媒体格式浅析：CD、DVD、Blu-ray

发明人：1980年，飞利浦和索尼公司发明了CD；1995年松下、飞利浦、索尼和东芝公司发明了DVD；2000年索尼公司发明了蓝光光盘（Blu-ray）。

美国年度唱片销售：147亿美元。

可录光盘市场：75亿美元。

一张CD可以存储超过734兆字节的数据（80分钟的音频）。一张普通的DVD可以存储7.4GB（2小时的标准清晰度视频）。一张标准蓝光光盘可以存储50GB的数据（23小时的标准清晰度或9小时的高清晰度视频）。

CD是一种非常普及的储存音频格式的载体。但是随着其他数字存储音乐方式的出现，CD的使用量急剧下降。比如，大多数人都熟悉的以电影形式出现在数字多功能机上的DVD光盘或蓝光（BD）光盘。这三种都是光学数据存储介质常见的例子，信息由聚焦的激光读取或写入。

光盘不仅仅用于音乐和视频内容，数字数据也可以是音频、视频或计算机信息的形式。在本篇中，我们将重点描述它们在音频和视频中的运用。

自从1876年留声机发明以来，音乐一直是家庭娱乐普及度极高的方式。在留声机之后，黑胶唱片和盒式磁带相继问世，之后又出现了CD。家庭录像经历了从电影放映机，到Betamax和视频家庭录像系统（VHS）播放器，再到激光唱片、DVD和蓝光光盘的进程。

那么，这些光碟从何而来呢？

CD的历史可以追溯到20世纪60年代数字电子技术的发展。尽管这门新技术的最初应用并不是在录音领域，但是很快研究人员发现它特别适合音乐产业。

存储1秒钟的音乐，需要超过1兆的数据；存储1秒时长的标准清晰度视频，需要6兆的数据，而高清晰度视频每秒大约需要20兆流量。

在同一时期，许多公司开始尝试光信息存储和激光技术。在这些公司中，电子巨头索尼和飞利浦公司在这方面取得了最显著的进展。

20世纪70年代，数字技术的应用和光学技术的应用已经达到了可以结合起来发展单一音频系统或者视频系统的水平。这些技术为数字音频和视频开发人员所面临的三大挑战提供了解决方案。

首次发布

索尼公司在1982年发布了第一台CD机；在美国发行的第一张CD是美国著名的摇滚乐歌手布鲁斯·斯普林斯汀（BruceSpringsteen）的作品。1996年底，日本发行了第一部DVD机，而美国是发行于1997年年初；美国第一部以DVD形式发行的故事片是《龙卷风》。2006年，索尼公司发布了首款官方蓝光播放器；以这种格式发行了多部电影，其中包括了《第五元素》《十面埋伏》《黑夜传说：进化》和《终结者》。

第一个挑战是找到一种合适的方法以数字格式记录音频和视频信号，这一过程称为“编码”。

以1948年克劳德·香农（Claude Shannon）发表的理论为基础，人们提出了一种实用的音频编码方法。这种方法称为脉冲编码调制（PCM），是一种在短时间间隔内采样或收听声音的技术，并将采样转换为数值，然后存储起来以备以后使用。而编码—解码器技术用于DVD和蓝光光盘的视频编码和压缩。

需要大量的数据才能以数字形式存储音频和视频信号。因此要面对的下一个挑战是找到一种合适的存储介质——小型存储介质。这种存储介质足够小、足够实用，但能够保存所有必要的代码，用于在CD上录制歌曲、专辑或交响乐，或用于DVD和蓝光光盘的完整长度的电影。解决这个问题的办法是光盘。光盘可以把大量的数据紧密地压缩在一起。如一张CD上的100万字节数据占据的区域比针头还小。用聚焦的激光束读取这些信息，这种激光束能够聚焦在1.6微米（一微米等于百万分之一米）的区域。DVD和蓝光播放机中使用的短波长的激光聚焦于更小的区域，因而能够更紧密地打包数据。

数字音频或视频系统的最后一个挑战是如何快速处理光盘上的所有紧密信息，以产生连续播放的音频和视频。集成电路技术的发展提供了解决方案，它做到了在微秒时间内处理数百万位数据的能力。

20世纪70年代末，索尼和飞利浦共同制定了一套通用的光盘存储标准。由35家硬件厂商组成的合作伙伴于1981年同意采用此标准，并于1982年首次向音乐爱好者推出CD和CD播放机。

事实上，早在1979年就已经出现了记录视频的光盘，现已消失的激光光盘（LaserDisc）。激光光盘比当时的Beta制大尺寸磁带录像系统（Betamax）和家用录像系统（VHS）提供的音频和视频质量好得多，但它价格过于昂贵，在关键的北美市场没能普及开来。到了20世纪90年代末，DVD已经进入市场，而VHS磁带濒临死亡，虽然VHS在市场份额上击败了Betamax和激光光盘。2006年推出了蓝光光盘，它比DVD更受大众欢迎。

随着流媒体音乐和视频的出现，以及便携式硬盘和通用串行总线（USB）闪存驱动器的普及，导致CD、DVD和蓝光光盘的购买量下降。也许光盘时代也即将终结。

CD、DVD和蓝光光盘看起来小巧而简单，但制作它们所需的技术却很复杂。这三种光盘外径都是120毫米，厚度是1.2毫米。中间的定位孔直径为15毫米。数据以连续的螺旋形式记录在光盘的底面，从内圈开始向外移动。

这个螺旋形轨道由一系列肉眼看不见的“凹坑”和“平地”（坑凹之间的部分）组成（见图2）。沿着轨道移动的微小激光束将光线反射回一个光传感器（一个将光代码转换成电信号的装置）。传感器在平地上比在凹坑中接收到更多的光，这些光强度的变化（开关闪烁）被转换成电信号，表示最初记录的数据。

图2　一张成品光盘包含一圈圈的光轨或高低起伏的“凹坑”和“平地”。CD、DVD或蓝光播放机使用激光束读取“凹坑”和“平地”组成的代码，首先将激光反射信号转换成电信号，再转换成声音和视频。

CD由三层材料组成：基层是由坚固的聚碳酸酯塑料制成的，第二层是覆盖在塑料上的铝涂层，还有一层透明的丙烯酸树脂保护层。有些制造商的光盘使用金或银涂层来代替铝涂层。

单层的DVD，最多可存储4.7G数据，双层的DVD，最多可存储8.5G数据。单层DVD和CD结构一样，包括聚碳酸酯材料的基层、可记录层、反射层和标签层。在单面双层格式中，在DVD同一面上制作了两层记录层，第二层可记录材料是半透明的反射层，激光透过半透明的反射层可以达到顶部的可记录层。(www.xing528.com)

蓝光光盘与DVD类似。主要的区别是这种格式的蓝色激光可以聚焦更小的光束，从而使数据打包得更紧密。单层蓝光光盘可以存储25GB容量的数据。蓝光光盘可以有一层、二层、三层甚至四层。所以他们可以储存比DVD更多的信息。标准的蓝光影碟片是两层。三层或四层格式通常运用于计算机数据存储。

重获新生

随着时间的推移，旧媒介的恶化趋势会使原来的录音和电影变得无声。对关注者们来说幸运的是，将经典作品从老化的保存源（如录像带、磁带）转移到光盘上的修复工作非常有效。这种称为“数字重录”的编辑和数字录音技术能够消除音频的静态干扰，甚至可以填补旧的、损坏的录音记录中缺失的音符和清理视频图像。

光盘必须在非常干净和无尘的条件下在“无尘室”中制造，该房间几乎没有任何灰尘颗粒。房间里的空气经过特别过滤以防止灰尘进入，而且房间里的工作人员必须穿特殊的工作服。CD、DVD和蓝光光盘的制作过程非常相似。

1．首先将原始的音频或视频内容记录到数字磁带或计算机上。实际的节目内容被组织在一个叫作“程序编写”的过程中，包括CD的索引和音轨或者章节、字幕等，DVD和蓝光光盘的数据预制也是一样。这个就是所谓的“预制母片”。

2．制作预制母片是为了创建“光盘母片”（也称为“玻璃母盘”），这是由专门准备的玻璃制成的光盘。首先将玻璃抛光成光滑的表面，再涂上一层黏合剂底漆和一层光刻胶材料。圆盘的直径约为240毫米，厚度为6毫米。在涂上黏合剂和光刻胶后，光盘在烤箱中固化30分钟。

3．接下来，将玻璃母盘放入一台复杂的激光刻录机中。程序通过激光传输到光盘上，接收到激光的部分光刻胶材料被曝光。

4．使用显影药水将曝光部分腐蚀掉，这样腐蚀掉的部分变成凹坑，未腐蚀的凸起部分称作平地。玻璃母盘现在包含了最终光盘将拥有的准确坑凹和平地的轨迹。

5．在蚀刻之后，玻璃母盘经历了一个叫作“电铸”的过程，在这个过程中，另一层金属，如镍，被沉积在光盘的表面上。使用“电”这个术语是因为金属是用电流施加的。圆盘浸泡在含金属离子的电解液中，当电流作用时，在玻璃母盘上形成一层金属。这个金属层的厚度是严格控制的。

6．下一步，将电铸形成金属层与玻璃母盘分开，这是一个坚硬金属盘，同玻璃母盘上凹凸正好相反。一般称为父片。采用同样电铸方法用父片制作母片，再用母片制作模片，模片和父片具有完全相同的凹坑。

7．金属模具的尺寸大于成品光盘的尺寸，所以现在在压印机中将其切割成所需的尺寸。这种缩小版的母片有时称为“模片”。

8．然后，在注塑机中将模片放在与其同样盘形的中空模具上。将熔融的聚碳酸酯塑料注入模具空腔中，形成模具大小的塑料圆盘。冷却时，塑料圆盘的正面形成和玻璃母盘完全一致的凹坑和平面。

9．使用冲孔机在塑料圆盘上冲出中心孔，该塑料盘在此阶段是透明的。接下来，对光盘进行扫描寻找缺陷，比如水泡、灰尘颗粒和翘曲。如果发现缺陷，则丢弃该光盘。

10．如果光盘符合质量标准，那么它就被涂上一层极薄的、反射的铝层。涂层采用真空镀膜。在这个过程中，铝被放入真空室并加热到蒸发点，这使得它可以均匀地涂在塑料圆盘上。

11．接下来，添加一层聚碳酸酯保护层。层的相对厚度取决于光盘的类型和有多少层。CD是单层的，而DVD和蓝光光盘通常是多层的。为了简单起见，我们将描述制作单层光盘的过程。在光盘上喷涂或旋涂透明黏合剂，并且在真空室将聚碳酸酯层黏合到光盘上，以消除所有的空气。使用紫外线烘干固化黏合剂。

12．CD数据层位于光盘可读侧下方1.1mm。DVD的数据层位于中间位置，即0.6毫米。蓝光光盘的可读层最靠近表面，只有0.1毫米深（见图1）。

图1　为清晰起见，将CD、DVD和蓝光光盘的截面图尺寸做了放大。CD的数据层在标签下面离激光器读取器最远。单层DVD的数据层嵌入在光盘的中心。对于蓝光光盘，数据最接近激光读取器。另外数据凹坑的大小以及读取它们的激光束对CD来说是最大的，对蓝光光盘来说是最小的。较小的凹坑意味着同样的区域可以打包更多的数据。

13．红外探测器检测即将印标的光盘，因此可以印刷正确的标签。光盘上涂有一层白色底漆。接下来，使用丝网印刷工艺一次一种地印刷颜色，直至完成标签印刷。

14．光盘现已制作完成，可供包装和运输。光盘是一种非常精确的产品。由于数据被压缩在光盘微观尺寸的区域，因此所有的制造过程中都不允许犯任何的错误。最小的尘埃颗粒都可能导致光盘无法读取。

质量控制的首要问题是确保“无尘室”环境得到适当的监控，控制温度、湿度和空气过滤系统。除此之外，生产过程中还设置了质量控制检查站。例如，利用激光设备检查“主片光盘”的平滑度及光刻胶表面的厚度是否合适。在加工过程的后期，如涂覆金属和丙烯酸涂层之前和之后，会自动检查光盘是否有翘曲，气泡、尘埃颗粒和螺旋轨道上的编码错误。机械检查与人工使用偏振光检查相结合，这样人眼就能发现轨道上有缺陷的凹坑。

一个尘埃颗粒的平均尺寸比光盘上的“凹坑”或“平地”要大100倍，即使是最小的尘埃颗粒落到光盘上也会破坏光盘上的声音。

整个制造过程中不仅仅是检测保证检查光碟的质量，制造光碟的设备亦须仔细保养。比如激光刻录机必须非常稳定，任何的振动都会使刻录前功尽弃。如果没有严格的质量控制体系，光盘的废品率可能会非常高。

正如本章所提到的，随着流媒体和移动存储设备的普及，它们的价格越来越便宜并且市面上到处能够买到，而CD、DVD和蓝光光盘的购买量持续下降。那么问题来了，光盘会消失吗？可能不会。

超高清电视，又称4K电视，分辨率为3840×2160像素，可支持每秒高达60帧的帧率。新一代的光盘是2016年发布的超高清或4K蓝光光盘。这种新光盘具有以超高清质量存储视频的能力，它们可以存储50G～100G的数据。随着越来越多的人购买4K电视，视频存储可能会转向新一代光盘，传统的DVD和蓝光光盘销量将继续下降。即使家庭娱乐光盘的使用量也在不断减少，但是光盘在其他领域的用途会支持光盘技术的研究和发展。

这一章的内容主要关注于光盘在存储音频和视频领域的使用，光盘还有另一个常见的用途是计算机存储。比较而言，光盘是一种非常安全的数据保护方式。企业和个人都将继续使用它们来备份数据。由索尼和松下公司开发的新一代档案光盘（AD）格式可以存储3.3TB容量的数据，确保数据百年不丢失。