多媒体储存和获取技术分析.ppt

MMT 第十讲多媒体储存和获取技术 YANGZHOUDAXUE 物理科学与技术学院 9 1多媒体计算机基本结构1 多媒体计算机 多媒体计算机需要计算机交互式地综合处理声 文 图信息 图像和声音信息数据量大 处理速度要求高 有三种方案 1选用专用芯片 设计专用接口卡 例如视频卡 声卡 网卡等该方法就是多媒体个人计算机 MPC 的标准和结构 2设计专用芯片和软件3把多媒体技术做到CPU芯片中多媒体系统 CD I系统 家用交互式多媒体系统DVI系统 由美国普林斯顿DavidSanaoff研究中心研究开发的交互式数字视频系统多媒体工作站 2 多媒体计算机硬件 9 2多媒体存储 多媒体信息 存在和表现有多种形式常见的有 正文 向量图形 位图 数字化声音和高保真音响 数字化视频 信息量大多媒体信息即使经过压缩 所需的存储空间仍然十分可观 传统使用的计算机存储设备如软磁盘 磁带等 无法满足大信息量的要求 存储器 计算机的重要组成部分 一般分为内存储器和外存储器 内存储器由只读存储器 随机存储器和高速缓冲存储器 cache 组成 外存储器分为数字式磁记录设备 如磁盘 磁带 和模拟式磁记录设备 如录音带 录像带 20世纪70年代研制出的光盘是满足上述要求较为理想的存储设备 其中只读式紧凑光盘 compactdisc readonlymemory CD ROM 及其改进的DVD光盘是广泛使用的多媒体信息载体 CD DVD属于光存储技术 硬盘属于磁储存技术 9 2 1 硬盘存储 硬盘用磁性记录技术记录数据 磁性介质很容易被擦去和重写 上图为硬盘内部情况 可以看见转盘 读写臂 读写头 高速线性马达 多数硬盘有多个盘面 且双面读写 6读写头 数据以磁道 tracks 和扇区 sectors 的方式存储在盘面的表面 磁道是一些同心圆 而扇区是磁道上的楔型区域 磁道和扇区 低级格式化 在磁盘盘面上建立磁道和扇区 高级格式化 建立文件存储结构到扇区上 硬盘性能指标1 转速以每分钟多少转 RPM 为单位 2 容量硬盘的容量与盘片数 面密度关系密切 这两项数值越大则容量越大 3 平均寻道时间平均寻道时间指的是磁头到达目标数据所在磁道的平均时间 目前硬盘平均寻道时间大约为7 9毫秒 4 缓存5 传输速率 transferrate 传输速率分为内传输速率与外传输速率 以每秒MB为单位 内传输速率是从硬盘到缓存的传输速度 外传输速率是从缓存到通信接口的传输速度 9 2 2 光存储 工作原理 改变一个存储单元的性质 使其性质的变化反映出被存储的数据 识别这种性质的变化 就可以读出存储数据 光存储单元的性质 例如反射率 反射光极化方向等均可以改变 它们对应于存储二进制数据0 不变 1 改变 光电检测器能够通过检测出光强和光极性的变化来识别信息 高能量激光束可以聚焦成约1 m的光斑 因此光存储技术比其他存储技术具有更高的容量 光存储技术的产品化形式是由光盘驱动器和光盘片组成的光盘驱动系统 驱动器读写头是用半导体激光器和光路系统组成的光头 记录介质采用磁光材料 光盘系统 光盘驱动器和光盘盘片 特点 与硬盘相比 具有可拆卸性容量相当驱动器较贵盘片便宜读写速度慢与磁带相比 容量大随机存取性强激光头与介质元接触 不受环境影响而退磁 信息保存时间长 可达30年以上 技术指标 容量 平均存取时间 数据率 接口标准及格式规范等 存储容量所能读写的光盘盘片的容量 又分为格式化容量和用户容量 采用不同的格式和不同驱动器 光盘格式化后容量不同 一般用户容量比格式化容量要少 因为光盘还需要存放有关控制 校验等信息 平均存取时间在光盘上找到需要读写的信息的位置所需要的时间 即从计算机向光盘驱动器发出命令 到光盘驱动器可以接受读写命令为止的时间 一般取光头沿半径移动全程1 3长度所需要的时间为平均寻道时间 盘片旋转一周的一半时间为平均等待时间 两者加上读写光头的稳定时间就是平均存取时间 数据率指从光盘驱动器读取数据的速率 可以定义为单位时间内从光盘的光道上读取数据的比特数 与光盘转速 存储密度有关 光盘类型 ROM只读盘 采用激光调制方式记录信息 将信息以凹坑和凸区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 WORM一次性写多次读光盘WORM writeoncereadmany 只能写一次但可以多次渎 一旦写入就不能更改 Rewritable可重写光盘可重写光盘或称可擦写光盘是最理想的光盘类型 也是最有应用前途的光盘类型 目前可重写光盘价格较贵 防止沾污某些溶剂 造成铝膜腐蚀 防止光盘划伤 保护光盘不受强光照射 不存放在过热 过冷或潮湿的地方 光盘必须放在专用的容器内保存而不能堆放在一起 取盘时 光盘可用水或中性清洁剂清洁 从中心向边缘擦拭 不能沿圆形轨边擦拭 光盘的寿命与用户的维护有直接关系 光盘的保养 9 3CD 9 3 1CD原理CD CompactDisc 高密盘 Philips公司 20世纪80年代初 开发成功数字光盘音响系统化学材料 CD光盘采用聚碳酸脂 Polycarbonate 制成 这种材料寿命很长而且不易损坏 摩托车头盔和防弹玻璃也是这种材料 物理构造 CD光盘上记录的信息最小单元是比特 bit 在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式记录二进制 0 和 1 再覆上一层薄反射层 铝 最后再覆上一层透明胶膜保护层 并在保护层的一面印上标记 我们通常称光盘的两面分别为数据面和标记面 目前通常用的光盘直径为12cm 厚度约为1mm 中心孔直径为15mm 重约14 18g CD数据记录和读取方式 二进制数据以微观的凹痕形式记录在螺旋轨道 track 光道 上 光道从盘的中心开始直到盘的边缘结束 与磁盘的同心环型磁道不一样 CD光盘磁盘 光道上凹凸交界的跳变沿均代表数字 1 两个边缘之间代表数字 0 0 的个数是由边缘之间的长度决定 信息读取时 CD机的激光头发出一束激光照到CD盘的数据面并拾取反射回来的光信号判别记录的是 1 或 0 激光照在光盘上时 如果是照在凸区上 将会有70 80 被反射 这样光头就可以读到反射信号 如果照在凹区上 则造成激光散射 CD读取头无法接受到反射信号 可读写光盘的擦写原理要实现光盘信息的重写 必须恢复光盘介质原来的性质 擦去原来信息 然后重新记录新的信息 可分为两类 即磁光式和相变式 磁光式 MO Magnet Optical 以稀土 过渡金属非晶体垂直磁化膜作为记录介质 磁光记录技术的原理就是在高温下磁介质磁性会发生变换 并且在冷却之后一直保持这种变化 记录过程 再次加热可以将其恢复到原先的样子 擦除过程 相变式 利用记录介质的两个稳态之间的互逆相结构的变化来实现信息的记录和擦除 两种稳态是反射率高的晶态和反射率低的非晶态 玻璃态 写过程是把记录介质的信息点从晶态转变为非晶态 擦过程是写过程的逆过程 即把激光束照射的信息点从非晶态恢复到晶态 PD是 相变式可重复擦写光盘驱动器 的缩写 PhaseChangeRewritableOpticalDiskDrive CD DA digitalaudio 红皮书 RedBook 激光数字音频光盘的规范 这个标准是CD的最基本的标准 CD ROM 黄皮书 YellowBook 1988年正式作为国际标准IS09660 1991年又推出了IS0966OII CD V video 从红皮书发展而来 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 可录CD recordablecompactdisc 橙皮书 OrangeBook 分为CD MO和CD WO CD MO指磁光盘 可重写 CD WO又称CD R 只能一次写入数据 不能抹掉 9 3 2 CD标准 CD I 绿皮书 GreenBook 用于交互式多媒体CD I系统 1992年推出第二代CD I 可播放交互式视频图像 CD ROMXA ExtendedArchitecture CD ROM扩展结构 Philips SONY及Microsoft制定 一般的CD ROM将不同类的信息 声音 图像和文字 放在不同的轨上 CD ROMXA克服了这一问题 可在统一轨中同时存放性质不同的资料 Photo CD像片光盘1991年Philips和kdak 1992年制定规范 用于存放数字静态照片 VideoCD 白皮书 WhiteBook 采用MPEG 1压缩算法压缩动态图像 可在普通CD ROM盘片上存储74分钟的全动态视频图像和CD音质的同步声音 VideoCD节目能够在CD I CD ROMXA和VideoCD播放机上播放 9 3 3 CD的批量制造 父盘 母盘 子盘 压模 CD盘 9 3 4 CD使用的基本技术 1 EFM编码EFM EighttoFourteenModulation 8到14比特调制 编码的含义就是把一个8比特 即1个字节 的数据用14比特来表示 根据20世纪70年代的技术水平 把 0 的游程长度最短限制在2个 而最长限制在10 光盘上的信号就能够可靠读出 也就是说 2个 1 之间至少要有2个 0 最多不超过10个 0 8位数据有256种代码 14位通道位有16384种代码 在这16384种代码中有267种代码能够满足 0 游程长度的要求 再去掉11个代码 这样就定义了与8位数据相对应的256种通道码 当通道码合并时 在通道码之间再增加3位以确保读出信号的可靠性 于是在CD中8位的数据就转换成了17位的通道代码 在DVD光盘技术中 把3位合并位改成2位 2 CRC CyclicRedundancyCode 循环冗余码 属于纠错编码3 RS Reed Solomon 里德 索洛蒙 属于纠错编码4 CIRC CrossInterleavedReed SolomonCode 交叉RS码 在用RS编译码前后 对数据进行交插处理和交叉处理 其基本思想是把本该连续存放的数据错开放 当出现一片错误时 这些错误就分散到各处 错误就容易得到纠正 这种技术就称为交插 interleaving 技术 5 RSPC Reed SolomonProduct likeCode Reed SolomonProductCode 里德 索洛蒙乘积码 被DVD采用的纠错编码技术 6 CLV ConstantLinearVelocity 恒定线速度 使用CLV技术的光驱特点是读取光盘内圈时转速加快 保证在读取盘片内外圈时有大致相同的传输速度 该技术是早期CD ROM的标准技术 已经无法适应现代高倍速CD ROM驱动器 7 CAV ConstantAngularVelocity 恒定角速度 无论激光头读取光盘片外圈还是内圈时 马达都以相同的速度旋转 特点是为了保持盘片的旋转速度稳定 CD ROM的数据传输速率是可变的 光驱在读外道的速度比读内道的时候大得多 因此 高速CD ROM的倍速都是指光驱 可以 达到的最高数据传输率 躁声比较小 8 PCAV PartialConstantAngularVelocity 局部恒定角速度 把CAV和CLV合二为一 特点是当激光头读盘片的外圈数据时 旋转速度保持不变 而大幅增加数据传输率 当激光头读取内圈数据时 逐渐增加旋转速度 使性能提高 使用PCAV技术的光驱 是目前CD ROM的主流技术 能够基本实现其标称倍速值 9 4 DVD DVD原名 DigitalVideoDisc 数字电视光盘 后更改为DigitalVersatileDisc 数字万用光盘 1995年 由Sony和Philips公司领导的国际财团与另一个由Toshiba和TimeWarner公司领导的国际财团分别提出了两个不兼容的高密度CD HDCD HighDensityCompactDisc 规格 同年10月 两大财团同意盘片的设计按Toshiba TimeWarner公司的方案 而盘上的存储数据编码按Sony Philips公司的方案 DVD储存的视频节目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 9 4 1 DVD的容量 9 4 2 DVD技术 DVD和CD技术比较 DVD盘光道之间的间距由CD的1 6mm缩小到0 74mm 而记录信息的最小凹凸坑长度由CD的0 83mm缩小到0 4mm DVD盘的记录区域从CD盘的86cm2提高到86 6cm2 记录容量也就提高了1 9 激光波长和数值孔径一般而言 光盘片的记录密度受限于读出的光点大小 与激光波长 物镜的数值孔径NA相关 要提高光盘的记录密度和分辨率 一般可使用短波长激光或提高物镜的数值孔径使光点缩小 数值孔径 NA 数值孔径简写NA 与物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率 和孔径角 u 有关 用公式表示如下 NA sin u 2 孔径角又称 镜口角 是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度 孔径角越大 进入物镜的光通亮就越大 分辨率分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距 其计算公式是 NA 式中 为光线的波长 9 4 3 DVD盘的规格 面和层的概念 最简单的单面单层光盘结构 单面双层光盘 单面双层盘的表层称为第0层 最里层称为第1层 第0层采用了一种新的半透明 semi transparent 薄膜涂层 可让激光束透过表层到达第1层 单面双层DVD盘的容量可达到8 5GB 单面双层光盘的结构 双面双层光盘的结构 双面双层DVD盘的容量可达到17GB 9 4 4 DVD标准 9 5 蓝光光盘和HDDVD的竞争 蓝光光盘 Blu rayDisc 和HDDVD HighDefinitionDVD 都是采用波长较短 405nm 的蓝色激光读取和写入数据 而普通DVD采用的是650nm的红光 蓝光拥有较短的光波长度 能储存较密集的数据到盘片上 蓝光光盘是目前最先进的大容量光碟格式 能在一张单碟上存储25GB的文档文件 是现有 单碟 DVD4 7GB的5倍 HD DVD单层容量为15GB 但是HD DVD与标准DVD共享部分构造设计 DVD制造商不需为规格升级 2002年2月19日 由索尼领导的全球九大电子企业宣布了蓝光光盘开发计划 2002年8月29日 东芝和NEC提议将HDDVD作为下一代光盘格式的标准 2003年4月10日 全球首台蓝光录像机 索尼BDZ S77 在日本上市 2004年1月7日 东芝在CES2004上公开了第一款HDDVD播放机原型 向下兼容DVD 2004年1月12日 惠普和戴尔决定支持蓝光 2004年11月29日 派拉蒙 环球 华纳兄弟等好莱坞片商宣布支持HDDVD 2004年12月9日 迪斯尼宣布支持蓝光 2005年4月21日 索尼和东芝对单一格式进行谈判无果而终 2005年8月18日 狮门和环球音乐集团宣布支持蓝光 2005年9月27日 微软和Intel宣布支持HDDVD 2005年10月3日 派拉蒙宣布将同时提供蓝光和HDDVD格式的电影 2005年12月16日 惠普宣布同时支持两种格式 2006年1月4日 比尔 盖茨宣布Xbox360主机将提供HDDVD外置光驱 2006年3月31日 东芝推出全球首款HDDVD播放机HD A1 2007年3月5日 中国版HDDVD规范C HDDVD ROMv10 0获批 2007年8月20日 派拉蒙和梦工厂宣布单独支持HDDVD 2007年11月 东芝HDDVD播放机出现99美元超低促销价 2008年1月4日 华纳兄弟宣布不再支持HDDVD 转而独立支持蓝光 2008年1月14日 东芝第三代HDDVD播放机HD A3零售价降至150美元 2008年2月11日 NetFlix和BestBuy宣布将逐渐淡出HDDVD格式产品 2008年2月15日 沃尔玛宣布将在六月起专营蓝光格式产品 2008年2月16日 日本NHK电视台报道称 东芝已经停产HDDVD播放机 2008年2月19日 东芝宣布不再继续开发HDDVD 2008年2月22日 为防止索尼蓝光DVD垄断 中国版HDDVD坚持如期推出 蓝光光盘 蓝光光驱 9 6 多媒体信息获取 9 5 1 扫描仪基本部件 移动架 扫描的过程中从一端移动到另一端 光源 荧光灯管 移动的过程中形成扫描线 镜子 将每条照亮的扫描线反射到CCD阵列上 CCD change coupleddevice 电荷耦合器件 阵列 扫描仪的光传感器它可以将照射在其上的光信号转换为相应的电信号 既包括计算机从自然界获取多媒体信息也包括人从计算机获取多媒体信息 简单介绍扫描仪 数码相机 触摸屏 显示器和打印机 工作原理 将反映图像特征的光信号转换成计算机可接受的电信号 扫描仪在工作时 首先由光源将光线照在图稿上 产生表示图像特征的投射光和反射光 光学系统采集这些光线将其聚焦在CCD上 由CCD将光信号转换成相应电信号 然后对这些信号进行A D转换及处理 产生相应的数字信号送往计算机 机械转动机构在控制电路的控制下带动装有光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动 将图稿全部扫描一遍 一幅完整的图像就输入到计算机中了 9 5 2 数码相机数字相机使用CCD阵列 把来自CCD阵列的电压信号送到模数转换器后 变换成图像的像素值 存储介质 典型的存储介质由普通的动态随机存取存储器 闪速存储器或小型硬盘组成 成像 拍照时 进入照相机镜头的光线聚焦在CCD上 一个包含上万个细小彩色点的过滤器把射入的光线分离成红 绿 蓝三种成分 使得每个CCD单元只能看到一种颜色 从而在CCD芯片的表面形成一个图像 模数转换 当照相机判定已经聚集了足