cm-Scheibe zu lesen.  Bei einer auf 0,32 μm reduzierten Spurbreite und einer Pitlänge von 0,149 - 0,695 µm passen bis zu 25 GByte an Daten pro Layer auf ein Medium.
Gepresste Medien bestehen aus zwei Substraten. Das Trägersubstrat aus Polycarbonat ist 1,1 mm dick, das Substrat mit den Informationsschichten (Data Substrate, Cover Layer) ist 0,1 mm (SL) bzw. 0,075 (DL) dick. Beide Substrate sind miteinander verklebt. Das dünne Datensubstrat erlaubt eine stärkere Bündelung des Laserstrahls. Dieses vermindert die Aberration (optischer Abbildungsfehler durch Brechung) bei einer eventuellen Neigung der Disk.

Da die Strukturen einer BD im Vergleich zu Staub oder Kratzer extrem klein sind, sollte das Medium ursprünglich  vor Umwelteinflüssen geschützt in einem Caddie von ca. 13x13x0,7 cm stecken. Der Caddie wurde überflüssig, als TDK erfolgreich eine extraharte Polymer-Schutzbeschichtung entwickelte. Mit einer solchen, nur 2 nm starken  Schutzschicht versehen, kann eine Blu-ray Disc wie eine normale DVD gehandhabt werden.

Abb. 2.4.2: Aufbau der BD-Typen
Abb. 2.4.2: Aufbau der BD-Typen

Eine Sonderform der Blu-ray-Medien bilden die BD5/ BD9. Diese sind mit erhöhter Präzision gefertigte DVD-ROMs aber mit der logischen Struktur einer BD. Da der Inhalt dieser optischen Speicher mit MPEG-4/H.264 oder VC 1 komprimiert sind, lassen sich auch Spielfilme in voller Länge in HD-Qualität auf diesem preisgünstigen Medien unterbringen. Sie lassen sich nur auf BD-Playern abspielen, die über einen 650 nm-Laser und eine aktuelle Firmware verfügen. Die BD5 und BD9 werden hauptsächlich als Kauf- oder Leihmedien verwendet.

Abb. 2.4.3: Tabelle der BD-Typen
Abb. 2.4.3: Tabelle der BD-Typen
Abb. 2.4.4: Tabelle der technischen Daten
Abb. 2.4.4: Tabelle der technischen Daten

Hardware-Profile

Um die Blu-ray-Technologie mit den Fortschritten in der Technik ausstatten zu können, sind von der standardgebenden Institution "Blu-ray Disc Association" mehrere Ausstattungs- bzw. Technologiestufen, sogenannte Profile, geschaffen worden.
Profil 1
beschrieb die ersten Mindest-Hardwareanforderungen für Blu-ray-Player und ermöglichte im Prinzip die einfache Wiedergabe von Blu-ray-Discs mit Wahlmöglichkeiten von Kommentaren, Sprachen usw. in einfachen Menüsteuerungen. Hersteller von Blu-ray-Playern durften diese spärlich ausgestatteten Geräte nur bis November 2007 fertigen. Nach diesem Termin hergestellte Player müssen dem Profil 1.1 entsprechen. Viele Player mit Profil 1 ließen sich aber über einen simplen Firmware-Upgrade auf das Profil 1.1 aktualisieren.
Das Profil 1.1, auch BonusView oder Final Standard Profile genannt, erfordert zusätzliche Hardware. Für die gleichzeitige Wiedergabe von mehreren Video-Streams (z.B. Bild-im-Bild) wird ein zusätzlicher Videodecoder benötigt. Das gleiche gilt für die gleichzeitige Wiedergabe von mehreren Audio-Streams (Audio Mixing, z.B. Originalton plus Kommentar des Regisseurs). Hierzu wird ein zweiter Audiodecoder benötigt. Profil 1.1 erwartet erstmalig auch einen eingebauten Speicher. Dieses Binding Unit Data Area (BUDA) erlaubt das Zwischenspeichern von Untertiteln, AV-Dateien oder Anwendungen. Von der Disk geladene Anwendungen können die Dateien im BUDA mit den den Dateien auf der Disk verknüpfen, indem über die tatsächlichen Dateisysteme eine zusätzliche Abstraktionsschicht gelegt wird, die ein virtuelles Dateisystem schafft. So können Anwendungen unterschiedlicher Art einfach auf verschiedene Dateisysteme zugreifen.

Abb. 2.4.5: Tabelle der BD-Hardware-Profile
Abb. 2.4.5: Tabelle der BD-Hardware-Profile

Dieses wird besonders interessant, wenn (mit Profil 2) ein Netzwerk- bzw. Internetzugriff besteht und Dateien zum Aktualisieren oder Ergänzen in den BUDA geladen werden können. Im Profil 2.0 (Logo " BD-Live") wird ein Netzwerkanschluss am Player sogar vorgeschrieben. Dies kann über WLAN oder Ethernet vorgenommen werden. Java-Applikationen können so über HTTP oder HTTPS Verbindung zu Servern aufnehmen. Diese liefern bestimmte Dienste wie beispielsweise den Download von zusätzlichen Videostreams, Bonusmaterial usw. Auch eine automatische Aktualisierung der Firmware und der Liste der ungültig gewordenen Schlüssel ist so möglich.
Mittels Progressive Playlists können ein oder mehrere AV-Streams aus dem Netz geladen und bereits mit der Wiedergabe begonnen werden, ehe die komplette Datei(en) geladen wurde. Die AV-Daten laufen hierzu zunächst in einen Pufferspeicher im BUDA. Ist der Puffer ausreichend (das ist abhängig von der Datenrate) gefüllt, wird mit der Wiedergabe begonnen. Das Nachladen der restlichen Daten geschieht von der Progressiven Playlist gesteuert im Hintergrund.
Profil 5 erfordert die Hard- und Software zur Unterstützung von 3D-Technik. Hierzu gehört z.B. die Verwendung von HDMI 1.4a zur Übertragung des 3D-Signales zum Anzeigegerät.

2.4.2 Logischer Aufbau einer BD-ROM

Die logische Struktur einer BD-ROM entspricht im Informationsbereich der Struktur einer DVD. Jede Ebene (Layer) ist in drei Zonen aufgeteilt: die Innere Zone, die Daten-Zone und die Äußere Zone. Die Innere Zone enthält den Lead-In. Der Lead-In-Bereich enthält Informationen über die Disk (Disc Type, Durchmesser, Anzahl Layer, max. Datenrate),  Kopierschutzinformationen und auch Schlüssel  zum Descrambeln der Daten. Diese Daten befinden sich in der Permanent Information & Control Data Zone des Lead-In-Bereiches. In der Daten-Zone befinden sich die Nutzdaten. In der Äußeren Zone befindet sich der Lead-Out-Bereich. Der Lead-Out-Bereich enthält keine Nutzdaten und ist nur mit Nullen gefüllt.

Abb. 2.4.6: Logische Struktur einer BD-ROM
Abb. 2.4.6: Logische Struktur einer BD-ROM

Unmittelbar an die mechanische Aufnahmefläche ("Klemmzone") der BD angrenzend, noch vor dem Lead-In, befindet sich ein Bereich, der für eine Individualisierung bei der Vervielfältigung von BD-ROMs verwendet werden kann. Mittels eines starken Lasers kann in dieser Zone, der BurstCutArea (BCA), ein bis zu 64 Byte langer Strichcode eingebrannt werden. Die BCA kann vom gleichen Laser-Pickup  wie die Disk ausgelesen werden. Die Informationen liegen in vier Gruppen à 16 Byte vor und können für verschiedene Zwecke verwendet werden. Neben einer automatischen Erkennung, z.B. bei beschreibbaren Medien, erlauben die Informationen auch eine Verwendung als Teils des Kopierschutze AACS, indem sie Schlüssel enthalten können.
Im Bereich der mechanischen Aufnahmefläche des Wiedergabegerätes können die Source Identification-Codes ( SIDs) untergebracht werden. Hierbei werden zwei Codes unterschieden. Über den Mastercode oder LBR- (Laser Beam Recorder-) Code  lässt sich der Hersteller des Glassmasters der jeweiligen BR-ROM identifizieren. Der Mould-Code wird in jedem Metallstempel, der vom Glassmaster abgeleitet wird, eingeprägt. So lassen sich Produktionsstätten oder Produktionszeiträume identifizieren.

Auslesen der Datenschichten bei Dual Layer-BDs

Die Daten einer BD befinden sich in einer einzigen Spur. Die Spur von Layer 0 beginnt innen und wandert weiter nach außen. Gibt es noch eine zweite Datenschicht (Layer 1), ist diese eine Fortsetzung der unteren Spur (Layer 0).
Bei Dual Dual Layer BDs haben beide Spuren ein gemeinsames Lead-In und ein gemeinsames Lead-Out. Der Übergang von Layer 0 auf Layer 1 erfolgt in den als "Äußere Zonen" gekennzeichneten Bereichen. Der weitere Lesevorgang der BD erfolgt nun von außen nach innen, bis das Lead-Out erreicht wird.

Abb. 2.4.7: Auslesen von Dual Layer-BDs
Abb. 2.4.7: Auslesen von Dual Layer-BDs

 

Struktur der Informationszone

Die Protection Zones (= geschützte Zonen) sind Bereiche, in die der Laser-Pickup bei Suchfunktionen überschwingen darf.
Die Permanent Information & Control Data Zones ( PICs) enthalten allgemeine Informationen über Medientyp, Anzahl der Layer usw. Des Weiteren befindet sich hier auch der Media Key Block für die Host Revocation List. In dieser Widerruf-Liste stehen Schlüssel, die kompromittiert sind. BD-Player, die diese Schlüssel verwenden, können die BD nicht wiedergeben.
Bei BD mit nur einem Layer ist die äußere Zone gleichzeitig das Lead-Out. Bei Dual-Layer BD befinden sich hier Steuerdaten, die den Übergang zum zweiten Layer ermöglichen. Dual-Layer BDs haben in der Inneren Zone 1 für beide Layer ein gemeinsames Lead-Out.

Abb. 2.4.8: Struktur der Informationszone einer BD-ROM
Abb. 2.4.8: Struktur der Informationszone einer BD-ROM

2.4.3 Datenstruktur und Fehlerkorrektur

Die Datenstruktur ist bei allen BD-Varianten gleich. Die kleinste Dateneinheit ist ein Frame, bestehend aus 2048 Bytes Nutzdaten und vier Bytes Fehlererkennungscode (EDC). Die Daten im Frame sind nach einem festen vorgegebenen Muster verwürfelt.

Abb. 2.4.9: BD-Fehlerkorrektur
Abb. 2.4.9: BD-Fehlerkorrektur

Je 32 aufeinanderfolgende Frames werden im Speicher in Blöcken (Data Block) von 216 Reihen mit 304 Spalten abgelegt.  Jede Spalte besteht aus einem Byte.
Die erste Maßnahme zur Fehlerkorrektur ist der LDC (Long Distance Code). Hierzu wird aus je einem Frame ein Parity Reed-Solomon Code errechnet, der als  zusätzliche Zeile an das untere Ende des Data Blocks angefügt wird. Der Data Block wird so um 32 Zeilen zum 248 Zeilen umfassenden LDC-Block erweitert.
Der LDC-Block wird zur Verbesserung der Burstfehler-Erkennung wiederum verwürfelt und in einen neuen Block (ECC-Cluster) mit 496 Reihen und 152 Spalten umformatiert.
Die logischen Adressdaten, Steuerdaten und die physischen Adressdaten für jeden Data-Block werden in einem Access-Block mit 30 Reihen à 24 Spalten zusammengefasst. Aus diesen wird wird ebenfalls ein Reed-Solomon-Code erzeugt und in 32 Reihen an den Access-Block angehängt. Dieser sogenannte BIS (Burst Indicator Subcode)-Block bildet die zweite Maßnahme zur Fehlerkorrektur.
Der BIS-Block wird anschließend zum BIS-Cluster mit 496 Zeilen und 3 Spalten umformatiert.

Um ECC-Cluster und BIS-Cluster zusammenzuführen, wird der ECC-Cluster in vier Gruppen von je 38 Spalten aufgeteilt. Zwischen jeweils zwei der Gruppen wird dann eine Spalte des BIS-Clusters eingefügt. Dieser Datenblock, Physical Cluster genannt, besteht dann aus 496 Zeilen, denen noch ein Synchronsignal vorangestellt wird.

2.4.4.1. Regional-Codes

Wie bei der DVD wurde auch bei der BD ein Regionalcode vorgesehen.  Der Regionalcode (RPC = Regional Playback Code) ist ein Verbreitungsschutz.  Der RPC soll eine unkontrollierte Verbreitung von BDs verhindern. Die Welt ist hierzu in drei Regionen aufgeteilt. Den in diesen Regionen vertriebenen BR-Abspielgeräten ist fest der jeweilige Regionscode (1-3) implementiert.  Die BD-Abspielgeräte können nur BDs, die mit dem gleichen Regionscode oder dem Regionscode 0 (= alle Regionen) gekennzeichnet sind, abspielen. Im Gegensatz zur DVD wird von den Content-Vertreibern eine Kodierung der BD selten vorgenommen.

Abb. 2.4.10: BD-Regionalcodes
Abb. 2.4.10: BD-Regionalcodes

2.4.4.2. Kopierschutz

Nach den schlechten Erfahrungen mit dem Kopierschutz der DVD, CSS, wollten die Filmstudios ihre wertvollen HD-Multimedia-Inhalte (Contents) nur einem Medium anvertrauen, das einen wirklich wirksamen Content-Schutz aufweist. Die Markteinführung der BD verzögerte sich so um etliche Monate, weil immer neue Einwände aus Hollywood das Festlegen der Spezifikation für den BD-Content-Schutz verhinderte.
Der Content-Schutz der BD besteht aus drei Techniken: AACS ( Advanced Access Control System) als Kopier- und Verbreitungsschutz, ROM Mark zur Vermeidung von 1:1-Kopien und zum Erkennen von Fälschungen und BD+ zur zusätzlichen Verschlüsselung und Wiedergabeüberwachung.

AACS (Advanced Access Control System)

AACS ist ein vom AACS LA (AACS-Licence Administrator) genannten Firmenkonsortium (Intel, IBM, Microsoft, Panasonic, Sony, Toshiba Corporation, Walt Disney und Warner Bros.) entwickeltes System zum Schutz von multimedialen Daten. Der Schutz betrifft dabei nicht nur Daten auf optischen Medien, sonder die gesamte Übertragungskette mit ausgestrahlten, gestreamten oder heruntergeladenen Inhalten. Ein gestaffeltes Rechtemanagement sieht auch vor Kopien von bestimmten geschützten Inhalten zu erlaubten (Managed Copies).
Durch die Verschlüsselung der Inhalte mit AES-128-Bit-Schlüsseln und eine Authentifizierung der Geräte und Anwendungen mittels Zertifikaten soll ein hoher Schutz vor unbefugter Nutzung gewährleistet werden. Sollten Schlüssel kompromittiert werden, erlaubt ein " Revocation System" den Widerruf dieser Schlüssel und damit ein Sperren der betroffenen Medien, Wiedergabegeräte oder Anwendungen.

Die Verschlüsselung der Inhalte wird im Kopierwerk vorgenommen. Einige Schlüssel generiert das Kopierwerk selber, andere werden von der AACS LA zugewiesen. Im Folgenden sind die wichtigsten Schlüssel und Funktionen für das Abspielen einer BD-ROM beschrieben.

Abb. 2.4.10: Prinzip der Entschlüsselung von BD-ROMs
Abb. 2.4.10: Prinzip der Entschlüsselung von BD-ROMs
Device Keys

Device Keys sind vom AACS LA an Hersteller von BD-Playern vergebene Schlüssel mit 128 Bit.

Media Key

Der Media Key ist ein von der AACS LA vergebener 128 Bit langer Schlüssel. Der Media Key ist mit mehreren Processing Keys verschlüsselt und befindet sich im MKB.

Processing Key

Processing  Keys sind 128-Bit Schlüssel, die aus den Device Keys abgeleitet werden. Sie dienen zum Entschlüsseln des Media Keys.

Media Key Block (MKB)

Der MKB wird von der AACS LA an die Hersteller von BD-Medien (Kopierwerke) vergeben. Er enthält Listen mit Informationen über von einem Widerruf betroffene Laufwerke und Hosts (z.B. Softwareplayer).

Volume Identifier ( Volume ID)

Im Kopierwerk wird ein 128 Bit langer Zufallscode erzeugt und mit einem speziellen Laser in die BurstCutArea (BCA = ROM Mark) des Mediums gebrannt. Dieser Bereich kann von Konsumer-BD-Rekordern nur gelesen werden. Somit können keine "Bit-by-Bit"-Kopien von gepressten BD-Medien erzeugt werden.

AES-G

AES-G ist eine auf AES (Advanced Encryption Standard) Funktion, die aus zwei 128-Bit Eingangsschlüsseln einen 128-Bit Ausgangsschlüssel erzeugt. Aus der Volume ID und dem Media Key wird so der Volume Unique Key (VUK) erstellt.

Title

Ein Content-Inhaber, z.B. ein Filmstudio, überlässt den Content an das Kopierwerk in der Form von einem oder mehrerer Titles. Zum Beispiel wird ein Film als Title bezeichnet.
Die AACS LA unterscheidet zwischen zwei Typen von Titles. Beim Basic Title befinden sich alle zur Wiedergabe benötigten Schlüssel im Abspielgerät und auf dem Medium. Auch wenn das Abspielgerät keinen Online-Zugang hat, können alle Inhalte des Titles abgespielt werden.
Beim Enhanced Title muss vor dessen Wiedergabe über eine gesicherte Online-Verbindung eine Freigabe eingeholt werden. Meist ist diese Freigabe nur durch eine Online-Zahlung zu erhalten.

Title Key

Im Kopierwerk wird für jeden Title zumindest ein geheimer 128-Bit Schlüssel erzeugt. Damit wird entweder der ganze Title oder Teile davon verschlüsselt. Der Title Key selber befindet sich mit dem Volume Unique Key verschlüsselt auf dem Medium.

Entschlüsseln der Inhalte

Der Media Key Block (MKB) wird mit dem aus den Device Keys abgeleiteten Processing Key verarbeitet und das Ergebnis der Berechnung ist der Media Key. Der Media Key zusammen mit dem Volume Identifier ergibt den Volume Unique Key ( VUK). Dieser Volume Unique Key entschlüsselt die Title Keys, die wiederum die eigentlichen Inhalte entschlüsseln.

BD+

AACS bietet zwar einen Schutz der Daten eines Mediums, kann aber nicht sicher stellen, dass diese in einer sicheren Umgebung wiedergegeben werden. Daher wurde BD+ als Erweiterung des AACS entwickelt. BD+ ist eine zusätzliche Ebene zum Schutz der Inhalte. Es ergänzt AACS, arbeitet aber für sich. Im Prinzip ist BD+ eine Virtual Machine (VM), die innerhalb der Wiedergabeplattform läuft.
Vor dem Abspielen von B+ geschützten Inhalten wird ein Title-spezifischer Programmcode in die Virtual Machine geladen. Diese in der Virtual Machine laufende Applikation prüft die Wiedergabeplattform auf Sicherheit und übernimmt das Entschlüsseln der Inhalte. Um die Plattform (=Player) auf Sicherheit zu prüfen, wird ein Fingerabdruck des Speicherabbildes von dem Hersteller der Player zur Verfügung gestellt. So sollen kompromittierte Player erkannt werden. Würde jemand versuchen den Programmablauf anzuhalten, um z.B. die Virtual Machine in einem Debugger laufen zu lassen, so wird der Speicher augenblicklich geleert und der Hacker erhält keine relevanten Daten mehr. Zusätzlich ist der Code kryptographisch signiert und damit sicher vor Manipulation.

2.4.5. Die Containerformate der Blu-ray Disc

Die Spezifikationen der BD sehen zwei unterschiedliche Containerformate vor, die sich in unterschiedlichen Verzeichnisstrukturen ausweisen. Das Dateisystem ist UDF 2.5/2.6.
Während das BDMV- (BD-Movie-) Format für gepresste (Prerecorded) BD-Medien verwendet wird,  ist das BDAV- (BD Audio Visual-)Format hauptsächlich für die Aufzeichnung von Multimedia-Streams auf beschreibbare Medien vorgesehen. Der Hauptunterschied zwischen den Formaten liegt in den Möglichkeiten der Interaktion zwischen dem Zuschauer und dem BD-Player.
BDMV ist zur professionellen Erstellung von BD-ROM vorgesehen und erlaubt das Schaffen von sehr komplexen Benutzeroberflächen, sogar unter Verwendung der Programmiersprache Java.

BDAV (auch BD-R/RE AV)

Das BDAV-Anwendungsformat ist daraufhin optimiert MPEG-2- Transportströme, z.B. DVB oder von Camcordern, auf BD-R oder BD-RE aufzuzeichnen und wiederzugeben. In den Transportstream (TS) eingebettete Ströme, z.B. EPG oder Untertitel, können leicht auseinander geflochten werden. Die Erstellung von einfachen Menüsteuerungen ist möglich. Es können Thumbnails in Menüs eingefügt werden und Titel be- und umbenannt werden. Über Einsprungmarken können besondere Clip-Stellen angesteuert werden. Als weitere Features bietet BDAV einen Schreibschutz und eine passwortgeschützte Wiedergabe von Medien.

Abb. 2.4.11: Organisation einer BDAV
Abb. 2.4.11: Organisation einer BDAV

Um einen oder mehrere aufgezeichnete Streams nachträglich so bearbeiten (editieren) zu können, dass keine Teile davon löschen zu müssen, verwendet BDAV zwei Ebenen um aufgezeichnete Audio- und Videoinformationen zu verwalten. Durch diese Organisation können die aufgezeichneten physischen Streams von den logischen Steuerinformationen (PlayLists) auseinander gehalten werden.
Die Clip-Ebene ist vor dem Benutzer verborgen und enthält die Teilströme (als Clip AV Stream-Dateien). Zu jeder Clip AV-Stream-Datei gibt es noch eine Clip Information-Datei, die die dazugehörige AV-Stream-Datei beschreibt (Typ, Reihenfolge, Timing, ...). Die Kombination aus Clip AV-Stream und den Clip-Informationen wird als Clip bezeichnet.
Die PlayList-Ebene erlaubt dem Benutzer die Wiedergabe, das Editieren und Verbinden von Clips mittels eines Systems von PlayLists (Wiedergabelisten). Eine PlayList kann entweder real oder virtuell sein. Jede PlayList enthält ein oder mehrere PlayItem. Dieses sind Sets von Zeigern auf den Anfang und das Ende auf einen Wiedergabebereich innerhalb eines Clips.

Bei der Aufnahme eines Clips wird automatisch eine reale PlayList mit einem PlayItem angelegt, das die gesamte Spielzeit des Clips kennzeichnet. Reale PlayLists können geteilt, zusammengelegt oder auch teilweise oder komplett gelöscht werden. Das Löschen von einem Teil oder einer ganzen realen PlayList löscht auch den Teil oder den ganzen Clip. Eine Virtual PlayList wird immer vom Benutzer angelegt. Sie enthält PlayItems, dessen Zeiger auf Abschnitte von realen PlayLists verweisen. Änderungen an der Virtual PlayList bewirken keine Änderungen an den Clips. So können mehrere reale PlayLists ganz oder abschnittsweise so zusammengestellt, dass sich eine zusammenhängende Wiedergabe ergibt. Um eine nahtlose Verbindung zwischen zwei Clips zu erzeugen, können sog. Bridge-Clips eingefügt werden.
Virtuelle PlayLists erlauben auch das separate Editieren der Audiostreams und das nachträgliche Einfügen von Audio-Clips.

Struktur einer BDAV-Disk

Die Dateien der AV-Inhalte und zur Steuerung der Wiedergabe befinden in einer hierarchisch angeordneten Struktur aus obligatorischen und optionalen Verzeichnissen.

Verzeichnis BDAV VERZEICHNIS INHALT, VERWENDUNG
ROOT Rootverzeichnis enthält alle Unterverzeichnisse (BDAB, AACS, BDAV1, BDAV2 usw.)
BDAV Hauptverzeichnis, das Verwaltungs- und PlayList-Informationen (info.bdav), die Menu Thumbnail-IndexDatei (menu.tidx), die Menu Thumbnail-Dateien (menu.td1, ...), die entsprechenden Dateien für die Markierungs-Thumbnails und die BD-R/REAV-Unterverzeichnisse (PLAYLIST, CLIPINF, STREAM) enthält
PLAYLIST enthält die realen PlayLists-Dateien (xxxxx.rpls) und virtuelle PlayList-Dateien (xxxxx.vpls)
CLIPINF enthält die Clip Information-Dateien (xxxxx.clpi, ...)
STREAM enthält die Clip AV-Stream-Dateien (xxxxx.m2ts) und DV-Stream-Dateien (xxxxx.dvsd)
BDAV1, 2, 3 enthält Kopien der aller Management-Dateien und Unterverzeichnisse (PLAYLIST, CLIPINF)
AACS enthält die Read/Write Media Key Block-Datei (MKB_RW.inf) und das AACS Entschlüsselungsunterverzeichnis AACS_av
AACS-av enthält die AACS CPS Unit Key-Datei Unit_Key_RW.inf, die CPS Unit Key Backup-Datei BAK_Unit_Key_RW.inf und die CPS Unit Usage-Dateien CPSUnit00001.cci, ...
Tabelle 2.4.12: Verzeichnisstruktur einer BDAV

BDMV (neu: BD-ROM AV)

BD-ROM Audio Visual (BDMV (BD-Movie) ist eine alte Bezeichnung) ist ein Anwendungsformat für die Contenthersteller (Filmindustrie) zur Erschaffung von kommerziellen, gepressten HD BD-ROMs. BDMV verwendet das gleiche MPEG-2-Transportstream-Format wie die BDAV. Allerdings sind alle Elementarströme (Video, Audio, Untertitel, Grafiken) schon vor dem Authoring der BD komplett editiert, packetiert  und  und mit weiteren Informationen zum einem oder mehreren Transportstreams gemultiplext worden.
Grundsätzlich lassen sich beim BDMV zwei Modi unterscheiden: HD-Movie (HDMV) und Blu-ray Disc Java (BD-J).
HDMV ist einfacher gestaltet und gestattet ein mehr deklaratives Erstellen der ausführenden Umgebung. Ähnlich wie beim Authoring einer DVD sind alle Wiedergabemöglichkeiten vorauszuplanen und alle Grafiken und Menüs vorab vollständig zu erstellen. Die Möglichkeiten einer dynamischen Steuerung sind stark eingeschränkt. Der Vorteil von HDMV ist, dass das Authoring gradliniger ist, was das Einhalten der Spezifikationen und der Verifizierung des Mediums einfacher gestaltet.

BD-J erlaubt es wesentlich flexiblere und dynamischere Benutzeroberflächen und Benutzer-Interaktion zu schaffen. BD-J ist eine prozedural ausgerichtete Entwicklungsumgebung in der Software geschrieben wird, die die unterschiedlichen Wiedergabemöglichkeiten des Mediums steuert. Die hierfür verwendete Variante von Java basiert auf Java 2 Micro Edition (PBP 1.0) und auf Erweiterungen durch mehrere Multimedia-Standards wie MHP (Multimedia Home Platform). Zusätzlich enthält es spezielle Erweiterungen für BD.
Der erzeugte BD-J-Code ist eine Multimedia-Anwendung, die in einer Java Virtual Machine läuft und Grafiken und bildgenaue Animationen erzeugt, die Interaktion mit dem Benutzer herstellt und die Wiedergabe vom Medium oder aus dem internen Speicher steuert.

Da das BDMV-Format  auf dem BDAV-Format basiert, sind die Strukturen sehr ähnlich aufgebaut. Natürlich sind diejenigen Ebenen, die die Ablaufsteuerung und Interaktion realisieren, wesentlich komplexer organisiert.
Im BDMV-Format wird eine Struktur aus vier Ebenen eingesetzt um die Video-, Audio-, Text-Untertitel- und Grafik-Elemente zu verwalten.

Abb. 2.4.13: Organisation einer BDMV (BD-ROM AV)
Abb. 2.4.13: Organisation einer BDMV (BD-ROM AV)

Der Clip-Layer enthält die Transportströme (als Clip AV Stream-Dateien). Zu jeder Clip AV-Stream-Datei gibt es noch eine Clip Information-Datei, die die dazugehörige AV-Stream-Datei beschreibt (Typ, Reihenfolge, Timing, ...).
Die PlayList-Ebene enthält mehrere PlayLists (Wiedergabelisten). Jede PlayList enthält ein oder mehrere PlayItems und SubPlayItems. PlayItems sind Sets von Zeigern auf den Anfang und das Ende auf einen Wiedergabebereich innerhalb des Haupt-AV-Clips im Hauptpfad. SubPlayItems zeigen auf separate Clips, die unabhängig vom Haupt-AV-Clip angezeigt werden können.

Die Object-Ebene enthält Movie Objects (HDMV-Mode) und/oder BD-J Objects (BD-J Mode). Movie Objects sind Sätze von Navigationsbefehlen, die eine Wiedergabe auslösen oder andere Movie Objects ausführen. Ein BD-J Object ist eine Tabelle von Java-Anwendungen oder Steuerprogrammen, die eine Wiedergabe über PlayLists auslöst oder andere Movie Objects, BD-J Objects oder Java-Programme aufruft.
Die Index Table (Indextabelle) ist die höchste Instanz. Sie definiert alle  Titel auf einer Disk mit den dazugehörigen Movie Objects oder BD-J Objects. Die Index Table wird vom BD-Player immer dann abgefragt, wenn ein Titel oder ein Menü aufgerufen oder ausgeführt werden soll.
Als First Playback werden Movie oder BD-J Objects bezeichnet, die automatisch nach dem ersten Einlegen der Disk ausgeführt werden.

Struktur einer BDMV-Disk

Die Dateien der AV-Inhalte und zur Steuerung der Wiedergabe befinden in einer hierarchisch angeordneten Struktur aus obligatorischen und optionalen Verzeichnissen.

VERZEICHNIS INHALT, VERWENDUNG
ROOT enthält die Unterverzeichnisse BDMV, CERTIFICATE, AACS und BDSVM
BDMV Hauptverzeichnis, das die Index Table-Datei (index.bdmv), die Movie Object-Datei (MovieObject.bdvm) und weitere Unterverzeichnisse (PLAYLIST, CLIPINF, STREAM, AUXDATA, META, BDJO, JAR, BACKUP) enthält
PLAYLIST enthält die PlayList-Dateien (xxxxx.mpls)
CLIPINF enthält die Clip Information-Dateien (xxxxx.clpi)
STREAM enthält die Clip AV-Stream-Dateien (xxxxx.m2ts)
AUXDATA enthält Sounds (sound.bdmv) für interaktive Grafiken, Font-Dateien (xxxx.otf) und Font-Index-Dateien (bdmn.fontindex) für textbasierte Untertitel
META enthält die Metadaten Disc-Bibliothek (dlmt_000.xml) und die Titelszenen-Suchdateien (esmt000_xxxxx.xml
BDJO enthält die BD-J Object-Dateien (xxxxx.bdjo)
JAR enthält BD-J Java Archiv-Dateien (xxxxx.jar). Dies sind (gezippte) Java-Klassenbibliotheken oder direkt ausführbare Applikationen.
BACKUP enthält Kopien der wichtigsten Dateien (index.bdmv, MovieObject.bdmv) und Unterverzeichnisse (PLAYLIST, CLIPINF, BDJO, JAR)
CERTIFICATE enthält das BD-J Root-Zertifikat (app.discroot.crt) und ID-Informationen (id.bdmv)
AACS enthält die AACS Entschlüsselungsdateien (Content000.cer, Content001.cer, ContentHash000.tbl, ContentHash001.tbl, ContentRevocation.lst ...) und das Unterverzeichnis DUPLICATE
BDSVM enthält BD+ Content Code-Dateien (00000.svm ...) und das Unterverzeichnis BACKUP
Abb. 2.4.14: Verzeichnisstruktur einer BDMV (BD-ROM AV)

Aufbau eines MPEG-2 Transportstreams

Das komprimierte MPEG-Videosignal, die dazugehörigen kodierten digitalen Audiosignale  und zusätzliche  Datenströme wie Untertitel liegen als Elementarströme vor und müssen für die Aufzeichnung auf dem BD-Medium zu einem einzigen Strom vereint werden.
Die Elementarstrom- Paketierer unterteilen die Datenströme in Pakete gleicher Größe. Um die Synchronisierung zwischen den Streams zu erleichtern, richtet sich die jeweilige Paketgröße eines PES (Packetized Elementary Stream = Paketierter Elementarstrom) meist nach den in Einheiten gleicher Zeit zu übertragenden Daten, z.B. ein Video-Frame (= 20ms), 20ms Audio 1, 20ms Audio 2, 20ms Untertitel 1 usw. Die in den Paketen des PES befindlichen Datenmengen  können daher, abhängig von der Quelle, sehr unterschiedlich sein. Zur späteren Erkennung erhält jedes Paket einen Header. 
Das Zusammenfassen der PES zum Transportstream übernehmen Multiplexer. Ein Multiplexer (oder kurz MUX) ist ein Selektionsschaltnetz, mit dem aus einer Anzahl von Eingangssignalen eins ausgewählt werden kann. Bei zyklischem Durchlauf können so parallele Datenströme in serielle gewandelt werden.
Da auch der Transportstrom bei der Wiedergabe wieder in seine Bestandteile zerlegt werden muss, werden in einem weiteren Paketierer Pakete mit einer festen Länge von je 188 Byte (Payload = Nutzlast) erzeugt. Jedem dieser Pakete wird ein weiterer Header von 4 Byte vorangestellt. Die neben dem Copy Permission Indicator wichtigste Information im Header ist der Arrival Time Stamp, eine 30 Bit lange Zeitmarke, die zur Wiedergewinnung des Clocksignales dient.
Jeweils 32 TS-Pakete bilden eine Aligned Unit von 2144 Bytes. Jede Aligned Unit wird in drei logische Sektoren von je 2048 Bytes aufgeteilt. Jeder Sektor wird um 4 Bytes Fehlererkennungscode (EDC) erweitert und bildet so einen Frame, der physischen Datenstruktur des BD-Standards entspricht.

Abb. 2.4.15: Aufbau eines MPEG-2-Transportstreams
Abb. 2.4.15: Aufbau eines MPEG-2-Transportstreams

Präsentationsdaten

Als die erste Spezifikation für das Blu-ray-Format festgelegt wurden, geschah dies auf der Basis des "State of the Art" zum damaligen Zeitpunkt. Daher war zuerst geplant, die Videoinhalte als einen MPEG-2-komprimierten Datenstrom aufzuzeichnen. Bei einer Datenübertragungsrate von 36MBit/s sollten pro Layer Spielzeiten von 1 Stunde und 40 Minuten für HD-Video oder ca. 13 Stunden bei 5 MBit/s für SD-Video möglich sein. Vorausschauend ließ man jedoch neben den MPEG-2-Codec auch die Möglichkeit des Einsatzes von neuen oder bereits in der Entwicklung befindlichen Codecs zu. Mit dem Einsatz dieser moderneren Codecs wie VC1 oder H.264-10 ( MPEG-4) können weitaus längere Spielzeiten erreicht werden.

Tabelle 2.4.16: Von BD-ROM AV unterstützte Codecs und Video-Stream-Formate
Tabelle 2.4.16: Von BD-ROM AV unterstützte Codecs und Video-Stream-Formate

Die Gesamt-Bandbreite ist auf 53,95 Mbit/s begrenzt. Hiervon sind 40,00 Mbit/s für  reine Video-Streams (in Form von MPEG-2, VC-1 und MPEG-4-AVC) reserviert, die verbleibenden 13,95 Mbit/s für die Tonspuren (in Form von Dolby Digital, Dolby Digital Plus, Dolby TrueHD, DTS, DTS-High Definition, DTS-HD Master Audio und Linear- PCM).

Tabelle 2.4.17: Im BD-ROM AV-Mode zulässige Video-Streams
Tabelle 2.4.17: Im BD-ROM AV-Mode zulässige Video-Streams
Tabelle 2.4.18: Im BD-ROM AV-Mode zulässige primäre Audio-Streams
Tabelle 2.4.18: Im BD-ROM AV-Mode zulässige primäre Audio-Streams

Bildebenen

Um die unterschiedlichen Präsentationsinhalte wie Videostreams, Bitmapgrafiken und Java- Vektorgrafiken gleichzeitig darstellen zu können, wird für die HDMV- und BD-J-Modi das Wiedergabebild in fünf Ebenen (BD-J Hintergrund-, Primäre Video-, Sekundäre Video-, Präsentationsgrafik-, und Interaktive Grafik-Ebene) unterteilt. Jede Ebene hat Full HD-Auflösung und wird von einem eigenen Stream gespeist.

Abb. 2.4.19: BD-ROM AV Bildebenen
Abb. 2.4.19: BD-ROM AV Bildebenen

Die Hintergrundebene kann Grafiken enthalten. Um diese aber sichtbar werden zu lassen muss aber das Bild der primären Video-Ebene kleiner skaliert werden. Es sind zwei Skalierungsformate zulässig: 50% und 25%.
Zwei Video-Ebenen ermöglichen eine Bild-im-Bild-Wiedergabe, wobei das Video der sekundären Video-Ebene (z.B. bei Kommentaren) meist skaliert und in der Position verschoben dem Hauptvideo in der primären Video-Ebene überlagert wird.
Die Präsentationsgrafik-Ebene erlaubt im BD-J-Modus die Darstellung von Bitmap-Grafiken, die mit Java-Befehlen visuellen Effekten wie Ein- und Ausblenden, Wischen, Scrollen usw. verändert werden können. Im HDMV-Modus können über vektorbasierte Fonts Texte dargestellt werden. Die Textposition, Textfluss und Ausrichtung sind einstellbar. Der Font selber, die Größe, Farbe und Stil sind wählbar.
Die Interaktive Grafik-Ebene hat die gleichen Eigenschafte wie die Präsentationsgrafik-Ebene. Da sie aber die vorderste Ebene ist, ist sie zur Darstellung von Menüs vorbehalten.

2.4.6. Abspielen von CDs und DVDs auf BD-Playern

Die Wellenlänge (405 nm) des Laser in der Abtasteinheit des BD-Players ist auf die mikrostrukturellen und optischen Eigenschaften einer in einem Presswerk hergestellten BD abgestimmt. Die Reflexions- und Fokuseigenschaften von gepressten oder beschreibbaren CDs und DVDs der weichen von diesem Optimum ab. Deshalb sind die Laser-Einheiten moderner BD-Player/Brenner meist mit drei Laser-Dioden unterschiedlicher Wellenlängen (z.B. 405 nm für BD, 660 nm für DVD und 785 nm für CD) ausgestattet.

Abb. 2.4.19: 3-Wellenlängen-Hybrid-Laser Quelle: Sony/Blue-ray Association
Abb. 2.4.19: 3-Wellenlängen-Hybrid-Laser [2]

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Das "Blu-ray Disc"-Logo ist ein geschütztes Warenzeichen der Blu-ray Disc Association, Quelle: http://www.blu-raydisc.info

[2] Fotos "3-Wellenlängen-Hybrid-Laser" Quelle: Sony/Blu-ray Disc Founders, August 2004: White paper Blu-ray Disc Format4. Key Technologies, Seite 8
http://www.blu-raydisc.com/Assets/Downloadablefile/4_keytechnologies-15264.pdf

Weblinks

Die Blu-ray Association stellt auf ihrer Webpage viele detailierte Informationen über das Blu-ray-Format mit seinen Varianten zur Verfügung. Die sog. Whitebooks sind kostenlos downloadbar unter:
http://blu-raydisc.com/en/Technical/TechnicalWhitePapers/General.aspx

http://www.blu-raydisc.com/Assets/Downloadablefile/4_keytechnologies-15264.pdf

BD-J Baseline Application and Logical Model Definition for BD-ROM (March 2005 - PDF)

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