Digital Versatile Disc

Oliver Vornberger

Fachbereich Mathematik/Informatik

Universität Osnabrück

http://www-lehre.inf.uos.de/mm/mm15/paper/index.html

http://www-lehre.inf.uos.de/mm/mm15/paper.pdf

Gliederung

• Überblick• Optische Speicher• CSS• MPEG• Filmtransfer• Minerva Impression

Geschichte

1995: Vorschlag von Sony, Philips, Pioneer, ...

1995: Vorschlag von Toshiba, Matshushita, Hitachi, ...

1996: Einigung durch IBM

Pro

• bis zu 8 Stunden Qualitäts-Video • 16:9-Unterstützung • 8 Spur Digital Audio mit bis zu 8 Kanälen • 32 Untertitel • 9 Kamerastandpunkte • interaktive Menus • kein Rückspulen • Haltbarkeit 100 Jahre

Contra

• noch kleiner Filmbestand • noch keine Aufnahme • PAL / NTSC-Varianten • analoger Kopierschutz• digitaler Kopierschutz • Region-Code

Region Code

4

1

12

2

5

6 2

3

5

4

Verbreitung

• 15.000 erhältliche Titel • 100.000.000 verkaufte DVDs • 70.000.000 verkaufte Laufwerke

Lizenzgebühren

Einmalig Pro Player Pro Disc

Spezifikation 5.000 $

DVD-Konsortium 15.000 $

Sony, Philips, Pioneer, ... 10.00 $ 0.05 $

Toshiba, Matsushita, Hitachi, ... 12.00 $ 0.08 $

CSS 10.000 $

Macrovision 30.000 $ 0.07 $

Dolby 1.00 $ 0.01 $

MPEG 4.00 $ 0.04 $

Diverse 3.00 $

Summe 30.00 $ 0.25 $

DVD-VariantenDurchmesser Seiten Schichten Kapazität Spieldauer

DVD-5 12 cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std.DVD-9 12 cm SS DL 7.95 GB 4.0 Std.DVD-10 12 cm DS SL 8.74 GB 4.5 Std.DVD-18 12 cm DS DL 15.90 GB 8.0 Std.DVD-1 8 cm SS SL 1.36 GB 0.5 Std.DVD-2 8 cm SS DL 2.47 GB 1.3 Std.DVD-3 8 cm DS SL 2.72 GB 1.4 Std.DVD-4 8 cm DS DL 4.95 GB 2.5 Std.DVD-R 1.0 12 cm SS SL 3.68 GB 1.5 Std.DVD-R 2.0 12 cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std.DVD-RW 2.0 12 cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std.DVD-RAM 1.0 12 cm SS SL 2.40 GB 1.3 Std.DVD-RAM 1.0 12 cm DS SL 4.80 GB 2.5 Std.DVD-RAM 2.0 12 cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std.DVD-RAM 2.0 12 cm DS SL 8.75 GB 4.5 Std.DVD-RAM 2.0 8 cm DS SL 1.36 GB 0.5 Std.

Optische Speicher

• CD-ROM: Spurabstand 1,6 m 6 km Spurlänge • Constant Linear Velocity von 1,3 m/sec

Optische Speicher

Intensität des reflektierten Lasers

Land

Pit

Fokussiersystem

Fotodiode

Laser

HalbdurchlässigerSpiegel

Channelbits

1: Wechsel von Land nach Pit oder von Pit nach Land

0: kein Wechsel

• Zu schnelle Wechsel kann der Laser nicht auflösen • Zu lange Folgen behindern die Synchronisation

• Zwischen zwei Einsen : mindestens zwei Nullen• Zwischen zwei Einsen : höchstens zehn Nullen

00010000000100100001000

Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM)

• mit 14 Bits lassen sich 16384 Folgen bilden • davon sind 267 zulässige Codewörter • davon werden 256 ausgesucht • zwischen je zwei Codewörter kommen 3 geeignete

Merge-Channelbits • Datenbyte 17 Kanalbits.

EFM-Beispiel für 4,5,2

10010000100000

Channelbits für 2Channelbits für 5

00000100010000

Channelbits für 4

01000100000000 100010 100 000

0 010010001000001 100001000000002 100100001000003 100010001000004 010001000000005 000001000100006 000100001000007 001001000000008 010010010000009 10000001000000

CD-ROM DVD Faktor

CD-ROM versus DVD

26.16 Mbit/sec Brutto 10.08 Mbit/sec netto

Channelbits pro Datenbye 17 16 1.062Beschreibbare Fläche in cm 86.0 87.6 1.02

mSpurabstand in 1.6 0.74 2.16

mMinimale Länge eines Pit in 0.83 0.40 2.08

Zahl der Bytes pro Datenblock inkl. Fehlerkorrektur 3390 2418 1.40

7Gesamtfaktor

Content Scrambling System (CSS)

• 408 Schlüssel auf jeder DVD • pro Lizenznehmer ein passender Schlüssel • Videodaten verschlüsselt mit Title Key im Sektor • Title Key verschlüsselt mit Disc Key im Sektor-Header • Disc Key 408 mal verschlüsselt im Disc Key Sektor • Authentifizierung durch Challenge-Response • Datentransfer von Schlüssel und Daten

Decoder Laufwerk

Authentifizierung

Erzeugt Challenge c1

Berechnet Response r1 := f(c1, s)

Verifiziiert r1 mit c1 und s

Erzeugt Challenge c2

Berechnet Response r2 := f(c2, s)

Verifiziiert r2 mit c2 und s

Berechnet Bus Key b aus r1 und r2

Berechnet Bus Key b aus r1 und r2

Decoder Laufwerk

Datentransfer

sendet den mit 408 Player Keys verschlüsselten Disc Key Sektor P(s)

sendet den mit dem Disc Key verschlüsselten Title Key d(t)

sendet den mit dem Title Key veschlüsselten Sektorinhalt t(x)

errechnet mit dem Player Key p

den Disc Key dd :=p(P(s)

errechnet mit dem Disc Key d den Title Key t t := d(d(t))

errechnet mit dem Title Key t den Sektorinhalt x x := t(t(x)

Schwachstellen• 40 Bit Schlüssellänge erlaubt Brute-Force-Attack • Player-Key im XING-Decoder war ungeschützt • Gericht veröffentlicht CSS-Verfahren auf Web-Seite

Videokompression

• 768 x 576 Pixel à 24 Bit bei 25 Hz 253 MBit/sec • mittlere DVD-Video-Datenrate: 3.5 MBit/sec • Kompressionsfaktor 70

Subsampling

• Transformation von RGB nach YUV • Luminanzmatrix erhalten • Chrominanzmatrizen vereinfachen

Räumliche Redundanz (JPEG)

• Diskrete Kosinustransformation • Quantisierung • Lauflängen-Kodierung • Huffman-Kodierung

Zeitliche Redundanz (MPEG)

• I-Picture: JPEG-Bild• P-Picture: Motion Vektor + Differenz• B-Picture: Interpolation + Differenz

I B B B P B B B I

I P B B B I B B B

Formate

PAL 768 x 576 25.00 Hz (Halbbilder)

NTSC 640 x 480 29.97 Hz (Halbbilder)

Kino 36 x 24 mm Zelluloid 24 Hz

DVD

720 x 576

Breitwandfilm

1.85 : 1

Video

1.33 : 1

Monitor progressive

1024 x 768

TV interlaced 4:3

PAL / NTSC

TV interlaced 16:9

PAL / NTCS

Konvertierung

Letterbox für 4:3

720 x 390 Pixel

Pan & Scan für 4:3

720 x 576 Pixel

Letterbox für 16:9

720 x 390 Pixel

Letterbox

gezoomt für 16:9

720 x 390 Pixel

Anamorph kodiert

720 x 553 Pixel

Anamorph

entzerrt für 16:9

720 x 533 Pixel

Vom Vollbild zum Halbbild

A

B

C

D

A1

A2

A1

B2

B1

C2

C1

C2

D1

D2

A1

A2

B1

B2

C1

C2

D1

D2

PAL2:2 Pulldown

NTSC3:2 Pulldown

wegen 25 Hz4 % zu schnell

wegen 29.97 Hz0.1 % zu schnell

vom Halbbild zum Vollbild

1. Halbbild 2. Halbbild

1. Vollbild 2. Vollbild

Erfassen der Medien

Adobe Premiere

Ligos MPEG Encoder

Adobe Photoshop

Menus Untertitel

Autorensysteme

www.dvddemystified.com

Minerva Impression

00:00:18:00 00:00:21:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-01.bmp00:00:22:00 00:00:27:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-02.bmp00:00:28:00 00:00:30:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-03.bmp00:00:31:00 00:00:36:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-04.bmp00:00:37:00 00:00:41:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-05.bmp00:00:42:00 00:00:44:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-06.bmp00:00:45:00 00:00:48:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-07.bmp00:01:11:00 00:01:22:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-08.bmp00:01:23:00 00:01:29:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-09.bmp00:01:30:00 00:01:35:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-10.bmp00:01:36:00 00:01:38:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-11.bmp00:01:39:00 00:01:40:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-12.bmp00:01:43:00 00:01:44:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-13.bmp00:01:47:00 00:01:49:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-14.bmp00:01:51:00 00:01:58:12 E:\Armin\Untertitel\untertitel-15.bmp

00:00:18:00 00:00:21:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-01.bmp00:00:22:00 00:00:27:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-02.bmp00:00:28:00 00:00:30:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-03.bmp00:00:31:00 00:00:36:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-04.bmp00:00:37:00 00:00:41:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-05.bmp00:00:42:00 00:00:44:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-06.bmp00:00:45:00 00:00:48:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-07.bmp00:01:11:00 00:01:22:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-08.bmp00:01:23:00 00:01:29:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-09.bmp00:01:30:00 00:01:35:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-10.bmp00:01:36:00 00:01:38:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-11.bmp00:01:39:00 00:01:40:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-12.bmp00:01:43:00 00:01:44:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-13.bmp00:01:47:00 00:01:49:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-14.bmp00:01:51:00 00:01:58:12 E:\Armin\Untertitel\subpic-15.bmp