从零开始认识蓝光技术与蓝光设备

时间:2013年07月30日信息来源:转载 点击: 字体:

高清入门:从零开始认识蓝光技术与蓝光设备
 
什么是蓝光?
  蓝光,英文为Blu-ray Disc,通常也可以简称为Blu-ray或者BD,是一种光存储介质。它主要用于存储高清格式的视音频文件,其物理记录结构类似于普通标准的DVD和CD。
蓝光Blu-ray Disc标志
  蓝光的名字起源于其用于刻录/读取光盘是通过蓝-紫色激光完成的,这种蓝紫色激光波长为405纳米,从而可以使光盘可以记录的信息量比传统的DVD更大,传统DVD使用的是波长为650纳米的红色激光。一张双层蓝光光盘可以存储50GB容量的文件,是一张双层普通DVD的6倍,也就是一张单层DVD的10倍。
  在2008年2月之前,一场旷日持久的次世代高清DVD格式大战在蓝光联盟与HD DVD阵营之间进行,直到2008年2月19日,HD DVD阵营主要支持者东芝正式宣布撤除全部HD DVD业务,这场高清格式大战才最终尘埃落定,以蓝光的胜利而告终。
  蓝光技术最初是由蓝光联盟(Blu-ray Disc Association)提出并逐步发展起来的,蓝光联盟是由多个消费电子厂商、电脑硬件厂商、电影厂商等共同组成的联盟。截止到2008年10月21日,美国总共有超过970个蓝光软件/电影发售,日本则有540个,到2008年底,美国市场发售的蓝光软件/电影将超过1300个。
 
蓝光联盟的成立和发展历史
  1998年,商业化的高清电视(HDTV)开始出现在消费市场,但这类新鲜事物并不为大众消费者所接受,因为要录制或者播放高清内容需要花费相当高昂的投资。事实上,当时也没有匹配存储媒体可以支持高清编码格式内容,除了JVC的数码VHS和索尼的HDCAM。然而,这并非意味着人们当时不知道通过更短波长的激光可以在同样的光盘上能够刻录更高密度更大容量信息,其实,日本科学家中村修二教授早已通过实践发明了蓝色激光发射极,但是出于专利保护的原因,人们不得不推迟蓝光商品化的进程表,为此还引发过一场持久而轰动的专利诉讼。
  飞利浦和索尼最初合作研发两个激光发射极应用的项目,主要是针对UDO(Ultra Density Optical,超密度光存储)和DVR蓝光(先锋也参与该项目的合作研发),这些项目其实就涉及到可擦写式蓝光刻录技术,也就是现在的BD-RE技术,两者的核心内容是极为类似的。
  第一个DVR Blue模型在2000年10月举行的CEATEC展上首度公开。由于蓝光记录数据层与光盘表层相当贴近,早期的光盘对细微的污物或划伤相当敏感,必须保存在专用的盒子内。
  2002年2月19日,这个开发项目正式命名为Blu-ray,即蓝光,同时初期的蓝光联盟正式成立,当时名为Blu-ray Disc Founder group,此时联盟只有索尼、松下、飞利浦、先锋、汤姆逊、日立、LG电子、夏普和三星等九位成员。
  2004年5月18日,最初的蓝光联盟再次更名为Blu-ray Disc Association,简称BDA,同时开始允许更多公司参与到这个联盟中,像苹果、戴尔、沃特迪士尼、华纳兄弟、环球唱片等全球知名厂商就是后期加入到蓝光联盟的。截止到2007年12月,全球总共有超过250个厂商加入到蓝光阵营中来。
  第一款应用于消费电子产品的蓝光设备,是索尼BD-RE蓝光录像机BDZ-S77,于2003年4月10日在日本正式发售,其价格高达3800美元。然而,这个年代并没有可以对应录制的蓝光视频源节目,也没有发行任何蓝光影碟可以播放。在好莱坞电影公司接受之前,蓝光光盘只是一个新的、更安全的DRM(Digital Rights Management,数字版权管理)系统,是在DVD上使用的带有内容复制加扰系统的光盘。
  早期蓝光光盘的物理规格是在2004年诞生的。2005年1月,TDK公司宣布研制出一种拥有坚硬聚合物涂层的蓝光光盘,这样早期用来保护光盘防止划伤的塑料盒可以被抛弃了。BD-ROM规格在2006年初被最后确定。洛杉矶AACS财团(2004年成立)开发出了DRM平台,可用于安全地将电影分发给消费者,从而形成AACS标准。然而由于蓝光光盘集团的一个重要成员对此表示质疑,AACS标准一再被搁置,最终在早期硬件制造商(包括东芝、先锋、三星)的强烈要求下公布了一个不包括复制管理功能的临时标准。
  2006年6月中旬第一代BD-ROM播放机上市,却被HD DVD播放机在短短几个月里击败。
  2006年6月20日第一代蓝光光盘投放市场,采用与DVD光盘相同的MPEG-2视频压缩技术。2006年9月首次开始使用新的VC-1和的AVC编***器。2006年10月该技术首次用在电影的双层光盘(50GB)中,2008年3月首次用在音频上。
  第一款大规模上市的电脑用可擦写蓝光刻录光驱是索尼在2006年7月18日发布的BWU-100A,可以记录单/双层的BD-R和BD-RE光盘,当时零售价格为699美元。
 
蓝光与HD DVD的高清格式之争
  由东芝主导的DVD论坛中对于是否开发价格更昂贵的蓝光技术展开激烈的讨论。2002年3月该论坛通过一项提议,认可华纳兄弟和其他电影制片厂涉及将高清内容压缩到双层DVD-9光盘上。尽管提议被通过,但DVD论坛指导委员会在4月份宣布要寻求自己的蓝光高清解决方案。同年8月东芝和NEC宣布参与高清光盘的竞争。其后,经过蓝光联盟的两次讨论,DVD论坛的这项决议最终得以通过,并于次年更名为HD DVD,同时促使美国司法部对其作出初步调查研究。
  在高清视频市场,早期的蓝光播放机很昂贵,很少游戏使用,而且HD DVD影响蓝光光盘的销售。这种情况从Play Station 3时开始有所改变,因为PS3就是蓝光播放机。在2007年1月蓝光销量开始超过HD DVD光盘,前三季度的销量是HD DVD光盘的两倍。
  2008年1月美国CES展开展的前一天,唯一同时发布HD DVD和蓝光两种格式电影制片厂华纳兄弟宣布今后将只生产蓝光电影。这使以东芝为首的HD DVD阵营受到严重的甚至可以说是致命的打击。
  2008年2月19日,东芝宣布撤除HD DVD业务,蓝光成为高清格式大战的最终胜利者。部分分析家认为,索尼的PlayStation 3游戏机在高清格式大战中发挥了重要作用,充当了蓝光催化剂。因为PS3的采用蓝光光驱,当然还有索尼完善的有影响力的营销策略。
  随后,自成立后唯一支持HD DVD的环球影城公司也宣布把工作重点转向蓝光;自2007年年底起只支持HD DVD格式的派拉蒙公司也开始采用蓝光。至此,所有主要好莱坞电影公司都开始支持蓝光。
  前HD DVD支持者微软表示,他们不是将目光放在采用蓝光光驱的Xbox360游戏机上,而是更侧重于Xbox Live数字下载服务。格式之争结束不久后,一份NPD集团的研究报告发现,60%的美国家庭知道蓝光。
 
 
 
蓝光技术规格标准介绍
蓝光光盘的硬件结构规格标准
  蓝光光盘采用了波长为405纳米的蓝紫色激光读取和写入数据。而常规DVD和CD使用红色和近红外激光分别是650纳米和780纳米。蓝紫色激光波长更短,可以在12cm大小的CD或者DVD光盘上存储更多的信息。
蓝光光盘的尺寸和容量标准
类型 物理尺寸 单层容量 双层容量
标准光盘 直径12cm,单面 25GB 50GB
迷你光盘 直径8cm,单面 7.8GB 15GB
 
  通过降低波长,缩小刻写孔径,同时覆盖层更薄,以避免不必要的光学效应,让激光束集中在一个较小区域,这使得同一块区域可以存储更多数据。对于蓝光光盘,刻写孔径大小是580纳米。随着蓝光编码技术的改进,蓝光光盘的性能将得到进一步提高。
蓝光25GB和200GB两种光盘
蓝光25GB和200GB两种光盘
  由于蓝光光盘数据层接近光盘的表面,相对于DVD来说更容易刮伤,因此需要放置在塑料盒里进行保护。
  TDK公司是第一家开发有蓝光光盘保护涂层的,这种保护层名为Durabis。另外,索尼和松下的蓝光烧录方法已经包括专门的保护涂层,其中索尼的可擦写媒体是通过旋转式涂布方法来加上防刮伤及抗静电涂层。Verbatim则有独家的防刮伤涂布技术,可以进行蓝光光盘的刻录和擦写。
蓝光光盘刻录速度
光驱速度
 
码率 刻录时间(分钟)
Mbit/s MB/s 单层 双层
36 4.5 90 180
72 9 45 90
144 18 23 45
216 27 15 30
288 36 12 23
12× 432 54 8 15
 
  蓝光光盘软件编码规格标准
  编码是一种使音频和视频数据存储更有效率的压缩方案,可以有效地优化低空间的使用或每兆字节的质量,编码包括有损和无损两种压缩技术。如果把蓝光光盘比喻成一个大抽屉,音频视频数据比喻成很多文件,那么编码技术就相当于把文件有序高效地排列存放的方式。
  BD-ROM规范化的任务就是提供一个对硬件***器(即播放器)和电影制作软件(即内容)都兼容的编***技术。对于视频来说,所有的播放器都必须支持MPEG-2、H.264/MPEG-4 AVC以及SMPTE VC-1等。MPEG-2是普通DVD常用的编***技术,允许向后兼容。MPEG-4 AVC由MPEG和VCEG开发。VC-1是一种由微软开发的编***技术。BD-ROM所存储的视频格式必须是着这三种编***技术之一,多种编***技术在一张光盘中使用是不允许的。
蓝光光盘数据存储编码格式
画面分辨率 帧率 画面比例 编码格式
1920×1080 59.94-i,50-i 16:9  
1920×1080 24-p,23.976-p 16:9  
1920×1080 24-p,23.976-p 2.4:1  
1440×1080 59.94-i,50-i 16:9 仅MPEG-4 AVC/SMPTE VC-1
1440×1080 24-p,23.976-p 16:9 仅MPEG-4 AVC/SMPTE VC-1
1280×720 59.94-p,50-p 16:9  
1280×720 24-p,23.976-p 16:9  
720×576 50-i 4:3/16:9  
720×480 59.94-i 4:3/16:9  
 
  由于压缩效率的不同,编***技术的选择很大程度上影响了生产商的授权和专利使用费,甚至最长允许的作品时间。MPEG-2高清视频内容的编码通常被限制在约两小时以内用以录制在单层BD-ROM(25GB)光盘上,而***的是更先进的视频编***技术VC-1和MPEG-4 AVC,通常可以达到MPEG-2质量的两倍。
  MPEG-2被很多电影公司采用,包括派拉蒙,而该公司最早用在HD DVD光盘编码中则是使用VC-1编***技术。现在该格式往往利用MPEG-4 AVC或VC-1来***,允许把所有内容放在一张光盘里,从而降低成本和提高易用性。利用这些编***技术也可以获得更大的空间,用来存储1080i/p高清内容,而不是其他许多作品所采用的简化内容480i/p格式。
  有些电影公司,如华纳兄弟公司,已经发行基于不同编***技术的高清内容光盘,例如《超人归来》使用VC-1的蓝光光盘格式和MPEG-2的高清内容。
  对于音频,蓝光播放机都必须支持杜比数字、DTS和线性PCM,可以有选择地支持杜比数字音频、DTS-HD高分辨率音频及无损杜比TrueHD和DTS-HD Master音频格式。BD-ROM产品的主要音轨必须使用强制性的三种音频格式之一,目前次级音轨可使用任何强制性或选择性编***器。
对于用户录制数字电视节目,蓝光光盘录制时标准的最低数据传输速率为36Mbit/s以上,足够记录从任何来源(如网络电视,有线/卫星或地面)获取的高清晰电视节目。蓝光视频的最高数据传输速率为54Mbit/s,最大AV比特率为48Mbit/s(即包括音频和视频数据),最大的视频比特率为40Mbit/s。相比之下,HD DVD视频电影最大数据传输速率为36Mbit/s,最大AV比特率为30.24Mbit/s,最大的视频比特率为29.4Mbit/s。
 
蓝光的Java软件支持
  2005年,JavaOne贸易展宣布Sun Microsystems的Java跨平台软件环境将包括在所有的蓝光播放机中作为强制性标准之一。Java被用在蓝光光盘上实现交互式菜单操作,而不是用在采取预先提供MPEG片段和可选字幕图像的原始交互方式的DVD视频光盘上
  Java开发员James Gosling建议在一些蓝光设备中加入允许更新的Java虚拟机以及网络连接,这样蓝光设备就可以通过因特网增加内容,如增加字幕语言和升级功能(但不可以在光盘压缩时增加)。此Java版本就是所谓的BD-J,是一个在全球范围内适用可的MHP(Multimedia Home Platform,多媒体家庭平台)标准。
 
蓝光光盘的区域位置代码
  蓝光光盘可以使用区域位置代码进行编码,目的与DVD区域代码相同,旨在限制光盘所能播放的地理区域,在某些地区销售的蓝光播放机可能只能播放具有该地区区域代码的光盘。这个制度的目的是使电影制片厂根据地区的不同进行各方面调整(包括内容、日期和价格等)。蓝光光盘的生产也可以无区位编码,这样可以在所有的蓝光播放机上播放。截至2008年底,几乎70%的光盘是没有区域限制的。
  目前各大电影制片商采取不同的区位编码策略。派拉蒙和环球影城已对所有的地区实行无区码策略。索尼和华纳兄弟公司对大部分地区采取无区码政策。华纳公司新产线早期曾经实行区码策略,后来又取消了,不过新产线生产的另一半唱片公司的产品仍采取一定程度的区码策略。狮门影业和迪斯尼发布区域自由和区位编码混合的产品。20世纪福克斯公司除三个地区的名称编码外已经取消了其它所有区位编码限制。

  在蓝光区位编码系统中,美国属于A区,而B区和C区被用于那些在美国影片正式发布之后再投放影片的国家。事实上,有一些作品在这些地区发行却在美国之前,如《哈利波特与火焰杯》和《Running Scared》在某些欧洲国家发行得比美国早。由于DVD区码系统的存在,多区域和区域自由DVD播放机在某些市场中占主导地位;某些蓝光播放器已经进行调整,允许播放任何地区代码的蓝光和DVD光盘。
蓝光区域位置编码划分
区码 对应具体地理区域
A 东亚地区(除中国内地和蒙古)、东南亚、北美洲、南美洲和相关地区
B 非洲、东南亚、欧洲(除俄罗斯)、大洋洲和相关地区
C 中亚、东亚(中国内地和蒙古)、南亚、欧亚大陆中部和相关地区
 
蓝光数字版权管理系统
  蓝光拥有多重数字版权管理系统。
  AACS(Advanced Access Content System,高级内容访问控制系统)是一种内容分发和数字版权管理的标准,是由AACS认证机构开发的。AACS认证机构是一个包括迪斯尼、英特尔、微软,松下、华纳、IBM、东芝和索尼在内的组织。

AACS数字版权管理系统原理
  2006年AACS***程序开始在相关设备中投入,但已经有人进行成功地破译。首个已知***是利用可靠的客户端,从保护程度较弱的播放器(如WinDVD)中提取解密密钥。但这个密码对新版本是无效的,只是暂时性的方法,必须不断***新密匙以解密最新光碟。这种猫捉老鼠的游戏不断重复,至2008年8月为止所有解密密钥都可通过互联网查询到。
  BD+是由Cryptography研究所根据自我保护数字内容概念开发的。BD+实际上是一个嵌入授权播放器中的小型虚拟机,允许内容提供商在蓝光光盘中安装可执行程序。这些程序可以:
  1. 审查播放环境,看播放器是否被篡改。每个授权播放器设备制造商必须提供BD+授权以及能够找出他们设备的路径。
  2. 确认该播放器的解密密钥一直没有改变。
  3. 执行本地代码,修补可能不安全的系统。
  4. 改变音频和视频的输出。部分内容不经BD+解读是不可见的。
  如果播放设备制造商认为,其设备已被袭击,将会释放BD+代码检测漏洞。这些代码程序可以包含在所有新内容中发布。这种BD+虚拟机只提供给设备制造商授权,名单可以从BD+网站上获知。
  首个使用BD+的产品在2007年10月上市。多个版本的BD+保护已经可以绕过各种DVD程序,然后采取有效的措施来更正安全漏洞。
  BD-ROM Mark是少量与正常蓝光光盘的数据分开存储的加密数据。每比特地复制BD-ROM Mark是不可能***的。在复制的时候需要将一项特别许可的硬件插入媒体的ROM-mark中,通过这个特殊硬件设备,BDA认为可以有效消除盗版。
 
 
 
 
蓝光播放标准定义
  BD-ROM标准定义了四种蓝光播放标准,包括有:一个仅播放音频,不需要视频***或BD-J的音频播放标准(BD-Audio);其余三个视频播放标准(BD-Video)都必须拥有完全支持BD-J,但允许硬件支持水平不同。
蓝光播放标准定义
特征
 
BD-Audio
蓝光音频
BD-Video
蓝光视频
Profile 3.0*3 Grace Period
(Profile 1.0)*4
Bonus View
(Profile 1.1)*5
BD-Live
(Profile 2.0)
内置永久性记忆 64 KB 64 KB 64 KB
本地存储能力*1 可选 256 MB 1 GB
二级视频***(PiP) 可选
二级音频****2 可选
虚拟文件系统 可选
互联网连接能力
 
注:*1 用于音视频存储和标题更新,可以是内置存储设备或移动介质,如记忆卡或USB闪存。
  *2 二级音频***通常是用于交互式音频和注释。
  *3 Profile 3.0是一个独立的音频播放标准。2008年首张蓝光专辑发布并确认可以在PS3上正常运行。
  *4 Profile 1.0即初始播放标准。
  *5 Profile 1.1即高级播放标准。
  2007年11月1日Bonus View开始应用,并取代Grace Period成为新的BD-Video播放标准。当蓝光软件与基于Bonus View和BD-Live硬件的交互特性应用于Profile 1.0播放器时,只能够发挥光盘的主要功能,一些额外功能则无法使用或只能有限使用。
  
蓝光的向后兼容性能
  虽然不具强制性,但根据蓝光联盟的建议,蓝光光驱应能够读取标准的DVD和CD光盘。部分在2006年推出的早期蓝光光盘播放器可以播放DVD光盘,但不能播放CD,如LG BH100、先锋BDP-HD1、索尼BDP-S1等。
  
蓝光光盘的刻录性能
  蓝光光盘刻录是指重复记录的蓝光光盘格式。普通的BD-R光盘只可以写入一次,而蓝光BD-RE可多次擦除和重新录入。蓝光光盘理论上讲最高刻录速度约为12×倍速,但是10,000+rpm高速旋转会造成太多摆动,从而影响光盘正确读取。
  2007年9月开始,BD-RE开始使用直径8cm大小的迷你蓝光光盘。9月18日,先锋和三菱共同开发BD-R LTH(即“低到高”在槽记录方式)技术,采用有机染料记录层,可以通过现有CD-R和DVD-R生产设备改造来实现,大大降低了制造成本。
  2008年2月,太阳诱电、三菱和Maxell率先推出BD-R LTH光盘。2008年3月,索尼PlayStation 3开始提供支持BD-R LTH光盘的2.20版本更新。
 
 
 
 
蓝光光盘的衍生产品
  迷你蓝光光盘(即Mini-BD或者Mini Blu-ray),是一种直径8cm(约3英寸)的蓝光光盘衍生产品,可以储存约7.5 GB的数据。和MiniDVD的概念类似,目前可录入式BD-R和可擦写式BD-RE迷你蓝光光盘已经成为专用于便携式摄像机和其他小型录制设备的光盘。
  BD9和BD5蓝光光盘是一种与蓝光播放器兼容的视频和音频格式的传统DVD光盘,使用红色激光650nm波长刻录和读取,是一种低性能的蓝光衍生光盘。这种光盘使用成本较低的传统DVD光盘作为载体,不过采用蓝光的先进压缩技术,包括H.264/MPEG-4 AVC、VC-1和MPEG-2。BD9使用标准8152MB DVD9双面光盘,BD5使用标准4482MB DVD5单层光盘。
  BD9和BD5光盘可使用标准家用电脑DVD±R进行刻录,并且可以选择AACS数字版权系统,最初是由华纳开发作为家庭视频设备中一个符合成本效益的替代品出现的。BD9和BD5类似于3×DVD的高清格式。
  AVCREC是官方发布的低性能蓝光衍生光盘,是一种用于存储蓝光光盘可兼容的常规内容的DVD光盘。这种光盘比较符合摄像机的高清短片需要,更容易被一些对价格敏感的朋友所接受。AVCREC类似于高清录制的HD DVD格式。
  需要注意的是,AVCREC不完全支持存储在DVD上的AVCHD。后者是一个独立的媒体格式,目前使用在以DVD、蓝光光盘、记忆棒等为主要存储介质的无磁带摄像机。蓝光播放器读取播放这种光盘时可能需要修改AVCHD目录结构,但并不需要对视频文件进行重新编码。
 
蓝光未来的发展趋势
  虽然蓝光标准已经确立,但开发工程师仍继续对该技术进行改进。四层光盘(100GB)经过TDK公司的光学改良和日立公司的光学标准化,已经可以被光驱读取。日立的四层蓝光光盘可存储7小时的32Mbit/s高清视频,或者3.5小时的64Mbit/s超高清4K2K视频。
  2007年CES展会,Ritek透露已经成功研制出一种高清光盘,可以将光盘容量扩大为10层(250GB),但主要障碍是当时的读写器不支持额外数据层。
  2007年1月,日立展示了100GB的蓝光光盘,拥有4层数据层,每层25GB,与TDK、松下的100GB光盘不同,日立这种光盘支持标准蓝光光驱读写。
  2008年12月,先锋推出容量达到400GB的蓝光光盘,拥有16层数据层,每层25GB,普通蓝光光驱可以通过升级更新后进行读取播放,预计2009-2010年发售这种BD-ROM光盘,2010-2013年发售可擦写光盘。同时先锋还计划在2013年推出容量达到1TB的蓝光光盘。
  2009年CES展会,松下展示了全球首款便携式蓝光播放机DMP-B15,夏普发布了LC-BD60U和LC-BD80U两款首次内置蓝光光驱的液晶电视。同时夏普还计划在2009年底在美国发售首款带蓝光录像功能的液晶电视。
  截至2008年4月,蓝光联合授权协议尚未最终确定。联合授权协议将使更多公司更容易获得蓝光授权,而不必每个公司拥有蓝光光盘专利。为此,蓝光联合授权协议最终将成为DVD的DVD6C授权代理。
 
(作者:佚名 编辑:chenqiang)
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