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圖1　雙層DVD結構讀示意圖

　　因此，在實際運用中，除單層單面的4．7GB DVD盤片外，還可只對一面進行雙層數據記錄，其容量達8．5GB，也有單層雙面結構，而最多可對DVD進行4層數據的讀／寫，即雙面雙層（見圖2），此時DVD容量達17GB，能夠存放8小時的廣播級播出節目。

圖2　雙面雙層DVD結構讀示意圖

1．2　高圖像和聲音質量－－DVD的壓縮編碼技術
　　下面以DVD－Video為例來說明DVD的視音頻壓縮、編碼技術，其所要記錄的內容包括視頻、聲音和字幕子圖三部分，由于各自信號的不同特點，處理方式也不盡相同（見表2）。但總的原則是：在固定的DVD總容量下，通過壓縮碼率的有效控制和數據資源的最優分配，來得到最佳的畫面和聲音質量。

表2　DVD-Video的視頻、聲音和字幕子圖編碼的有關參數

1．2．1　視頻編碼
1．2．1．1　變比特率編碼
　　DVD技術采用MPEG－2 變比特率VBR（Variable Bit Rate）對視頻信號進行壓縮編碼，達到MP ＠ML（Main Profile ＠ Main Level）的4：2：0。
　　在MPEG－2中有三種幀：幀內幀I幀（Intra Frame），預測幀P幀（Predicated Frame）和雙向幀B幀（Bidirectional Frame）。I幀包含了表達畫面中的每個像素的編碼信息，攜帶有最多的視頻數據，是組成圖像組GOP（Group Of Pictures）的基礎；P，B幀又常被稱為非幀內幀，它們主要包含了當前幀和1或2個參考畫面間的運動差異，用于表示此差異的比特數要比I幀編碼所需要的少得多，因此，P，B幀的編碼數據量遠遠小于I幀，由這三種幀組成一個叫做圖像組GOP的幀序列。
　　在MPEG－2 MP＠ML中通常是一個長度為15的GOP：I－B－B－P－B－B－P－B－B－P－B－B－P－B－B－I（長度15表示在兩個I幀間有15幀）。當處理復雜、運動或有快速場景轉換的畫面時，序列中就要多加入I幀來提供更多的畫面信息，給復雜畫面分配更多的編碼比特率，提高畫面質量，同時兩個I幀的間隔長度變小，也利于快速、光滑的畫面搜尋和存取。
　　畫面復雜程度的變化是隨機、不可預測的，因此，要達到最好的圖像質量就不能用一個固定的編碼率來完成視頻編碼，而是需要根據畫面變化，用一種“動態”跟蹤的機制來控制和調節比特率。對編碼比特率的有效控制是視頻編碼的關鍵，通常用圖3所示的雙通道編碼方式來實現。它包含虛擬和實際編碼兩部分，兩者的運行過程基本相似，不同之處在于虛擬編碼沒有用比特率控制，而是為第二步的實際編碼搜尋、分析和保存如下有用信息：
　　*每個宏塊（16×16像素）產生的總數據量
　　*表示幀間預測信息的數據量
　　*來自圖像離散余弦變換DCT（Discrete Co sine Transform）的數據量
　　*與運動矢量和處理模式有關的數據
　　*與場景變換有關的數據
　　實際編碼速率受控于目標速率GOP，而運動矢量和幀間預測信息則決定量化等級以及幀間處理模式。

圖3　包含虛擬和實際兩過程的雙通道編碼

1．2．1．2　其它因素的考慮
　　除此之外，其它方面細節的準備和考慮也有利于提高DVD的編碼效率和畫面質量。
　　首先，在壓縮編碼前將圖像轉換成分量數字信號。雖然復合信號也可以進行MPEG－2壓縮編碼，但它卻使壓縮過程變得復雜困難，并產生明顯的壓縮失真。
　　其次，進行降噪處理，包括與節目源有關的噪聲，如膠片、錄像帶上的顆粒、灰塵、擦痕等�熀团c設備轉換過程有關的電噪聲，另外保證圖像穩定性也都利于MPEG－2對幀間冗余信息的有效檢測和消除。
　　還有，用于補償圖像高頻細節的孔闌校正（Aperture Correction）也要適當，否則過強的孔闌校正會在物體邊緣引起“振鈴”干擾（Ringing Interference）現象，并和高頻圖像細節一起，消耗不必要的編碼數據資源。
1．2．2　 聲音編碼
　　聲音部分采用固定碼率CBR（Constant Bit Rate）進行壓縮編碼，抽樣頻率可達44．8kHz，而MPEG－1對聲音的抽樣頻率只有44．1kHz。同時， LPCM（Linear Pulse Code Modulation）線性脈沖編碼調制方法可以使其音響系統聲道數達8路，不僅能錄制立體聲伴音，還可實現8種語言配音和32種文字字幕。
　　DVD－Video可以傳送多數據流的Dolby數字（AC－3）5．1通道立體聲，即5個聲音信號通道再加1個低音擴音器，能夠使最多8個獨立的語言軌和視頻一起傳送，數字聲音比特流可以通過7種不同的聲音方式編碼：
　　*單聲道
　　*左右立體聲
　　*左－中－右
　　*單環繞的左右立體聲
　　*左右環繞的左右立體聲
　　*單環繞的左－中－右
　　*左右環繞的左－中－右
　　有低音效果的限帶寬子低音軌（即“5．1”中的“．1”）可以加入到以上任意一個通道中。
　　DVD還支持有外語配音的多語言版本，當然這時候需要獨立的音樂和對話軌。為了適應家庭影院效果，一般還要對聲音做平衡、降噪和限峰處理。
1．2．3　字幕子圖
　　字幕子圖也是DVD編碼的一部分，它主要包括字幕及在片頭、片尾出現的其他文本說明，它們可能是單色的，也可以是彩色的，甚至是多種藝術或特技效果，所以，這部分的編碼數據會由于內容復雜程度的變化而有很大的差異，同時，其總數據量相對于視、音頻編碼來說都極小，且沒有嚴格的實時要求，因此，一般總是在視頻編碼前運用游長編碼RLC（Running Length Coding）壓縮技術對其進行軟件編碼，而將余下的絕大多數確定空間用于對DVD的最主要部分－－視頻圖像的壓縮編碼處理。
　　綜上敘述，一個典型的4．7GB的單層DVD盤片能夠存放132分鐘、3種語言、4種文字字幕的影視節目。
1．3　強糾錯能力－－EFMPlus調制碼和RS－PC糾錯碼
　　DVD的糾錯能力也是用戶很關心的問題。在CD中采用EFM（Eight－to－ Fourteen Modulation）和交叉交織里德所羅門糾錯碼CIRC（Cross Interleaved Reed－Solomon Code）分別對信號進行調制和糾錯，而在DVD中則相應地運用更有效的EFMPlus 調制碼和里德所羅門乘積糾錯碼RS－PC（Reed－Solomon Product Code）。
1．3．1　EFMPlus 調制碼 EFMPlus的8／16（表示有8bit輸入，16bit輸出）編碼器比EFM的8／14效率要高。首先其編碼器輸出要滿足：d＝2，k＝10的條件約束，即在連續“1”之間只能有最少2個，最多10個連續“0”。另外編碼器還有表示離散時間函數的4個狀態1～4。狀態1的字特征位有最少2個，最多9個“0”，狀態4的字特征位是最多1個“0”，狀態2的字特征位X1X13＝00，狀態3的字特征位X1X13≠00。每個狀態的變化都至少要有351個字表示，而編碼器只容納256個源字，多余的95個用于控制低頻分量RDS（Running Digital Sum），它是從DVD盤開始起積累的坑、帶之間的差異總和，與伺服系統的精度密切相關。
　　在解碼部分，又專門加了兩個bit位以檢測X1X13，即構成18／8的解碼器（18bit輸入，8bit輸出）。這樣，解碼器可以容納351個源字，其中351－256＝95個字中的7個用于控制26bit的同步字，另88個用于控制RDS的絕對值。由于DVD系統的伺服系統（包括跟蹤伺服和聚焦伺服）是由低頻分量RDS控制的，因此，降低RDS值可以提高伺服系統的精確度。這樣，整個系統的關鍵問題：伺服精確度和同步恢復就得到了有效解決。
　　雖然，還有人也提出了8／15“類EFM”碼，它可以使DVD的容量密度提高6％，但其低頻分量要比EFMPlus高出許多，不利于伺服系統控制和數據恢復，因此在實際中多不采用。
1．3．2　RS－PC糾錯碼
　　RS－PC的高糾錯能力來自于：
　　⑴它的兩級校正碼C1［208，192］和C2［182，172］要比CD中CIRC的C′1［32，28］和C′2［28，24］大許多，［n��k］表示有k個輸入和n個輸出。因此，RS－PC的碼字利用率為(192／208)×(172／182)＝0．872，遠高于CIRC的(28／32)×(24／28)＝0．75。
　　⑵RS－PC采用矩陣式結構，C1中的均勢在C2中也可被利用，比CIRC的纏繞式結構—只在列和對角線上產生碼字更能提高糾錯能力。
　　由于以上特點，采用RS－PC的糾錯編碼系統大大降低了糾錯碼與用戶數據間的比例，提高了編碼效率和糾錯能力，RS－PC的最大正確脈沖長度可達2 200 B（4．6mm），而CIRC的只有500 B（2．4mm）。
1．4　多交互功能
　　隨著信息交流的進一步深入和推廣，人們希望從簡單、被動的信息接受轉向更為主動的交互式學習。
　　綜觀從CD到DVD的發展，交互性也一直伴隨著其它技術的更新在不斷進步。例如，1996年頒布的CD－I（CD Interactive）標準就是將CD－ROM的搜尋和“導航”（Navigation）等功能進行增加和標準化的。DVD不僅具有了以往CD－ROM，VCD的各種功能，而且增添了許多新項目，如多攝影角度觀看選擇，拉移（Pan－Scan）顯示等。
　　“多攝影角度觀看”可以讓觀眾對節目中的每個場景畫面從自己所喜愛、選擇的拍攝角度來組合、觀看。這些多視角數據流在很短的時間內事先被多路復用在一起，每個視角畫面所占的時間是一樣的，以保證在它們之間進行選擇、轉換時的無縫回放（見圖4）。S₁～S₆為節目素材段，其中S₂～S₆各自分別都有A，B，C三種拍攝角度。

圖4　多拍攝角度觀看

　　拉移顯示可以保證16：9的寬銀幕影片在普通4：3的電視上播放時仍有很好的視覺效果。有關畫面中心點的信息事先記錄在編碼數據流中，播放時用戶選定的畫面中心會自動定位在顯示屏中心，而畫面的左、右邊也將相應地自動調整。當然，也可以選擇“信箱”（Letter－Box）模式，這時，整個銀幕畫面都會顯示出來，只是屏幕的上、下邊會有黑背景區域。
　　DVD中的“導航”功能包括瀏覽和快速翻頁。由于DVD數據流中包含了有關“I”幀位置的信息，因此，無論是快進、還是快倒搜尋，都可實現快速解碼和流暢的無縫回放。

2　DVD應用

　　目前，已有各種獨立應用的DVD播放機和計算機上配置的DVD－ROM驅動器面市，并受到廣大消費者的青睞，下面以DVD－ROM驅動器為例來說明。
2．1　數據格式
　　數據格式是用來描述數據在DVD盤上的分布、記錄屬性的，如文件、容量、塊、路徑、分區、文件分配表、時間標識、字型及讀寫方式等。
　　DVD－Video，Audio和ROM所用的格式是一種叫做UDF橋的標準。UDF橋是UDF和已用于CD的ISO－9660格式的組合。UDF（Universal Disk Format）是光學存儲技術協會OSTA（Optical Storage Technology Association）制定的通用磁盤格式，它應用靈活，已用于DVD，并向下兼容CD格式和Windows 95操作系統，因為它們都符合ISO－9660標準。目前，微軟公司最新推出的Windows 98就將UDF橋定為其操作系統的統一標準，因此對于各種DVD盤片有極好的完全支持，而獨立應用的DVD播放機則只支持UDF。
2．2　數據的存取與傳輸
　　使用DVD－ROM驅動器的用戶會發現，DVD－ROM的數據存取速度要比CD－ROM慢，即驅動器定位盤片上指定信息的時間加長，這一絕對數值的增大并不意味著DVD技術的后退，實際上，它是由于DVD－ROM數據的大容量和高密度造成的，在同樣尺寸大小的盤片上，DVD－ROM的數據容量為CD的7倍，最高可達26倍，這是一個怎樣的相對密度概念呀！
　　但數據從DVD－ROM盤上送到計算機系統的數據傳輸率卻比CD－ROM快得多，例如，將數據直接讀到內存中去的連續方式下的DVD－ROM的數據傳輸率為2 700kBps（2倍速DVD－ROM驅動器），而6倍速光驅CD－ROM的速度只有900kBps；另一種通過接口將數據傳送給驅動控制器的緩沖方式下的DVD－ROM數據傳輸率更有10MBps之多（見表3）。

表3　DVD-ROM和CD-ROM的主要驅動參數

2．3　兼容性
　　DVD－ROM是否能播放已有各類CD盤片及來自其它國家、地區的DVD節目，也是大家比較關注的問題，這就牽涉到DVD的兼容性和區域碼，下面分別介紹。
　　兼容性是衡量某種技術優劣、可連續性發展能力的一個重要指標，它包括對原有技術、設備的向下兼容性和以后新技術發展的擴展可能性。如果將格式不兼容的盤片放入DVD－ROM驅動器，不僅不能讀出盤上的數據，還有可能對盤片造成損傷。DVD－ROM驅動器具有廣泛的兼容性，對VCD，CD－Audio，CD－ROM，CD－I（Interactive），CD－Extra，CD－ROM／XA（Extended Architecture）等多種格式的盤片都支持，但對于可向白盤中寫入聲音或數據的CD－R及柯達公司在1990年設計、頒布的用于存儲高質量攝影畫面的Photo－CD則不兼容。
2．4　區域碼（Region Code）
　　區域碼是DVD標準的一部分，也是有別于現在的CD，VCD為保護版權而專加的一項規定。DVD播放機或DVD－ROM驅動器上都有一個存放“區域碼”的芯片，它使播放機或驅動器只能播放RC所允許的影片，沒有RC代碼的DVD盤片可在任何國家、地區的播放機或驅動器上播放。一般計算機上的DVD－ROM驅動程序都允許用戶對本機的RC碼進行有限次數的更改。表4為DVD標準所規定的區域碼。

表4　DVD區域碼

2．5　實際的DVD－ROM驅動器
2．5．1　前面板功能鍵
　　實際的DVD－ROM驅動器從外觀結構上看與CD－ROM驅動器極為相似，特別是前面板上的功能鍵：上／下載鍵、Eject彈出鍵、Busy指示燈、耳機插座、音量調節旋鈕，可以說是一模一樣。要注意的是如果DVD－ROM被軟件“鎖定”（正在播放影片），則它不能用Eject鍵彈出，必須先關閉DVD應用程序，才可再操作Eject鍵。
2．5．2　音頻I／O 除具備CD的音頻連線外，DVD－ROM還可接耳機、聲卡、音箱，并有數字音頻連線，可將聲音輸出連接至數字錄音磁帶DAT或其它專業音頻錄音系統進行數字錄音。
　　另外，MPEG－2解壓卡上的Dolby數字音頻接口可接AC－3數字設備（見圖5）。

圖5　MPEG-2壓縮／解壓卡

2．5．3　視頻I／O
　　由于計算機CPU、總線速度及操作系統的發展，目前在計算機上對VCD進行軟解壓已不成問題，但由于DVD存儲數據的大容量、高密度特性，MPEG－2的高達15Mbps的數據流量不僅會在畫面、聲音的實時回放時對計算機總線造成數據擁擠和阻塞，而且對這樣大的壓縮數據進行軟件解壓，也會加重系統負擔，形成阻礙。因此，需要一個不受限于操作系統的MPEG－2解壓卡對DVD節目進行硬解壓，這樣播放的畫面才沒有跳躍感和“馬賽克”塊，才會更流暢、自然。
　　經過MPEG－2解壓卡的DVD視頻輸出S－Video（即Y／C）端子可直接接至電視機上。同時，解壓卡還有兩個VGA回送線纜接口，輸入口接受從VGA顯示卡送來的信號，輸出口將經解壓處理的視頻送至顯示器。MPEG－2解壓卡輸出的圖像分辨率達480線，具有模擬視頻覆蓋功能，支持同步電視和計算機顯示（見圖5）。
2．5．4　數據連線接口
　　由于DVD解壓縮后的數據流量很大，所以最好使用傳輸速度較快的增強EIDE或更快的SCSI（Small Computer System Interface，意為小型計算機系統接口）接口總線。目前的Ultra Wide SCSI總線接口速度已達80Mbps，足夠為實時視／音頻回放提供暢通的道路，不致造成對數據傳輸的瓶頸。
2．6　使用注意
　　DVD是高精度的光學存儲媒體，其保守使用壽命可達100年。但是，如果使用不當，也會使它的數據保存質量和使用年限受到影響，因此在使用DVD的過程中要特別注意：
　　① 不要彎曲或折裂盤。
　　② 不要刮擦盤，特別是沿著螺旋軌道方向的圓形擦痕會造成數據的不可恢復性損壞。
　　③ 要注意保持盤面清潔，過量的灰塵和手指印會阻礙激光束正確讀取數據。擦拭時要沿著放射形（從中心到邊緣）軌跡，不要沿圓形擦拭；可以用干的、柔軟的、無棉的布來擦，也可以用酒精潤濕擦拭，但不要用水。
　　④ 避免使盤受熱變形。
　　⑤ 不要在盤面上滴灑有機溶劑等化學物質。

3　DVD節目素材片庫管理系統

　　DVD的應用不僅在于大家所喜聞樂見的DVD盤片音樂、影片欣賞等個人娛樂，以及計算機的數據、程序存儲，更重要的是它為廣大的電視、新聞工作者提供了一個優質、高效、安全的視音頻節目素材存儲和管理的全新方式。因此，在這里將DVD在廣播電視節目素材管理方面的應用單獨提出來加以說明。
　　傳統的錄像帶在保存素材、節目上存在著多方面的問題，主要表現有：溫度變化造成的磁帶延伸率（即磁帶長度）的改變會導致時基誤差、同步不穩，磁粉脫落引起的信號失落使畫面上出現刺眼的黑白條或點狀干擾，這些都是錄像帶技術不可避免的難題，在溫差變化大的環境中和我國南方潮濕氣候下表現更為明顯。另外，磁帶工作方式中的磁化、磁飽和現象也易使視頻信號的記錄和重放發生失真，同時磁帶同磁頭高速摩擦及磁帶輸送過程中同固定部分間的接觸，都將對素材帶表面造成磨損或擦傷，因此經反復使用、多版合成后的錄像帶圖像質量都明顯下降。
　　用DVD光盤保存節目可以完全避免以上這些問題，并具有極高的技術和安全保證，除電視臺日常播出用節目外，還很適合于長期保存具有重大歷史意義和科研價值的重要文獻資料。在新近結束的BIRTV ’98北京國際廣播電視設備展覽會上已有眾多的視頻廠商瞄準了這一巨大的市場需求和發展潛力，紛紛推出了自己的DVD節目素材片庫管理系統，下面以一種DVD片庫管理系統為例來說明（見圖6）。

圖6　DVD片庫管理系統

　　首先，要對各種視音頻節目素材進行編輯和MPEG壓縮采集。利用以計算機為平臺的專業非線性編輯NLE（NonLinear Editing）系統可對節目素材的前后順序 、色彩等按照創作者的要求進行高質量編輯，還可添加各種特技，配以字幕及音響效果；然后，再進行MPEG數字化采集，對于DVD片庫管理系統，進行的是MPEG－2壓縮／解壓縮處理，它和NLE非編設備一起能通過RS－422通信接口實現對錄像機的遙控，不僅可免去繁瑣的素材上／下載過程，而且，能夠對圖像進行精確到幀的采集、編輯和關鍵幀畫面的數字化壓縮，MPEG－2的壓縮數據速率可達15Mbps，完全符合廣播級質量要求。
　　經MPEG－2壓縮后的數據就可以通過DVD光盤刻錄系統，制成DVD光盤，放在光盤庫中存儲了。可記錄光盤DVD－R能一次性對壓縮好的MPEG－2數據流進行記錄，而DVD－RAM可進行反復多次的存取，數據速率從4到15Mbps可選，每張4．7GB的單層DVD盤片可存放132分鐘的廣播級節目，非常適于大容量節目的長期保存，并允許多人同時對其進行查詢和讀／寫操作，而DVD光盤的非接觸性激光數據讀／寫方式，不會由于多次檢索、讀／寫造成對圖像質量損傷。需要光盤時，可以利用機械手自動換盤。同時，DVD光盤刻錄系統中一般還提供有DVD制作軟件，用戶可用它來制成各種DVD－Video碟片，進行節目的出版、發行。
　　在實際DVD片庫管理系統中，還常有一個輔助性的視頻文件服務器（Video Files Server），也可存儲MPEG－2壓縮數據，它主要是對常用或暫時未來得及制成DVD盤片的節目素材進行調用和管理，它是一個由多個大容量的SCSI硬盤組成并通過獨立磁盤冗余陣列RAID（Redundant Array of Independent Disks）來管理的硬盤陣列，RAID技術在提高數據存儲容量、傳輸速度的同時，提供數據保護方案、增強安全性，素材以文件形式在硬盤上保存，也能進行多人的在線并發瀏覽。
　　對節目素材進行標引編目是為了便于查詢、索引，針對各類節目的特點，建立特定的內容描述方式，例如通過分類、任務、地點等標引，關鍵詞、角色、參與人員、小板塊、多媒體等編目方式，并將所有這些信息送入到查詢服務器中，可大大提高用戶檢索的準確度和速度。
　　數字化的DVD光盤／硬盤陣列還可通過網絡技術來實現資源共享，打破傳統方式上的地理、區域局限，進行多個用戶的并發、交互式節目素材瀏覽，實時調用、點播、回放視頻流。
　　鑒于我國現階段的節目素材存儲、管理還多以錄像帶為主的特點，考慮到由磁帶向光盤庫方式的過渡，還可將光盤庫中的素材通過NLE非線性編輯系統中的下載回錄功能將其再存放在錄像帶上。
　　但無論怎樣，廣播電視的數字化、網絡化、信息化的進程已經展開，在不久的將來，傳統的錄像帶將光榮引退，電視臺、專業聲像單位及檔案館的視音頻素材、資料管理采用先進的DVD數字化制作、存儲、傳輸模式已成必然，DVD技術也必將在實踐應用中發揮重要作用。

4　DVD發展態勢

　　目前DVD的產品市場已經形成，由于其在容量、性能、操作性方面都有其它類存儲媒體，乃至CD光盤無可比擬的優點，因此，DVD巨大的潛在市場前景為諸多世界著名大公司所看好。
　　據日本工業協會估計，世界DVD驅動器的需求量將從1996年的71．8萬臺增至2000年的1 100萬臺，DVD盤片的銷售量將達4億張，并且，到下一世紀，DVD將取代CD－ROM成為與PC機配套的主流產品，其發展態勢不可估量。到2005年，美國和日本的DVD－ROM ／ RAM市場將分別為1 400萬臺和3 100萬臺，而兩國用于娛樂的DVD－Video，Audio及Player播放機屆時也將分別達到1 460萬臺和3 220萬臺。在我國，DVD－Video播放機及DVD－ROM驅動器也都已亮相，DVD播放機的銷售量將從今年的45萬臺增至1999年的75萬臺，同時DVD－ROM驅動器及其它相關DVD產品市場也在迅速崛起。
　　隨著市場的進一步擴大，DVD在人們日常生活、工作中的應用也越來越廣泛，從個人娛樂的DVD影碟、游戲、音樂和家庭影院，各種電子出版物形式的圖、文、聲并茂的教育圖書、字詞典、百科全書，到用做計算機軟件、數據庫的載體，文件、資料、檔案、節目的存儲和管理工具，乃至滿足計算機用戶在桌面排版、多媒體制作和數據交換方面的需求，DVD技術今后將著重向以下幾方面發展：
　　1）進一步提高存儲密度和容量，向著容量更大、密度更高、讀取速度更快的HD－DVD方向發展。
　　2）提高與擴展應用功能。在讀／寫操作功能上，目前DVD有只讀式的DVD－ROM，一次寫的DVD－R，和可擦重寫的DVD－RAM，以后有望向三者兼容或多功能復合型發展，同時在應用操作上更強調用戶的主動參與性，提高和擴大DVD的交互功能。
　　3）與其它數字技術結合，為超越平臺的應用提供可能，成為數字壓縮技術應用的重要領域。

作者單位：北京新奧特集團視頻技術公司研發中心 郵編�� 100085

參考文獻

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��4��Creative DVD手冊