Tecnologia

A introdução do Blu-ray Disc em 2006 provocou um impacto significativo na indústria audiovisual, sendo atualmente, após uma rápida expansão ao longo dos últimos anos, o formato universal de armazenamento de conteúdos de áudio e vídeo em alta definição.

Para entrar no mundo da alta definição e conhecer o que está por detrás da tecnologia do Blu-ray disc, é essencial entender a contínua evolução ao nível da gravação e reprodução de som e vídeo digital em discos ópticos.

O Blu-ray Disc tem as mesmas dimensões físicas que um CD ou DVD, i.e., 120mm de diâmetro e 1.2mm de espessura, contudo as semelhanças entre os três formatos ficam-se por aí, pois, onde o Blu-ray Disc marca a diferença é na sua capacidade de armazenamento de informação.

Cada Blu-ray disc de uma camada (single-layer) tem capacidade para armazenar até 25GB de informação, cinco vezes mais que um DVD, o que corresponde a mais de duas horas de vídeo de alta definição ou cerca de treze horas de vídeo definição standard. Por outro lado, um Blu-ray disc de camada dupla (double-layer) atinge uma capacidade limite de 50GB, suficiente para gravar um vídeo de alta definição de cerca de 4.5 horas ou mais de vinte horas de vídeo de definição standard. Em junho de 2010, surgiu oficialmente a especificação BDXL, que possibilita a fabricação de discos com três e quatro camadas, resultando em 100 e 128 GB de capacidade de armazenamento, respetivamente.

Coloca-se então uma questão: Tendo o Blu-ray disc as mesmas dimensões de um CD ou DVD, como é alcançada uma capacidade de armazenamento tão significativa?

Os fatores tecnológicos chave são:

  • Laser azul-violeta.
  • Lente com larga abertura numérica.
  • Camada protetora de espessura reduzida.

Propriedades dos lasers no processo de leitura e gravação de dados nos diversos formatos

Lasers

Tal como acontece no caso do CD e DVD, num Blu ray Disc é usado um feixe de laser para ler e gravar dados, contudo, uma das grandes diferenças entre cada um dos formatos reside no comprimento de onda do laser.

Como se pode verificar na figura 2, a superfície de gravação de um disco óptico é constituído por pistas com secções negras designadas pits onde a informação é armazenada. Comparando as três imagens da figura, conclui-se que os pits e os intervalos entre eles, são mais pequenos e apresentam uma maior densidade no caso do Blu-ray Disc. Por outro lado, enquanto que a distância entre as pistas é 0.74 µm num disco DVD, no caso do Blu-ray Disc é de apenas 0.32 µm.

Para se poder ler e gravar a informação em pits substancialmente pequenos e bastante mais próximos uns dos outros em comparação com os formatos anteriores, é exigido um feixe de laser mais preciso, com um foco de laser incidente (laser beam spot) pequeno. Os leitores Blu-ray usam um laser azul-violeta (daí o nome do formato) com um comprimento de onda de 405nm, mais curto que o laser vermelho usado em DVD com 650nm, o que permite reduzir o tamanho do foco incidente (laser beam spot). Este, combinado com uma lente de larga abertura numérica (NA), possibilita uma redução ainda maior do foco (laser beam spot) na superfície de gravação do disco, conseguindo desta forma penetrar e separar informação contida na elevada densidade de pits

Lente de um Blu-Ray Disco e de um DVD

A abertura numérica da lente de um Blu-ray Disc é de 0.85, comparada com 0.6 de um DVD.

Todos estes fatores contribuem para o armazenamento de grande quantidade de informação numa área bastante reduzida do disco, ou por outras palavras, possibilitam o armazenamento de 25GB de informação numa única camada.

Estrutura

A imagem seguinte mostra a secção transversal de um DVD e Blu-ray Disc

Secções transversais de um Blu-ray Disc e de um DVD

Como já foi referido, tanto o Blu-ray Disc como o DVD têm ambos cerca de 1.2mm de espessura. Porém, a forma como os dados são armazenados em ambos os discos é diferente, pois, encontram-se estruturalmente arquitetados de forma distinta.

O terceiro elemento chave para alcançar uma grande capacidade de armazenamento deve-se à reduzida espessura da camada protetora. Esta é usada para proteger a camada onde os dados são gravados, de possíveis danos causados por riscos e poeira.

No caso do DVD, a camada de gravação encontra-se entre duas camadas de policarbonato de 0.6mm, o que pode provocar um problema de dupla refração quando o feixe de laser incide. Se o feixe incidente se dispersar em demasia, o disco não pode ser lido.

No Blu-ray Disc este problema é ultrapassado colocando a camada de gravação em cima de uma camada de policarbonato de 1.1mm de espessura. Estando os dados no topo, previne-se a dupla refração e consequentemente, os problemas de leitura.

Por outro lado, tendo em conta que o material que constitui os discos ópticos, não é mais do que plástico, torna-se impossível garantir que estes sejam perfeitamente planos ou lisos. Pequenas deformações são inevitáveis, e provocam uma pequena alteração no angulo incidente do feixe de laser na superfície do disco, criando-se uma distorção no foco do laser (laser beam spot).

No Blu-ray Disc a abertura numérica (NA) da lente é aumentada para reduzir o tamanho do foco do laser (laser beam spot), contudo, quanto maior é a NA, maior a distorção do foco do laser devido ao facto de o disco não ser perfeitamente liso. Para resolver este problema é necessário reduzir a espessura da camada de proteção.

Comportamento do feixe de laser nas superfícies do DVD e Blu-ray Disc

A distância entre a superfície do disco e a camada de gravação é de 0.1mm no Blu-ray Disc (espessura da camada protetora), o que em conjunto com uma lente de NA de 0.85, possibilita minimizar a distorção do foco causado pelas imperfeições físicas do disco.

O Blu-ray Disc tem portanto as seguintes três especificações básicas: feixe de laser com comprimento de onda de 405nm, uma lente com abertura numérica (NA) de 0.85 e uma camada protetora transparente com 0.1mm de espessura.

Blu-ray Disc de camada dupla

O número de camadas de gravação determina a capacidade de armazenamento de um disco. O termo dual-layer ou camada dupla significa que há duas camadas de gravação de 25GB no interior da camada de protecção de 0.1mm de um Blu-ray Disc.

Comparação entre as estruturas de um Blu-ray Disc de uma camada e camada dupla

Como se pode verificar na figura 6, um Blu-ray Disc de camada dupla é constituído por duas camadas de gravação L0 e L1, separadas por uma camada espacial (space layer). A missão desta camada espacial é precisamente separar as duas camadas de gravação, de forma a prevenir uma interferência mutua entre os sinais nas duas camadas. Deste modo, é necessário uma camada espacial com extrema precisão. Esta tem em média uma espessura de cerca de 25µm, com uma variação de menos de 2µm.

No processo de gravação de dados na camada L0, que é a camada mais interior do disco, o feixe de laser tem de atravessar a camada L1, i.e., a L1 tem necessariamente de ter uma permeabilidade suficiente de modo a permitir que o feixe de laser alcance a camada L0 e seja refletido de volta para a lente. Contudo, a camada L1 não pode ser demasiado fina, caso contrário perde as suas propriedades como camada de gravação, portanto, é crucial que esta tenha uma permeabilidade adequada, mantendo as suas propriedades.

Para Blu-ray Discs de três, quatro ou possivelmente mais camadas, o principio usado será o mesmo.

Formatos

Ao contrário dos discos DVD e CD que apareceram no mercado como formatos read-only, i.e., apenas de leitura de dados e só mais tarde os formatos de gravação (R) e regravação (RW) foram introduzidos, os Blu-ray Disc foram inicialmente lançados em diversos formatos:

  • BD-ROM - Formato apenas de leitura de conteúdos pré-gravados.
  • BD-R/RW - Formatos de gravação (R) e regravação (RW), para armazenamento de conteúdos de vídeo em alta definição e de dados provenientes de um PC.
  • BD-RE - Para gravação HDTV.

Alta Definição

Uma das características do Blu-ray é a sua capacidade de oferecer vídeos em alta definição (High-Definition - HD), o que resulta em conteúdo visual com excelente qualidade de imagem. Em praticamente qualquer dispositivo tecnológico recente desenvolvido para o tratamento de vídeo, essa é uma característica comum, o que faz com que termos como 720p e 1080p sejam encontrados facilmente. Assim sendo, a letra 'p' existente em 720p, 1080p e outras resoluções, indica que o modo usado é progressive scan. Se for utilizado interlaced scan, a letra usada é 'i' (por exemplo, 1080i). O número, por sua vez, indica a quantidade de linhas de pixéis na horizontal. Isso significa que a resolução 1080p, por exemplo, conta com 1080 linhas horizontais.

A grande capacidade de armazenamento dos Blu-ray Discs permite também um aumento drástico na qualidade áudio.

Codecs Vídeo e Áudio

O conceito de compressão de dados é o tema nuclear do mundo de entretenimento digital.

A compressão é vital para "espremer" conteúdo digital, de modo a que o espaço de armazenamento de dados seja minimizado. Compressão é o que tornou possíveis formatos de vídeo como DVD e HDTV, assim como formatos áudio como Dolby Digital e MP3. A informação digital é comprimida para transmissão ou codificação num disco e depois sofre uma descompressão por um dispositivo de leitura. Estas tecnologias de compressão/descompressão são designadas de codecs.

MPEG-2 é o codec vídeo usado para DVDs e conteúdo HDTV corrente. Os Blu-ray Discs também suportam este codec, tendo sido usado por muitos estúdios para uma primeira vaga de Blu-ray Disc, por volta de 2006. Além deste, os Blu-ray Discs suportam três novos codecs com um grau de eficiência mais elevado: MPEG-4 AVC ou H.264, SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) VC-1 e MPEG-4 MVC para vídeo 3D.

Devido ao facto do Blu-ray Disc ter uma enorme capacidade de armazenamento e empregar taxas de transferência elevadas, a sua qualidade de imagem é excecionalmente limpa, com menos artefactos de compressão visíveis.

A escolha do codec afeta os custos de licenciamento (royalties) para os produtores de vídeo, assim como a duração máxima dos seus conteúdos, devido a diferenças na eficiência de compressão entre os diversos codecs. A codificação de vídeo em MPEG-2 tipicamente limita o conteúdo dos produtores em cerca de duas horas de conteúdo em alta definição num BD-ROM de uma camada (25GB). Por outro lado, os codecs mais avançados (VC-1 e MPEG-4 AVC) tipicamente atingem o dobro da duração de vídeo alcançada pelo MPEG-2, para uma qualidade vídeo semelhante. Atualmente o uso do codec MPEG-4/H.264 ou VC-1 é o mais comum.

Os pontos essenciais que caracterizam o MPEG-4 AVC são:

  • A sua eficiência de compressão.
  • A interatividade de conteúdos, pois este codec tem a capacidade de codificar objetos em vez de frames de vídeo, o que possibilita a manipulação de conteúdos.
  • A sua grande versatilidade.

O MPEG-4 AVC é bastante usado em streams de alta definição na internet, como por exemplo no Vimeo, Youtube e iTunes Store; software da web como por exemplo Adobe Flash Player e Microsoft Silverlight; e também em diversas transmissões HDTV terrestres, por cabo e satélite.

O SMPTE VC-1 foi inicialmente desenvolvido pela Microsoft como um formato de vídeo, e foi lançado como um codec de vídeo SMPTE em 2006. Trata-se de um codec que alia uma qualidade de imagem elevada, com uma boa eficiência de compressão e escalabilidade. O VC-1 representa a evolução convencional de codecs baseados na DCT. Em termos de suporte ao nível de hardware, este codec inclui os leitores Blu-ray, dispositivos audiovisuais portáteis, telemóveis, entre outros.

Em termos de codecs áudio, os leitores Blu-ray devem obrigatoriamente suportar Linear PCM (LPCM), Dolby Digital (DD) e DTS Digital Surround. Opcionalmente, suportam Dolby Digital Plus(DD+), DTS-HD High Resolution Audio e os de "lossless encoding" Dolby TrueHD e DTS-HD Master Audio, que oferecem uma experiência áudio muito próxima da produzida em estúdio.

Codecs suportados pelo Blu-ray e suas especificações

Proteção de Conteúdos

Assim como acontece com o DVD, os Blu-ray Disc contam com um sistema de controlo geográfico para dificultar práticas de distribuição ilegal. Existem três regiões:

  • Região 1 (ou A) : para todo o continente americano e Ásia central.
  • Região 2 (ou B) : para a Europa, Médio Oriente, África e Oceânia.
  • Região 3 (ou C) : para a China, Índia, Rússia e restante Ásia.

Além deste sistema de controlo geográfico, o Blu-ray conta também com outros meios de proteção:

  • AACS(Advanced Access Content System): tecnologia que protege o conteúdo digital através de criptografia, para evitar a duplicação ilegal de discos Blu-ray.
  • BD+: Baseado num sistema designado Self-Protecting Digital Content, utiliza uma "máquina virtual" que analisa chaves criptográficas nos discos, com o fim de identificar quais são os discos originais. Duplicações indevidas apresentarão códigos incorretos.
  • ROM Mark: Também designado de BD-Rom Mark, trata-se de um tipo especial de marca de água que deve estar presente em todos os Blu-ray Discs originais, e que deve ser lido pelos leitores Blu-ray.

Vantagens da Tecnologia Blu-Ray

Os Blu-ray Discs não só têm maior capacidade de armazenamento que o tradicional DVD, como também oferecem uma grande variedade de opções de interactividade:

  • Os utilizadores poderão aceder à internet, descarregar legendas e outros extras para os filmes.
  • Ver e gravar conteúdo de televisão em alta definição (HDTV), sem quaisquer perdas de qualidade.
  • Possibilidade de gravar um programa e reproduzir conteúdo, ao mesmo tempo.
  • Saltar instantaneamente para qualquer parte do disco.
  • Editar ou reordenar conteúdos gravados no disco.

A nível tecnico:

  • Os custos de produção são menores em comparação com o DVD, pois no DVD é necessário injetar dois moldes de substrato, enquanto que no Blu-ray apenas é usado um, o que permite também reduzir o tempo de produção.
  • Taxa de transferência de dados e reprodução de vídeo superior, 36Mbps e 54Mbps respetivamente, comparado com os 10Mbps e 11Mbps para o DVD. Que em conjunto com a sua grande capacidade de armazenamento e codecs de ultima geração, permite reproduzir conteúdo em alta definição com poucas perdas de qualidade.