多媒體儲存和獲取技術(shù)

1、MMTMMT第十講第十講 多媒體儲存和獲取技術(shù)多媒體儲存和獲取技術(shù)YANGZHOUDAXUE物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院9.1 多媒體計算機基本結(jié)構(gòu)1.多媒體計算機 多媒體計算機需要計算機交互式地綜合處理聲、文、圖信息，圖像和聲音信息數(shù)據(jù)量大，處理速度要求高。有三種方案：1 選用專用芯片、設(shè)計專用接口卡。 例如視頻卡、聲卡、網(wǎng)卡等該方法就是多媒體個人計算機（MPC）的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)。2 設(shè)計專用芯片和軟件3 把多媒體技術(shù)做到CPU芯片中多媒體系統(tǒng)：CD-I系統(tǒng)：家用交互式多媒體系統(tǒng) DVI系統(tǒng)：由美國普林斯頓David Sanaoff研究中心研究開發(fā)的交互式數(shù)字視頻系統(tǒng)多媒體工作站 2.多

2、媒體計算機硬件9.2多媒體存儲多媒體信息：存在和表現(xiàn)有多種形式 常見的有：正文、向量圖形、位圖、數(shù)字化聲音和高保真音響、數(shù)字化視頻。信息量大 多媒體信息即使經(jīng)過壓縮,所需的存儲空間仍然十分可觀,傳統(tǒng)使用的計算機存儲設(shè)備如軟磁盤、磁帶等,無法滿足大信息量的要求。存儲器：計算機的重要組成部分,一般分為內(nèi)存儲器和外存儲器。 內(nèi)存儲器由只讀存儲器、隨機存儲器和高速緩沖存儲器 (cache) 組成。 外存儲器分為數(shù)字式磁記錄設(shè)備(如磁盤、磁帶)和模擬式磁記錄設(shè)備(如錄音帶、錄像帶)。 20世紀(jì)70年代研制出的光盤是滿足上述要求較為理想的存儲設(shè)備,其中只讀式緊湊光盤 (compact discread o

3、nly memory,CD-ROM)及其改進的DVD光盤是廣泛使用的多媒體信息載體。 CD,DVD屬于光存儲技術(shù)，硬盤屬于磁儲存技術(shù)。9.2.1.硬盤存儲：硬盤用磁性記錄技術(shù)記錄數(shù)據(jù)。磁性介質(zhì)很容易被擦去和重寫。 上圖為硬盤內(nèi)部情況，可以看見轉(zhuǎn)盤、讀寫臂、讀寫頭、高速線性馬達。 多數(shù)硬盤有多個盤面，且雙面讀寫。6讀寫頭 數(shù)據(jù)以磁道（tracks）和扇區(qū)（sectors）的方式存儲在盤面的表面。磁道是一些同心圓，而扇區(qū)是磁道上的楔型區(qū)域。 磁道和扇區(qū) 低級格式化：在磁盤盤面上建立磁道和扇區(qū)。 高級格式化：建立文件存儲結(jié)構(gòu)到扇區(qū)上。硬盤性能指標(biāo) 1轉(zhuǎn)速 以每分鐘多少轉(zhuǎn)（RPM）為單位。 2容量 硬

4、盤的容量與盤片數(shù)、面密度關(guān)系密切，這兩項數(shù)值越大則容量越大。3平均尋道時間 平均尋道時間指的是磁頭到達目標(biāo)數(shù)據(jù)所在磁道的平均時間，目前硬盤平均尋道時間大約為79毫秒。 4緩存 5傳輸速率（transfer rate） 傳輸速率分為內(nèi)傳輸速率與外傳輸速率，以每秒MB為單位。內(nèi)傳輸速率是從硬盤到緩存的傳輸速度。外傳輸速率是從緩存到通信接口的傳輸速度。9.2.2.光存儲：工作原理： 改變一個存儲單元的性質(zhì),使其性質(zhì)的變化反映出被存儲的數(shù)據(jù),識別這種性質(zhì)的變化,就可以讀出存儲數(shù)據(jù)。 光存儲單元的性質(zhì),例如反射率、反射光極化方向等均可以改變,它們對應(yīng)于存儲二進制數(shù)據(jù)0(不變)、1(改變),光電檢測器能夠

5、通過檢測出光強和光極性的變化來識別信息。 高能量激光束可以聚焦成約1m的光斑,因此光存儲技術(shù)比其他存儲技術(shù)具有更高的容量。 光存儲技術(shù)的產(chǎn)品化形式是由光盤驅(qū)動器和光盤片組成的光盤驅(qū)動系統(tǒng)。 驅(qū)動器讀寫頭是用半導(dǎo)體激光器和光路系統(tǒng)組成的光頭,記錄介質(zhì)采用磁光材料。光盤系統(tǒng)（光盤驅(qū)動器和光盤盤片 ）特點：與硬盤相比： 具有可拆卸性 容量相當(dāng) 驅(qū)動器較貴 盤片便宜 讀寫速度慢與磁帶相比： 容量大 隨機存取性強 激光頭與介質(zhì)元接觸,不受環(huán)境影響而退磁,信息保存時間長,可達30年以上。 技術(shù)指標(biāo): 容量、平均存取時間、數(shù)據(jù)率、接口標(biāo)準(zhǔn)及格式規(guī)范等。 存儲容量存儲容量 所能讀寫的光盤盤片的容量。又分為格式

6、化容量和用戶容量,采用不同的格式和不同驅(qū)動器,光盤格式化后容量不同。一般用戶容量比格式化容量要少,因為光盤還需要存放有關(guān)控制、校驗等信息。平均存取時間平均存取時間 在光盤上找到需要讀寫的信息的位置所需要的時間,即從計算機向光盤驅(qū)動器發(fā)出命令,到光盤驅(qū)動器可以接受讀寫命令為止的時間。一般取光頭沿半徑移動全程1/3長度所需要的時間為平均尋道時間,盤片旋轉(zhuǎn)一周的一半時間為平均等待時間, 兩者加上讀寫光頭的穩(wěn)定時間就是平均存取時間。 數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率 指從光盤驅(qū)動器讀取數(shù)據(jù)的速率, 可以定義為單位時間內(nèi)從光盤的光道上讀取數(shù)據(jù)的比特數(shù),與光盤轉(zhuǎn)速、存儲密度有關(guān)。 光盤類型：ROM只讀盤： 采用激光調(diào)制方式記

7、錄信息，將信息以凹坑和凸區(qū)的形式記錄在螺旋形光道上。光盤是由母盤壓模制成的，一旦復(fù)制成形永久不變，用戶只能讀出信息。WORM一次性寫多次讀光盤WORM(write once read many) 只能寫一次但可以多次瀆,一旦寫入就不能更改。Rewritable 可重寫光盤 可重寫光盤或稱可擦寫光盤是最理想的光盤類型,也是最有應(yīng)用前途的光盤類型。 目前可重寫光盤價格較貴。防止沾污某些溶劑，造成鋁膜腐蝕。防止光盤劃傷。保護光盤不受強光照射，不存放在過熱、過冷或潮濕的地方。光盤必須放在專用的容器內(nèi)保存而不能堆放在一起。取盤時： 光盤可用水或中性清潔劑清潔。從中心向邊緣擦拭，不能沿圓形軌邊擦拭。光盤的

8、壽命與用戶的維護有直接關(guān)系。 光盤的保養(yǎng)9.3 CD9.3.1 CD原理 CD（Compact Disc、高密盤） Philips公司，20世紀(jì)80年代初，開發(fā)成功數(shù)字光盤音響系統(tǒng)化學(xué)材料： CD光盤采用聚碳酸脂（Polycarbonate）制成，這種材料壽命很長而且不易損壞，摩托車頭盔和防彈玻璃也是這種材料。物理構(gòu)造： CD光盤上記錄的信息最小單元是比特（bit）。在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式記錄二進制“0”和“1”。 再覆上一層薄反射層（鋁），最后再覆上一層透明膠膜保護層，并在保護層的一面印上標(biāo)記。 我們通常稱光盤的兩面分別為數(shù)據(jù)面和標(biāo)記面。 目前通常用的光盤直徑為12cm，厚度約為

9、1mm，中心孔直徑為15mm，重約14-18g。 CD數(shù)據(jù)記錄和讀取方式 二進制數(shù)據(jù)以微觀的凹痕形式記錄在螺旋軌道（track，光道）上，光道從盤的中心開始直到盤的邊緣結(jié)束，與磁盤的同心環(huán)型磁道不一樣。CD光盤 磁盤 光道上凹凸交界的跳變沿均代表數(shù)字“1”，兩個邊緣之間代表數(shù)字“0”?！?”的個數(shù)是由邊緣之間的長度決定。信息讀取時，CD機的激光頭發(fā)出一束激光照到CD盤的數(shù)據(jù)面并拾取反射回來的光信號判別記錄的是“1”或“0” 。 激光照在光盤上時，如果是照在凸區(qū)上，將會有7080被反射，這樣光頭就可以讀到反射信號。如果照在凹區(qū)上，則造成激光散射，CD讀取頭無法接受到反射信號?？勺x寫光盤的擦寫原理

10、 要實現(xiàn)光盤信息的重寫,必須恢復(fù)光盤介質(zhì)原來的性質(zhì), 擦去原來信息, 然后重新記錄新的信息?？煞譃閮深?即磁光式和相變式。磁光式（MO，Magnet-Optical）： 以稀土-過渡金屬非晶體垂直磁化膜作為記錄介質(zhì)。 磁光記錄技術(shù)的原理就是在高溫下磁介質(zhì)磁性會發(fā)生變換，并且在冷卻之后一直保持這種變化(記錄過程)，再次加熱可以將其恢復(fù)到原先的樣子(擦除過程)。 相變式： 利用記錄介質(zhì)的兩個穩(wěn)態(tài)之間的互逆相結(jié)構(gòu)的變化來實現(xiàn)信息的記錄和擦除。兩種穩(wěn)態(tài)是反射率高的晶態(tài)和反射率低的非晶態(tài)(玻璃態(tài))。 寫過程是把記錄介質(zhì)的信息點從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。 擦過程是寫過程的逆過程,即把激光束照射的信息點從非晶態(tài)恢

11、復(fù)到晶態(tài)。 PD是“相變式可重復(fù)擦寫光盤驅(qū)動器”的縮寫：（Phase Change Rewritable Optical Disk Drive）” CD-DA(digital audio)：紅皮書(Red Book) 激光數(shù)字音頻光盤的規(guī)范。這個標(biāo)準(zhǔn)是CD的最基本的標(biāo)準(zhǔn)。CD-ROM：黃皮書 (Yellow Book), 1988年正式作為國際標(biāo)準(zhǔn)IS09660,1991年又推出了IS0966O II。CD-V(video)從紅皮書發(fā)展而來,存儲模擬的視頻信息和數(shù)字化聲音,在影碟機上使用,視頻信息可以輸出到電視機?？射汣D(recordable compact disc)：橙皮書(Orange

12、 Book)分為CD-MO和CD-WO。CD-MO指磁光盤,可重寫;CD-WO又稱CD-R,只能一次寫入數(shù)據(jù)，不能抹掉。9.3.2.CD標(biāo)準(zhǔn)CD-I：綠皮書 (Green Book) 用于交互式多媒體CD-I系統(tǒng)。1992年推出第二代CD-I, 可播放交互式視頻圖像。CD-ROM XA(Extended Architecture，CD-ROM擴展結(jié)構(gòu))Philips,SONY及Microsoft制定。一般的CD-ROM將不同類的信息（聲音、圖像和文字）放在不同的軌上，CD-ROM XA克服了這一問題，可在統(tǒng)一軌中同時存放性質(zhì)不同的資料。Photo-CD 像片光盤 1991年P(guān)hilips和kd

13、ak,1992年制定規(guī)范。用于存放數(shù)字靜態(tài)照片。Video CD：白皮書(White Book) 采用MPEG-1壓縮算法壓縮動態(tài)圖像，可在普通CD-ROM盤片上存儲74分鐘的全動態(tài)視頻圖像和CD音質(zhì)的同步聲音。Video CD節(jié)目能夠在 CD-I,CD-ROM XA和Video CD播放機上播放。9.3.3.CD的批量制造父盤母盤子盤(壓模) CD盤9.3.4.CD使用的基本技術(shù) 1EFM編碼 EFM（Eight to Fourteen Modulation，8到14比特調(diào)制）編碼的含義就是把一個8比特(即1個字節(jié))的數(shù)據(jù)用14比特來表示。 根據(jù)20世紀(jì)70年代的技術(shù)水平，把“0”的游程長度

14、最短限制在2個，而最長限制在10，光盤上的信號就能夠可靠讀出。也就是說，2個“1”之間至少要有2個“0”最多不超過10個“0”。 8位數(shù)據(jù)有256種代碼，14位通道位有16384種代碼。在這16384種代碼中有267種代碼能夠滿足“0”游程長度的要求。再去掉11個代碼，這樣就定義了與8位數(shù)據(jù)相對應(yīng)的256種通道碼。 當(dāng)通道碼合并時，在通道碼之間再增加3位以確保讀出信號的可靠性，于是在CD中8位的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成了17位的通道代碼。 在DVD光盤技術(shù)中，把3位合并位改成2位。2.CRC（Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余碼） 屬于糾錯編碼3.RS（Reed-Solomon，里德-

15、索洛蒙） 屬于糾錯編碼4.CIRC（Cross Interleaved Reed-Solomon Code，交叉RS碼） 在用RS編譯碼前后，對數(shù)據(jù)進行交插處理和交叉處理。其基本思想是把本該連續(xù)存放的數(shù)據(jù)錯開放，當(dāng)出現(xiàn)一片錯誤時，這些錯誤就分散到各處，錯誤就容易得到糾正，這種技術(shù)就稱為交插(interleaving)技術(shù)。 5.RSPC（R Reed-S Solomon P Product-l like C Code，Reed-Solomon Product Code，里德索洛蒙乘積碼） 被DVD采用的糾錯編碼技術(shù)6CLV(Constant Linear Velocity，恒定線速度) 使用C

16、LV技術(shù)的光驅(qū)特點是讀取光盤內(nèi)圈時轉(zhuǎn)速加快，保證在讀取盤片內(nèi)外圈時有大致相同的傳輸速度。該技術(shù)是早期CD-ROM的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代高倍速CD-ROM驅(qū)動器。7CAV(Constant Angular Velocity，恒定角速度) 無論激光頭讀取光盤片外圈還是內(nèi)圈時，馬達都以相同的速度旋轉(zhuǎn)。特點是為了保持盤片的旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，CD-ROM的數(shù)據(jù)傳輸速率是可變的，光驅(qū)在讀外道的速度比讀內(nèi)道的時候大得多。因此，高速CD-ROM的倍速都是指光驅(qū)“可以”達到的最高數(shù)據(jù)傳輸率。 躁聲比較小。8PCAV(Partial Constant Angular Velocity，局部恒定角速度) 把CAV

17、和CLV合二為一，特點是當(dāng)激光頭讀盤片的外圈數(shù)據(jù)時，旋轉(zhuǎn)速度保持不變，而大幅增加數(shù)據(jù)傳輸率；當(dāng)激光頭讀取內(nèi)圈數(shù)據(jù)時，逐漸增加旋轉(zhuǎn)速度，使性能提高。 使用PCAV技術(shù)的光驅(qū)，是目前CD-ROM的主流技術(shù)，能夠基本實現(xiàn)其標(biāo)稱倍速值。9.4、DVD DVD原名:Digital Video Disc，“數(shù)字電視光盤”。后更改為Digital Versatile Disc，“數(shù)字萬用光盤”。 1995年，由Sony和Philips公司領(lǐng)導(dǎo)的國際財團與另一個由Toshiba和Time Warner公司領(lǐng)導(dǎo)的國際財團分別提出了兩個不兼容的高密度CD(HDCDHigh Density Compact Disc

18、)規(guī)格。 同年10月，兩大財團同意盤片的設(shè)計按Toshiba/Time Warner公司的方案，而盤上的存儲數(shù)據(jù)編碼按Sony/Philips公司的方案。 DVD儲存的視頻節(jié)目分辨率與現(xiàn)在的電視相同，并配備Dolby AC-3/MPEG-2 Audio質(zhì)量的聲音和不同語言的字幕。 9.4.1.DVD的容量9.4.2.DVD技術(shù) DVDDVD和和CDCD技術(shù)比較技術(shù)比較 DVD盤光道之間的間距由CD的1.6mm縮小到0.74mm，而記錄信息的最小凹凸坑長度由CD的0.83mm縮小到0.4mm。 DVD盤的記錄區(qū)域從CD盤的86cm2提高到86.6 cm2，記錄容量也就提高了1.9%。 激光波長和

19、數(shù)值孔徑 一般而言，光盤片的記錄密度受限于讀出的光點大小，與激光波長，物鏡的數(shù)值孔徑NA相關(guān)。要提高光盤的記錄密度和分辨率，一般可使用短波長激光或提高物鏡的數(shù)值孔徑使光點縮小。數(shù)值孔徑(NA) 數(shù)值孔徑簡寫NA。與物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（）和孔徑角（u）有關(guān)。用公式表示如下： NA=sin(u/2)孔徑角又稱“鏡口角”，是物鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度。孔徑角越大，進入物鏡的光通亮就越大。 分辨率 分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個物點的最小間距。其計算公式是=/NA，式中為光線的波長。9.4.3.DVD盤的規(guī)格（面和層的概念）。最簡單的單面單層光盤結(jié)構(gòu) 單

20、面雙層光盤：單面雙層盤的表層稱為第0層，最里層稱為第1層。第0層采用了一種新的半透明(semi-transparent)薄膜涂層，可讓激光束透過表層到達第1層。單面雙層DVD盤的容量可達到8.5GB。單面雙層光盤的結(jié)構(gòu)雙面雙層光盤的結(jié)構(gòu)雙面雙層DVD盤的容量可達到17GB9.4.4.DVD標(biāo)準(zhǔn)9.5、藍光光盤和HD DVD的競爭 藍光光盤（Blu-ray Disc ）和HD DVD（High Definition DVD）都是采用波長較短(405nm)的藍色激光讀取和寫入數(shù)據(jù)。而普通DVD采用的是650nm的紅光。藍光擁有較短的光波長度，能儲存較密集的數(shù)據(jù)到盤片上。 藍光光盤是目前最先進的大容

21、量光碟格式，能在一張單碟上存儲25GB的文檔文件，是現(xiàn)有(單碟)DVD4.7GB的5倍。HD-DVD單層容量為15GB。但是HD-DVD與標(biāo)準(zhǔn)DVD共享部分構(gòu)造設(shè)計，DVD制造商不需為規(guī)格升級。2002年2月19日，由索尼領(lǐng)導(dǎo)的全球九大電子企業(yè)宣布了藍光光盤開發(fā)計劃。2002年8月29日，東芝和NEC提議將HD DVD作為下一代光盤格式的標(biāo)準(zhǔn) 。2003年4月10日，全球首臺藍光錄像機“索尼BDZ-S77”在日本上市。2004年1月7日，東芝在CES 2004上公開了第一款HD DVD播放機原型，向下兼容DVD。2004年1月12日，惠普和戴爾決定支持藍光。2004年11月29日，派拉蒙、環(huán)球

22、、華納兄弟等好萊塢片商宣布支持HD DVD。2004年12月9日，迪斯尼宣布支持藍光。2005年4月21日，索尼和東芝對單一格式進行談判無果而終。2005年8月18日，獅門和環(huán)球音樂集團宣布支持藍光。2005年9月27日，微軟和Intel宣布支持HD DVD。2005年10月3日，派拉蒙宣布將同時提供藍光和HD DVD格式的電影。2005年12月16日，惠普宣布同時支持兩種格式。2006年1月4日，比爾蓋茨宣布Xbox 360主機將提供HD DVD外置光驅(qū)。2006年3月31日，東芝推出全球首款HD DVD播放機HD-A1。2007年3月5日，中國版HD DVD規(guī)范C-HD DVD-ROM v

23、10.0獲批。2007年8月20日，派拉蒙和夢工廠宣布單獨支持HD DVD。2007年11月，東芝HD DVD播放機出現(xiàn)99美元超低促銷價。2008年1月4日，華納兄弟宣布不再支持HD DVD，轉(zhuǎn)而獨立支持藍光。2008年1月14日，東芝第三代HD DVD播放機HD-A3零售價降至150美元。2008年2月11日，NetFlix和Best Buy宣布將逐漸淡出HD DVD格式產(chǎn)品。2008年2月15日，沃爾瑪宣布將在六月起專營藍光格式產(chǎn)品。2008年2月16日，日本NHK電視臺報道稱，東芝已經(jīng)停產(chǎn)HD DVD播放機。2008年2月19日，東芝宣布不再繼續(xù)開發(fā)HD DVD。2008年2月22日，

24、為防止索尼藍光DVD壟斷，中國版HD DVD堅持如期推出。藍光光盤藍光光驅(qū)9.6、多媒體信息獲取9.5.1.掃描儀基本部件： 移動架：掃描的過程中從一端移動到另一端。 光源：熒光燈管，移動的過程中形成掃描線。 鏡子：將每條照亮的掃描線反射到CCD陣列上。 CCD （change-coupled device ，電荷耦合器件）陣列：掃描儀的光傳感器它可以將照射在其上的光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號 既包括計算機從自然界獲取多媒體信息也包括人從計算機獲取多媒體信息。 簡單介紹掃描儀、數(shù)碼相機、觸摸屏、顯示器和打印機。工作原理： 將反映圖像特征的光信號轉(zhuǎn)換成計算機可接受的電信號。 掃描儀在工作時，首先由光

25、源將光線照在圖稿上，產(chǎn)生表示圖像特征的投射光和反射光。 光學(xué)系統(tǒng)采集這些光線將其聚焦在CCD上，由CCD將光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號 然后對這些信號進行A/D轉(zhuǎn)換及處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號送往計算機。 機械轉(zhuǎn)動機構(gòu)在控制電路的控制下帶動裝有光學(xué)系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進行相對運動，將圖稿全部掃描一遍，一幅完整的圖像就輸入到計算機中了。 9.5.2.數(shù)碼相機 數(shù)字相機使用CCD陣列，把來自CCD陣列的電壓信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，變換成圖像的像素值。存儲介質(zhì)： 典型的存儲介質(zhì)由普通的動態(tài)隨機存取存儲器、閃速存儲器或小型硬盤組成。成像： 拍照時，進入照相機鏡頭的光線聚焦在CCD上，一個包含上萬個細小彩色點的過濾器把射入的光線分離成紅、綠、藍三種成分，使得每個CCD單元只能看到一種顏色，從而在CCD芯片的表面形成一個圖像。模數(shù)轉(zhuǎn)換