什麼是DVD及其工作原理？

辛辛那提大學副教授兼電子藝術家本傑明·布里頓對此作出瞭解釋

科技工具似乎是一堆令人困惑的字母湯。諸如 ZIP、CD 或 DVD 之類的術語通常用於描述儲存和共享資訊的可用手段，範圍從文字到音訊到完整電影。在所有這些術語中，DVD（代表數字多功能光碟）有望成為儲存資料，尤其是高質量數字影片的最流行和最可靠的手段。作為觀看好萊塢電影的先進娛樂選擇，DVD 正迅速進入美國家庭。

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在深入瞭解 DVD 的工作原理之前，最好先解釋一下原因。換句話說，為什麼該行業要取代包括 CD（光碟的縮寫）在內的先前儲存單元標準？很簡單，DVD 的儲存容量要大得多。因此，DVD 對於影片和其他行業來說是有意義的，而 CD 永遠無法做到。高質量的數字影片根本無法放入 CD 中。它甚至無法舒適地放入計算機硬碟驅動器中。

事實上，高質量的數字影片每分鐘需要高達 100 兆位元組 (MB) 的資料空間，具體取決於所使用的壓縮量。MPEG2 是一種通常用於透過計算機播放影片的格式，它將一分鐘的視覺資料壓縮為約 30 MB。因此，兩分鐘的影片需要 60 MB，而兩小時的電影需要 3,600 MB。相比之下，CD 的最大儲存空間約為 640 MB。

將資料編碼到 DVD 上可能看起來像是一門黑色藝術，但它與將資料編碼到錄影帶上並沒有太大區別。錄影帶根據磁帶材料上氧化鐵顆粒的物理位置和排列來儲存和回放資訊。DVD 類似地根據其表面上的特定“點圖案”來儲存和播放資訊。一種非常精確的雷射將這些點（實際上是非常小的凹坑）燒錄到母盤 DVD 上。正是這些點的微小尺寸使得 DVD 具有寬敞的儲存容量。

實際上，假設我有一個光碟上的 75 MB 的虛擬現實專案。如果我想向公眾釋出我的專案或在全國各地的博物館展出，我需要一種可靠的觀看方式。因此，我需要將其放在 DVD 上，而且不僅在一個 DVD 上，還要放在數千個 DVD 上用於分發。

所以我會在家裡製作一張 DVD，然後將我的光碟送到一家複製公司，例如松下、CinRam、Nimbus 或 Diner。毫不奇怪，大多數光學行業服務提供商都位於西海岸。但也有區域性的公司。他們會透過軟體演算法將我光碟中的資訊饋送到所謂的燒錄機，該燒錄機引導雷射在玻璃頂部的 DVD 上燒錄資料點圖案，這些點在間距以及亮度和暗度方面有所不同。點的間距以及亮度和暗度的變化使得計算機或電視機 DVD 播放器可以讀取資料，正如這些字母和單詞的形狀和間距的差異使您能夠閱讀此說明一樣。

然後，對這個母盤 DVD 進行拍照，並從該照片製作蝕刻版。反過來，蝕刻版用於建立金屬衝壓機。假設我想製作 1,000 個我的虛擬現實藝術作品的 DVD 版本或 200 萬個我的最新好萊塢電影的 DVD 複製。複製公司只需使用金屬衝壓機將圖案印在所有這些 DVD 的塑膠塗層上即可。

大多數人在當地的電影租賃或音像店找到的被稱為 DVD-5。之所以這樣命名，是因為它儲存了近 5 吉位元組 (GB) 的資訊。還有 DVD-9 和 DVD-18。DVD-9 的容量是 DVD-5 的兩倍，因為它基本上是兩個光碟，一個直接放在另一個的頂部。“讀取”資訊的雷射首先解釋頂部光碟上的資料，然後更改角度以轉換第二個光碟上的資料。DVD-18 的工作方式相同，只是兩個光碟都是雙面的。雷射器不是隻讀取一側的資訊，而是讀取兩側的資訊，有點像我們以前的黑膠唱片。

關於好萊塢為何選擇 DVD 作為釋出其產品的首選媒體，最後兩點：首先，DVD 比標準 VHS 磁帶更耐用。如果您從事電影租賃業務，這意味著長期的利潤更高，因為您不必在多次播放後支付更換版本。（它還具有額外的優勢，即當地的加盟店不必擔心您是否倒帶。）此外，由於電視機 DVD 播放機中的特殊功能，這些機組將無法“讀取”和播放 DVD 上的盜版電影，這是困擾好萊塢海外影片市場的問題。

有關 DVD 的更多資訊來自美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的 Sylvia Moats、Xiao Tang 和 Victor McCrary

DVD（數字影片光碟）是一種基於類似於光碟 (CD) 的光學資料儲存技術。光學資料儲存是一種使用光讀取資訊來儲存數字資訊（1 和 0）的方法。模擬資訊轉換為數字資訊，然後從內邊緣到外邊緣編碼到光碟上。數字資料透過光碟記錄層上的凹坑進行編碼。編碼使用稱為 EFM（CD 中的八到十四調製）和 EFMPlus（DVD 中的八到十六調製）的技術完成。

凹坑和凹坑之間的分隔（稱為平面）的長度各不相同，以表示儲存在光碟中的數字資訊。這些凹坑排列在一條軌道中，該軌道在光碟的記錄層上形成螺旋圖案。光碟在播放器內部以圓形運動旋轉，而光學頭雷射緩慢向外移動並保持聚焦在凹坑上。當雷射束擊中平面時，會被反射回檢測器，並被凹坑散射遠離檢測器。凹坑和平面之間的過渡對應於數字位元流中的“1”。

DVD 可以在光碟的一層上儲存超過兩個小時的影片。與 CD 可以容納的 74 分鐘的資料相比，這種容量標誌著巨大的進步。（74 分鐘正好足以將貝多芬的第九交響曲完整地放在一張 CD 上。）DVD 上最小的凹坑大約寬 0.4 微米（0.0001575 英寸），而 CD 凹坑的最小寬度為 0.83 微米。這些凹坑排列在軌道中（稱為軌道間距），DVD 上的軌道間距（0.74 微米）比 CD 上的軌道間距（1.6 微米）更緊密。透過這種結構，單層單面 DVD 可以容納 4.7 GB，而單個 CD 可以容納 650 MB。

DVD 上較小的凹坑尺寸意味著 DVD 播放器中使用的雷射束必須具有比 CD 播放器中使用的雷射束更短的波長。但是，此要求允許雙重相容性：DVD 播放器旨在播放 DVD 光碟以及 CD。不幸的是，這種相容性是向後的，因此 CD 播放器將無法播放 DVD。

由於凹坑區域非常小，讀取光碟時可能出現的錯誤數量是無限的。因此，糾錯儲存得到了快速發展。在 CD 技術中，光碟上存在糾錯編碼 (ECC) 作為糾正發生問題的方法。ECC 演算法配置為檢測並完美糾正資料中的錯誤。此方法同樣用於 DVD 技術中的糾錯。

DVD 影片上儲存的更多資訊主要歸因於較小的凹坑尺寸和更緊密的軌道間距，但另一個因素也發揮了作用，即壓縮。運動影像專家組已經推出了一種稱為 MPEG2 的高階影片壓縮演算法。此開發基於時間壓縮，該壓縮將影片的每一幀與下一幀進行比較，並且僅儲存場景中的更改。它將單個幀儲存在延遲中，以便不斷輸出場景的背景，並有更多空間來儲存場景中的更改。MPEG2 還使用離散餘弦變換，該變換獲取影像並找到其頻率，然後壓縮任何重複頻率。

影片壓縮允許更多空間來儲存其他觀看選項，這是使 DVD 成為技術上如此令人難以置信的進步的一個重要原因。為了獲得完整的影院體驗，DVD 影片採用杜比數字 (AC-3) 環繞聲 [杜比數字 (AC-3) 是杜比實驗室授權公司的商標]。其他選項包括選擇寬屏 (16:9) 或全屏 (4:3) 觀看、不同語言的音軌以及隱藏字幕觀看。DVD 影片還可以讓觀眾根據光碟本身預先程式設計的場景剪下來決定 R 或 PG 評級。觀眾還可以選擇觀看電影的未刪節版或檢視原始片段中的遺漏鏡頭。所有這些選擇都可以在電影開始時選擇。然後，DVD 會按照觀眾選擇的排列從一個場景無縫跳到下一個場景。導演和製片人決定可用的選項數量和型別，因此每個單獨的 DVD 可能具有這些選項中的一些、全部或全部不具有。

DVD 影片儲存的另一個重大改進是其 525 線解析度，這遠高於雷射影碟媒體提供的解析度，幾乎是標準 VHS 錄影帶解析度的兩倍。此解析度取決於所使用的電視監視器的功能，但監視器不需要高解析度，觀眾也可以享受 DVD 的好處。另一個優點是，當 DVD 光碟在播放器中旋轉時，它不會被物理接觸，因此隨著時間的推移，不會發生磨損或保真度損失。相比之下，錄影帶會接觸播放機制，並最終分解，從而降低影像質量。

儘管如此，DVD 和 CD 並非不可損毀。由於資料以螺旋方式儲存，因此使用者應避免以圓形運動擦拭光碟；清潔光碟時，應從內部沿徑向向外擦拭到邊緣。與錄影帶相比，DVD 的壽命更長，儲存更方便，使其成為更合理、更方便使用者的媒體。