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La Tecnología del DVD

El surgimiento del CD (Compact Disc o Disco Compacto) de audio digital inició una revolución en los medios de almacenamiento de información (datos, texto, audio, video, software), pues permitió grabar en un disco de apenas doce centímetros de diámetro enormes cantidades de datos.

El DVD (Disco Versátil Digital), surge como una alternativa para almacenar mayor cantidad de datos. En muy poco tiempo se convirtió en un medio para la difusión de películas en video de alta calidad, y reemplazando también en muchos casos, al CD de audio y el CD-ROM. El DVD se basa en la misma tecnología del CD de audio convencional, siguiendo el mismo principio de lectura óptica.

Historia del DVD

El DVD no sólo representa un logro tecnológico impresionante, sino también diplomático. Sus orígenes se remontan a 1994, cuando Philips y Sony propusieron un estándar llamado “Disco Compacto de Alta Densidad” para programas de multimedia en computadoras. Unas semanas después, Toshiba, Matsushita y Time Warner Inc. propusieron un formato alternativo llamado Disco de Video Digital de Super Alta Densidad”, fundamentalmente con el propósito de distribuir películas.
Parecía entonces que la industria se enfrascaría en una competencia similar a la guerra comercial entre los formatos Betamax y VHS, que inició en 1977 y cuyas consecuencias y desenlace ya todos conocen; sin embargo, para fortuna de la propia industria y de los consumidores, gracias a la intervensión de los fabricantes de computadoras, ambos grupos se pusieron de acuerdo y adoptaron un formato común. Así, en septiembre de 1995, diez de las principales empresas electrónicas del mundo establecieron las normas para el DVD, saliendo al mercado los primeros equipos a principios de 1997.

Espacio de almacenamiento requerido para video

El CD es un medio de almacenamiento que brinda una capacidad suficiente para audio digital (74 minutos) y satisfactoria en la distribución del software de computadora (640~700 Mb), pero insuficiente para el caso de la grabación de señales de video digital.

En una señal de audio, las frecuencias involucradas son relativamente pequeñas; recordemos que el ancho de banda audible por el ser humano abarca desde 20 hasta 20.000 Hz, por lo que cualquier medio de almacenamiento de audio que aspire a la máxima fidelidad de sonido deberá capturar toda esta gama de frecuencias.
En el CD de audio se utiliza un muestreo a una frecuencia de 44.1 KHz, con una precisión de 16 bits por muestra; en consecuencia, para grabar un segundo de música estereofónica se necesitan aproximadamente 1.5 millones de bits, aunque debido a modulaciones y adición de datos auxiliares, la frecuencia de datos en un CD es de aproximadamente 4.3 megabits por segundo (Mbps), rango muy elevado, aunque manejable por circuitos de bajo costo.

Por contraste, en la señal de video compuesto del estándar NTSC, el ancho de banda va de 0 Hz hasta 4.25 MHz, lo que requeriría una frecuencia de muestreo de por lo menos de unos 9 MHz. Suponiendo una digitalización de mediana calidad (por ejemplo, 10 bits por muestra), el equipo reproductor necesitará manejar 90 millones de bits por segundo como mínimo; y aunque esto no es imposible para la tecnología actual, sin duda requiere circuitos más costosos.

Ante este panorama, y con el propósito de aprovechar un concepto tan poderoso como el del CD, se dio inicio a un trabajo de investigación y pruebas que culminó con el diseño del DVD, el cual es un dispositivo óptico que ofrece una extraordinaria capacidad de almacenamiento, aprovechable para la distribución de video digital y otras aplicaciones donde se manejen grandes volúmenes de datos digitales.

¿Cómo funciona el DVD?CD y DVD

La tecnología que sustenta al DVD, se basa en el mismo principio CD de audio digital; incluso, no es posible apreciar a simple vista las diferencias entre un CD y un DVD, pues salvo pequeñas variaciones, todos los principios teóricos que rigen la lectura de datos desde un CD, se siguen aplicando en el DVD.

Sabemos que en un disco compacto la información se graba en la superficie de datos, en forma de minúsculas elevaciones o pits (figura 1), cuyas dimensiones son las siguientes: 0.5 micras de ancho, 0.11 micras de alto y un largo de entre 0.83 y 3.5 micras, con una separación entre tracks de 1.6 micras; precisamente, en los mayores o menores espacios que separan a uno de otro pit, es donde se codifica la información de audio digitalizada. Para poder leer tan minúscula información, es necesaria la intervención de un medio de lectura con una precisión como la que brinda un rayo láser. Para ello se utiliza un láser infrarrojo (cuya longitud de onda es de aproximadamente 780 nm), concentrándolo por medio de una lente hasta alcanzar un diámetro de 1.7 micras.
A su vez, el CD tiene un espesor de 1.2 mm, casi completamente ocupado por una gruesa capa de plástico transparente; así, además de que la superficie de datos queda protegida contra posibles daños externos, es posible concentrar el haz láser hasta darle las dimensiones adecuadas para la lectura.
La lectura es realizada por un dispositivo especial conocido como "recuperador óptico”, "lector láser", "unidad óptica" o "pick up". Dentro de éste, se combinan elementos electrónicos, ópticos y mecánicos, que permiten la emisión del rayo láser, su conducción hasta la superficie de datos del CD y la recuperación del reflejo; en este último viene modulada la información leída de los pits.

El DVD utiliza el mismo principio electrónico-óptico para leer la información. Sin embargo, gracias a los avances en la tecnología de fabricación de semiconductores, en la actualidad es posible construir diodos láser de mayor frecuencia.
El hecho que éstos alcancen la banda del color rojo, significa una menor longitud de onda (alrededor de 635-650 nm) y, por lo tanto, mayor precisión en la lectura de los datos. Gracias a la reducción de la longitud de onda, es posible construir pits más pequeños y con menor separación entre sí. De este modo, en el DVD es posible construir pits de tan sólo 0.4 micras de largo, contra las 0.83 micras de los pits del CD; y mientras que en el CD la separación entre pistas es de 1.6 micras, en el DVD se ha reducido a sólo 0.74 (figura 2). Estas minúsculas dimensiones han permitido almacenar mayor cantidad de datos por centímetro cuadrado, lo que a final de cuentas se traduce en una mayor capacidad para grabar datos digitales (4.7 GB de un DVD típico contra 0.7 GB de un CD-ROM). Para una más fácil referencia, consulte la tabla, donde se hace una comparación en el formato físico del CD-ROM (derivado del CD) y el DVD.

Comparación de formatos CD-ROM y DVD
  CD-ROM DVD
Discos de una capa
DVD
Discos de dos capas
Longitud de onda Láser 780 nm 650 nm (635nm) 650 nm (635nm)
Tamaño del disco 120 mm
Separación de pistas 1.60 um 0.74 um 0.74 um
Ancho de pit 0.50 um 0.30 um 0.30 um
Largo minimo del pit 0.83 um 0.40 um 0.44 um
Espesor del disco 1.2 mm 1.2 mm (0.6 x2) 1.2 mm (0.6 x2)
Velocidad lineal 1.2~1.4 m/s 3.49 m/s 3.84 m/s
Capacidad de datos  700 Mb 4.7 Gb 8.5 Gb

Grabación por capas

El DVD es mucho más que un CD con capacidad ampliada. La mayor precisión, conseguida a partir de un láser rojo, hizo posible diseñar un ingenioso método de grabación “por capas”; esto, como puede suponerse, permite multiplicar varias veces la capacidad del disco. Primeramente, y para mantener la compatibilidad con los CD’s convencionales, el DVD también tiene un espesor de 1.2 mm; sin embargo, la superficie donde está grabada la información se encuentra exactamente a la mitad de este espesor; es decir, el rayo láser sólo tiene que atravesar 0.6 mm de plástico transparente para alcanzarla. Esto, obviamente, implica una lente con una apertura mayor, lo que se traduce en un recorrido más corto y en una concentración más rápida del haz. Gracias a esta óptica de alta precisión, es posible colocar capas intermedias de información en superficies semi-reflejantes, tal como se muestra en la figura 3.

DVD - Grabación por capas

Observe que, en primer lugar, el DVD puede ser grabado por ambas caras (algo imposible con los CD’s convencionales). O lo que es lo mismo: si utilizando una sola cara del disco es posible grabar hasta 4.7 GB de información, utilizando las dos se dispone de más de 9 GB.
Si además se coloca una capa adicional semireflejante en el trayecto del rayo láser, considerando una colocación apropiada de la lente de enfoque para que sean leídos los datos de la primera capa (en la que le caben aproximadamente 3.8 GB de información) o los de la capa profunda (4.7 GB), el resultado es que es posible almacenar en una sola cara (con doble capa) hasta 8.5 GB de información. Pero como son dos caras, la cantidad total de datos almacenados puede llegar a ser aproximadamente 17 GB, es decir hasta 26.5 veces la capacidad de un CD.

Métodos de lectura

La gran difusión de los CD’s de audio y los CDROM’s motivó a los diseñadores del DVD a procurar la compatibilidad con ambos medios; pero ello implicaba un reto tecnológico muy interesante. Como ya se mencionó, puesto que en el DVD la apertura de la lente de enfoque es mayor que en el CD, el haz láser se concentra más rápidamente, a la espera de encontrar la superficie de datos a una profundidad de sólo 0.6 mm; sin embargo, dado que el CD convencional posee una capa de 1.2 mm de plástico transparente, en condiciones normales el haz nunca alcanzará enfocar en la superficie de datos. Para enfrentar esta limitación, se utilizan diferentes soluciones: Doble lente, Doble pick-up Láser, Lente bifocal y Disparador de cristal liquido

Doble lente
Como su nombre lo indica, en este método se recurre al empleo de dos lentes de enfoque para un mismo lector óptico. Una de las lentes está diseñada para discos de 0.6 mm de profundidad y la otra para discos de 1.2 mm. Entonces, al introducirse un disco se intenta alcanzar el enfoque con una de las lentes; si no se consigue, de manera mecánica se produce una conmutación hacia la otra lente, con la que seguramente se logrará la lectura de la información. Este método se utilizó en los primeros reproductores de DVD de la marca Toshiba. Hoy en día, ya casi no se utiliza.

Doble pick-up Láser
Este método consiste en colocar juntos, dos lectores ópticos: uno optimizado para CD’s y otro para DVD’s. Por lo tanto, cada vez que se introduce un disco ambos recuperadores tratan de obtener el enfoque correcto; cuando uno lo logra, el otro se desactiva para permitir la lectura. Este sistema, hoy en desuso, se utilizó en los primeros modelos de reproductores de DVD, de Sony.

Lente bifocal
Se trata de un solo lente, que mediante un holograma en su parte central, es capaz de crear dos puntos de enfoque distintos al mismo tiempo. De tal manera que con un mismo lente de enfoque se consiguen dos distancias focales: una diseñada para discos de 0.6 mm de profundidad y otra para discos de 1.2 mm.
Si a un aparato reproductor de DVD se le introduce un CD convencional, la lectura se efectuará con el haz enfocado a 1.2 mm; y si se introduce un DVD, se empleará el haz que enfoca a 0.6 mm.

Disparador de cristal liquido
En este caso, se emplea un solo lente y una barrera de cristal liquido, llamada disparador, ubicada entre el emisor láser y lente, la cual actúa variando el diámetro del haz Láser emitido, de modo que al pasar por el lente de enfoque varían la distancia focal.
Cuando el disparador está apagado todo el haz Láser incide en el lente lo cual permite enfocar en discos con una profundidad de 0.6 mm (DVD), cuando el disparador está encendido, el diámetro del haz se reduce y la distancia focal cambia para alcanzar la profundidad de 1.2mm de los CD.

La compresión de datos MPEG

A pesar de que la capacidad de almacenamiento del DVD es siete veces mayor que la de un CD convencional de audio (en un disco de una cara y una capa), para imágenes de calidad en video digital se requiere tal cantidad de espacio que un DVD, sólo alcanzaría para almacenar poco menos de 30 minutos de señal (eso sin considerar todos los bits que se desperdician en sincronización, modulación, etc.). Es por ello que se utiliza además, un sistema de compresión de datos MPEG2, elaborado por el Grupo de Expertos de Películas en Movimiento (mejor conocido por sus siglas en Inglés, MPEG). Este grupo trabaja desde los años 60’s desarrollando y perfeccionado técnicas para grabar la mayor cantidad posible de información en un espacio limitado (compresión de datos). Como resultado, ha desarrollado los estándares JPEG para fotografía, MPEG1 y MPEG2 para video, MP3 para audío, etc.

Formato MPEG1
El formato MPEG1 se aplicó en el video-CD, un formato de disco compacto especial que permitía grabar un video musical con su correspondiente audio, de modo que el espectador pudiera observarlo en el televisor. En realidad nunca tuvo el éxito esperado, y ha desaparecido por completo del mercado. Dicho formato comprime los datos en una relación de 100 a 1, permitiendo la grabación en un CD de una secuencia de video de alrededor de 20 minutos; pero la calidad de la imagen es inferior a la del disco láser de video.

Formato MPEG2
El formato MPEG2 sólo comprime los datos en una relación de 40 a 1, lo que implica una mejor calidad de imagen. MPEG2 utiliza una técnica de compresión de aproximadamente 20 pasos. El propósito de ello es incrementar el flujo de datos (10 Mbps) sólo para imágenes complejas o con mucho movimiento, y reducirlo (1 Mbps) para imágenes sencillas o películas cuyas escenas se desarrollan sin mucho movimiento. Así es como se consigue una muy alta calidad de imágenes, con un volumen de datos promedio de alrededor de 3.5 Mbps.

Las imágenes que vemos en la pantalla de TV, se aprecian como una película con movimiento continuo gracias al efecto de la imagen residual del ojo; pero en realidad se trata de imágenes fijas cambiando constantemente. Estas imágenes pueden ser divididas en dos grandes grupos: el cuadro fijo (el fondo o escenografía sobre el que se desarrolla la acción) y las porciones en movimiento (los actores, vehículos, etc.). En las técnicas de compresión, estos dos grupos se tratan por separado: se reduce el volumen de datos (se aumenta la razón de compresión) para el cuadro fijo, y se aumenta el volumen de datos (disminuye la razón de compresión) para la porción en movimiento.

Como una película consiste en imágenes fijas proyectadas en rápida sucesión, la última pantalla se compara con la precedente (ya almacenada) para detectar las porciones en movimiento; sólo se almacena esta información cambiante (datos de tiempo). El procedimiento para reproducir estos datos (decodificación), es exactamente opuesto al utilizado durante la codificación.

Gracias a la compresión de datos MPEG2, en un DVD no solo podemos tener una película completa con una calidad de video excelente; sino que además puede incluir la banda sonora hasta en 8 idiomas diferentes, y hasta 32 canales de subtítulos que el usuario puede seleccionar a voluntad.

Otras de las prestaciones del DVD

El futuro
Los avances tecnológicos en almacenamiento óptico no se detienen. El disco Blu-Ray con una capacidad de 25Gb para una capa y 50 Gb para dos capas ya es una realidad, y muchas compañías de electrónica trabajan para superar esa capacidad. Pero este es tema para otro artículo.
Puedes enterarte de los avances de esa y otras tecnologías en visitando la sección:
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Este documento está basado en extractos del artículo:
Del Fonógrafo al Disco Versátil Digital (DVD) de Felipe Orozco y Leopoldo Parra.
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