S-38.116 Teletietotekniikka
Tuomas Kohila 42912m
tkohila@cc.hut.fi





































SISÄLLYSLUETTELO

1.0  Lyhenne-ja Termiluettelo
2.0  Johdanto
3.0  DVD: minkälainen ja miksi?
4.0  Tekninen toteutus
       4.1  CD vs. DVD
       4.2 Audio
       4.3 Video
       4.4 Computer
       4.5 Laitteisto ja rakenne
5.0 Yhteenveto
6.0 Laitteistokuvia

1.0 LYHENNE- JA TERMILUETTELO


    LD    -Laser Di
    CD    -Compact Disk
    DVD   -Digital Versile Disk
    AC-3  -(Dolby digital) 5.1 kanavainen äänentoistojärjestelmä
    EDTV  -Enhanced definition television
    NTSC  -National Television Standards Committee
    OSD   -On-Screen Display


2.0 JOHDANTO


Kun puheenaiheena on viihdeteollisuus, puhutaan kasvusta ja valtavasta kasvusta. Elokuvat, televisio, radio, sanomalehdet ja aikakausijulkaisut sekä ne mukavuudet, joita mainitut tuovat, ovat olleet jo jonkin aikaa tuttuja, paisuvat ja jatkavat vain paisumistaan. Tietokoneet, jotka aikaisemmin olivat mainioita työkaluja juuri työkäyttöön, pulpahtelevat nyt joka paikasta kuin sienet sateella. Koskaan aikaisemmin ei elämäämme ole täyttänyt sellainen määrä elokuvia, valokuvia, musiikkia, tekstiä sekä äänitteitä kuin nyt. Juuri siksi tiedon ja tiedon tallentamisen tarve on huimassa nousussa. Informaatioyhteiskunta janoaa uusia ratkaisuja, jotta tiedon käsitteleminen olisi helpompaa ja nopeampaa. Jotta suuri määrä tarkkaa tietoa voidaan tallentaa levylle, on elintärkeää että on olemassa suurikapasiteettinen levy käytössä. Helpoin, mutta ei järkevin tapa, on kasvattaa levyn kokoa. Yhdelle puolelle nykyistä 30 cm LD:tä voimme tallentaa noin 60 minuuttia analogista kuvaa ja tavallisen CD:hen vain viisi minuutta eli tallennuskapasiteetti on todellakin rajoittunut nykyisillä markkinoilla olevilla resursseilla.


3.0 DVD-MINKÄLAINEN JA MIKSI?


Hollywoodin joululahjaluettelo voisi näyttää tältä: CD-levy, jolla on tarpeeksi kapasiteettia ja kayttöaikaa yhdellä puolella levyä, jotta suurin osa kayttötarpeista tulisi katettua, ylivoimainen kuvanlaatu, ylivoimainen äänenlaatu ja monikielisyys. Tätä siis kaivataan sekä tietokone- että videoalalla kipeästi.
Toive näyttää toteutuneen sillä mm. Toshiba-yhtiöt lähtivät näiden tarpeiden pohjalta kehittelemään tuotetta, siis CD pohjaista levyä, joka tyydyttäisi digitaalisesti kehittyvän maailman tarpeita. Tuotekehittelyn tuloksena saatiin valmiiksi DVD-levy, joka ei ehkä maallikolle sano yhtään mitään ainakaan vielä, mutta on tullut jäädäkseen! Levyn loistavia puolia on sen käsittämät ön kyky tallentaa studiotasoista ääntä ja kuvaa. Levyn tallennuskapasiteettia kasvattaa sen kaksikerroksisuus ja kaksipuolisuus, mitkä siis nelinkertaistavat sen kapasiteetin verrattuna yksipuoliseen DVD-levyyn.





4.0 TEKNILLINEN TOTEUTUS


Teknillinen kehitys maailmassa on muuttanut suuntaansa. Suuren teollistumisen aikaan keskityttiin rakentamaan mahdollisimman suuria yksiköitä tuottamaan suuria ja vahvoja tuotteita sekä kestämään pitkään ja näyttämään massiivisilta. Suunta on kuitenkin muuttunut täysin päinvastaiseksi. Nykyään panostetaan yhä enemmän pieniin yksiköihin ja vieläkin pienempiin osiin eli yksilöihin. Tuotteiden ikä on lyhyt valtaisan kehityksen takia ja tuotteista tehdään koko ajan tehokkaampia ja pienempiä. Hyviä esimerkkejä ovat mm. autot ja tietokoneet puhumattakaan puhelimista. Kokoteknologinen maailma hapuaa tuloksia sellaisista uusista laitteistoista, jotka voidaan toteuttaa paremmiksi, nopeimmiksi ja tehokkaimiksi, ja samalla siis koko pienenee. Käytännössä DVD:n kehitys perustuu täysin samaan ilmiöön. DVD muistuttaa edeltäjäänsä CD:tä erittäin paljon. Se tekniikka, jolla tieto haetaan ja miten sitä käsitellään, on periaatteeltaan sama. Ainoastaan se, miten laser kohdistetaan ja tarkennetaan, ja tekniikka, miten tietoa poimitaan levyn pinnasta, on hiukan kehittynyt. Laser, joka valaisee levyn pintaa, voidaan tarkentaa, jolloin se tunkeutuu ylemmän kerroksen läpi ja lukee alempaa pintaa levyn sisässä. Kaksipuoliset levyt ovat käytännössä rakennettu siten, että on rakennettu CD-levy, joka on puolet ohuempi kuin vanha malli ja sitten isketty kaksi yhteen. Näin on saatu entisen paksuinen, mutta tuplapuolinen levy. Itse asiassa syy siihen, että kehitettiin kaksipuolinen levy, oli se, että 1,2mm paksun yksittäisen levyn ominaisuudet eivät olleet virheettömät, vaan levyn ollessa näin paksu, käytössä ja kirjoitusvaiheessa levyn pintaan tulee epätasaisuuksia, mitkä sitten saattavat aiheuttaa bittien muuttumista. Vielä kun on onnistuttu muodostamaan kullekin puolelle kaksi luettavaa tasoa, on voitu rakentaa 17 Gt:n DVD-levy. Mainitsemisen arvoista on, että DVD-levyn todellinen saavutus ei piile sen monitahoisuudessa, vaan todellakin siinä, että yhdelle puolelle on pystytty ahtamaan jopa 4,7 Gt. Eli vaihtoehdot DVD:n koolle ovat siis 4,7 Gt , 8,5 Gt ja 17 Gt.

DVD-asemissa lukupäissä on ns. Dual-focus pickup system, jossa on hologrammilinssi. Tällä yhdellä ainoalla linssillä voidaan tarkentaa laser lukemaan sekä DVD-levyjä että CD-levyjä ilman, että minkäänlaisia muutoksia tarvitsee tehdä.




Kuva1. Dual-focus pickup system, joka pystyy poimimaan dataa kahdelta tasolta


 Teknillistä toteutusta valaistaan kolmen suurimman eli video-, audio- ja tietokoneteollisuuden tarpeiden näkökulmista. Sitten katsomme laitteistototeutuksia ja muistin virkistämiseksi vertaillaan vanhaa CD:tä ja DVD:tä.






4.1 CD vs. DVD

Tässä vertaillaan CD:tä ja DVD:tä lähinnä taulukon 1. ja kuvan 2. perusteella.


LEVY DVD CD
Halkaisija 120 mm 120 mm
Paksuus 0.6 mm 1.2 mm
Urien väli 0.74 nm 1.6 nm
Uran min. pituus 0.40 nm 0.834 nm
Laserin aallonpituus 640 nm 789
Kapasiteetti/Puoli 4.7 GB 0.68 GB
Puolia 1/2/4 1
Nopeus 4.0 m/sec 1.2 m/sec





























4.2 AUDIO

Millainen olisi DVD:n kapasiteetti musiikillisesti? Levyn taltiointikapasiteetti riippuu luonnollisesti bittisuhteesta. Korkea bittisuhde on verrannollinen suoraan korkeatasoiseen kuvaan ja ääneen elokuville ja musiikille. Esimerkiksi ajatellaan CD:tä hiukan tarkemmin. CD:ssä käytetään 16 kvantisointibittiä, näytteenottotaajuus on 44.1 kHz ja kaksi kanavaa. Tästä saamme bittisuhteen 16 x 44.1k x 2 = n.1.411k (bit/sec). CD voi tallentaa dataa 74 minuuttia, eli 4440 sekuntia. Kokonaiskapasiteetti on 1411 x 4440 = n. 6265 Mb. Kun yksi tavu on kahdeksan bittiä, saamme 783 Mt CD:n taltiointikyvyksi. Kun ääni on tallennettu DVD:lle, jonka kapasiteetti on 4.7 Gt (37.6 Gb), maksimi soittoajaksi saadaan 37.6e6 / 1411 = 26648 sec, eli 7 tuntia ja 24 minuuttia soittoaikaa samalla näytteenottotaajuudella ja kvantisointibittimäärällä. Äskeinen esimerkki osoittaa minkälaisia mahdollisuuksia on olemassa, kun on mahdollisuus tallentaa seitsemän ja puoli tuntia digitaalista CD-tasoista musiikkia. Silloin on vasta yksi neljäsosa levyn todellisesta koosta käytetty eli kokonaisuudessaan on mahdollista tallentaa 26 kappaletta tavallisia musiikki CD:itä yhdelle DVD-levylle! Vaihtoehtoja, miten tuota kykyä käytetään, on lukemattomia, mutta mainittakoon, että studiotasoista musiikkia voidaan tallentaa yhdelle puolelle ja yhdelle tasolle n. 2 tuntia 28 minuuttia käyttämällä edellisiä asetuksia.

Elokuvissa on totuttu siihen, että käytössä on kuusi kanavaa: kaksi edessä, kaksi takana, yksi keskikanava ja erillinen matalien taajuuksien toistoon tarkoitettu kanava. Kuitenkin kotikäyttöön on ollut tarjolla vain Dolby surround-nimikkeellä kulkevia järjestelmiä, joissa on ainoastaan neljä kanavaa. DVD tarjoaa tähänkin ratkaisun. Levylle on koodattu sekä AC-3 että MPEG2 audio, joista AC-3 tarjoaa kuusikanavaisen äänentoiston ja MPEG2 kahdeksankanavaisen, jossa jokainen kanava on täysin erillään muista kanavista. Kuitenkin yhteensopivuuden säilyttämiseksi DVD-soittimissa on säilytetty enkooderi kääntämään edelliset koodaukset stereojärjestelmille tai vanhemmille surround-järjestelmille.



4.3 VIDEO

DVD-levylle siis voidaan tallentaa millaista tahansa digitaalista dataa, ja ensimmäisenä elokuva-ala on alkanut hyödyntämään DVD:n mahdollisuuksia. Juuri elokuvissa kotona voi huomata ne edut mitä DVD tarjoaa verrattuna VHS-järjestelmään ja LD:hen. Ensimmäinen ja suurin etu on kuvan laatu: se on terävä, selkeä ja tarjoaa kirkkaat värit poikkeuksetta (kuvan laatu on noin 200% parempi kuin videokasetilla). Kun 1930-luvulla televisio kehitettiin, TV-kuva oli melkein neliönmuotoinen: neljä yksikköä leveä ja kolme korkea. Kaikki televisiot tehtiin toimimaan tällä kuvakoolla, ja niin televisioteollisuus juuttui tähän 4:3 formaattiin. Kuitenkin elokuvia on kehitetty ja ne on viime vuosina tuotettu yhä leveämmille formaateille. Tällöin käyttöön ovat tulleet myös leveät TV-kuvaformaatit: 16:9 ja 20:9, joista kumpikaan ei oikein sovi 4:3 TV-kuvalle ymmärrettävistä systä. Kun elokuva siirretään videolle, valmistajalla on kaksi vaihtoehtoa: muuttaa kuvaa siten, että se sopii täysin 4:3 näytölle tai siirtää se sellaisenaan, jolloin merkittävä osa TV-ruudusta jää mustaksi. Tätä toimenpidettä kutsutaan nimellä cropping ja se aiheuttaa kuvaan muutoksia ja poistaa kuvasta aspekteja.




Kuva 3. Tässä demonstraatio, miten wide-screen-ja letter-box-näytöt suhtautuvat toisiinsa nähden
DVD tarjoaa ensimmäisenä videoformaattina myös laajakuvan uusiin EDTV-televisioihin. DVD laitteen käyttäjänä voit valita kumpaa kuvaformaattia käytät. DVD tuo kotiteatteriisi ne kaikki aspektit, jotka ovat olleet jo pitkään tarjolla CD:n ohessa. Infoa voi hakea nopeasti mistä tahansa levyltä. Voit aloittaa katselun siis mistä tahansa ilman viivytyksiä, voit katsella hidastettua kuvaa ja kelauskuvaa paljon terävämpänä kuin aikaisemmin. Eikä siinä vielä kaikki, sillä voit pelata interaktiivisia videopelejä ja voit seurata esimerkiksi urheilutapahtumia haluamastasi kuvakulmasta ja mitä tahansa kuvakulmaa voit hidastaa tai kelata minimaalisella viiveellä.

DVD tarjoaa myös mahdollisuuden lukita elokuvia salasanalla, joka mahdollistaa sen, että sama elokuva voi olla samalla levyllä useita kertoja esimerkiksi director's cut, sallittu versio ja PG-13 versio.

DVD voi olla todella myös ensimmäinen kansainvälinen digitaalinen videolevitysstandardi. Sille voidaan tallentaa useita ääniraitoja (jokaisella useita kanavia) ja se voi tukea maksimissaan aina kahdeksaa eri kieltä. Lisäksi on olemassa 32 eristettyä lisäraitaa, jotka voivat sisältää tekstitystä kuuroille tai ohjaajan kommentteja yms.

NTSC on säätänyt kansainväliset televisiostandardit jo mustavalkotelevision käyttöönotosta lähtien. Siten se on pyrkinyt säilyttämään televisioiden yhteensopivuuden. Tämä on aiheuttanut ongelmia väri-informaation (Chroma) ja mustavalkoinformaation (Luma) välillä ja aiheuttaa kuvan laatuun häiriöitä varsinkin terävien esineiden rajapintoihin. DVD ratkaisee tämänkin sijoittamalla Luman ja Chroman selkeästi erilleen, omille kaistolleen.

DVD käyttää kuvan pakkauksessa MPEG2:ta, koska elokuvaa ei saa mahtumaan yhdelle (neljästä) tasolle kokonaan. MPEG2 käyttää vaihtelevaa bittisuhdetta siten, että se määrittyy kuvan sisällön perusteella. Bittisuhde pienenee, jos kuvassa on vähän informaatiota ja kasvaa, jos kuvassa on paljon informaatiota.

Yksi puoli DVD-levystä voi sisältää 4.7 Gt: 3.5 Mbit/sec on varattava liikkuvalle videokuvalle, 1.152 kbit/sec äänentoistolle ja 40 kbit/sec muulle. Näistä saadaan summaksi 4.692 Mbit/sec. 135 minuuttia elokuvaa kaikkineen vaatii 4.692 x 135 x 60 / 8 = 4.750e9 eli 4.750 Mt. Eli lopputulos on juuri sopiva kaikkia käytännöllisiä käyttötarkoituksia silmälläpitäen. Mainittakoon, että ainakin 94% kaikista elokuvista on alle 135 minuuttia pitkiä.


4.4 TIETOKONE

DVD:n käyttömahdollisuudet tietotekniikan alalla ovat vieläkin suuremmat kuin aikaisemmin mainituissa.
Tietoa pitää aina pystyä tallentamaan. Varmaa on että tiedon määrä, jota pakataan ja tallennetaan tulee vain kasvamaan. DVD tarjoaa mahdollisuuden tallentaa valtavia tiedostoja. Tunnetusti tietokoneilla voi luoda mitä mielikuvituksellisimpia asioita ja nyt on takarajaa siirretty taaksepäin. Epäilenpä, että pelien lisäksi kaikki muutkin sovellutukset tulevat liittymään hyödyntäjien piiriin, varsinkin kun kirjoittava ja uudestaan kirjoittava DVD saapuvat markkinoille.
Suuri ongelma DVD:n yleistymisessä on se, että kopiointi on erittäin yleistä. Kun kyseessä on sellainen levy, joka tallentaa digitaalisesti saamansa tiedon periaatteessa ikuisiksi ajoiksi eli sitä tietoa voi levittää samantasoisena kuin oikeuksien haltija. Siksi on suunniteltu useita keinoja kopioinnin estämiseksi. Juuri tietokoneisiin suunnitellaan sellaisia sovelluksia, jotka estävät kopioinnin. Tässä esitän muutaman julkistetun ehdotuksen:

-On ehdotettu, että save as toiminto poistetaan Movie Player-ohjelmistosta kokonaan. Tämä on yksinkertainen toiminta eikä ole vaikeata toteuttaa.Kuitenkin jotkut valmistajat haluavat varmempia toimia.
-PC:n operoiva työympäristö muokataan sellaiseksi, että se tunnistaa DVD:n ja estää sen datan kopioinnin kaikilta ohjelmilta PC:llä. Tämän ovat kaikki valmistajat hyväksyneet, mutta se ei kuitenkaan ole triviaali ratkaisu. Windows97:ään tallaan sisällyttämään tämä toiminto vuoden 1998 aikana.
-Järjestetään tietokoneen hardware siten, että DVD data ei koskaan kulje PCI-väylän kautta, mikä estää datan dekryptauksen CPU:lta ja tallentamisen kovalevylle tai nauhalle.




Kuva 4. DVD liitettynä tietokoneeseen: huomaa miten väylät liittyvät DVD:hen



4.5 LAITTEISTO

Kuten kaikki elektroniikkavalmisteet, DVD koostuu masterointilaitteistosta, fyysisestä siirtoaineesta ja itse soittimesta. DVD on kiistatta monimutkaisin henkilömyyntiin tarkoitettu tuote. Kun elokuva on siirretty kuvamuodossaan videokasetille, sen pitää olla erityisesti käsitelty ennen kuin se voidaan siirtää DVD:lle. Masterointi prosessi käsittää useita askelia:

-Skannataan videonauhaa tunnistaaksemme muutoksen ja sen nopeuden, asetetaan halutut asetukset esim. kuvan käytön rajoitukset.
-Puristetaan video MPEG2 formaattiin käyttämällä vaihtelevan bittisuhteen enkoodausta.
-Puristetaan audio Dolby AC-3 surround formaattiin.
-Multipleksoidaan eli yhdistetään pakattu audio ja video samaan datavirtaan.
-Emulaatio eli simuloidaan diskin toiminta masterointijärjestelmässä.
-Luodaan datanauha, joka kuvaa DVD:tä
-Luodaan Master-yksilö

Edelliset on toteutettu käyttämällä suuritehoista työasematietokonetta, joka ohjaa kahta todella tehokasta signaaliprosessoria, toinen äänen ja toinen kuvan enkoodaukseen.




Kuva 5. Masterointi




Paljaaltaan digitaalinen video veisi noin 40 kappaletta 4.7 Gt levyä. Onneksi kuitenkin videot sisältävät paljoa elementtejä, jotka ovat samoja tai toistuvat, ja näin ne voidaan poistaa tai liittää muuhun. Esimerkiksi jos verrataan bittimääriä, kun enkoodataan lehtipuuta tai pilvistä taivasta, vaatii ensimmäinen huomattavasti enemmän bittejä kuin jälkimmäinen. Tätä toimintaa kutsutaan enkoodaukseksi, ja se voi eliminoida yli 97% datasta ilman että huomioitavia muutoksia ilmenee. Kuten jo aikaisemmin on mainittu, DVD-järjetelmässä käytetään MPEG2 digitaalista videoenkoodausstandardia. Enkoodaus on monimutkainen toiminto ja esimerkiksi MPEG2 sisältää 14 kappaletta erikoisia videomikroprosessoreita toimimassa rinnan, jotta se löytäisi yhtäläisyydet videokuvasta. Jokainen prosessori sisältää 1.2 miljoonaa loogista transistoria ja suorittaa 2.5 miljardia aritmeettista operaatiota sekunnissa.




Kuva 6. Kuvassa koodaukseen tarvittavan datan määrä elokuvan aikana.


Itse DVD-soitin koostuu seuraavista komponenteista:

-Levynlukulaite: Koostuu moottorista, joka pyörittää levyä, laserista, joka lukee data levyn pinnalta. Laser käyttää punaista valoa (CD:ssä on käytetty infrapuna-valoa)
-DVD-DSP (signaaliprosessori): Integroitu piiri, joka muuttaa laserpulssit sähköiseen muotoon.
-Digitaalinen audio/video-dekooderi: Muuttaa pakatun datan studiotasoiseksi videoksi ja cd-tasoiseksi ääneksi.
-Microcontroller: Ohjaa laitteen toimintaa.




Kuva 7. DVD-aseman rakenne.



Miljoona loogista transistoria tekee audio/video-dekooderista selvästi monimutkaisimman komponentin DVD-soittimessa. Dekooderilla on kolme elintärkeää funktiota:

-Erota ja synkronisoi audio-ja videodata.
-Dekoodaa videodata-ja sijoita data näytölle.
-Dekoodaa audiodata ja sijoita se kotiteatterin vahvistimille.

Näiden lisäksi audio/video-dekooderin tulee pystyä implementoimaan OSD grafiikkaa varten, enkoodata kuusi kanavaa audiota Dolby ProLogic formaattiin, pystyä implementoimaan VideoCD 2.0:aa ja CD-digital audiota.

Itse levy rakentuu heijastavasta alumiinikelmusta, joka on puristettu läpinäkyvän muovin sisään. Data on tallennettu tiukaksi sarjaksi pieniä aukkoja spiraalimuodossa alumiinikelmussa. Arvioidaan, että DVD-levyn valmistushinta on noin 4.0mk kappale sisältäen pakkauskulut(VHS on noin 15 mk). Tätä pidetään yhtenä potentiaalisena aspektina, joka voi antaa DVD:lle etulyöntiaseman VHS:ään nähden.




Kuva 8. Yksinkertainen kuva DVD:n rakenteesta.


5.0 YHTEENVETO


DVD painii omassa luokassaan ja tulee olemaan vihdoinkin se, joka saa aikaan digitaalisen vallankumouksen videomaailmassa kuten teki CD aikanaan akustisella puolella. DVD:n kyvyt ovat uskomattomat ja se avaa ovia lähes joka suuntaan digitaalisessa ympäristössä. Sen myynti on alkanut marraskuussa '96 ainakin USA:ssa ja Japanissa, tällä hetkellä on jo satoja elokuvia julkaistu DVD:lle. Mutta ongelmitta ei olla edetty tähän pisteeseen eikä ongelmat ole vielä ohi. DVD:n periaate ja kyvyt ovat vielä kysymysmerkkejä monelle ja sen leviäminen on kovasti markkinoinnista kiinni. Suuret yhtiöt ovat varovaisia uuden tuotteen valmistusmäärien kanssa ja taistelevat kopiointisuojauksien parissa. Toinen huono puoli DVD:ssä on sen ongelmallinen esirippu Euroopan ja USA:n välissä. Philips nimittäin ei halua käyttää AC-3 äänentoistoa, vaan haluaa käyttää omaansa ja kehittää CD-i laitteistojansa. Vähän hullulta se tuntuu, kun tietää, että 99% rahaa tuottavista elokuvista valmistetaan Atlantin tuolla puolen ja AC-3 on puhtaasti amerikkalainen keksintö. Luultavasti tämäkin riita on ratkennut suuntaan tai toiseen jo nyt, mutta suurta julkisuutta se ei ole saanut. Ensimmäinen lupaava askel, joka saatiin DVD:n onnistumisesta, oli se, että suuret elektroniikkajätit Sony ja Toshiba sopivat DVD-standardista, jota he aikovat noudattaa. Sittemmin DVD:tä on työnnetty eteenpäin kovalla vauhdilla, ja kaksi vuotta sen luomisen jälkeen näkyy jo valoa tunnelin päässä. DVD:tä tullaan käyttämään moneen muuhunkin kuin mainitsemiini tarkoituksiin. Esimerkiksi TV-pelit tulevat olemaan iso hitti, sillä voi vain kuvitella mitä 17 Gt:n kapasiteetillä voi tehdä. Odotettavissa on, että kirjoittava DVD tulee markkinoille vuoden 1997 aikana. Siitä vuosi tai kaksi, niin uudelleenkirjoittava DVD on myynnissä!


6. KUVIA








Akain markkinoilla oleva DVD laitteisto.





Panasonicin vastaava.





Tuomas Kohila <tkohila@alpha.hut.fi>