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Digital Versatile Disc (DVD) - Optische Aufzeichnungsverfahren

Inhaltsverzeichnis

2.3. Digital Versatile Disc (DVD)

Anfang der 1990er Jahre war die Technik der optischen Speichersysteme und der Datenkompression soweit entwickelt, dass es möglich wurde, einen kompletten abendfüllenden Film in einer Auflösung von 720x576 Pixel auf einem Medium unterzubringen. Zwei zueinander konkurrierende Systeme wurden entwickelt: die MultiMedia Compact Disc (MMCD) von Sony und Philips und die SuperDensity Disc (SD) von Toshiba, Time Warner, Matsushita, Hitachi, Pioneer, JVC, Thomson u.a.

Um einen Formatkrieg wie bei den Videobandformaten VHS und Betamax in den 1980ern zu vermeiden, erzwang eine Arbeitgruppe (TWG= Technical Working Group), hauptsächlich bestehend aus Vertretern der Filmindustrie und der Computerbranche (Apple, Microsoft, Sun, Dell, IBM u.a.), unter Androhung des Boykotts beider Systeme, dass sich die Kontrahenten auf ein gemeinsames Format einigen. Auf der IFA 1995 verkündeten die beiden Parteien, dass sie in Betracht zögen, einen gemeinsamen Standard diskutieren zu wollen.
Ende 1995 gründete sich daraufhin das von zehn Firmen unterstützte DVD-Consortium (1997 in DVD-Forum umbenannt) um ein gemeinsames Format zu spezifizieren. Da das neue Medium nicht nur digitales Video, sondern auch als Datenträger für Computer gedacht war, wurde es Digital Versatile Disc (= Digital vielseitige Disk) getauft. Nach langen Querelen mit der Filmindustrie um den Kopierschutz (CCS) und den Regionalcode wurde die DVD (Video) 1997 in den USA und 1998 in Europa eingeführt. Bald folgten auch die Audio-DVD und die DVD-RAM.

Abb. 2.3.1: Logos der grundlegenden DVD-Varianten
Abb. 2.3.1: Logos der grundlegenden DVD-Varianten [1]

2.3.1. Physischer Aufbau einer DVD

Der physikalischen Abmessungen einer DVD entsprechen denen der Compact Disc. Der Durchmesser einer Standard-DVD ist 12cm oder 8 cm. Die Dicke ist ebenfalls 1,2 mm. Eine DVD besteht aus zwei Polycarbonat-Substraten von je 0,6 mm Stärke. Auf jedem Substrat können sich eine (SL= Single Layer) oder zwei (DL=  ) Datenschichten (=Layer) befinden. Beide Substrate werden mit einem Spezialkleber zu einer DVD verklebt. Jede Datenschicht besteht aus einer einzigen spiralförmigen Spur (außer DVD-RAM). Je nach Anzahl der Layer pro Substrat kann jede Datenschicht bis zu 4,7GByte (1GByte=1000MByte) bzw. 4,25 GByte an Daten aufnehmen. Dies entspricht etwa der siebenfachen Kapazität einer CD.
Die grundlegenden Varianten der DVD werden durch die grobe Näherung ihrer Speicherkapazität in Gigabyte bezeichnet.

Abb. 2.3.2: Aufbau der DVD-Typen
Abb. 2.3.2: Aufbau der DVD-Typen
Format Kapazität Layer
Vorder-/ Rückseite
Bemerkung
DVD-5 4,7 GB 1/0 Single Sided/Single Layer: Leserichtung von innen nach außen
DVD-9 8,5 GB 2/0 Zwei Datenschichten erfordern das Umfokussieren des Lasers auf die zweite Datenschicht. Bei DVD-Video wird der untere Layer von innen nach außen gelesen, der obere zurück von außen nach innen. Bei Daten-DVDs werden beide Layer von innen nach außen gelesen.
DVD-10 9,4 GB
(2x4,7 GB)
1/1 Wenden der DVD erforderlich.
DVD-14 13,2 GB
(8,5+4,7 GB)
2/1 Eine Seite Dual-Layer und andere Seite Single Layer; selten
DVD-18 17 GB
2x8,5 GB
2/2 Dual-Layer auf beiden Seiten; selten
DVD-plus (DualDisc) 4,7 GB
+ 682 MB
1/1 Hybrid aus einer DVD-5 und einer normalen CD. Der CD-Teil kann auf CD-Playern abgespielt werden.
Abb. 2.3.3: Tabelle der DVD-Typen

Bei der DVD gibt es, wie bei der CD, unterschiedliche Varianten. Die zuerst definierten Formate war die Video-DVD und die Audio-DVD, die als gepresste Medien vertrieben wurden. Neben diesen gepressten DVD-ROMs mit ein oder zwei Layern gibt es eine ganze Reihe von beschreibbaren und wiederbeschreibbaren Varianten. Bei der Einführung der beschreibbaren und wiederbeschreibbaren DVD kam es wieder einmal zu einem Formatkrieg. Einige Hersteller des DVD-Forums waren mit den Lizenzbedingungen und den technischen Spezifikationen der neuen Medien nicht zufrieden und gründeten eine eigene Industrievereinigung, die DVD+RW Alliance. Diese entwickelte eigene Spezifikationen für alternative Produkte.

2.3.1.1. DVD-R, DVD-RW (DVD minus R, DVD minus RW)

Abb. 2.3.4: Logos DVD-R/-RW
Abb. 2.3.4: Logos DVD-R/-RW [1]

Die Spezifikationen für die einmal beschreibbare DVD-R (in der Version 1.0 mit 3,95 GB Kapazität) wurden bereits 1997, also schon kurz nach der Einigung auf den DVD-Standard vom DVD-Forum veröffentlicht. Später folgten die Erweiterungen für die DVD-R mit 4,7GB (1998), eine Aufteilung in ‚General’ und ‚ Authoring’ (Anfang 2000) und die Spezifizierungen für das wiederbeschreibbare Medium DVD-RW (Ende 2000). Die DVD-R/RW sind vom Konzept her kompatibel zur DVD-ROM (der Video-DVD). Abgesehen von der geringeren Reflektivität der DVD-RW, die mit 18-30% der einer Dual-Layer-DVD entspricht, sind die Kenndaten nahezu gleich siehe Tabelle 3.3.6. Der Teufel steckt jedoch im Detail.

Die am schnellsten auszuräumende Frage ist sicherlich die nach der ‚General’- und der ‚Authoring’- Variante: für den heimischen Medienarbeiter kein Problem, es kommt eh nur die ‚General’-Variante in Frage. Die Unterteilung in ‚G’ und ‚A’ wurde auf Druck von Hollywood eingeführt und soll 1:1-Kopien von DVD-ROMs unmöglich machen.
DVD-R(A)-Medien (‚A’ für Authoring) werden mit einer Laser-Wellenlänge von 635nm statt den üblichen 650nm bei den DVD-R(G) (‚G’ für General (Consumer-)) Rohlingen beschrieben. Beide Typen von Rohlingen können nur von dem dazu passenden Typ von Brennern beschrieben werden. Authoring-Brenner können zusätzlich CCS-verschlüsselte Dateien (aber nicht den Schlüssel (Titel Key) selber) und das für Presswerke benötigte DDP (Disk Description Protocol) im Lead In-Sektor des Rohlings schreiben. Ein Feature, das in der Heimelektronik sicherlich nicht benötigt wird. Mehr zum Thema CCS im Kapitel "Kopierschutz und Regional-Codes".

Die DVD-R/RW(G) ist hervorragend geeignet selbst erstellte digitale Filme in DVD-Qualität zu speichern und auf moderneren DVD-Playern abzuspielen (DVD-RWs können ältere Player durch die geringere Reflektivität verwirren, so dass diese immer wieder versuchen auf den inneren Layer, der ja nicht vorhanden ist, zu fokussieren). Nachteilig bei DVD-R/RW ist, dass man sich beim Beschreiben der DVD-R/RW auf einen von zwei Betriebsarten entscheiden muss. Im Video-Modus (VM) erstellte DVDs können nachträglich bearbeitet werden, laufen aber auf den meisten DVD-Playern nicht. DVDs im Video Recording Format (VRF) sind zwar zu fast allen DVD-Playern kompatibel, lassen aber nachträglich keine Bearbeitung mehr zu und es ist nicht ohne weiteres möglich interaktive Menü-Strukturen zu erstellen.

2.3.1.2. DVD+R, DVD+RW (DVD plus R, DVD plus RW)

Abb.2.3.5: Logos DVD+R/+RW
Abb.2.3.5: Logos DVD+R/+RW [2]

In Konkurrenz zur DVD-R/RW steht die DVD+R/RW. Physikalisch unterscheiden sich beide Standards nur sehr gering voneinander. Die DVD+R/RW wurde von vornherein auf eine maximale Kompatibilität zu DVD-Playern und explizit für den Consumer-Markt ausgelegt. Da sie technologisch jünger ist, sind natürlich auch Techniken mit in den Standard eingeflossen, die bei der Spezifizierung der DVD-R/RW noch nicht zu Verfügung standen. Hierzu gehört zum Beispiel das sog. ‚ Lossless Linking’, ein Verfahren, dass einen akkuraten, verlustfreien Ansatz einer Aufnahme an eine bereits bestehende ermöglicht.

Ein präzises Adressierungsverfahren (ADIP = Address In Pregoove) erlaubt eine exakte Positionierung und Steuerung des Lasers und somit das Überschreiben bzw. Austauschen von einzelnen Sektoren auf dem Medium bei Erhaltung der vollen Lesbarkeit auf normalen DVD-Playern. Die ist eine der wichtigsten Voraussetzung für die ‚ Drag and Drop’ Funktionen zur Unterstützung des Mount Rainier Standards. Weitere Features, die DVD+R/RW auszeichnen, sind ein Defekt-Management, das ähnlich wie bei Festplatten Defektstellen in der Aufnahmeschicht erkennt, markiert und umgeht.
Für reine Datenanwendungen (gegenüber den Videoanwendungen) besteht auch die Möglichkeit DVD+RW im CAV-Modus zu schreiben. Für die Video-DVD und die Audio-CD wird normalerweise der CLV- (Constant Linear Velocity) Mode eingesetzt. Hierbei wird die Umdrehungsgeschwindigkeit der DVD, ausgehend von der Mitte nach außen hin, immer mehr reduziert. Dieser hat den Vorteil, dass die Pits überall auf der DVD gleiche Abmessungen haben. Für das sequentielle Lesen der Spur bei Video ist dies natürlich vorteilhaft. Will man aber bei Datenapplikationen auf Informationen zugreifen, die sich irgendwo auf der DVD befinden, fällt die Synchronisation/ Stabilisierung zwischen Umdrehungsgeschwindigkeit und Datenübertragungsrate sehr schwer. Bei CAV (Constant Angular Velocity) ist die Umdrehungsgeschwindigkeit, wie bei einer Festplatte, immer konstant. Beim Schreiben von Daten auf das Medium wird die Leistung und die Brenndauer des Lasers nach außen hin immer mehr verringert. Die Pits erscheinen somit beim Lesen überall auf der DVD als gleichlang.
Das präzise Adressierungsverfahren erlaubt ein Formatieren des Mediums während der Aufnahme und eine Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit um (z.Zt.) den Faktor 25 bei allen (geeigneten) Medien.
DVD+R/RW ist zwar kein vom DVD-Forum anerkannter Standard, wird aber von den meisten der wichtigen UE- und Computerhersteller (einige sind Gründungsmitglieder des DVD-Forums) getragen.

Abb.2.3.6: Die wichtigsten DVD-Formate im Vergleich
Abb.2.3.6: Die wichtigsten DVD-Formate im Vergleich

2.3.2. Logischer Aufbau der DVD

In der Tabelle Abb. 2.3.6 sind die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der DVD-Familie aufgeführt. Diese gelten für 12 cm- und 8 cm-Medien. Die logischen Strukturen der verschiedenen Varianten sind hingegen recht unterschiedlich. Es lassen sich zwei Gruppen unterscheiden. Bei der DVD-ROM, DVD±R und der DVD±RW sind die Daten in nur einer spiralförmigen Spur sequentiell sektorweise angereiht, während bei der DVD-RAM die Spuren konzentrisch in 24 Zonen angeordnet sind. Die erstere Gruppe lässt sich wiederum in zwei Gruppen aufteilen: die gepressten Medien DVD-ROM SL und DL und die (wieder-)beschreibbaren Medien DVD±R und DVD±RW.

DVD-ROM

Der wichtigste Verwendungszweck der DVD-ROM ist die  kommerzielle Verteilung von Inhalten wie Videos, Software oder Spielen. Solche Inhalte müssen vor Missbrauch geschützt (Copyright, Urheberrechte) werden. Daher sind im physischen und logischen Aufbau der DVD-ROM Strukturen und Maßnahmen vorgesehen, die helfen sollen, eine unberechtigte Nutzung zu erschweren bzw. möglichst ganz auszuschließen.  Die Daten auf den meisten gepressten DVDs sind daher verschlüsselt. Zudem befinden sich auf einer gepressten DVD zusätzliche Erkennungsmerkmale anhand dessen gepresste von gebrannten DVDs unterschieden werden können.
Die logische Struktur einer DVD entspricht im Informationsbereich der Struktur einer CD-ROM. Der Lead-In-Bereich enthält Informationen über die Disk (Disc Type, Durchmesser, Anzahl Layer⇒OTP/PTP, max. Datenrate)  Kopierschutzinformationen und auch Schlüssel (alle 408 Disc Keys) zum Descrambeln der Daten. Diese Daten befinden sich in der Control Data Zone des Lead-In-Bereiches (siehe Tabelle Abb. 2.3.9). Ein möglicher Middle-Bereich (siehe Abb. 2.3.10) enthält, wie das Lead-Out, keine Nutzdaten und ist nur mit Nullen gefüllt.

Abb. 2.3.7: Logische Struktur einer DVD-ROM (SL)
Abb. 2.3.7: Logische Struktur einer DVD-ROM (SL)

Unmittelbar an die mechanische Aufnahmefläche ("Klemmzone") der DVD angrenzend, noch vor dem Lead-In, befindet sich ein Bereich, der für eine Individualisierung bei der Vervielfältigung von DVD-ROMs verwendet werden kann. Mittels eines starken Lasers kann in dieser Zone, der BurstCutArea (BCA), ein bis zu 188 Byte langer Strichcode eingebrannt werden. Die BCA kann vom gleichen Laser-Pickup  wie die Disk ausgelesen werden. Die Information aus der BCA können für verschiedene Zwecke verwendet werden. Neben einer automatischen Erkennung erlauben die Informationen auch eine Verwendung als Teil eines Kopierschutzes indem sie als eindeutige Seriennummer o.ä. definiert werden.
Im Bereich der mechanischen Aufnahmefläche 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 DVD identifizieren. Der Mould-Code wird in jedem Metallstempel, der vom Glassmaster abgeleitet wird, eingeprägt. So lassen sich Produktionsstätten oder Produktionszeiträume identifizieren. Beide Codes beginnen mit den Buchstaben " IFPI" (International Federation of the Phonographic Industry), gefolgt von einer vier- oder fünfstelligen Zahlen-/Buchstabenkombination (Beispiel: IFPI LAB12 und IFPI 4711).

DVD±R/±RW

Wie bei den (wieder-)beschreibbaren CD-Medien werden vor dem  Brennen der Daten die Brenneigenschaften des Medium überprüft. Die Power Calibration Area (PCA) dient als Testbereich für den Schreiblaser des DVD-Brenners. Jedesmal wenn eine Disk beschrieben werden soll, wird in diesem Bereich ein Schreibtest (Optimum Power Calibration = OPC) vollzogen, um die optimale Laser-Leistung zum Beschreiben der DVD herauszufinden. Die benötigte Laser-Leistung liegt bei 6-12 mW bei 1-fach DVD-R und bis zu 200 mW bei 16-facher Brenngeschwindigkeit. Die PCA erstreckt sich vom logischen Sektor 20800h bis 223AFh (Vers. 1) bzw. 1E800h bis 203AF (Vers. 2). Auf jeder DVD-R(W) können bis zu 7088 Laser-Kalibrierungen vorgenommen werden, bei einer DVD+R(W) bis zu 32768.
An die PCA schließt sich die Recording Management Area (RMA) an, wo der Recorder die Ergebnisse seiner Schreibtests ablegt und wo beim Brennen die Recorder-ID (eindeutige Seriennummer des DVD-Brenners) eingetragen wird.
Bei der DVD+R(W) wird bei der Herstellung das Lead-In komplett durch Prägung vorgegeben, bei der DVD-RW ist der Control Data-Bereich geprägt.

Abb2.3.8: Logische Struktur einer DVD±R/±RW
Abb2.3.8: Logische Struktur einer DVD±R/±RW
Abb. 2.3.9: Logische Bereiche auf einer 12 cm DVD+RW (nach ECMA-337)
Abb. 2.3.9: Logische Bereiche auf einer 12 cm DVD+RW (nach ECMA-337)


Auslesen der Datenschichten

Abb. 2.3.10: Auslesen von Dual Layer-DVDs
Abb. 2.3.10: Auslesen von Dual Layer-DVDs

Die Daten einer DVD befinden sich in einer einzigen Spur. Die Spur von Layer 0 beginnt innen und wandert weiter nach außen. Gibt es noch eine zweite Datenschicht, kann diese eine Fortsetzung der unteren Spur (Layer 0) sein oder eine eigenständige Spur ohne direkten Bezug zur unten Spur sein.
Ist die obere Spur eine Fortsetzung der unteren Spur (OTP = Opposite Track Path), haben beide Spuren ein gemeinsames Lead-In und ein gemeinsames Lead-Out. Der Übergang von Layer 0 auf Layer 1 erfolgt in einem als " Middle" gekennzeichneten Bereich. Der Übergang erfolgt so schnell, dass er normalerweise, z.B. in einem Film, nicht bemerkbar ist. Das Aussetzen des Datenstromes während der Neufokussierung des Laser-Pickups, wird durch einen digitalen Pufferspeicher ausgeglichen. Der weitere Lesevorgang der DVD erfolgt nun von außen nach innen, bis das Lead-Out erreicht wird.
Parallel Track Path (= PTP) wird dann verwendet, wenn es sinnvoll ist, schnell zwischen den Spuren hin- und herspringen zu können. Dies kann beispielsweise bei interaktiven Applikationen wie Spielen vorkommen. Bei PTP hat jede Spur ihr eigenes Lead-In und Lead-Out.

2.3.3. Datenstruktur und Fehlerkorrektur

Die auf sich auf einer DVD befindlichen Daten sind in mehreren Stufen formatiert und ineinander verschachtelt. Die Rohdaten werden nacheinander in

  • Data Sector/ Frames)
  • Scrambled (Verwürfelte) Data Frames
  • ECC-Block
  • Recording Sector/Frames
  • Physical Sector/Frames
  • Recording Unit

umformatiert, um dann auf den Glassmaster bzw. DVD-Rohling gebrannt zu werden.

Data Frames

Die kleinste Dateneinheit einer DVD ist ein Data Sector (oder Data Frame). Jeder Data Sector besteht aus 2048 Bytes Nutzdaten (= exakt ein MPEG-2 Paket), denen ein 12-Byte Header vorangestellt ist und eine 4-Byte Prüfsumme (EDC = Error Detection Code) über die 2060 vorangehenden Bytes folgt.
Ein Data Sector ist in 12 Reihen mit je 172 Bytes gegliedert. Die 2048 Bytes Nutzdaten werden über eine Bit-Shift-Funktion in einem Schieberegister nach vorgegebenen Mustern zu den sog. Scrambled Frames verwürfelt. Durch die Verteilung der Daten kann die Fehlerkorrektur burstförmige Störungen besser erkennen und korrigieren.

Abb. 2.3.11: Aufbau einer Data Sectors
Abb. 2.3.11: Aufbau eines Data Sectors

Der 12 Byte lange Header ist in drei Bereiche unterteilt. Die ersten vier Byte sind die Identification Data ID. Diese beschreiben wie die Disk formatiert ist und wo sich der Frame auf der DVD befindet. Die folgenden zwei Bytes IED (ID Error Code) sind eine Prüfsumme für die ersten 4 Byte des Headers.

Die letzten sechs Byte des Headers bilden das Copyright Management Information-(CPR_MAI) Feld. Hier sind die Informationen über den Kopierschutz und der 40-Bit-Titel Key für das CSS (Content Scrambling System) untergebracht.

Abb. 2.3.12: Aufbau des Headers
Abb. 2.3.12: Aufbau des Headers

Jeweils 16 Scrambled Frames werden zu einem ECC- (Error Correction-) Block zusammengefasst. Dieser besteht somit aus 192 Reihen und 172 byteweiten Spalten.
Aus allen 192 Bytes in einer Spalte werden 16-Bytes Outer Parity Reed-Solomon Code errechnet, die als 16 zusätzliche Zeilen an das untere Ende des ECC-Blocks angefügt werden. Der ECC-Block wir so 208 Zeilen lang.
Danach wird das gleiche Verfahren auf jede der 208 Zeilen angewandt. Aus allen 172 Bytes in einer Zeile wird ein 10 Byte langer Reed-Solomon-Codes errechnet und als Inner Parity an die Zeile angefügt. Eine Zeile besteht dann somit aus 182 Bytes.

Der ECC-Block wird anschließend in 16 Recording Sectors, bestehend aus 13 Reihen á 182 Byte, aufgeteilt. Dabei werden alle Reihen wiederum nach einem vorgegebenen Muster untereinander verwürfelt. Nach dem Einfügen je eines Sync-Bytes am Anfang und in der Mitte jeder Reihe ist die Blockgröße auf 2418 Byte angewachsen. Die folgende EFMPlus-Modulation ersetzt 8-Bit-Worte durch 16-Bit Codes aus einer vorgegebenen Tabelle. Durch das Umcodieren der Symbole wird zwar jedes 8-Bit-Wort auf 16 Bit vergrößert, es wird aber dadurch ein optimierter Leitungscode erzeugt, der es erlaubt, die Markierungen auf dem Medium sicherer zu gestalten. Dieser Physical Sector ist 4836 Bytes groß.

Abb. 2.3.13: Umformatierung der Rohdaten zu Recording Sectors
Abb. 2.3.13: Umformatierung der Rohdaten zu Recording Sectors

2.3.4. Kopierschutz und Regional-Codes

Kopierschutz CSS

Die meisten kommerziell vertriebenen Video-DVDs sind mit einem Digitalen Rechte Management System (DRM) ausgestattet, mit dem die Herausgeber ihre Inhalte aus Angst vor unberechtigter Nutzung und Kopien auf hohem Qualitätsniveau schützen möchten. Das sogenannte CSS (Content Scrambling System) verschlüsselt die Nutzdaten mit Hilfe mehrerer versteckter Schlüssel auf der DVD und im DVD-Player. Die CSS-Verschlüsselung bewirkt, dass eine DVD nur auf einem autorisierten Abspielgerät wiedergegeben werden kann. Diese erlauben durch konstruktive Maßnahmen (z.B. Firmware in einem ROM) keinen direkten Zugriff auf die (verschlüsselten) Schlüssel. Dies bedeutet, dass die DVD zwar auf eine beschreibbare DVD oder eine Festplatte kopiert werden kann, aber, weil ein Teil der Schlüssel dann nicht vorhanden ist, nicht wiedergegeben werden kann.
Die Schlüssel werden von einer extra gegründeten Verwaltungsorganisation, der DVD CCA (DVD Copy Control Association) kontrolliert und verteilt. Alle Hersteller von DVDs oder DVD-Player haben die Schlüssel von der DVD CCA zu erwerben. Es werden drei Schlüssel unterschieden:

  • Player Key
    Jeder DVD-Player (egal ob in Hardware oder als Software) bekommt einen eindeutigen und geheimen Schlüssel aus einem Gesamtsatz von 409 Schlüsseln zugewiesen.
  • Disk Key
    Jede Disk hat im Control Data-Bereich (der Teil des Lead-In ist) einen 2048 Byte großen Key-Block, in dem alle 409 Player-Keys verschlüsselt eingetragen sind. Der Sinn dieser Maßnahme ist, dass, wenn ein Player-Schlüssel kompromittiert ist, dieser in zukünftigen Disks nicht mehr eingetragen wird. Dadurch können diese neuen Disks von Playern mit dem kompromittierten Player-Key nicht wiedergegeben werden.
  • Titel Key
    In jedem Sektor des Data-Bereich ist im Header Platz für einen 40-Bit Titel-Key reserviert. Der Titel-Key dient zum Entschlüsseln der Nutzdaten (= ein MPEG-Paket) desselben Sektors. Allerdings ist der Titel-Key mit dem Disk-Key verschlüsselt auf der DVD gespeichert. Nicht alle Sektoren einer DVD sind verschlüsselt. Welche Sektoren verschlüsselt sind, ist im Header anhand des Flags "CP_SEC" zu erkennen.
    Auf einer DVD kommen meist mehrere Titel Keys zum Einsatz. Ein Titel Key dient meist zur Verschlüsselung von einem Video Titel Set (VTS). Ein VTS entspricht meist einer VOB-Datei auf einer DVD.
Abb. 2.3.14: Prinzip der Entschlüsselung von DVD-Video
Abb. 2.3.14: Prinzip der Entschlüsselung von DVD-Video

Die Verschlüsselung der Videodaten erfolgt sektorweise. Zur Entschlüsselung werden alle drei Keys benötigt. Wird eine DVD in einen DVD-Player eingeschoben, beginnt eine mehrstufige Authentifizierungsprozedur. Besonders bei Softwareplayern in PCs dient dies dazu um eine "vertrauenswürdige" Plattform zwischen Computer (Decoder und Grafikkarte), DVD-Laufwerk und DVD zu schaffen. Alle Komponenten im System müssen für CSS lizensiert werden.
In einem PC-basiertem DVD-System wird zunächst ein Handshaking-Protokoll ausgeführt, in dem jegliche Kommunikation zwischen den Komponenten verschlüsselt ist und ein "Mithören" anderer Anwendungen ausschließt. Die Authentifizierung erfolgt durch den Austausch von Hash-Werten speziell generierter Zufallszahlen. Der Player und das Laufwerk errechnen aus den Hash-Werten die Zufallszahlen zurück und senden das Ergebnis (sog. Challenge Key) zurück. Stimmt die selbst generierte Zufallszahl und das von der anderen Komponente zurückgesendete Ergebnis überein, überträgt das Laufwerk den Disk-Key, mit dem der Decoder die Titel-Keys entschlüsseln kann. Mit dem entschlüsselten Titel-Key kann der verschlüsselte Video-Stream von der DVD dann entschlüsselt werden. Der MPEG-Decoder dekomprimiert den entschlüsselten Video-Stream in ein digitales RGB- oder YUV-Signal und ein analoges FBAS-Signal.

Nur entschlüsselte Videodaten werden zum digitalen Videoausgang weitergeleitet. Dort werden sie erneut mit HDCP verschlüsselt per HDMI oder DVI bereitgestellt. Das qualitativ schlechtere analoge Videoausgangssignal kann über ein analoges Kopierschutzverfahren, z.B. Makrovision, geschützt werden. Das Nachfolgeformat des CSS ist das CPPM (Content Protection for Prerecorded Media). CPPM verfügt über etliche Verbesserungen gegenüber CSS. So verwendet CPPM nicht mehr die Title- und Disk-Keys. Statt dessen werden besondere Markierungen im Lead-In-Bereich ausgelesen. Dieser Bereich ist auf beschreibbaren Medien nicht vorhanden, somit kann eine geschützte Disk nie 1:1 kopiert werden. CPPM wurde zuerst auf DVD Audio eingesetzt.

Kopierschutz Macrovision

Um die Herstellung von brauchbaren Kopien von (Kauf-)Videokassetten auf Videobänder über den analogen Videoausgangs zu verhindern wurden bereits 1985 Macrovision-Schaltkreise in Videorecordern zur Pflicht. Der Macrovision-Kopierschutz funktioniert rein analog. Der Schutz beruht darauf, dass Fernsehgeräte und Consumer-VCR ein unterschiedliches Regelverhalten in der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) im Videosignalweg haben. Bei mit Macrovision geschützten Kassetten werden in die Vertikalaustastlücke nach dem Vertikal-Synchronsignal zusätzliche Impulse mit hohem Pegel eingefügt. Die langsame AGC eines Fernsehgerätes ist zu träge um die Impulse auswerten zu können. Die schnelle AGC eines Videorecorders mit Macrovision-Schaltung deutet hingegen die hohen Impulse aber als ein zu helles Bild und reduziert die Helligkeit. Da die Macrovision-Impulse aber immer nur für eine kurze Zeit eingefügt werden, treten im aufgezeichneten Videosignal starke, sehr störende, Helligkeitsschwankungen auf.

Abb. 2.3.15: Videosignal im V-Austastbereich: ohne Macrovision (oben), mit Macrovision (unten)
Abb. 2.3.15: Videosignal im V-Austastbereich: ohne Macrovision (oben), mit Macrovision (unten)

Da bei einer DVD das Videosignal digital und ohne Synchronimpulse gespeichert ist, kann Macrovision nicht direkt implementiert werden. Daher wird im Header eines jeden Sektors ein Flag für Macrovision reserviert. Ist das Flag gesetzt, werden die Macrovision-Impulse von einem separaten Schaltkreis in der analogen Videoausgangsstufe in das Videoausgangssignal eingefügt.

Regionalcode

Der Regionalcode (RPC = Regional Playback Code) ist ein Verbreitungsschutz der DVD/BR. Der RPC soll eine unkontrollierte Verbreitung von DVDs verhindern. Die Welt ist hierzu in sechs Regionen aufgeteilt. Den in diesen Regionen vertriebenen DVD-Abspielgeräten ist fest der jeweilige Regionscode (1-6) implementiert. Der Regionscode der DVD ist in den Steuerdateien (IFO-Dateien) auf der DVD festgelegt. Die DVD-Abspielgeräte können nur DVDs, die mit dem gleichen Regionscode oder dem Regionscode 0 (= alle Regionen) gekennzeichnet sind, abspielen.

Abb. 2.3.16: Regionalcodes der DVD
Abb. 2.3.16: Regionalcodes der DVD
Code Region
0 Alle Regionen
1 USA, Kanada, US-Außenterritorien
2 Europa, Grönland, Südafrika, Ägypten, Naher Osten, Japan
3 Südost-Asien, Südkorea, Hongkong, Indonesien, Philippinen, Taiwan
4 Australien, Neuseeland, Mexiko, Zentralamerika, Südamerika
5 Osteuropa und andere Länder der ehemaligen UdSSR, Indien, Afrika
6 Volksrepublik China

2.3.5. Das Containerformat der Video-DVD (VOB mit IFO)

Die Verzeichnisstruktur von Video-DVDs

Das auf der DVD verwendete UDF-Bridge Format erlaubt es, auf die auf der DVD befindlichen Dateien sowohl unter UDF als auch unter ISO9660 zuzugreifen. Die Verzeichnisstruktur einer DVD zeigt im Root-Verzeichnis zwei Unterverzeichnisse: AUDIO_TS und VIDEO_TS (Abb. 2.3.17).
Das AUDIO_TS-Verzeichnis ist bei Video-DVDs immer leer, es wird ausschließlich für Audio DVD benutzt. Alle Daten des Filmes befinden sich folglich im Verzeichnis VIDEO_TS.

Dateitypen

Im VIDEO_TS-Verzeichnis befindlichen sich immer drei Dateitypen:

Abb. 2.3.17: Verzeichnisstruktur Video-DVD
Abb. 2.3.17: Verzeichnisstruktur Video-DVD

VOB-Dateien enthalten die eigentlichen Präsentationsdaten
IFO-Dateien sind die dazu gehörigen Steuerdateien
BUP-Dateien sind Duplikate (BackUPs) der IFO-Dateien.

Hierbei werden wiederum zwei Typen von VOBs unterschieden:

VIDEO_TS.VOB ist relativ klein, meist nur einige MByte groß
VTS_xx_x.VOB ( xx und x sind meist fortlaufende Zahlen) können bis maximal 1 GB groß werden. Diese Größenbeschränkung ist durch das UDF-Bridge Format vorgegeben.
Zu jeder VTS_xx_0.VOB gibt es eine VTS_xx_0.IFO.

VOB-Dateien

VOB steht für Video OBject. Die so benannten Dateien enthalten die gemultiplexten Datenströme für Video, Audio und Subpictures (Untertitel). Der Videostrom ist immer im MPEG-2 Verfahren komprimiert, während der oder die Ströme für Audio AC-3, PCM, MPEG-2 Multichannel, MPEG-1 Layer 2 oder DTS sein können.

Abb. 2.3.17: Auszug aus einer VTS_xx_x.VOB (VOBU)
Abb. 2.3.17: Auszug aus einer VTS_xx_x.VOB (VOBU)

Die Audioströme der meisten DVDs sind heute AC-3, DTS oder MPG-1 L2. PCM ist unkomprimiertes digitales Audio und wird meist von Consumerlevel DVD-Authoringprogrammen und, bei gepressten DVDs, oft auf Musik DVDs eingesetzt, da es keine Qualitätsverluste durch die Artefakte einer eventuellen Kompression aufweist. Die hohen Datenmengen des unkomprimierten Audiosignales lassen natürlich PCM bei langen Filmen oder bei Filmen mit vielen Extras kaum zu.
Die Datenrate des Audiostromes ist abhängig vom eingesetzten Tonverfahren. AC-3 Ströme können zwischen 192kBit/s (2-Kanal Ton) und 448kBit/s (Dolby 5.1) haben. Ist eine DVD mehrsprachig, addieren sich natürlich die Datenraten des Datenstroms jeder Sprache zueinander. Es können sich bis zu 8 verschiedene Audiostreams auf einer DVD befinden. VOBs enthalten meist einen Hauptvideostrom und oftmals mehrere Multiangle (Kamerawinkel-) Nebenvideoströme. Zwischen den Nebenströmen kann man, wenn vorhanden, hin- und herschalten um z.B. den Blickwinkel auf eine Szene zu verändern. Die Datenströme vom Hauptstrom und Nebenströme sind ineinander verschachtelt und werden wie ein einzelner Datenstrom behandelt. Die maximale Datenrate für den Videostream ist 9,8MBit/s.
Subpictures sind vierfarbige Bitmaps, die in den Videostrom eingeblendet werden. Sie sind meistens als eigener Strom codiert. Bis zu 32 Einzelströme sind zulässig.
Die Gesamtdatenrate aus allen Teilströmen (Video, Audio und Subpictures) muss zu jedem Zeitpunkt unter 10,08 MBit/s bleiben.

IFO-Dateien

Die IFO-Dateien enthalten NavigationsInFOrmationen. Der Inhalt einer DVD ist in Titel gegliedert. Jeder Titel besteht wiederum aus mehrere Zellen ( Cells). Diese Zellen sind über eine oder mehrere Programmketten ( PGC = Program Group Chains) miteinander verknüpft. Um ein flüssiges Abspielen der Filmdateien zu gewährleisten, sind Navigationsinformationen in Form von Tabellen oder Listen notwendig. Zu jeder VOB_xx_0-Datei gibt es auf der DVD eine gleichnamige IFO-Datei. In der jeweiligen IFO-Datei sind die exakten Adressen angegeben, wo auf der DVD ein bestimmter Stream (Video, Audio, Untertitel) anfängt, welche Zellen in welcher Reihenfolge zu einer Programmkette gehören und wo z.B. die Einsprungstellen für die Skip-Funktion und den schnellen Suchlauf sind. Ferner sind Informationen zu Steuerfunktionen wie Regionsschutz Altersfreigabe, Bildformat, Bildauflösung, Kamera/Film-Mode usw. abgespeichert.

Abb. 3.3.19: Auszug aus einer VIDEO_TS.IFO (VMG Information Management Table und Cell Addres(VMG Information Management Table und Cell Address Table)
Abb. 3.3.19: Auszug aus einer VIDEO_TS.IFO (VMG Information Management Table und Cell Addres(VMG Information Management Table und Cell Address Table)


Videomanager VMG

VIDEO_TS.VOB bildet zusammen mit ihrer Steuerdatei VIDEO_TS.IFO den Videomanager (VMG) und ist die erste Datei, die abgespielt wird. Sie enthält meist den Copyright-Hinweis (der oft nicht übersprungen werden kann) und das (erste) Auswahlmenü (Sprachauswahl, Bildformatwahl …). VIDEO_TS.VOB enthält die eigentlichen Videoobjekte wie die Standbilder der Menüs, Buttons usw. und wird als VMGM_VOBS (Video Objects for VMG Menu) bezeichnet. Die entsprechende Steuerdatei VIDEO_TS.IFO ist die Video Manager Information (VMGI)
Prinzipiell befindet sich im VMG die Kontrollstruktur für die komplette DVD. Weitere Auswahlmenüs können sich jedoch auch in den VTS_xx_0.VOB der Video Titel Sets
(VTS) befinden.

Abb. 2.3.20: Dateitypen auf einer Video-DVD
Abb. 2.3.20: Dateitypen auf einer Video-DVD


Video Titel Set VTS

Video Titel Sets (VTS) bestehen aus einer oder mehreren VOB- und einer IFO-Dateien. Auf einer DVD befinden sich, abhängig vom Umfang des Filmes, mehrere VTS. Die Dateinamen der einzelnen VTS sind nach dem Schema VTS_xx_x.VOB und VTS_xx_0.IFO durchnummeriert. ’xx’ kann 01 bis 99 annehmen und ’x’ von 0 bis 9. Es können sich auf einer DVD also maximal 99 Video Titel Sets mit jeweils 10 Unterdateien befinden.
Die VTS_xx_0.VOB-Dateien (VTSM_VOBS) enthalten eventuell weitere Menüs (oft animiert und mit Musik hinterlegt), Trailer o.ä.. Über VTS_xx_0.IFO wird das komplette VTS verwaltet.
VTS_xx_1.VOB, VTS_xx_2.VOB, usw. enthalten den Hauptfilm und das Bonusmaterial. Verschiedene Varianten des Hauptfilms (z.B. Multiangle, Altersfreigabe, ..) sind in einer VOB gespeichert. Über Programmketten (Program Chains = PGC) gesteuert wird aus mehreren einzelnen, unterschiedlichen Filmteilen nacheinander die gewünschte Variante unterbrechungsfrei abgespielt (Seamless Branching).

Zellen und Programmketten

Die kleinste Einheit, bestehend aus Video- ,Audio-, Untertitel- und Navigationsinformation, ist eine VOBU (Video Object Unit). Jede VOBU enthält Daten (Video Object Unit) für ca. 0,4 bis 1 Sekunde Wiedergabezeit. Eine einzelne (Standbild) oder viele (Film) VOBUs bilden eine Zelle. Jede Zelle hat eine eigene Kennziffer (ID). Wie bereits oben beschrieben, sind bei Filmen mit Multiangle-Features oder Altersbegrenzungen verschiedene Varianten des gleichen Filmes in einem Datenstrom (Realtime Data) verschachtelt untergebracht. Welche Variante wiedergegeben werden soll, kann über ein Menü gewählt werden oder ist durch die Konfiguration des Abspielgerätes vorgegeben. Die möglichen Varianten sind in den IFO-Dateien in einer Tabelle als eine entsprechende Programmkette (PGC = Program Chain) gespeichert.
Die PGC bestimmt über die Reihenfolge der wiederzugebenden Zellen. Über die Tabelle der jeweiligen PGC gesteuert, werden aus dem Datenstrom nur die Daten derjenigen Zellen ausgewertet, die auch zur PGC gehören. So genannte Precommands und Postcommands ermöglichen das Ausführen von Steuerbefehlen vor, bzw. nach dem Abspielen der Zellen. So kann eine Programmkette in mehrere weitere verzweigen oder mehrere PGCs in einer einzigen münden. Durch die Verschachtelung der Zellen der verschiedenen Varianten erreicht man nahtlose, unsichtbare Übergänge ( Seamless Branching ), da die Lasereinheit nicht neu positioniert werden muss.

Abb. 2.3.21: Struktur des DVD-Datenstromes
Abb. 2.3.21: Struktur des DVD-Datenstromes


Navigation

Die Navigation auf der DVD wird auf mehreren Datenebenen durchgeführt. Abhängig vom Inhalt und Aufbau der DVD muss schon beim Authoring der DVD festgelegt werden, welche Inhalte wie wiedergegeben werden. In Tabellen werden die Einsprung und Endadressen von Kapiteln, Zellen und VOBUs festgelegt. Manche Kapitel unterliegen Einschränkungen in der Navigation, wie z.B. der Vorspann mit dem Copyright. Um die Navigation für den Benutzer so einfach und übersichtlich wie möglich zu machen, können Zellen gruppenweise zusammengefasst werden. Für eine DVD mit z.B. Musik-Clips lassen sich eine oder mehrere Zellen zu Programmen ( PG = Program) definieren. Programme lassen sich per Zufallsfolge (Random) oder Auswahl (Shuffle) nacheinander abspielen. Sequenzen aus einem oder mehreren Programmen lassen sich zu Kapiteln ( PTT = ParT of Titel) zusammenfassen, die über ein Menü oder Tastendruck (meist über die ’Skip’-Taste) angesprungen werden können.
Für eine Navigation innerhalb einer Zelle dienen die im Datenstrom der VOBUs enthaltenen Navigation Packs (NV_PCK). Jeder Pack besteht aus zwei Päckchen (Packets): der Presentation Control Information (PCI) und der Data Search Information (DSI). Diese Information helfen zu einem nahezu verzögerungsfreien Navigieren, z.B. beim Suchlauf. Durch den großen Pufferspeicher zwischen dem Pickup und dem Decoder gibt es eine starke zeitliche Verzögerung zwischen dem gerade gelesenen und dem angezeigten Signal. In der PCI und DSI sind Echtzeitinformationen enthalten, die der Controller im DVD-Player vor und nach dem Durchlaufen der Zelle durch den Puffer auswertet.

Abb. 2.3.22: Program Chains (PGS) bei Multiangle und Seamless Branching
Abb. 2.3.22: Program Chains (PGS) bei Multiangle und Seamless Branching

2.3.6. Die DVD-RAM

Die DVD-RAM ist das älteste der drei beschreibbaren DVD-Formate. Es wurde bereits 1996 vom DVD-Forum (der "Gründerinstitution" der DVD) standardisiert. Das Format sollte die potentiell hohe Speicherkapazität der DVD für den Computerbereich erschließen. Deshalb sind viele Parameter des Standards auf eine Anwendung im Computerbereich optimiert.

Struktur

Die Struktur der DVD-RAM ist mit der konzentrischen Anordnung in 24 Zonen und deren Aufteilung in Sektoren und Blöcke der einer Festplatte sehr ähnlich.

Abb. 2.3.23: Sichtbare Struktur einer DVD-RAM
Abb. 2.3.23: Sichtbare Struktur einer DVD-RAM

Schon mit bloßem Auge lassen sich DVD-RAMS an ihren Sektormarken von anderen DVDs unterscheiden (Abb. 2.3.23). Bei einer zonenabhängigen konstanten Rotationsgeschwindigkeit (ZCLV, Zoned Constant Linear Velocity, Abb. 2.3.24) beträgt die maximale Datenübertragungsrate 11,08 bzw. 22,16 MBit/s.
Das Medium bietet 2,6 GB (Version 1.0) bzw. 4,7GB (Version 2.0) pro Seite an Speicherkapazität.

Abb. 2.3.24: Logische Struktur einer DVD-RAM
Abb. 2.3.24: Logische Struktur einer DVD-RAM

 

Datensicherheit

DVD-RAM gelten als sehr sicherer Speicher. Dieser Ruf gründet hauptsächlich auf dem Defektmanagement und dem Herstellungsprozess.

Die DVD-RAM verwendet das gleiche Prinzip des Defektmanagements wie Festplatten. Wird beim Formatieren der DVD-Ram ein Sektor als nicht beschreibbar erkannt, wird dieser als defekt gekennzeichnet und die Daten werden an einer anderen Stelle gespeichert. Während des Speichervorgangs werden nach dem Brennen eines Sektors sofort die geschriebenen Daten verifiziert. Sind die geschriebenen Daten fehlerhaft wird der fehlerhafte Block gelöscht und nochmals neu beschrieben. Diese automatische Fehlererkennung und -korrektur verlängert zwar die Brennzeit einer DVD-RAM, man erzielt aber etwa die gleichen Werte wenn man zum Vergleich das Brennen einer DVD+-RW mit anschließender Verifikation heranzieht.

DVD-RAM ist für den CE-Bereich weniger geeignet. Das Medium befindet sich u.U. in einem Caddie und passt schon von der Mechanik nicht in normale DVD-Player. Auch die Reflektionseigenschaften der Speicherschicht weicht so stark von der normalen DVD-ROM ab, dass handelsübliche DVD-Laufwerke eine DVD-RAM nicht oft lesen können. Die DVD-RAM ist ein Wechselmedium hauptsächlich für den Computer-Bereich.

2.3.6. Wiedergabe von CDs und CD-(R)W) auf DVD-Playern

Die Wellenlänge (650 nm) des Laser in der Abtasteinheit des DVD-Spielers ist auf die mikrostrukturellen und optischen Eigenschaften einer in einem Presswerk hergestellten DVD abgestimmt. Die Reflexions- und Fokuseigenschaften von gepressten oder beschreibbaren CDs weichen von diesem Optimum ab. In Folge erkennt die Abtasteinheit des DVD-Players die Daten nicht und bricht den Lesevorgang ab. Deshalb sind die Abtasteinheiten moderner DVD-Player mit zwei Laser-Dioden unterschiedlicher Wellenlängen (650 nm für DVD und 780 nm für CD) ausgestattet. Aber selbst bei diesen Geräten sind manchmal nicht alle Rohlingtypen abspielbar.

Abb. 2.3.25: Prinzip eines Laser-Pickup mit zwei Laserdioden
Abb. 2.3.25: Prinzip eines Laser-Pickup mit zwei Laserdioden

Wie aus den Tabellen in den vorhergehenden Kapiteln 2.2.13. VCD und 2.2.14. SVCD ersichtlich ist, weichen die Datenübertragungsraten und (bei der VCD) die Videokomprimierungsmethode von den DVD-Standards ab. Soll ein DVD-Player VCDs und SVCDs abspielen können, muss dieser also vom Signal-Processing her in der Lage sein, CDs nach dem White Book- Standard zu erkennen und den Datenstrom von der CD zu verarbeiten. Dieses ist bei älteren DVD-Player oftmals nicht der Fall.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Das "DVD"-Logo ist ein geschütztes Warenzeichen der DVD Format and Logo Licensing Corporation (DVD FLLC),
Quelle: http://www.dvdfllc.co.jp/pdf/DVD-Application-Logo.pdf

[2] Das "DVD+RW"-Logo ist ein geschütztes Warenzeichen der DVD+RW Alliance,
Quelle: http://dvdservices.org/

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