DVD. Oliver Vornberger Fachbereich Mathematik/Informatik Universität Osnabrück D Osnabrück

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1 DVD Oliver Vornberger Fachbereich Mathematik/Informatik Universität Osnabrück D Osnabrück 1

2 Characteristika Geschichte ffl Vorschlag von Sony, Philips, Pioneer,... ffl Vorschlag von Toshiba, Matshushita, Hitachi, Mitsubishi, Time Warner,... ffl Einigung durch IBM in 1996 Pro ffl bis zu 8 Stunden Qualitäts-Video ffl 16:9-Unterstützung ffl 8 Spur Digital Audio mit bis zu 8 Kanälen ffl 32 Untertitel ffl 9 Kamerastandpunkte ffl interaktive Menus ffl kein Rückspulen ffl Haltbarkeit 100 Jahre Contra ffl noch kleiner Filmbestand ffl noch keine Aufnahme ffl PAL/NTSC-Varianten ffl eingebauter Kopierschutz und Region-Code 2

3 Region Code Weltweite Regionen 1. USA, Kanada 2. Europa, Südafrika, Mittlerer Osten, Japan 3. Südostasien, Ostasien, Hongkong 4. Mittelamerika, Karibik, Südamerika, Pazifische Inseln, Australien, Neuseeland 5. Afrika, Osteuropa, frühere Sowjetunion, Indien, Nordkorea, Mongolei 6. China 7. reserviert 8. Flugzeuge, Kreuzfahrtschiffe,... Verbreitung ffl erhältliche Titel ffl verkaufte DVDs ffl verkaufte Laufwerke 3

4 Lizenzgebühren einmalig pro Player pro Disc Spezifikation $ DVD-Konsortium $ Sony,Philips,Pioneer, $ 0.05 $ Toshiba,Matsushita,Hitachi,Mitshubishi, $ 0.08 $ CSS $ Macrovision $ 0.07 $ Dolby 1.00 $ 0.01 $ MPEG 4.00 $ 0.04 $ diverse 3.00 $ Summe $ 0.25 $ DVD-Varianten Bezeichnung Durchmesser 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 cm DS SL 8.74 GB 4.5 Std. DVD cm DS DL 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 cm SS SL 3.68 GB 1.5 Std. DVD-R cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std. DVD-RW cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std. DVD-RAM cm SS SL 2.40 GB 1.3 Std. DVD-RAM cm DS SL 4.80 GB 2.5 Std. DVD-RAM cm SS SL 4.37 GB 2.0 Std. DVD-RAM cm DS SL 8.75 GB 4.5 Std. DVD-RAM cm DS SL 1.36 GB 0.5 Std. 4

5 Optische Speicher Abtastvorgang Optische Speicher Pit Land Fokussiersystem Halb durchlässiger Spiegel Fotodiode Laser Intensität des reflektierten Lasers Schematische Darstellung des Abstastvorgangs 5

6 Channelbits ffl 1: Wechsel von Land nach Pit oder von Pit nach Land ffl 0: kein Wechsel ffl Zu schnelle Wechsel kann der Laser nicht auflösen ffl Zu lange Land- oder Pit-Folgen behindern die Synchronisation Zwischen zwei Einsen in einer Channelbitfolge ffl müssen mindestens zwei Nullen stehen ffl dürfen höchstens zehn Nullen stehen Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM) ffl mit 14 Bits lassen sich Folgen bilden ffl davon sind 267 zulässige Codewörter ffl davon werden 256 ausgesucht ffl zwischen je zwei Codewörter kommen 3 geeignete Merge-Channelbits ffl ) Datenbyte 17 Kanalbits. Wert Datenbits Kodierung Kodierung der ersten 10 Bytewerte 6

7 Pit-Land-Folge für die Datenbytefolge 5, 2, 0 CD-ROM ffl Spurabstand 1,6 μm ) 6 km Spurlänge ffl Constant Linear Velocity von 1,3 m/sec ffl Umdrehungsgeschwindigkeit innen: 500 U/min ffl Umdrehungsgeschwindigkeit außen: 200 U/min CD-ROM versus DVD DVD verwendet EFM PLUS mit 16 Channelbits pro Datenbyte. CD-ROM DVD Faktor beschreibbare Fläche in cm Spurabstand in μm Minimale Länge eines Pits in μm Channelbits pro Datenbyte Zahl der Bytes pro Datenblock inkl. Fehlerkorrektur Gesamtfaktor ß 7 ffl MBit/sec Bruttodatenrate CD-ROM versus DVD ffl Demodulation, Fehlerkorrektur, Entschlüsselung ffl MBit/sec Nettodatenrate 7

8 Videokompression Vorgabe ffl Pixel à 24 Bit bei 25 Hz ) 253 MBit/sec ffl mittlere DVD-Video-Datenrate: 3.5 MBit/sec ffl ) Kompressionsfaktor 70 Subsampling ffl Transformation von RGB nach YUV ffl Luminanzmatrix erhalten ffl Crominanzmatrizen vereinfachen = Luminanz = Farbdifferenz = Farbdifferenz 50 % Reduktion durch Subsampling 8

9 Räumliche Redundanz (JPEG) ffl Diskrete Kosinustransformation ffl Quantisierung ffl Lauflängen-Kodierung ffl Huffman-Kodierung 2-dimensionale Schwingungen unterschiedlicher Frequenz 9

10 Zeitliche Redundanz (MPEG) ffl Bildfolge wird in Gruppen unterteilt ffl Pro Gruppe 8 Bilder (PAL) bzw. 10 Bilder (NTSC) ffl I-Picture enthält komplette Information ffl P-Picture entsteht aus Referenzbild durch Motion Vektor und Differenzangaben ffl B-Picture entsteht aus zwei Bildern durch Interpolation und Differenzangaben ffl Bildfolge muß für Decoder umgestellt werden Vorher Nachher Motion Vektor kodiert verschobene Macroblöcke I B B B P B B B I I P B B B I B B B Umstellung der Bildfolge 10

11 Formate Filmformate PAL Hz (Halbbilder) NTSC Hz (Halbbilder) Kino mm Zelluloid 24 Hz Transfer-Kombinationen Breitwandfilm 1.85:1 Video 1.33:1 DVD 720 x 576 Transfer-Kombinationen Monitor progressive 1024 x 768 TV interlaced PAL / NTSC 4:3 TV interlaced PAL / NTSC 16:9 11

12 Konvertierung Letterbox f ur 4:3-Display, kodiert auf 720 x 390 Pixel Pan-Scan f ur 4:3-Display, kodiert auf 720 x 576 Pixel Letterbox im 16:9-Display, kodiert auf 720 x 390 Pixel Letterbox gezoomt im 16:9 Display, kodiert auf 720 x 390 Pixel Anamorphe Verzerrung, kodiert auf 720 x 553 Pixel Anamorph entzerrt im 16:9-Display, kodiert auf 720 x 553 Pixel Varianten f ur Breitwand im Format 1.85:1 12

13 Vollbild zu Halbbild A1 A2 A1 B2 B1 C2 C1 C2 D1 D2 A B C D A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 3:2 Pulldown für NTSC (oben) und 2:2 Pulldown für PAL (unten) ffl 24 Vollbilder pro sec ergeben 60 NTSC-Halbbilder pro sec ) bzgl Hz: 0.1 % zu schnell ffl 24 Vollbilder pro sec ergeben 50 PAL-Halbbilder pro sec ) bzgl. 25 Hz: 4%zuschnell, Halbton zu hoch Halbbild zu Vollbild 1. Halbbild 2. Halbbild 1. Vollbild 2. Vollbild Verdoppelung der Bildzeilen beim Bob-Verfahren 13

14 Inhalt Erfassen der Medien ffl Aufnahme mit Photoapparat oder Digitalkamera ffl ggf. Transfer auf Photo-CD ffl Aufnahme mit Analog-Camcorder oder DV-Camcorder ffl Capture mit Digitalisierungskarte oder Transfer per Firewire DIA auf Photo-CD Musik und Sprache Normal-8-Film ohne Ton Video mit Ton 14

15 Vorbereiten der Medien ffl Video (MPEG-2 mit Ligos LSX Encoder als Premiere Plugin) ffl Audio (MPEG-2 mit Ligos LSX Encoder als Premiere Plugin) ffl Auswahlmenus (Multi-Layer-PSD mit Adobe Photoshop) ffl Untertitel (4-Farben-BMP mit Adobe Photoshop) Videoschnitt mit Adobe Premiere Menu im Multilayer-PSD-Format Untertitel im 4-farbigen BMP-Format 15

16 Autorensystem ffl Medien importieren ffl auf Zeitleiste anordnen (Video, Audio, Auswahl-Menus, Untertitel) ffl Einstiegspunkte für Menu-Buttons festlegen ffl DVD-Volume erzeugen ffl UDF-Image erzeugen ffl UDF-Image brennen Screenshot vom Autorensystem Minerva Impression 16

17 Schutzmaßnahmen Macrovision ffl Störsignale im analogen Videoausgang ffl verwirren die Synchronisationslogik bei 95 % aller Videorecorder ffl werden von Fernsehschirmen verkraftet CSS ffl Content Scrambling System ffl 408 Schlüssel auf jeder DVD ffl jeder Lizenznehmer erhält einen dazu passenden Schlüssel ffl Videodaten liegen verschlüsselt mit Title Key im Sektor ffl Title Key liegt verschlüsselt mit Disc Key im Sektor-Header ffl Disc Key liegt 408 mal verschlüsselt im Disc Key Sektor ffl Decoder und Laufwerk authentifizieren sich durch Challenge-Response-Verfahren ffl beide berechnen Bus Key für den weiteren Datenaustausch ffl Laufwerk übermittelt Schlüssel und verschlüsselte Daten ffl Decoder entschlüsselt Daten 17

18 Decoder erzeugt Challenge c1 Laufwerk berechnet aus c1 und secret s eine Response r1 := f(c1,s) verifiziert r1 mit challenge c1 und Secret s erzeugt Challenge c2 berechnet aus c2 und Secret s eine Response r2 := f(c2,s) erzeugt Bus Key b aus r1 und r2 verifiziert r2 mit challenge c2 und Secret s erzeugt Bus Key b aus r1 und r2 Authentifizierung zwischen Laufwerk und Decoder Decoder Laufwerk errechnet mit dem Player Key p den Disc Key d errechnet mit dem Disc Key d den Title Key t errechnet mit dem Title Key t den Sektorinhalt x d := p(p(s)) t := d(d(t)) x := t(t(x)) p(s) d(t) t(x) 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 verschlüsselten Sektorinhalt t(x) Datenaustausch zwischen Laufwerk und Decoder 18

19 Schwachstellen ffl 40 Bit Schlüssellänge erlaubt Brute-Force-Attack ffl Player-Key im XING-Decoder war ungeschützt ffl Gericht veröffentlicht CSS-Verfahren auf Web-Seite Screenshot vom DVD-Ripper CladDVD Screenshot vom mpeg-avi-konverter flaskmpeg 19

20 Literatur ffl Jim Taylor: DVD demystified, McGraw Hill, 2000 ffl ffl c t 20/1999, Seiten ffl c t 13/2000, Seiten