DVD AAN VERNIEUWING TOE HUIDIGE DVD TE KLEIN VOOR HD-VIDEO Toen de DVD in de jaren negentig zijn intrede deed, was iedereen terecht in de wolken over de beeldkwaliteit van de eerste digitale films. De scherpte van een videobeeld wordt vooral bepaald door het aantal pixels (beeldpunten). Op dat vlak is een DVD-film ongeveer dubbel zo goed als een video. Vandaag de dag voldoet de DVD nochtans ook niet meer: de beelden zijn veel te klein voor de enorme plasma- en LCD-schermen die steeds meer in de huiskamers opduiken. High Definition-video (HD) biedt een oplossing: de resolutie is nog eens vijf keer hoger dan die van de DVD. HD wordt stilaan de standaard in tvstudio s, maar de gewone thuisgebruiker blijft nog even op z n honger. Een HD-film neemt namelijk vijfmaal zoveel plaats in op een schijf als een film in gewone resolutie. Op een DVD passen bijgevolg nog maar ongeveer 45 minuten HD-beelden. Het is duidelijk tijd om op zoek te gaan naar een opvolger!
In 1982 brachten Philips en Sony de CD op de markt. Het was een revolutionaire uitvinding. Eindelijk kon muziek digitaal verspreid worden. Teksten, liedjes, foto s en films in digitale vorm zijn eigenlijk niet meer dan een rij van nullen en enen. Elke nul of één wordt een bit genoemd. In een CD zit een laag waarin men putjes maakt op bepaalde plaatsen. De aanwezigheid van een putje wordt als een één geïnterpreteerd, afwezigheid als een nul. Om de data van een CD te lezen, stuurt men een laserstraal op die dataplaat. Men meet dan de weerkaatsing van het laserlicht; die is zwakker als de straal in een putje terechtkomt. Een paar jaar na de muziekwereld zag de computerindustrie in dat CD s ook voor hen interessant waren. Men ontwikkelde de CD-ROM en later ook een type CD dat met een eenvoudige PC beschreven kan worden, de CD-R. Beschrijfbare CD s bevatten een laag die gevoelig is aan temperatuursverhoging. Door de temperatuur lokaal te verhogen met behulp van een laserstraal kan men de structuur van het materiaal wijzigen en zo het effect van een putje bekomen. De recentste evolutie in de wereld van de CD s is de herschrijfbare disk. Hierin gebruikt men een materiaal waarvan men de chemische structuur nog terug kan aanpassen nadat de CD beschreven is. Digitale video Op het einde van de jaren negentig dook de opvolger van de CD op: de Digital Versatile Disc, kortweg DVD. Een DVD kan 4,7 GB data bevatten, 7 maal zoveel als een CD. De DVD ontwikkelde zich tot het medium bij uitstek voor het verspreiden van films, waarbij de kwaliteit opmerkelijk beter is dan die van een!""#$"%&'(#)*$+*,-$.&'/'01&1$2(.3456 Een dual layer DVD bevat twee datalagen, gescheiden!""# 7.48456&45&9:% door ; <.,5"=4""4(5&,)(>$&?:@ een transparante tussenlaag. De bovenste datalaag laat ; 1$A*$284(5&B&CD@&E&F'/'&"8,53,.3&.$G#4.$=$58H 50% van het laserlicht door naar de tweede laag. 9: ; I$8,*&5$$3$3&A(.&.$A*$284(5 $"# Wanneer de laser scherp gesteld wordt op één van de twee lagen wordt minstens 18% van het licht gereflecteerd, 9C 7.48456&45&9C% het minimum voor een standaard DVD-lezer om het ; J5*-&,)(#8&K,*A&(A&8K$&*,"$.&L(M$.& signaal te kunnen interpreteren. figuur 1 O.(""&"$284(5&'/'01&P& '(#)*$&9,-$.&'4"2 4"&,>,4*,)*$&8(&.$2(.3&9C&*,-$.N ; 1$A*$284(5&,)(>$&?:@&FCD@&$AA$284>$&EH! traditionele VHS-video. Een DVD (en ook de beschrijfbare en herschrijfbare variant) werkt volgens dezelfde principes als een CD, maar de bits zijn kleiner geschreven en staan dichter bij elkaar. Om dat mogelijk te maken gebruikt men een laser met een iets kleinere golflengte en lenzen met een grotere NA-waarde. Een kleinere golflengte maakt het mogelijk om kleinere putjes te gebruiken; een lens met een grotere NA kan meer detail weergeven. Deze twee aanpassingen maken het mogelijk om meer data op dezelfde oppervlakte te schrijven. De DVD-standaard werd ontwikkeld rond wat nu DVD-R (één keer beschrijfbaar) en DVD- RW (meerdere keren beschrijfbaar) heet, later heeft een beperkte groep bedrijven nog een DVD-type gelanceerd met iets meer mogelijkheden: de DVD+R(W). Beide systemen worden vandaag de dag door elkaar gebruikt: DVD-R vooral voor toepassingen op industriële schaal en voor video-dvd s, DVD+R vooral door thuisgebruikers. Gelukkig kunnen de meeste moderne toestellen, in tegenstelling tot oudere DVD-spelers, beide varianten lezen en beschrijven. Nu het zover is, betreurt de industrie dat ze vroeger geen betere afspraken gemaakt heeft om compatibiliteitsproblemen te voorkomen. De grootste spelers op de elektronicamarkt hebben beloofd dat ze in de toekomst meer moeite zullen doen om het gebruik van verschillende standaarden te vermijden, maar de kans is groot dat het nooit zover gaat komen. Een schijf met twee lagen Een DVD met één laag kan zowat 2 uur videobeelden bevatten. Om langere films te verspreiden of extra s te kunnen bijvoegen, heeft men een DVD gemaakt met twee lagen: de Dual Layer DVD. Een dergelijke schijf bevat twee datalagen, met daartussen een dunne doorschijnende scheidingslaag. De eerste datalaag is half-transparant, waardoor de laser ook door die laag heen kan schijnen en kan scherpstellen op de tweede datalaag (figuur 1). Onder de eerste da- COMMUNICATIE EN PRESENTATIE STEVEN BLOEMEN DECEMBER 2005 2
Als men een laser op het dataoppervlak van een schijf richt, kan men putjes detecteren die minstens zo groot zijn als de golflengte van het laserlicht. Om meer data op dezelfde oppervlakte te kunnen schrijven, gebruikt men bij een Blu-ray Disc kleinere putjes dan bij een CD of DVD. De blauwe laser die men bij Blu-ray gebruikt, heeft een kortere golflengte (405nm, ofwel 0,000 000 405m) dan de rode laser bij de DVD (650nm), waardoor de putjes ondanks hun kleinere afmetingen zichtbaar blijven. Daarnaast liggen de datasporen op een Blu-ray Disc veel dichter bij elkaar dan bij zijn voorgangers. Men gebruikt fijnere laserstralen en betere lenzen (met grotere NA-waarde) om die fijnere stralen te detecteren. Deze twee aanpassingen resulteren in een grotere datadichtheid en zo in een hogere capaciteit. figuur 2 talaag brengt men een film aan die zilver bevat, om ervoor te zorgen dat er ook voldoende laserlicht weerkaatst om de eerste laag te kunnen lezen. Tegen de snelheidslimiet In de audiowereld volstond het als men een CD op een uur kon lezen. Een CD kunnen afspelen in 30 minuten is volstrekt zinloos als de muziek die er op staat eigenlijk meer dan een uur duurt. Een volle DVD kunnen afspelen in minder dan 2 uur is om dezelfde reden niet zinvol voor de filmindustrie. In de computerwereld ligt dat natuurlijk anders. Hoe sneller men programma s en documenten kan openen op een PC, hoe beter. In de loop der jaren heeft men de snelheid van de CD- en DVD-lezers dan ook drastisch opgevoerd. Er is echter een fysische limiet aan die snelheidsrace. Als je aan hoge snelheid met een auto door een bocht rijdt, voel je dat je naar de buitenkant van de bocht geslingerd wordt. Eenzelfde fenomeen doet zich voor bij een draaiende schijf. Als de rotatiesnelheid van een CD of DVD boven 10800 toeren per minuut gaat, worden de inwendige (centripetale) krachten zo groot dat de schijf uit elkaar vliegt. Dat kan je vergelijken met uit de bocht vliegen als je té snel rijdt. Voor een CD komt die maximale rotatiesnelheid overeen met een leessnelheid van 48x of het lezen van 48 seconden muziek op een normale muziek-cd in 1 seconde. Op vlak van het lezen en het schrijven van CD-R s is die snelheid reeds bereikt. Op een DVD staan de datalijnen dichter bij elkaar, waardoor de maximale snelheid slechts rond 16x ligt. DVD s beschrijven tegen die snelheid is nog maar iets meer dan een jaar mogelijk. De putjes in een DVD zijn veel kleiner COMMUNICATIE EN PRESENTATIE STEVEN BLOEMEN DECEMBER 2005 3
dan die in een CD, een minieme afwijking leidt daardoor sneller tot leesfouten. Het proces om een DVD tegen hoge snelheid te beschrijven is veel ingewikkelder dan bij een CD en vereist geavanceerdere technieken. Philips gebruikt voor zijn 16x DVD-schrijvers een techniek waarbij de sterkte van de laser voortdurend wordt aangepast, rekening houdend met de precieze lokale samenstelling van de schijf en met eventuele onvolkomenheden. Blu-ray versus HD DVD Voor de laatste nieuwe multimediatoepassingen is ook de DVD iets te bescheiden. High Definition videobeelden nemen ruwweg 5 maal zoveel ruimte in beslag als standaard DVD-beelden, er is dan ook een duidelijke vraag naar een schijf met een grotere capaciteit. Twee alternatieven dienen zich aan: de Blu-ray Disc en de HD DVD. Ze maken gebruik van blauwe lasers, die een nog kortere golflengte hebben dan de rode lasers die gebruikt worden bij een gewone DVD en bij een CD, in combinatie met lenzen met een nog grotere NA (figuur 2). De laserkleur verklaart de naam van de Blu-ray Disc, waarbij de e van blue werd weggelaten omwille van patent-redenen. Blu-ray en HD DVD zijn niet onderling compatibel, maar lezers van die twee types kunnen wel oude CD s en DVD s verwerken. Beide systemen worden ondersteund door een schare grote namen uit de elektronicawereld. Momentel lijkt Blu-ray echter aan de winnende hand. Blu-ray schijven hebben een capaciteit van 25 GB voor één layer en 50 GB voor dual layer, terwijl HD DVD op respectievelijk 15 GB en 30 GB blijft steken. Naast die grotere capaciteit pleit ook een veel beter beveiligingssysteem in het voordeel van Blu-ray. Dat laatste haalt vooral filmproducenten over de streep die er uiteraard niet mee opgezet zijn dat hun producties gemakkelijk gekopieerd kunnen worden. Sony, de bezielende kracht achter de ontwikkeling van de Blu-ray schijven, vertrekt sowieso vanuit pole position omdat het zelf twee invloedrijke filmstudio s in handen heeft en daarnaast ook de Blu-ray zal inbouwen in de opvolger van zijn succesvolle Playstation. Naast Sony zitten ook onder andere Philips, Dell en Apple in het Blu-ray team. De HD DVD lijkt sterker op de gewone DVD. Dat drukt de kosten voor de productie van de schijven, wat zeker in het begin van de concurrentiestrijd een belangrijk voordeel zal zijn. Het BLU-RAY HD DVD Belangrijkste elektronicamerken Filmstudio s Apple, Dell, HP, LG, Sony, Panasonic, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Thomson Sony Pictures, MGM, Disney, Fox, Warner Bros en Paramount Toshiba, Nec, Sanyo, Intel, Microsoft Universal Studios, Warner Bros en Paramount Spelconsoles Playstation 3 (Sony, maart 2006) Capaciteit 50 GB 30 GB Andere pluspunten betere beveiliging goedkopere productie COMMUNICATIE EN PRESENTATIE STEVEN BLOEMEN DECEMBER 2005 4
HD DVD-team wordt getrokken door Toshiba, Nec, Intel en Microsoft. Holografische en fluorescerende oplossingen Een dual layer Blu-ray Disc kan tot 50 GB aan data bevatten. Dat lijkt immens veel ten opzichte van de CD en de DVD. Wanneer we vergelijken met de grootte van de huidige harde schijven, enkele honderden gigabytes, is 50 GB slechts klein bier. Het is duidelijk dat Blu-ray over een aantal jaren dus ook weer aan vervanging toe is. In laboratoria wordt daar al aan gewerkt en twee mogelijke werkingsprincipes zijn reeds bekend. Een eerste voorstel is om meer dan twee lagen te gebruiken in fluorescerend materiaal. Als men zo n stapel lagen met laserlicht beschijnt, sturen de verschillende fluorescerende lagen hun reflecties uit in verschillende kleuren. Door de bundel gereflecteerde straling te analyseren per golflengtegebied, overeenkomstig met de verschillende kleuren van de fluorescerende lagen, kan men de reflecties van één bepaalde laag afzonderen en interpreteren. Een tweede voorstel betreft de Holographic Versatile Disc (HVD), waarbij men een groene laser gebruikt om een holografische afbeelding te kunnen maken en bekijken op de disk. Een dergelijke schijf heeft volgens de ontwikkelaars een capaciteit van ongeveer 1600 GB, 340 keer groter dan een DVD. Op een HVD kunnen daarenboven met één laserstraal tot een miljoen bits tegelijk geschreven en gelezen worden, waardoor de HVD ook qua snelheid zijn voorgangers ver achter zich laat. Kiezen is moeilijk Fluorescerende en holografische schijven zijn nog toekomstmuziek. Het jaar 2006 zal ongetwijfeld in het teken staan van de strijd tussen de aanhangers van Blu-ray en de HD DVD. Het feit dat ze niet onderling compatibel zijn, maakt dat er waarschijnlijk eentje het onderspit zal moeten delven, zoals destijds bij de strijd tussen VHS, SVHS en Betamax. Voor de consument maakt die onenigheid binnen de industrie het er alleszins niet gemakkelijker op. Wie morgen een toestel koopt, riskeert volgend jaar te beseffen dat hij of zij toch beter voor het andere systeem had gekozen. Gelukkig zijn er ook een aantal fabrikanten die niet zo uitgesproken partij kiezen en eerder de gulden middenweg bewandelen. Samsung heeft bijvoorbeeld onlangs aangekondigd dat het werkt aan een toestel dat met beide systemen overweg kan. Zou het spijtige verhaal van de DVD-R en de DVD+R zich dan toch nog eens herhalen? Bronnen J. Hellmig, DVDs: in the fast lane, Physics World, July 2004, 21-24 R. van Apeldoorn, DVD du futur : un duel au laser, Trends-Tendances Focus, 17 novembre 2005, 55-56 H. Niepoth, Strijd om opvolger DVD, PC-Active, december 2005, 16-19 Double layer DVD+R, Philips Research http://www.research.philips.com/technologies/storage/ doublelayer/downloads/double-layer_dvdr.pdf W. Knight, Holographic Memory discs may put DVDs to shame, New Scientist, http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn8370 Afbeeldingen: Philips Research http://www.research.philips.com/newscenter/pictures/ storage-optical.html Steven Bloemen Communicatie en Presentatie 2de Bachelor Fysica K.U.Leuven December 2005 COMMUNICATIE EN PRESENTATIE STEVEN BLOEMEN DECEMBER 2005 5