《多媒体存储技术》PPT课件.ppt

1 第5章多媒体存储技术 2 5 1光存储技术概述 多媒体存储技术主要是指光存储技术光存储系统由光盘驱动器和光盘 片 组成 光盘驱动器产生一束激光照射到光盘上 反射光由一个光检波来接收 并且被解码成数据 3 1 光存储的类型 光盘包括只读光盘 只写一次光盘和可擦写光盘3种 前两种都是属于不可擦除的 1 CD ROM只读光盘CD ROM是最常用的光盘 直径约12cm 容量约650M 74min 其工作特点是 采用激光调制方式记录信息 将信息以凹坑 pits 和凸区 lands 的形式记录在螺旋形光道上 光盘是由母盘压模制成的 一旦复制成形 永久不变 用户只能读出信息 4 5 2 W0RM一次写多次读光盘 W0RM WriteOnceReadMany 光盘使用户能够自己将数据 程序或节目记录到光盘上实现方式 采用有机染料作为记录层 该层被激光加热时则熔化 并形成了一个凹坑 未被加热的点仍然是平面 这就形成了代表0和1的两种状态 读取激光照射在凹坑上时 反射光的光强降低 6 也有的系统使用一层薄的金属记录层 当该金属被写激光加热到170 时 它的物理特性由晶态 高反射性 转换到非晶态 低反射性 从而在光盘轨道上产生了光反射系数高 未被加热过 与低 加热过 两种不同的状态 使激光可读出数据 7 3 Rewritable可重写光盘 在可擦写光盘系统中 用户自己可以进行数据的写 读 擦除后并再次写入 有多种不同方式的可擦写光盘 包括磁光系统 相变系统和染料化合物系统 磁光记录将磁介质的可擦写性与光的高记录密度结合在一起 磁光记录使磁介质在垂直于光盘表面的方向上磁化 磁微粒被放置于预先刻槽的光盘表面上 垂直记录使记录波长短 所以记录密度比磁带高得多 8 磁光记录原理 9 相变光记录采用的是一种具有晶体 非晶体状态可逆转换特性的材料 记录时使用一种温度 而擦除时采用另一种温度 对可擦写媒质 从晶体到非晶体的变化一般用于记录数据 其逆变过程用于擦除记录信息 用激光加热记录层 使聚焦点的温度略高于它的熔点而冷却凝固时 就变成非晶体 由于非晶体状态不稳定 材料易于反变 因此 当该点加热到稍低于熔点的温度再冷却时 就返回晶态 数据则被擦除 相变技术用在CD RW DVD RW和DVD RAM中 10 染料化合物记录记录层是由两层含有不同吸垫材料的塑料基片构成 把对着入射光的一层称为上层 另一层则称为下层 上层对波长为840nm的光敏感 受热后则扩张 下层对此波长不敏感 是透明的 其物理性能不受这种波长的激光影响 这样在激光照射点上 上层受热扩张 下层不变 于是上层则变形起皱 激光扫过以后 该点冷却 起皱面则保留下来 轨道上未被光照射的部分仍保持为平面 这就形成反射系数不同的两种状态 即皱面和平面 将数据记录下来 下层对波长为780nm的光敏感 用这种波长的激光照射时 该层受热变软 使上层的皱起面得以展平 原来记录的数据则被抹掉 11 现在120mm可擦写光盘可存储4 7GB 它的容量还会增加10倍 数据读取速率可达到10Mb s 使用更高的旋转速度和置于平行轨道的多光头 可使速度达到500Mb s甚至更高 12 2 光存储系统的技术指标 光存储系统的技术指标包括尺寸 容量 平均存取时间 数据传输速率 误码率和平均无故障时间等1 尺寸光盘的尺寸多种多样 LV LaserVision 的直径为12英寸 300mm CD激光唱盘和CD ROM为4 72英寸 120mm WORM一次写光盘为14 12英寸和4 7英寸 可擦写光盘向小尺寸方向发展 主要尺寸为4 7英寸和3 14英寸 13 2 容量光盘的容量包括格式化容量和用户容量 格式化容量是指按某种光盘标准进行格式化后的容量 采用不同的光盘标准就有不同的存储格式 容量也不一样 如果改变每个扇区的字节数 或采用不同的驱动程序 都会影响格式化容量 用户容量是指盘片格式化后允许对盘片执行读写操作的容量 由于格式 校正 检索等比特需要占用一定的容量空间 因此用户容量小于格式化容量 光盘正朝着高密度 大容量和小体积的方向发展 提高光盘存储容量的方法有多种 通常以提高位密度和道密度来实现 其主要途径是缩短所用激光的波长 利用光斑边界记录取代光斑位记录或采用区位记录等方式 74分钟 650M 80分钟 700M 14 3 平均存取时间平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始 到光盘驱动器在光盘上找到读 写的信息的位置并接收读 写命令为止的一段时间 平均存取时间等于平均寻道时间和平均等待时间的和 光学头沿半径移动全程1 3长度所需的时间为平均寻道时间 盘片旋转半周的时间为平均等待时间 目前大多数光盘驱动器的平均存取时间在200ms到400ms之间 15 4 数据传输速率数据传输速率一般是指单位时间内光盘驱动器送出的数据比特数 该数值与光盘转速和存储密度有关 现在主要是针对提高数据传输速率和缩短平均存取时间开展技术研究工作 对于CD ROM 其数据传输速率已从初期的150KB s 单倍速 提高到6MB s 40倍速 16 5 平均无故障时间CD ROM的平均无故障时间 MTBP MeanTimeBetweenFailures 要求达到25000h 17 5 2CD 1CD技术的发展光存储技术最早可追溯到20世纪70年代初期 1972年9月5日 Philips公司向国际新闻界展示了长时间播放电视节目的光盘系统 在光盘上记录的是模拟电视信号 LaserVision 1978年 SONY生产的影碟机正式投放市场 光盘的直径为30cm 一片双面盘的播放时间可达2小时 1979年 Philips公司发布了激光唱机 Compactdiscplayer CDPlayer 为了便于光盘的生产 使用和推广 几个主要光盘制造公司和国际标准化组织制定了一些有关的规范和标准 18 1 CD DA 1981年制定红皮书 即CD DA激光数字音频光盘的规范 2 CD一ROM 1985年制定黄皮书 经修订 1988年正式作为国际标准ISO9660 3 CD V Video 存储模拟的视频信息和数字化声音 在影碟机上使用 视频信息可以输出到电视机 4 可录CD 可录CD盘的橙皮书标准 可录CD分为两类 即CD MO和CD WO CD MO称为磁光盘 可重写 CD WO又称CD R 不能重写 19 5 CD I 1987年制定绿皮书规范 用于交互式多媒体CD I系统中存储数字化的文字 图形 声音 图像等 6 CD ROMXA 1991年制定CD ROMXAII规范 对应于ISO9660II 7 Photo CD像片光盘 1992年制定规范 用于存放数字化的静态照片 8 VideoCD1993年制定的白皮书 WhiteBook 规范 采用MPEG一1压缩算法压缩动态图像 它使VideoCD节目能够在CD I CD ROMXA和VideoCD播放机上播放 20 21 2CD DA CD DA激光唱盘的标准定义在1982年发布的红皮书 RedBook 中 它源于CD AudioBook 后来成为IEC908标准激光唱盘 CD ROM 数字激光视盘等统称为CD盘 CD盘主要由保护层 反射激光的铝反射层 刻槽和聚碳脂衬垫组成 光盘的直径为120mm 中间孔直径为15mm 厚度为1 2mm 光盘的最里面部分不存储数据 这个区域把光盘和旋转的动力轴夹在一起 记录数据的区域有35 5mm宽 引入区在数据区的最里面边缘部分 引出区在最外面 引入和引出区包含有非音频数据 用来控制光驱 22 23 24 磁盘存放数据的磁道是同心环 磁盘片转动的角速度是恒定的 但在两条磁道上 磁头相对于磁道的线速度是不同的 控制简单 便于随机存取 但外磁道的存储空间不能得到充分利用 CD盘光道的结构不是同心环 而是螺旋型轨道 CD盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的 而它的线速度却是恒定的 CLV 这样内外光道的记录密度 比特数 每英寸 可以做到一样 盘片可得到充分利用 但随机存储特性变得较差 控制也比较复杂 25 CD DA的文件结构CD DA光道的特点是一个区段 多条光道 一个曲目 对应一条光道 不设目录结构 图5 6是一张CD DA唱盘的光道结构 其中有一个区段 17条光道 对应17首歌曲 没有目录结构 26 3CD ROM CD ROM共有三种类型的光道 CD DA光道 用于存储声音数据 CD ROMMode1 用于存储计算机数据 CD ROMMode2 用于存储声音数据 静态图像或电视图像数据 不同类型的光道 存放数据的格式不同 有不同的数据量和校验码从而有不同的误码率 27 CD ROM的扇区地址与磁盘的扇区地址不同 磁盘的扇区地址是用C H S 柱面号 磁头号 扇区号 地址系统来表示 而CD ROM是用轨道号和计时系统中的分 秒 扇区 75扇区 秒 来表示CD ROM可以用多个区段 多条光道 但由于区段之间需要保留13MB的空间 造成CD R盘片空间的浪费 因此 一般不采用多个区段刻录CD ROM文件标准叫ISO9660 它是一个描述计算机用的CD ROM文件结构标准 解决文件存放在CD ROM上 可以在不同系统之间进行交换等问题 28 4CD ROM XA 4CD ROM XA CD ROMExtendedArchitecture Philips Microsoft Sony发布 是黄皮书的扩充 定义了两种新的扇区形式 CD ROMMode2 XAFormat Form1 用于存储计算机数据 CD ROMMode2 XAFormat Form2 存储压缩的声音 静态图像或电视图像数据 29 5CD R 5CD ROrangeBook是另一种CD光盘的标准 这种CD盘叫做可录CD R compactdiskrecordable 盘 它允许用户把自己创作的影视节目或者多媒体文件写到盘上 可录CD盘分为以下两类 CD MO compactdisk magnetooptical 盘 磁光盘 用户可以把数据写到MO盘上 盘上的数据可以抹掉 抹掉后又可以重写 CD WO compactdisk writeonce 盘 这种盘又写成CD R盘 用户可以把数据写到盘上 但是数据一旦写入 就不能把写入的数据抹掉 30 OrangeBookPart2 CD WO盘 这种盘在出厂时就已经在盘上刻录有槽 称为预刻槽 也就是物理光道的位置已经确定 是一片空白盘 用户把多媒体文件写到盘上之后 就把内容表 TableOfContents TOC 写到盘上 在写入TOC之前 这种盘只能在专用的播放机上读 在TOC写入之后 这种盘就可以在普通的播放机上播放 OrangeBookPart2标准还定义了另一种CD WO盘 叫做HybridDisc 混合盘 这种盘含有两种类型的记录区域 31 1 Pre recordedArea 预记录区 这个区域的信息是按照RedBook YellowBook或GreenBook标准预先记录在盘上的 是一个只读区域 2 RecordableArea 可记录区 这个区可以把物理光道分成好几个记录段 multi session 每段由3个区域组成 导入区 LeadIn 信息区 Information 和导出区 LeadOut 每一段要在导入区写入TOC 内容表 32 6VCD 6VCDVideoCD VCD 是由JVC Philips Matsushita和Sony联合定义的数字电视视盘技术规格 它于1993年问世 盘上的声音和电视图像都是以数字的形式表示的 1994年7月发布了 VideoCDSpecificationVersion2 0 并命名为WhiteBook 白皮书 该标准描述的是一个使用CD格式和MPEG 1标准的数字电视存储格式 VideoCD标准在CD Bridge规格和ISO9660文件结构基础上定义了完整的文件系统 这样就使VCD节目能够在CD ROM CD I和VCD播放机上播放 33 光盘内有一个区段 多个光道 设有目录结构 即VCD文件系统 文件系统放在第一条光道中 其后 每条光道对应一个视频片段 在标准的视频光盘中 音乐素材 要么融合在动态画面中 要么配有静止图像 并以视频光盘格式保存 34 VCD的数据主要通过MPEG l编码标准对音频和视频编码 其音频信号采用44 1kHz的第二层标准进行编码 一张盘可以存储74min的活动图像和数字音频 两张光盘可以存储一部电影 视频解码器可以将视频信号以每秒25帧的PAL或SECAM 352 288 制式播放 视频的比特速率为1 15Mb s 音频的比特速率为0 22Mb s VCD格式实际是CD ROM XA盘Form2中模式2的格式 因此允许VCD在CD ROM光驱中播放 但不能在CD DA音频播放器中播放 35 5 3DVD DVD原名是DigitalVideoDisc 意思是 数字电视光盘 系统 DVD不仅用来存放电视节目 同样可以用来存储其他类型的数据 DVD在数据存储方面具有其他媒质所无法比拟的容量和灵活性 因此又把DigitalVideoDisc更改为DigitalVersatileDisc 数字通用光盘 缩写仍然是DVD 36 1DVD简介 DVD分类DVD有6种格式标准 BookA DVD ROM 只读 BookB DVD Video 视频 BookC DVD Audio 音频 BookD DVD R 可写一次 BookE DVD RAM 随机存取存储器 BookF DVD RW 可重复擦写 各种标准定义DVD的物理特性 文件系统及各种特殊的应用和扩充 如视频应用 音频应用等 37 DVD的特点 DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多 单面单层DVD盘片能够存储4 7GB的数据 单面双层盘片的容量为8 5GB 单层双面盘片的容量为9 4GB双面双层可达到17GB 相当于25片CD ROM 650MB 单面单层盘存储133分钟的MPEG 2Video 其分辨率与现在的电视相同 并配备DolbyAC 3 MPEG 2Audio质量的声音和不同语言的字幕 38 双层结构使制造多样化 产生了4种只读光盘 DVD 5 DVD 9 DVD 10和DVD 18 当平均数据读取速度为4 8Mb s时 它们的播放时间大约分别为133min 241min 266min和482min 与名称对应 4种光盘的容量分别为4 7GB 8 5GB 9 4GB和17GB 39 DVD的存储容量 40 DVD的物理规格 从外观和尺寸来看 DVD光盘与CD光盘没有什么差别 直径均为120mm 4 72英寸 厚度为1 2mm CD只用一层塑料基片 而DVD盘使用两层O 6mm厚的基片 数据层夹在中间 使数据受到更好的保护 薄的基片可以减少激光束跟踪的错误 41 42 UDF 通用文件系统 UDF文件格式其实是针对ISO9660的不足而推出的文件格式 CD光盘上存储数据的文件结构和目录形式在刻录之前就已确定 因此无法更改 也无法追加刻录新的数据 另外 操作系统无法识别CD R和CD RW 用户必须要使用各种刻录软件才能进行ISO9660文件格式进行读写操作 43 针对这一状况 国际标准化组织属下的光学存储技术协会 OSTA 于1996年发布了一种新的通用光盘文件系统 UDF文件系统 它采用包刻录 PacketWriting 方式 允许在CD R或CD RW光盘上任意追加数据 为CD R和CD RW刻录机提供了类似于硬盘的随机读写特性 UDF的另一突出优点是可以防止出现缓存器欠载情况 在使用包刻写方式时 刻录机可以在缓存器积累足够数据之前等待任意长的时间 使用UDF的软件可以像使用硬盘一样使用CD RW光盘 UDF文件系统支持的操作系统为Windows9x NT OS 2 Linux MACOS等操作系统 44 3DVD Video DVD Video是最早规定的DVD格式 其典型应用是存储5 1声道的数字化电影节目 DVD格式的设计符合StudioAdvisoryCommittee的建议 133min的数字视频节目 接近D1的广播图片质量 立体声或多声道数字音频 不同画面比例 多至8种的语言声道 32种字幕 父母管理选项和版权保护特征 45 视频编码 DVD Video标准使用MPEG 2数据压缩算法对视频节目进行编码MPEG 2允许不同的比特速率DVD Video最大输出比特速率 包括视频 音频及辅助数据 为10 08Mb s 平均比特速率为3 5Mb s 采用MPEG 2 一个单层DVD Video光盘可存储133min的带有数字音频声道的数字视频节目 视频节目以4 2 0分量逐行扫描形式存储 图像分辨率为720 576 46 音频编码 DVD Video标准的音频部分同时提供多声道和立体声声道 DVD Video可使用8个独立的音频数据流 它们可以是l 8个声道的线性PCM LPCM 1 6个声道的杜比数字5 1声道 5个主声道和1个低音声道 还可是l 8个声道的 5 1或7 1 的MPEG 2AAC音频 可以任意采用DTS SDDS 索尼动态数字声音 或其他音频编码 47 DVD的播放 DVD Video播放器可播放DVD Audio和DVD Video光盘DVD Vi