视频压缩编码

第 8章 数字音视频存储技术 光盘存储技术 8.1 光盘驱动器 8.2 其他存储技术及其设备 8.3 学习目标 知识目标：了解光盘的种类特点，掌握光驱的工作原理和性能指标，掌握光学存储技术、半导体存储技术及其他存储媒体的存储技术。 技能目标：了解 DC（数码相机）的结构组成和工作原理，掌握 DC的正确使用和维护保养方法；掌握制作 CD/DVD光盘的技术。 典型设备： DC（数码相机） 数码相机（ Digital Camera）又叫数字相机，是一种介于传统相机和扫描仪之间的新产品。 它是一种无胶卷相机，可以现场浏览图片，对不理想的马上删除重拍。 其外观如图 8-所示。 数码相机的工作过程就是把光信号转化为数字信号的过程。 图 8-1 数码相机的外观结构 图 8-2 数码相机组成原理框图 1图像传感器 （ 1） CCD图像传感器 （ 2） CMOS图像传感器 2模 /数转换器 3数字信号处理器 4图像数据压缩器 5图像输出端口 6数码相机的存储媒体 （ 1）内存卡 （ 2）硬盘卡 （ 3） 8.9cm（ 3.5英寸）软盘卡 7 LCD液晶显示器 8.1 光盘存储技术 8.1.1 光存储技术 目前的光存储器，数据在介质上的存储记录采用的方法很多，其中大多数往往不是用严格意义上的光来记录的，用得最多的是机械的方法和光的热效应。 在介质上记录的物理原理有形变、磁化、晶相甚至处于一定能级的电子等。 所以，光存储本质的特征不在于其记录过程，也不在于介质上信息的存储形式，而在于读出过程。 从而，这样一类装置都包括在光存储器中，即用光学方法从光存储介质上读取已存储数据的装置。 因此，对磁光盘机这样以磁化方向记录信息的装置就理所当然归入光盘机而不是磁盘机。 综上所述，所谓的光存储器，应理解为用光读出的存储器更为恰当。 目前光存储器常称为激光存储器，这是因为目前几乎所有的光存储器都使用半导体激光器。 光存储技术具有下述特点。 （ 1）易达到高密度记录，具有较开阔的技术方法来源。 （ 2）光束可容易地从远处在介质上聚焦，可不需要存储器的任何部件与记录介质很接近。 （ 3）大多数光存储器的高密度意味着很小的介质缺陷都变得很严重。 8.1.2 光盘的分类 1根据不同的存储介质和使用性能分类 （ 1）只读光盘 （ 2）只写一次型光盘 （ 3）可擦写型光盘 2根据光盘标准分类 （ 1） CD-DA（红皮书） （ 2） CD-ROM与 CD-ROM/XA（黄皮书） （ 3） CD-I（绿皮书） （ 4） CD-V（蓝皮书） （ 5） CD-R（橙皮书） （ 6） VCD（白皮书） 3根据工作原理分类 （ 1）光技术 （ 2）磁、光技术结合 4根据物理格式分类 （ 1） CD系列 （ 2） DVD系列 8.1.3 光盘的结构与格式 1 CD光盘 CD光盘即激光唱盘，也包括微机用只读存储器 CD-ROM，它们一般都称为 CD盘。 CD盘主要由保护层、反射激光的铝反射层、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成，如图 8-3所示。 图 8-3 CD盘片的结构 图 8-4 CD类光盘 2 VCD光盘 VCD光盘又称数字激光视盘，它采用 CD光盘的记录格式，记录的是音频信号和视频图像信号。 它采用了帧编码结构，每帧 588个通道位，帧内的同步信号控制码结构格式以及 EFM调制、 CIRC编码均与 CD技术相同，只是在 CD格式中的音频数据记录区是按 MPEG-1标准压缩处理的 VCD音视频数据信号。 3 DVD类光盘 DVD光盘有 5种规格： DVD-ROM、DVD-Video、 DVD-Audio、 DVD-R、 DVD-RAM。 4 CD-R（ CD-WO）光盘 （ 1） CD-R基本原理 （ 2） CD-R（ CD-WO）的种类 图 8-5 DVD类光盘 图 8-6 CD-R光盘的断面图 5可重复擦写光盘 （ 1）磁光盘（ CD-MO/MOD） （ 2）相变型光盘（ PCD） 8.2 光盘驱动器 前文已经对 CD唱机、 VCD/DVD视盘机进行过介绍，这里所说的光盘驱动器是专指 CD-ROM驱动器。 现在光驱系列中的种类很多，如 CD-RW（光盘刻录机）、还有具备 CD/DVD读取能力和 CD-R/RW刻录能力的 COMBO、DVD-ROM（读取 DVD盘的光驱）、 DVD刻录机（刻录 DVD光盘的光驱）。 下文主要介绍只读型光盘驱动器。 8.2.1 CD-ROM驱动器的工作原理 光盘系统由光盘驱动器和光盘盘片组成。 光学存储的特点是用激光引导测距系统的精密光学结构取代硬盘驱动器的精密机械结构。 光盘驱动器的读写头是由半导体激光器和光路系统组成的光学头，记录介质采用的是磁光材料。 驱动器采用一系列透镜和反射镜，将微细的激光束引导至一个旋转光盘的微小区域。 由于激光的对准精度高，所以写入数据的密度要比硬盘高得多。 图 8-7 光驱控制面板 图 8-8 光驱内部结构示意图 1聚焦伺服系统 2径向光道跟踪伺服系统 3光盘转速控制系统 4光头 8.2.2 光盘驱动器的工作模式 1 CLV（ Constant Linear Velocity，恒定线速度） 2 CAV（ Constant Angular Velocity，恒定角速度） 3 P-CAV（ Partial CAV，局部恒定角速度） 4 Z-CLV（ Zoned Constant Linear Velocity，区域恒定线速度） 8.2.3 光盘驱动器的种类 根据对光盘进行读 /写操作的功能不同，光盘驱动器可分为只读型和可写 /读型两大类。 两类光盘驱动器在结构上有较大的差异。 1只读型 图 8-9 只读型光盘机的典型结构 （ 1）光盘驱动系统（ PLAYER） （ 2）解码系统 2只写一次型 图 8-10 几种典型的只写一次型光盘的记录原理 （ 1）烧蚀型 （ 2）起泡型 （ 3）纹理型 （ 4）相变型 （ 5）光致变色型 3可擦写型 图 8-11 磁光记录系统 （ 1）磁光（ MO）型可擦写技术 （ 2）相变型可重写技术 图 8-12 相变光盘擦、写原理 除按上述方式分类外，也可以按下面的标准进行分类。 （ 1）根据安装方式分类 （ 2）根据光驱与计算机的接口分类 图 8-13 相变光盘直接重写与读出原理 8.2.4 光盘驱动器的性能指标 1数据传输速率 它是光驱最基本的性能指标参数，指光驱每秒能读取的最大数据量。 具体来讲，是指光盘上的数据起始位置找到后，把数据从光盘上读出的速度。 这个速率是连续的数据传输速率，而不是突发的数据传输速率。 在市场上，数据传输速率通常以 40（ 40倍速）、 52 （ 52倍速）等表示。 CD-ROM驱动器的基本传输速率为每秒钟传输 150k个字节，即 150kB/s，这就是常说的单速光驱。 现在的光驱速度便以此为基准来衡量，如传输率为 300kB/s被称为“二倍速光驱”，传输率为 600kB/s的则称为“四倍速光驱”等等。现在普通光驱已经达到了52倍速，并在市场上大量流通。 2存储容量 存储容量是指能存储在光盘中的信息容量。 光盘的容量因种类的不同而有所差别。 现在的光盘一般来说，其单位面积的记录密度可达到每平方毫米 700kB，是目前使用的所有数据存储介质中记录密度最高的。 通常一张 CD-ROM光盘的容量约为650MB，大约可存储 30万页的文本数据。 3平均访问时间 平均访问时间是指光驱的光头从原来的位置移动到一个新的数据块位置并开始读取该数据块上的数据这个过程中所花费的时间。 这个访问时间又可以分为 3个时间段。 （ 1）寻道时间 光头定位到包含信息的光道所花费的时间。 （ 2）稳定时间 光头稳定在光道上的时间。 （ 3）旋转延时 光头从稳定在光道上开始，到旋转到包含数据的扇区所花费的时间。 4缓冲区容量 由于 CD-ROM驱动器的读盘速度远低于硬盘驱动器，因而一般在 CD-ROM驱动器中都设置了高速缓冲区。 CD-ROM驱动器首先将读出的数据存放在高速缓冲区中，当缓冲区存满时，可立即输出到计算机的内存储器中，然后继续向缓冲区写入数据，这样可以大大加快CD-ROM的数据读取速度。 可见，缓冲区的大小对数据读取速度有一定的影响，如果用计算机播放 VCD影片， 256kB的缓冲区是必要的。 对于光驱来说，缓存越大光驱连续读取数据的性能越好，在播放视频影像时的效果越明显，也能够保证良好的刻录性能。 目前，一般 CD-ROM的缓存为 128kB，DVD-ROM的缓存为 512kB，刻录机的缓存普遍为 2MB 4MB，个别为 8MB。 5误码率 指读盘时的出错率。 由 CD-ROM数据块模式可知，数据块中 ECC区段的差错校正码可以纠正一些因盘面不洁而导致的读数据的错误。 不同的应用对出现错误的要求不同。 6接口方式 光驱与计算机的接口方式有 IDE接口、SCSI接口和 AT接口 3种方式。 7音频输出 在 CD-ROM驱动器上一般都配备有音频输出接口以便用来播放 CD唱片。 音频信号线可以直接和声卡相连，从而能够直接欣赏光驱上的 CD唱片。 8平均无故障时间 所谓平均无故障时间，即两次故障发生之间的平均间隔时间，一般要求达到25 000小时。 9兼容性 当前的 CD-ROM光驱都支持 CD-ROM/XA规格（ CD-ROM的扩展），也支持CD-DA规格。 所以， CD-ROM光驱既可以用来读取光盘上的多媒体数据文件，又可以播放 CD音乐唱片和 VCD影碟。 8.3 其他存储技术及其设备 目前，除上面介绍光盘存储技术以外，还有其他存储技术，如半导体存储技术、磁盘和 RAID（廉价磁盘冗余阵列） 存储技术、网络存储技术等。 8.3.1 半导体存储设备 1 ROM 只读存储器（ ROM， Read-only memory）也被称作固件（ Firmware），它在制造时就被做成以指定数据编程的集成电路。 ROM芯片不仅用在计算机里，而且还用在大多数电子产品中。 （ 1） ROM特点 储存在这些芯片中的数据是非易失性的，断电时，它不被丢失。 储存在这些芯片中的数据是不可更改的，或者需要特别的操作来更改（如紫外线照射等）。 （ 2）结构与工作原理 ROM芯片包含一个由行、列构成的栅格，行、列交汇的地方可以有耦合元件MOS管或没有，借此来记录“ 1”或“ 0”。 （ 3）只读存储器的不同类型 PROM：可实现一次性编程。 EPROM：可擦写可编程，擦写时需要额外的紫外线照射。 EEPROM：是 EPROM的另一种类，擦写时使用电气的方法，而不是紫外线。 Flash memory：又叫“闪存”，其擦写速度优于 EPROM和 EEPROM，并具有RAM功能。 目前，笔记本上都大量采用闪存做成固态盘来替代磁盘，体积更小，功耗更低，可靠性更高。 2 RAM 图 8-14 内存条 （ 1） SRAM （ 2） DRAM （ 3） FPM DRAM （ 4） EDO DRAM （ 5） SDRAM （ 6） RDRAM 3固体存储卡 （ 1） CF（ Compact Flash）卡 （ 2） MS（ Memory Sticks）卡 （ 3） MMC（ Multi Media Card）卡 图 8-15 CF卡 图 8-16 记忆棒 图 8-17 MMC卡 （ 4） SD（ Secure Digital）卡 （ 5） SM（ Smart Media）卡 图 8-18 SD卡 图 8-19 SM卡 8.3.2 磁存储技术 1磁存储技术的发展现状 磁记录是当代信息存储的主流技术。 无论作为计算机的外存设备，或是在录音和录像等消费类电子产品领域，虽然有半导体和光存储等技术的激烈竞争，但磁记录仍有优势。 这不仅因为磁记录具有优异的记录性能、应用灵活、价格便宜，而且在技术上仍具有相当大的发展潜力。 在可以预见的将来，磁记录技术仍是信息存储领域中主流存储技术，仍然具有不可取代的主导地位。 所谓磁记录技术是指运用电磁效应原理将携带信息的电信号转换成具有相同变化规律的磁场，然后将磁性记录介质层磁化，并以介质层的剩磁的形式形成信息物理标识长期保存下来；而在读出信息时，利用相反的电磁转换规律将磁性记录介质层上的信息物理标识变换成记录端输入的电信号。 根据所记录的信号类型，记录介质的物理形式或信号编码方式等区别，磁记录应用可采用不同的方法进行分类。 目前，通常将磁记录应用分为数字磁记录和模拟磁记录两大类，前者主要包括用于计算机数据存储的硬磁盘、软磁盘和磁带，它们采用二进制的数字信号；后者主要用于图像、声音和仪器信号记录，它们采用频率调制，线性模拟记录，也可用数字编码，但其输出必定是模拟输入信号的真实再现。 数字磁记录和模拟磁记录的要求主要取决于系统功能上的区别。 对数字磁记录，最主要的要求是数据可靠性高，记录数据的存取速度快以及记录每单位信息的成本低廉。 对模拟磁记录的基本要求往往是信噪比高、失真度低以及播放时单位时间的成本低廉。 一般来说，每个磁记录系统都由机械驱动的记录介质和相对应的磁头两个主要部分构成，记录介质往往带有适当的包装，以保证其方便和可靠地使用。 同时，还必须有信号处理的电子线路将输入信号转换成一定波形的电流送至记录的磁头。 与此相对应，另一种信号处理是将从磁头读出的重放信号无畸变地恢复原始信号供输出。 2常见的设备形式 （ 1）计算机外设类 软磁盘 硬磁盘 磁盘阵列 RAID RAID技术有多种实现方式，通常采用的方式如下。 a RAID 0称数据分块，是使用“条”技术来跨越磁盘数据的。 b RAID 1叫镜像法，它用两个完全相同的盘工作，即每次将数据同时写入两个盘，一个作为工作盘，另一个作为镜像盘。 c RAID 5是一种旋转奇偶校验独立存取阵列，它按一定规则把奇偶校验信息均匀分布在阵列中所有的盘上，解决了要冗余就必须多占用磁盘空间的问题，允许在同一组盘内并发进行多个写操作，实现了容量的损失量少且速度快，是一种容错能力分布合理的阵列。 磁带机 （ 2）消费电子类 磁记录技术在消费电子领域的应用的主要形式是数字磁带录音机、磁带录像机等。 8.3.3 网络存储技术 1直接相连的存储 直接连接方式包括集中化的存储和与服务器直接相连的存储两种方式，是传统的存储策略。 计算机系统直接相连的存储器有两大类：内部存储器和外部存储器。 2网络连接存储（ NAS） 网络连接存储（ Network Attached Storage， NAS）技术是一个在网络上共享存储的概念。 它通信时使用 UNIX环境下的网络文件系统（ NFS）、微软 Windows环境下的公共互联网文件系统（ CIFS）通信、FTP、 HTTP以及其他联网协议。 NAS就像一个连接的设备，建立了一个独立的平台，增加了网络的性能。 一个 NAS设备是一个典型的、尖端的、高性能、高通信速度、单一目的的机器或者组件。 NAS设备被优化而独立出来，满足那些操作系统和集成硬软件特定的存储需要。 NAS设备可以是通过 SCSI或光纤通道接口集成的存储系统（如磁盘阵列、大容量的磁带库和光盘塔），直接通过 LAN接口连入信息通信网络。 它使用 TCP/IP之类的信息通信协议，存储系统在客户机 /服务器结构关系中相当于一个服务器。 所有在 LAN上的其他节点都可访问存储装置上的数据。 3存储区域网络（ SAN） SAN是一种在异构的服务器和存储资源之间移动数据的专有高性能网络。 它通过独立的专有网络可以避免传统信息网络中存在的客户机与服务器之间的流量冲突。 SAN独立于服务器网络系统之外，是几乎拥有无限存储能力的高速存储网络。 这种网络采用高速的光纤通道作为传输媒体，以 FC（ Fiber Channel） +SCSI的应用协议作为存储访问协议，将存储子系统网络化，实现了真正高速共享存储的目标。 LAN与 SAN在服务器上会合。 在 SAN中，服务器同时装备有 LAN接口卡和光纤通道宿主总线适配器。 当某一用户在 LAN上请求来自服务器的数据时，服务器将从 SAN上的存储设备中检索数据。 SAN是以数据为中心，致力于存储数据的一个网络。 和 NAS不同， SAN是和传统 LAN或者消息网络分离的。 SAN使用网关、交换机和路由器来处理在异构服务器和存储环境之间的数据移动。 SAN有多种优点，但它安装过程复杂、成本高，及缺乏灵活和开放的互通能力。 技能训练十三：数码相机的维护保养 能力要求： 1了解数码相机的结构组成。 2掌握数码相机的维护保养方法。 器材准备： 1数码相机 1台。 2擦镜纸 1包。 3麂皮布 1张。 4吹耳球 1只。 5稳压电源（ 1501） 1台。 内容与步骤： 1镜头的维护 相机的镜头是一个非常精密的光学器件，在使用拍摄时避免不了灰尘或沙粒等杂质会附着在相机镜头上，这时就必须对镜头进行擦拭。 （ 1）将数码相机平放在工作台板上。 （ 2）用吹耳球吹洗镜头表面，在擦拭镜头时绝对不可用软布或普通纸质物质。 （ 3）撕下 1 3张专用擦镜纸，将其卷成筒状，用端面沿镜头中心向四周进行旋转擦拭。切记不可用力过重。 （ 4）再次用吹耳球对镜头吹洗一遍，吹完后及时盖好镜头盖。 2液晶监视器（ LCD）的维护 液晶监视器（ LCD）是除镜头之外的另一重要器件，使用中极易粘上指印或受到灰尘污染，因此，也应经常注意保养。 （ 1）打（旋）开液晶监视器（ LCD）。 （ 2）用擦镜纸或麂皮布擦拭，不可用有机溶剂清洗。 （ 3）避免阳光直接照射屏幕。 （ 4）液晶监视器屏幕不可