Capacité

Selon le nombre de couches qu’il contient et selon qu’il soit simple ou double face, le DVD que vous aurez entre les mains aura une capacité de stockage allant du simple au quadruple :
- avec une face et une couche, le DVD-5 a une capacité de 4,7 Go de données ;
- avec une face et deux couches, le DVD-9 a une capacité de 8,5 Go de données ;
- avec deux faces et une couche, le DVD-10 a une capacité de 9,4 Go de données ;
- avec deux faces et deux couches, le DVD-18 a une capacité de 17 Go de données.

La plupart des DVD du commerce sont maintenant des DVD-9, ce format étant le meilleur compromis entre capacité et confort d’utilisation (pas besoin de retourner le DVD à la mi-lecture).

Fabrication

Composition physique d’un DVD

Tout comme le CD, le DVD est un disque de 1,2 mm d’épaisseur. Mais, contrairement au CD, il est en réalité composé de deux disques de 0,6 mm chacun collés l’un à l’autre.

Le premier contient une couche de polycarbonate et une surface qui recevra la sérigraphie ou la surface imprimable. Pour obtenir le second disque, on fait fondre à 320°C du polycarbonate que l’on injecte puis que l’on presse contre un moule afin qu’il prenne la forme de l’empreinte voulue (elle-même moulée à partir du modèle du DVD à presser : le glassmaster). Une fois cette forme prise (les données sont alors physiquement sur ce disque), on dépose par bombardement une pellicule métallique de 0,05 micromètre (servant de surface réfléchissante, la plupart du temps en aluminium, plus rarement en or ou en argent).

Les deux couches sont ensuite collées l’une à l’autre. Afin de protéger le tout, on utilise de la laque anti-UV puis on fait sécher.

Dans le cas d’un DVD double couche, et ce afin de permettre au laser de lire l’une ou l’autre des couches, on dépose une pellicule semi-réflective qui, selon l’intensité du laser, sera réflective ou transparente. Dans les cas d’un DVD double face (donc sans place pour une véritable sérigraphie), les deux disques collés sont de fabrication identique (seuls le moule et les données qu’il imprime changent). Dès lors, la partie « sérigraphiable » disparaît et le seul élément permettant de distinguer un DVD d’un autre sera le rond central.

Creux et plats : 12 kilomètres de données

Sur le polycarbonate sont incrustées, à la manière de remparts, les données sous forme d’alvéoles (les « creux ») et de surfaces planes (les « plats »). Attention, en prenant le schéma d’un DVD sur la tranche, les creux nous semblent être des bosses (des « remparts hauts »). Mais il faut bien comprendre que du point de vue de la lentille (d’en dessous donc), ce sont bien des creux ; ils sont plus éloignés que les plats.

Ces creux sont de taille microscopique : 120 nanomètres (nm) de haut, 300 nm de large et 400 nm de long. Cela permet d’éloigner chaque piste sur le disque de 740 nm seulement. Ces dimensions, encore plus petites que celles d’un CD classique, permettent de stocker au moins sept fois plus de données sur la même surface. Ainsi, si l’on pouvait « dérouler » la piste complète des creux et des plats qui forment le disque, celle-ci mesurerait 12 km de long pour un DVD-5, 24 km pour un DVD-9 standard, contre « seulement » 5 km pour un CD normal.

Les données suivent par ailleurs une spirale du centre vers la périphérie du disque. Cela permet au besoin de fabriquer des DVD de diamètre plus petit (8 cm au lieu des 12 cm habituels, ou même au format "carte de visite"), à condition que l’on accepte de se passer de la surface de stockage ainsi perdue.

Techniques d’obtention des creux et des plats

Dans le cas d’un pressage (DVD d’un film acheté dans le commerce), les creux et les plats sont obtenus par injection et pressage, ce qui permet d’obtenir beaucoup de DVD en peu de temps.

En revanche, dans le cas de DVD vierges que l’on grave, ce sont le laser et son effet thermique très localisé qui se chargeront de créer des creux.

Dans le cas d’un DVD+/-R (où la gravure est donc définitive), les zones où l’on souhaite voir apparaître un creux sont chauffées à 250°C (c’est-à-dire au-delà de leur température critique). Elles deviennent donc opaques, modifiant ainsi l’intensité lumineuse qu’ils renvoient lorsqu’ils sont touchés par le laser.

Dans le cas d’un DVD+/-RW (où la gravure est donc réversible), c’est la structure même du matériau qui change : on chauffe à 750°C pour que le matériau devienne liquide et passe d’un état cristallisé à un état amorphe (après un brutal refroidissement). Ce changement d’état entraîne également un changement dans l’indice de réfraction de la surface. Il sera plus tard détecté par la photodiode afin de traduire ces différents états en autant de creux et plats. Si l’on veut effacer les données, il faut revenir à un état cristallisé en chauffant cette fois à 250°C.

Revers de la médaille : ces disques réinscriptibles réfléchissent moins de lumière et ne peuvent donc pas être lus par toutes les lentilles.

Nous avons désormais vu tous les moyens de stocker des données sur un disque, voyons maintenant comment celles-ci sont décodées par le lecteur.

Principe du décodage des données

Pour pouvoir lire et décoder ces données invisibles à l’œil nu, le matériel côté platine se doit d’être encore plus précis que pour un simple CD.

Du principe optique...

Afin de transformer ces creux et ces plats en données exploitables, on utilise un laser rouge d’une longueur d’onde de 650 nm (pour que le système fonctionne, la lumière émise doit être monochromatique) qui se réfléchit sur les creux comme sur les plats. Le laser rebondit sur la couche réfléchissante d’aluminium située derrière les creux et revient vers une photodiode par un jeu de prismes.

Dans le cas d’un DVD double couche, selon la couche à laquelle on souhaite accéder, soit le rayon ira rebondir sur la couche semi-réflective, soit il passera au travers de celle-ci pour rebondir sur la couche réfléchissante d’aluminium.

La clé réside dans le fait que lorsque le rayon rencontre un creux suivi d’un plat, ou un plat suivi d’un creux, la partie du rayon se réfléchissant dans le plat annule celle se réfléchissant dans le creux : c’est le déphasage. La photodiode reçoit alors un reflet moins puissant que si le rayon avait rencontré un creux ou un plat seul, et cette différence peut ensuite être traduite en langage binaire.

... au langage binaire

C’est ce changement dans l’intensité de la réflexion du signal qui permet de déterminer si l’on a affaire à un creux ou à un plat, et qui signale que l’on passe de l’un à l’autre (entraînant alors un « 1 » en binaire).

Ces différences de réflexion sont exprimées par la photodiode sous la forme d’un signal électrique, et ce signal est ensuite traité afin d’être traduit en 1 et en 0, en langage binaire exploitable.

On pense souvent qu’un creux (ou un plat) correspond à un 0 ou à un 1. En réalité, la position par défaut est 0 et le 1 apparaît lors d’un changement plat vers creux ou creux vers plat. Ainsi, si cinq creux se suivent avant un plat, suivi lui-même de deux autres plats puis de quatre creux, on obtiendra « 000001001000 ».

Maintenant que le principe de décodage des données brutes est connu, penchons-nous sur la partie mécanique du problème.

Afin que toutes les données du disque puissent être correctement lues, celui-ci doit tourner à une vitesse donnée tandis que le rayon laser doit être capable de suivre la piste sur le disque très précisément et ce, tout le long de la « spirale » que forme la piste.

Un moteur : une contrainte

On trouve donc au sein de la platine un moteur (sur lequel on pose le disque, et qui l’entraîne) ainsi qu’un bloc ou chariot intégrant la lentille, le laser et la photodiode, et pouvant bouger très précisément pour suivre la trace exacte de la piste.

Le moteur central doit être capable de faire varier sa vitesse au fur et à mesure que le laser avance sur la spirale de la piste. En effet, tant que celui-ci s’intéresse aux données situées au centre du disque, une vitesse de 500 tours par minute est nécessaire. Mais plus il s’approche de la périphérie, plus il faut diminuer la vitesse (le diamètre grandissant), et ce jusqu’à 200 tours par minute. Ainsi, les creux et les plats passent devant le laser à une vitesse constante tout au long de la lecture. Néanmoins la vitesse n’est pas toujours parfaitement constante, mais ces fluctuations restent invisibles grâce à la mémoire tampon qui stocke en avance des données.

Un chariot : trois contraintes

Trois contraintes principales pèsent sur le chariot :

Le chariot doit, lui aussi, se déplacer à une vitesse régulière afin de ne rater aucun morceau de piste : c’est l’asservissement de position. Il faut noter que dans la plupart des DVD double couche (DVD-9), la seconde couche commence à la périphérie du disque et non pas en son centre. Cela permet de ne pas avoir à effectuer un retour du chariot vers le centre une fois la première couche terminée, et de passer directement à la seconde, sans gêne perceptible.

La lentille de focalisation doit être parfaitement positionnée par rapport au disque afin que la lumière soit réfléchie le mieux possible, et que le rayon soit le plus concentré possible : c’est l’asservissement de focus.

Enfin, le rayon laser doit, lui aussi, rester au cœur de la piste et de la lentille et non pas s’en décaler : c’est l’asservissement de tracking.

Dans le cas du DVD, l’asservissement de position est réalisé via un procédé dit d’asservissement de phase qui détecte des déphasages lorsque le rayon n’est pas au centre de la piste.

Pour les asservissements de focus et de tracking, la technique de « l’optique à trois faisceaux » est employée : un capteur optique à six zones reçoit le faisceau laser diffracté en trois faisceaux (l’un central sur la piste, les autres de part et d’autre) et analyse selon leur position sur les différentes zones s’il y a une erreur de tracking ou de focus.

Maintenant que nous avons vu comment était fabriqué un DVD, comment il transportait des informations et comment celles-ci étaient lues par la platine, nous allons voir ce qu’il advient de ces données binaires dans la platine.

La compression : le MPEG-2

Nous avons vu que les creux et les plats sur le DVD se transformaient en complexes séries de 0 et de 1 : ce sont les bits. Ces bits, une fois assemblés par groupe de huit forment, des octets, ou bytes.

Mais, même ainsi convertis, ces bytes mis bout à bout doivent être décodés. En effet, la vidéo se trouvant sur le DVD est encodée et compressée. Sans compression, on ne ferait tenir guère plus de 5 minutes de vidéo sur un DVD.

Le codec (pour « coder-décoder ») utilisé par les DVD est le MPEG-2, en résolution 720x576 (ou 720x480 en zone NTSC), à un débit maximal de 9800 kb/s et à 25 frames par seconde (29,97 en NTSC).

Le MPEG-2 permet de conserver une qualité d’image très bonne pour un encombrement limité. Comme le MPEG-1 Audio Layer 3 (plus connu comme « mp3 ») pour l’audio, le MPEG-2 dispose d’une palette d’outils lui permettant de réduire grandement la place qu’un film occupera sur le disque par rapport à sa version non compressée. C’est là sa force : il est très flexible et dispose de nombreux paramètres, contrairement au MPEG-1.

Compression vidéo

En matière de compression vidéo, le MPEG-2 tel qu’il est employé pour les DVD utilise quatre techniques principales : les redondances, l’entrelacement, le variable bitrate et la compression multi-passes.

Redondances

Le MPEG-2 tient notamment compte des redondances temporelles, spatiales, subjectives et statistiques :

Redondances temporelles (également appelées inter-images) : lorsque la différence entre plusieurs images successives (le ciel bleu, le décor qui ne change pas, etc.) est minime, on peut économiser de la place en conservant la plus grande partie possible de l’image d’une frame à l’autre.

Redondances spatiales (également appelées intra-images) : au sein d’une grande étendue similaire (eau, ciel, neige, etc.), on peut également économiser des données en considérant un grand nombre de pixels adjacents comme identiques.

Redondances subjectives : comme pour le mp3, on supprime les nuances invisibles à l’œil nu, en réduisant la palette disponible.

Redondances statistiques : on économise de la place en exploitant les suites de valeurs numériques.

Entrelacement

Le MPEG-2 emploie également la technique de l’entrelacement qui consiste à afficher les frames moitié par moitié. Cette simple technique permet de passer de 50 à 25 frames par seconde, et donc d’économiser la moitié de l’espace sans poser de problèmes de confort majeur au spectateur.

Variable bitrate

Le MPEG-2 peut être utilisé en mode VBR (variable bitrate) ou en CBR (constant bitrate).

En CBR, la taille allouée à chaque frame sera strictement définie, et la compression sera donc achevée pour arriver au niveau de taille par frame défini. En posant une telle rigidité au taux de compression, on risque de voir apparaître des défauts (« artefacts ») sur certaines images complexes, tandis que le gain ne sera pas perceptible dans les scènes simples.

Le VBR est lui bien plus flexible et l’on y définit un objectif de taux de compression moyen pour toute la scène encodée. Ainsi, la compression variera d’une image à l’autre en fonction de leur complexité (si une scène se passe entièrement dans le noir, une compression maximale pourra y être appliquée, et on pourra utiliser l’espace ainsi économisé dans un passage plus complexe, et donc plus « gourmand »).

Le CBR trouvera son utilité dans des systèmes où se pose un plafond de quantité de données, comme pour la lecture en continu de vidéo sur internet : le streaming. Dans ce cas, pour améliorer la qualité de l’image, on utilisera toute la bande passante disponible.

Au final, le VBR sera néanmoins favorisé dans la plupart des cas : fichiers mp3, films, etc.

Compression multi-passes

Le fait que les DVD ne soient pas en direct permet aussi d’encoder en employant une technique de compression multi-passes qui consiste :

dans un premier temps, à examiner et analyser la vidéo, à repérer les passages risquant d’être exigeants (mouvements, changements de décor, etc.) ;

dans un second temps, à encoder la vidéo en tenant compte des informations accumulées précédemment. Ainsi, l’encodage ne se fait pas « à l’aveugle » : le logiciel de compression a déjà une estimation des scènes à venir et de la façon dont il faudra les encoder selon leur complexité. Ainsi, le film une fois compressé sera homogène et utilisera au maximum l’espace disponible sur le DVD.

Compression audio

Là aussi, la flexibilité est de mise et plusieurs formats d’encodage sont proposés, les plus répandus étant :

MPEG-1 Layer 2, PCM ou Dolby Digital (DD) 2.0 pour un son stéréo ; DTS ou Dolby Digital pour un son en 5.1.

Il arrive que DTS et DD soient proposés sur un même DVD. Mais la différence étant minime, c’est avant tout une question de goût ou, tout simplement, de possibilité ou non de le décoder.

Une fois ces données sonores et vidéo décodées, il reste à les transmettre.

Transmission

Les données aussi bien audio que vidéo sont maintenant prêtes à être transmises. Mais en utilisant quelle connectique et pour quelle qualité d’image et de son ?

Vidéo

Qualité standard

Composite-RCA Jaune : bien qu’assurant une compatibilité avec à peu près tous les téléviseurs existants, c’est aussi la liaison qui dégrade le plus l’image, en mélangeant allègrement luminance (la luminosité, en tons de gris) et chrominance (les couleurs) ce qui cause des interférences qui nuisent grandement à la qualité.

S-Vidéo (Separate Video) : le S-vidéo transmet luminance et chrominance séparément, mais via un seul canal pour chaque signal. En effet, si la prise compte bien quatre broches, la moitié est en réalité utilisée pour les masses. (b) Haute qualité

YUV ou Component-3 RCA : trois câbles de couleur verte, bleue et rouge, l’un transmettant la luminance et les deux autres la chrominance. La séparation est cette fois totale, et la qualité de l’image très bonne.

DVI : permet une transmission numérique nette pixel par pixel et sans perte des nuances de couleur ; est dédiée aux écrans plasma ou LCD. Il est cependant probable que cette connectique soit supplantée dans les salons par le HDMI, qui intègre également l’audio. C’est en revanche un standard bien implanté dans l’informatique pour relier écrans plats et cartes graphiques.

Audio

Qualité standard

Jack : à n’utiliser qu’en dernier recours ou pour un casque. Son stéréo ou mono.

Cinch-RCA : permet de diffuser un son allant du 2.0 au 5.1, déjà décodé par la platine, vers un ampli puis des enceintes. C’est aussi une connectique assez encombrante.

Qualité sans perte

Optique-Toslink : permet de transmettre le son sans aucune perte via le format numérique S-PDIF, et donc de l’amener à un amplificateur muni d’un décodeur (qui sera sans doute plus performant que celui qui est intégré à la platine DVD) et qui répartira ensuite le son vers des enceintes.

Coaxial numérique-RCA : transmission sans perte (comparable à l’optique) mais qui passe par une prise RCA, qui, bien qu’étant moins bien isolée que l’optique, est moins fragile et permet des longueurs de câble plus importantes.

Prises mixtes

Certains types de prises sont capables de transmettre à la fois du son et de l’image, parfois même dans les deux sens en même temps.

Péritel : la prise Péritel est un cas un peu spécial. Elle est en théorie capable de transporter un signal vidéo RGB séparé, de très bonne qualité. En pratique néanmoins, les prises Péritel fournies en standard sont souvent démunies d’une bonne partie de leurs connexions et ne font alors que transmettre un médiocre signal composite. Également capable de transmettre du son, la Péritel ne peut en revanche le faire qu’en stéréo.

Attention : la qualité des prises Péritel femelles situées derrière les téléviseurs est également variable. Parfois, une seule prise est apte à véritablement recevoir du RGB.

HDMI : le HDMI permet de faire passer son installation au tout numérique : du lecteur DVD au téléviseur écran plat en passant par le câble. C’est en quelque sorte le remplaçant de la prise Péritel. Le HDMI embarque à la fois de la vidéo en DVI et du son en FireWire (IEEE 1394). Le HDMI est la meilleure connectique actuellement disponible : il capable de transmettre de la vidéo en haute définition et du son en « 8 canaux », le tout sans compression ni conversion, et directement d’une interface numérique à l’autre. C’est l’idéal pour un grand écran HD plasma ou LCD branché à une platine HD-DVD ou Blu-ray.