什么是DVD及其工作原理？

辛辛那提大学副教授兼电子艺术家本杰明·布里顿对此作出了解释

科技工具似乎是一堆令人困惑的字母汤。诸如 ZIP、CD 或 DVD 之类的术语通常用于描述存储和共享信息的可用手段，范围从文本到音频到完整电影。在所有这些术语中，DVD（代表数字多功能光盘）有望成为存储数据，尤其是高质量数字视频的最流行和最可靠的手段。作为观看好莱坞电影的先进娱乐选择，DVD 正迅速进入美国家庭。

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在深入了解 DVD 的工作原理之前，最好先解释一下原因。换句话说，为什么该行业要取代包括 CD（光盘的缩写）在内的先前存储单元标准？很简单，DVD 的存储容量要大得多。因此，DVD 对于视频和其他行业来说是有意义的，而 CD 永远无法做到。高质量的数字视频根本无法放入 CD 中。它甚至无法舒适地放入计算机硬盘驱动器中。

事实上，高质量的数字视频每分钟需要高达 100 兆字节 (MB) 的数据空间，具体取决于所使用的压缩量。MPEG2 是一种通常用于通过计算机播放视频的格式，它将一分钟的视觉数据压缩为约 30 MB。因此，两分钟的视频需要 60 MB，而两小时的电影需要 3,600 MB。相比之下，CD 的最大存储空间约为 640 MB。

将数据编码到 DVD 上可能看起来像是一门黑色艺术，但它与将数据编码到录像带上并没有太大区别。录像带根据磁带材料上氧化铁颗粒的物理位置和排列来存储和回放信息。DVD 类似地根据其表面上的特定“点图案”来存储和播放信息。一种非常精确的激光将这些点（实际上是非常小的凹坑）烧录到母盘 DVD 上。正是这些点的微小尺寸使得 DVD 具有宽敞的存储容量。

实际上，假设我有一个光盘上的 75 MB 的虚拟现实项目。如果我想向公众发布我的项目或在全国各地的博物馆展出，我需要一种可靠的观看方式。因此，我需要将其放在 DVD 上，而且不仅在一个 DVD 上，还要放在数千个 DVD 上用于分发。

所以我会在家里制作一张 DVD，然后将我的光盘送到一家复制公司，例如松下、CinRam、Nimbus 或 Diner。毫不奇怪，大多数光学行业服务提供商都位于西海岸。但也有区域性的公司。他们会通过软件算法将我光盘中的信息馈送到所谓的刻录机，该刻录机引导激光在玻璃顶部的 DVD 上刻录数据点图案，这些点在间距以及亮度和暗度方面有所不同。点的间距以及亮度和暗度的变化使得计算机或电视机 DVD 播放器可以读取数据，正如这些字母和单词的形状和间距的差异使您能够阅读此说明一样。

然后，对这个母盘 DVD 进行拍照，并从该照片制作蚀刻版。反过来，蚀刻版用于创建金属冲压机。假设我想制作 1,000 个我的虚拟现实艺术作品的 DVD 版本或 200 万个我的最新好莱坞电影的 DVD 拷贝。复制公司只需使用金属冲压机将图案印在所有这些 DVD 的塑料涂层上即可。

大多数人在当地的电影租赁或音像店找到的被称为 DVD-5。之所以这样命名，是因为它存储了近 5 吉字节 (GB) 的信息。还有 DVD-9 和 DVD-18。DVD-9 的容量是 DVD-5 的两倍，因为它基本上是两个光盘，一个直接放在另一个的顶部。“读取”信息的激光首先解释顶部光盘上的数据，然后更改角度以转换第二个光盘上的数据。DVD-18 的工作方式相同，只是两个光盘都是双面的。激光器不是只读取一侧的信息，而是读取两侧的信息，有点像我们以前的黑胶唱片。

关于好莱坞为何选择 DVD 作为发布其产品的首选媒体，最后两点：首先，DVD 比标准 VHS 磁带更耐用。如果您从事电影租赁业务，这意味着长期的利润更高，因为您不必在多次播放后支付更换版本。（它还具有额外的优势，即当地的加盟店不必担心您是否倒带。）此外，由于电视机 DVD 播放机中的特殊功能，这些机组将无法“读取”和播放 DVD 上的盗版电影，这是困扰好莱坞海外视频市场的问题。

有关 DVD 的更多信息来自美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的 Sylvia Moats、Xiao Tang 和 Victor McCrary

DVD（数字视频光盘）是一种基于类似于光盘 (CD) 的光学数据存储技术。光学数据存储是一种使用光读取信息来存储数字信息（1 和 0）的方法。模拟信息转换为数字信息，然后从内边缘到外边缘编码到光盘上。数字数据通过光盘记录层上的凹坑进行编码。编码使用称为 EFM（CD 中的八到十四调制）和 EFMPlus（DVD 中的八到十六调制）的技术完成。

凹坑和凹坑之间的分隔（称为平面）的长度各不相同，以表示存储在光盘中的数字信息。这些凹坑排列在一条轨道中，该轨道在光盘的记录层上形成螺旋图案。光盘在播放器内部以圆形运动旋转，而光学头激光缓慢向外移动并保持聚焦在凹坑上。当激光束击中平面时，会被反射回检测器，并被凹坑散射远离检测器。凹坑和平面之间的过渡对应于数字比特流中的“1”。

DVD 可以在光盘的一层上存储超过两个小时的视频。与 CD 可以容纳的 74 分钟的数据相比，这种容量标志着巨大的进步。（74 分钟正好足以将贝多芬的第九交响曲完整地放在一张 CD 上。）DVD 上最小的凹坑大约宽 0.4 微米（0.0001575 英寸），而 CD 凹坑的最小宽度为 0.83 微米。这些凹坑排列在轨道中（称为轨道间距），DVD 上的轨道间距（0.74 微米）比 CD 上的轨道间距（1.6 微米）更紧密。通过这种结构，单层单面 DVD 可以容纳 4.7 GB，而单个 CD 可以容纳 650 MB。

DVD 上较小的凹坑尺寸意味着 DVD 播放器中使用的激光束必须具有比 CD 播放器中使用的激光束更短的波长。但是，此要求允许双重兼容性：DVD 播放器旨在播放 DVD 光盘以及 CD。不幸的是，这种兼容性是向后的，因此 CD 播放器将无法播放 DVD。

由于凹坑区域非常小，读取光盘时可能出现的错误数量是无限的。因此，纠错存储得到了快速发展。在 CD 技术中，光盘上存在纠错编码 (ECC) 作为纠正发生问题的方法。ECC 算法配置为检测并完美纠正数据中的错误。此方法同样用于 DVD 技术中的纠错。

DVD 视频上存储的更多信息主要归因于较小的凹坑尺寸和更紧密的轨道间距，但另一个因素也发挥了作用，即压缩。运动图像专家组已经推出了一种称为 MPEG2 的高级视频压缩算法。此开发基于时间压缩，该压缩将视频的每一帧与下一帧进行比较，并且仅存储场景中的更改。它将单个帧存储在延迟中，以便不断输出场景的背景，并有更多空间来存储场景中的更改。MPEG2 还使用离散余弦变换，该变换获取图像并找到其频率，然后压缩任何重复频率。

视频压缩允许更多空间来存储其他观看选项，这是使 DVD 成为技术上如此令人难以置信的进步的一个重要原因。为了获得完整的影院体验，DVD 视频采用杜比数字 (AC-3) 环绕声 [杜比数字 (AC-3) 是杜比实验室授权公司的商标]。其他选项包括选择宽屏 (16:9) 或全屏 (4:3) 观看、不同语言的音轨以及隐藏字幕观看。DVD 视频还可以让观众根据光盘本身预先编程的场景剪切来决定 R 或 PG 评级。观众还可以选择观看电影的未删节版或查看原始片段中的遗漏镜头。所有这些选择都可以在电影开始时选择。然后，DVD 会按照观众选择的排列从一个场景无缝跳到下一个场景。导演和制片人决定可用的选项数量和类型，因此每个单独的 DVD 可能具有这些选项中的一些、全部或全部不具有。

DVD 视频存储的另一个重大改进是其 525 线分辨率，这远高于激光影碟媒体提供的分辨率，几乎是标准 VHS 录像带分辨率的两倍。此分辨率取决于所使用的电视监视器的功能，但监视器不需要高分辨率，观众也可以享受 DVD 的好处。另一个优点是，当 DVD 光盘在播放器中旋转时，它不会被物理接触，因此随着时间的推移，不会发生磨损或保真度损失。相比之下，录像带会接触播放机制，并最终分解，从而降低图像质量。

尽管如此，DVD 和 CD 并非不可损毁。由于数据以螺旋方式存储，因此用户应避免以圆形运动擦拭光盘；清洁光盘时，应从内部沿径向向外擦拭到边缘。与录像带相比，DVD 的寿命更长，存储更方便，使其成为更合理、更方便用户的媒体。