DVD-Video物理结构和逻辑结构

DVD 的结构

从表面上看， DVD 光盘与 CD 光盘很相似。但实质上，两者之间有本质的差别。按单面 / 双面与单层 / 双层结构的各种组合， DVD 可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层等四种基本物理结构。     单面 DVD 光盘可能有一个或两个记录层。与 CD 一样，激光器从光盘的下面读取单面盘上的数据，双面 DVD 光盘上的数据分别存放在光盘的上下两面。 DVD 光盘的物理结构 单面单层 SSSL(Single Sided, Single Layer) 光盘 DVD5 （简称 D5 ）     这是指常见的单面单层 DVD 光盘，总容量达 4.7GB ，可储存播放 133 分钟的视频数据。     单面单层 DVD 光盘是由一片空白基片和一片有一层数据记录层的基片黏合而成。无论是单层光盘还是双层光盘都由两片基片粘合而成，每片基片的厚度均为 0.6mm ，因此 DVD 盘的厚度为 1.2mm 。 双面单层 DSSL(Double Sided, Single Layer) 光盘 DVD10 （简称 D10 ）     这是指双面单层的 DVD 光盘，是由厚 0.6mm 的两面各有一层记录层的基片黏合而成，总容量达 9.4GB ，可以储存大约播放 266 分钟的视频数据。     读取双面盘上的数据有两种方法：   (1) 在播放完盘上第一面的节目后，将盘片从播放机中取出，翻面后再放入播放机中继续播放第二面上的节目；   (2) 在播放机中装两个读激光器，分别从盘的上下两面读取数据，或者在播放机中只装一个读激光器，但在读完盘的第一面后可以自动地跳到盘片的另一面继续播放。     如果采取后一种方案，则读完盘的第一面后不需要将盘取出翻面。但播放机需要有这种功能。 单面双层 SSDL(Single Sided, Double Layer) 光盘 DVD9 （简称 D9 ）     这是指单面双层的 DVD 光盘。总容量达 8.54GB ，可以储存大约播放 241 分钟的视频数据。     双层光盘有两种方案，一种是将两层记录层都放在一片片基上，而另一片是空白片基，然后黏合。这种方案在实际生产时因工艺要求高，良品率低而不被采用。另一方案是将两层记录层分别放在上下两片片基，将下面的记录层制成半透明层，上面的记录层制成反射层，然后将两片片基黏合。这是目前 DVD-9 普遍采用的方案。     激光头在读取双层光盘时，激光束先到达的记录层（下层）称为 0 层（ L0 ， Layer 0 ），可以读取数据，因此它是反射层。但激光束又可以透过它读取上层（ 1 层，即反射层， L1 ， Layer 1 ）的数据。因此， 0 层是半透明层，又称半反射层。读 0 层时总是从内圈开始，并从里往外读取，读完 0 层后再读 1 层。读取 1 层有两种方法：   (1) 逆光路径 OTP （ Opposite Track Path ）法，即读 1 层时从外圈开始，并从外向里移动；   (2) 顺光路径 PTP （ Parallel Track Path ）法，即读 1 层时从内圈开始，并从里向外移动。     顺光路径两层记录层的螺旋轨道与单层光盘是一样的，而逆光路径的 1 层（ L1 ）的螺旋轨道是反向的，因此，逆光路径 OTP 双层光盘也被称为 RSDL （ Reverse Spiral Dual Layer ，逆向螺旋双层盘）。制作双层 DVD 光盘时，可以选择是逆光路径 OTP 还是顺光路径 PTP ，并在 0 层数据末尾写入指令。按照这个指令，母盘刻录设备会自动按要求刻录第二层母盘。光驱在读取数据时，也是按照这个指令来采用逆光路径或是顺光路径方式读取 1 层数据。读数激光头在读 0 、 1 层的数据时，其光学焦点会相应改变。采用顺光路径时，激光头需要从外圈回到内圈，在播放视频节目时将会有一个小小的停顿，因此，厂商一般愿意采用逆光路径 OTP 的方式。     双层盘的容量比单层盘的两倍稍小，这是因为激光束要 " 透过 " 半反射层读取上层的数据，而两层记录层的间距很小，仅为 20 到 70 微米， 为了减少两个层之间的干扰，两个层的最小光坑长度从 0.4 um 增加到 0.44 um 。为了补偿，参考扫描速度也要稍微快一点，需将 3.49 m/s （单层盘）提高到 3.84 m/s 。较长的光坑，间隔更远些，保证数据能正确读取，而不易受抖晃影响 . 。增加最小光坑长度意味着每圈的光坑数减少，结果导致每层的数据容量减少。 双面双层 DSDL(Double Sided, Double Layer) 光盘 DVD18 （简称 D18 ）     这是指双面双层的 DVD 光盘，总容量达 17GB ，可以储存播放 482 分钟的视频数据。     双面双层盘片是由两片分别有两层记录层的片基黏合而成。生产这种盘片对生产工艺要求很高，这意味着生产成本较高。因此，除非有特殊需要，一般厂商不采用 DVD-18 格式。事实上， DVD-18 光盘在市场上并不多见。 DVD 光盘数据的组织方式     数据组织方式， DVD 光盘与 CD 光盘相似，每一层均分为导入区（ Lead-in Area ）、数据区（ Program Area ）和导出区（ Lead-out Area ）三个区域。对双层 OTP 盘而言，还有一个中间区（ Middle Area ）。     DVD 光盘上的数据是按扇区（ Sector ）形式组织的。每个扇区由 1024 位数据组成，扇区之间没有间隙，并按如下方式连续地存放在盘上：   1. 对于单层光盘，从导入区的开始处到导出区的结束处；   2. 对于双层光盘的 0 层，从导入区的开始处到中间区的结束处；   3. 对于双层光盘的 1 层，从中间区的开始处到导出区的结束处。     对于采用 OTP （逆光道路径）方式的双层光盘， 1 层中间区开始处的扇区号由 0 层数据区的最后一个扇区号按位取反而得到，此后的扇区号就连续增加直至 1 层导出区的结束处。   · 扇区     用户数据 2048 字节。 数据扇区 2064 个字，在用户数据前加上 4 个字节标识码（ Sector Identification Data ，简称 ID ）用于标识扇区格式、轨道方式、反射率、扇区所处区域、数据种类、层数、扇区数等信息； 2 个字节用于 ID 误码探测（ ID Error Detection Code ，简称 IED ）； 6 个字节用于拷贝保护信息（ Copy Protection information ，简称 CPR ），共计 12 个字节加在扇区开头；而扇区末尾加上 4 个字节误码探测（ Error Detection Code ，简称 EDC ）。将数据扇区 2064 个字节排列成 12 行 ×172 列的阵列结构，再将连续 16 个数据扇区组合在一起，进行里德所罗门误码校正编码（ The reed-solomon error correction code ），计算出外码奇偶校验 OCP 和内码奇偶校验 ICP ，构成 208×182 阵列的误码校正块（ ECC BLOCK ）。编码后，每个扇区增加了 302 个字节。新组成的扇区称为 记录扇区 。一个记录扇区 2366 字节。物理扇区是将记录扇区从中间分开成两个半帧，每半帧加入 26 个字节同步码。然后进行 8-16 调制变换，形成具有 2 个同步帧的 物理扇区 。调制后一个物理扇区共有 4836 个字节，相当于调制前的 2418 字节。物理扇区的数据一行接一行变成通道数据输出记录到 DVD 光盘上，它就是记录在光盘上的真实扇区。     导入区、数据区、导出区和中间区所含的扇区数是可变的，主要取决于程序内容的长度。一般来说，数据区的第 1 个扇区号总是指定为 196608 号（ 030000H ）。     导入区由参考码和控制数据组成。其中的参考码由 32 个扇区长的 2 个纠错块组成。控制数据由 192 个纠错块组成，主要包括光盘的物理格式信息、光盘的制造信息和节目提供者信息。数据区的数据是用户数据。中间区的所有主数据均置为 0 。导出区的所有主数据也均置为 0 。   ·8-16 调制     DVD 读写数据的原理与 CD 一样，光盘上的坑（ pit ）和岸（ land ）储存信息， “ 坑 ” 和 “ 岸 ” 都读为 “0” ， “ 坑 ” 和 “ 岸 ” 的长度决定 "0" 的个数， “ 坑 ” 和 “ 岸 ” 的交界处，读为 “1” 。如果将二进制数字不经过调制而直接作为通道码，那么，激光头在读写时将会遇到困难。遇到 “10101010” 时，读写频率很高，要求激光器电路的带宽很宽，遇到 “00000000” 时，不但读写频率很低，而且激光束会丢失跟踪信息轨迹的信号。因此， CD 采用 EFM ，即 8-14 调制技术，再加上 3 位隔离码合并成为 17 位通道码。 DVD 则是采用先进的 8-16 调制技术，不需要隔离码，即可满足最多不可有 10 个以上的连续 0 ，最少有 2 个连续 0 的要求。形成的通道码是 16 位，可比 CD 节省 1 位。 DVD 光盘的逻辑结构和数据结构   1.  逻辑结构     一张 DVD 光盘总是包含一个逻辑卷。对于多层 DVD 盘，卷被分成与层数相对应的分区。一个逻辑卷里的基本逻辑单元是一个逻辑扇区，它包含 2048 个字节，与一个物理扇区相对应。     一个卷主要包含卷及文件结构、 DVD-Video 区和非 DVD-Video 区（该区是可选的），视频文件放在 DVD-Video 区内，计算机数据放在非 DVD-Video 区内，这样就可在同一张 DVD 盘上存放影视节目和计算机游戏节目。   2.  数据结构     DVD 盘上有浏览数据（ Navigation Data ，即处理回放数据）和演播数据（ Presentation Data ，即音频、视频、子图等数据）两种数据结构。用户可以按照浏览数据中的控制信息，播放演播数据中的音频、视频和子图等数据。     · 浏览数据的结构     浏览数据主要控制如何回放演播数据，它由视频管理器信息（ VMGI ）、视频节目集信息（ VTSI ）、程序链信息（ PGCI ）、演播控制信息（ PCI ）和数据搜索信息（ DSI ）等 5 个部分组成。     · 演播数据     播放数据由音频、视频和子图组成。它至少含有一个节目。一个节目至少包含一个程序链 PGC 。一个节目中的第一个程序链总是 Entry PGC 。在只有一个程序链的节目中，该程序链就是 Entry PGC 。     一个程序链 PGC 由程序链信息 PGCI 和视频对象集 VOB 中的单元组成。 PGCI 又由前命令（ pre-command ）、后命令（ post-command ）及单元（ cell ）组成的程序组成，这些单元指向 VOBS 中的单元，这样就定义了回放这些单元的顺序。 DVD 光盘的文件系统     DVD 采用 UDF/ISO9660 文件系统。     UDF(Universal Disk Format) ，它最早用于可擦写光盘的写入与重写。它是 DVD 标准的文件系统。     ISO9660 可以与电脑的操作系统兼容。     下图是我公司出版的一张 DVD 影碟的目录结构，可以看到这张影碟有一个区段（ Session ），一条光轨（ Track ），采用 DVD 光盘默认的 UDF/ISO9660 文件系统。这样，它既可以在 DVD 播放机上播放，也可以在电脑上播放。     DVD-ROM 是 DVD 最基本的格式，它与电脑操作系统兼容。在 Windows 的资源管理器中，读取 DVD-ROM 光盘的文件夹、文件就像本地硬盘一样方便。 DVD-Audio 和 DVD-Video 则是构建在 DVD-ROM 框架上音频和视频格式的光盘。音盘和视盘具有相似的目录结构，其结构如上图所示。上图是典型的目录结构，在 DVDVOLUME （或 VOLUME ）的目录内，有两个目录， AUDIO_TS 放置音盘数据， VIDEO_TS 放置视盘数据。所以，视盘中 AUDIO_TS 目录内没有文件。正因为如此，也可以自定义目录结构。下图是我公司出版的 “ 天仙配 ” 影碟的目录结构。     图中可以看出，主目录自定义为 “XIANXIANPEI （天仙配） ” ，主目录内只有 VEDIO_TS 一个目录，取消了 AUDIO_TS 目录。现在，我们再看看在 VIDEO_TS 目录内是些什么文件？见下图。     文件有三种类型： .VOB 、 .IFO 和 .BUP 。     IFO 是 Information 信息文件， BUP 是 Backup 备份文件， VOB 是 Video Objects 视频目标文件，对于 DVD-Audio 光盘来说，就是放置在 AUDIO_TS 目录中的 AOB ，即 Audio Objects 音频目标文件。     IFO 文件用来控制 VOB 文件的播放。 IFO 文件中保存有怎样以及何时播放 VOB 文件中数据的控制信息，比如段落的起始时间、音频数据流的位置、字幕数据流的位置等信息。 DVD 播放机或电脑的播放软件通过读取 IFO 文件，才能把组成 DVD 影片的各种数据有机地结合起来进行播放。 BUP 文件是信息文件的备份。由于 IFO 文件对于保证影片的正常播放非常重要，所以需要保留一个副本，以备在 IFO 文件的读取发生错误时仍然可以通过读取 BUP 文件来得到相应的信息。 VOB 文件用来保存 DVD 影片中的视频数据流、音频数据流、多角度、多语言字幕数据流、提供选单和按钮数据以及视频制式（ PAL 还是 NTSC ）、画面宽高比（ 16:9 还是 4:3 ）等信息。由于一个 VOB 文件中可以保存一个主要的视频流和数个多角度视频流、 8 个数字音轨和 32 个字幕数据流，所以 DVD 影片也就可以拥有 8 种语言的伴音、 9 个角度和 32 种语言的字幕。     现在我们再来看文件名，文件名有两种类型： VIDEO_TS 和 VTS_xx_y 。 TS 即 Time Stamp 时间标志。 VTS 即 video title set ，是视频标题集的简称。 xx 是两位序号，自 01 开始，按序排列，最大到 99 。它表示标题数，最多有 99 个标题。一张视盘至少要有一个标题。 y 是一位序号，自 0 开始排列，最大到 9 。它是分标题数，最多可达 10 个。一个标题至少有 “0” 和 “1” 两个分标题。上图我们看到：这张光盘有 “01” 和 “02” 两个标题。 01 标题有 “0” 和 “1” 两个分标题， 02 标题有 “0” 至 “5” 六个分标题。标题的数量取决于影片素材编辑合成时的设置。例如，我们可以把片头和版权声明、影片、影片拍摄花絮分别设置为三个标题。也可以将前两个或后两个合并，成为两个标题。甚至可以全部合并为一个标题。分标题 “0” 的 IFO 文件放置场景、语言、字幕等选项的菜单信息。分标题 “1” 开始， VOB 文件保存视频文件。每个分标题下 VOB 文件大小，应小于或等于约 1GB （如上图）。 VOB 文件如果大于 1GB ，就不能在电脑上播放。由于 VOB 文件大小受到限制，所以将视频文件分割为若干个分标题依次存放。这些文件虽然在形式上被分割了，但程序链 (PGC) 可以将它们无缝连接起来，使得影碟在播放时能连贯播放。     VIDEO_TS 和 VTS_xx_0 可能有 IFO 、 BUP 和 VOB 为扩展名的三个文件。但是 VOB 文件可能有，也可能没有，如上图就只有 IFO 和 BUP 两个文件。 DVD 视盘中都有视频管理器 (VMG) 。视频管理器存放在 VIDEO_TS.IFO 文件，它保存光盘的全局信息，如区域码、可选菜单等信息。当光盘插入光驱，播放器首先寻找 VIDEO_TS.IFO 文件。