多媒體光盤存儲技術(shù)

當(dāng)前第1頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)本章要點CD簡歷

CD的工作原理CD－AUDIO

DVD簡介

VCD與DVD播放機結(jié)構(gòu)當(dāng)前第2頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)如何記錄“0”和“1”，如何提高單位面積上的記錄密度是計算機工業(yè)中的一個非常重要的技術(shù)研究和開發(fā)課題。光記錄是20世紀(jì)70年代的重大發(fā)明，是80年代世界上的重大技術(shù)開發(fā)項目，是90年代得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)。當(dāng)前第3頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.1CD簡歷9.1.1CD發(fā)展的三部曲

1.LD-激光視盤

20世紀(jì)70年代初，荷蘭飛利浦公司開始研究利用激光來記錄和重放信息。1972年9月展示了長時間播放電視節(jié)目的光盤系統(tǒng)。1978年光盤播放機正式投放市場并命名為LV.當(dāng)前第4頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.1CD發(fā)展的三部曲1.LD-激光視盤

又稱LCD，直徑較大，為12英寸。

兩面都記錄信息,記錄模擬信號。

模擬信號經(jīng)過頻率調(diào)制、線性疊加，然后進行限幅放大。

限幅后的信號以0.5微米寬的凹坑長短來表示。

當(dāng)前第5頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.1CD發(fā)展的三部曲2.CD-DA激光唱盤1982年P(guān)hilips公司和Sony公司開發(fā)出存儲數(shù)字聲音的光盤，即數(shù)字激光唱盤(CompactDisc-DigitalAudio，CD-DA)。

CD-DA激光唱盤系統(tǒng)首先把模擬的音響信號進行PCM數(shù)字化處理，再經(jīng)過通道編碼之后記錄到盤上。

專門為光盤制定了標(biāo)準(zhǔn)，就是聞名世界的“紅皮書”標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前第6頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.1CD發(fā)展的三部曲3.CD-ROM

從CD-DA過渡到CD-ROM需要解決的兩個重要問題：

①計算機如何尋找盤上的數(shù)據(jù)，即如何劃分盤上的地址問題。

②把CD盤作為計算機的存儲器時，要求它的錯誤率(10-12)遠遠小于聲音數(shù)據(jù)的錯誤率(10-9).1985年CD－ROM成功推向市場，專門制定了“黃皮書(Yellow)標(biāo)準(zhǔn)”。當(dāng)前第7頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1CD簡歷光盤的成長歷程20世紀(jì)七十年代初，Philips1972.9展示播放電視節(jié)目的光盤系統(tǒng)1978.正是投放市場光盤播放機LV1982CD-DA紅皮書標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字聲音1985CD-ROM推向市場，ISO9660標(biāo)準(zhǔn)1986

CD-I數(shù)字化文圖聲像動畫等,CD-G靜止圖像和音樂節(jié)目CD-V模擬的電視圖像和數(shù)字化的聲音1992

CD-IFMV

數(shù)字化電影電視等節(jié)目,OK-CD卡拉OK節(jié)目1993VCD數(shù)字化電影電視節(jié)目當(dāng)前第8頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1CD簡歷9.1.3部分CD產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)紅皮書CD-DA音樂節(jié)目74分鐘黃皮書CD-ROM文圖聲像等多媒體節(jié)目650M綠皮書CD-I文圖聲像等多媒體節(jié)目760M

橙皮書CD-R讀寫文圖聲像等多媒體節(jié)目白皮書Video-CD影視節(jié)目70分鐘(MPEG-I)紅皮書+CD-V模擬電視數(shù)字聲音5-6分鐘電視20分鐘聲音藍皮書LD影視節(jié)目200分鐘直徑12英寸當(dāng)前第9頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.3部分CD產(chǎn)品簡介1.CD－DA

激光數(shù)字音頻光盤，1981年制定了它的規(guī)范—紅皮書，又稱為CD，CD-DA盤直徑為12厘米，每片盤能播放74分鐘高質(zhì)量的音樂節(jié)目。2.CD－ROM

計算機只讀光盤。1985年制定了它的規(guī)范，主要用于計算機外存儲器，最初CD－ROM只含計算機可讀的文字信息，現(xiàn)在可存儲聲音、圖形、視頻、動畫等。CD－ROM光盤直徑12厘米，容量為650MB。當(dāng)前第10頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.3部分CD產(chǎn)品簡介3.CD－V

帶視頻的激光唱片，1987年出現(xiàn)，它是CD－DA和LD相結(jié)合的產(chǎn)物，同CD－G一樣在影碟機上使用。4.CD－I

交互式光盤：用于交互式計算機多媒體CD－I系統(tǒng)中。1987年制定了它的規(guī)范，CD－I只能由CD－I播放機播放。

當(dāng)前第11頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.3部分CD產(chǎn)品簡介5.CD－R

可錄式光盤。1989年制定了它的規(guī)范。它可多次在空余部分寫入數(shù)據(jù)，適合于小規(guī)模單一發(fā)行的CD制品或數(shù)據(jù)備份，資料存檔等。當(dāng)前第12頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.3部分CD產(chǎn)品簡介6.Photo－CD

相片光盤。1992年制定了它的規(guī)范。Photo－CD是專為存儲數(shù)字化的35mm相片設(shè)計的，一張光盤可多次錄入約100張左右的相片，必要時還可以還原成底片。Photo－CD光盤可在CD－I、CD－ROM／XA和Photo－CD播放機上播放。當(dāng)前第13頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.3部分CD產(chǎn)品簡介7.V－CD

是VideoCD的簡稱，意為視頻小型光盤。1993年制定了VCD1.1的標(biāo)準(zhǔn)。1994年又在VCD1.1的基礎(chǔ)上增加了播放控制(屏幕菜單)和高清晰度圖像等功能，制定了VCD2.0標(biāo)準(zhǔn)。VCD標(biāo)準(zhǔn)采用了CD－ROM／XA數(shù)據(jù)格式，因此可在配置了CD－ROM驅(qū)動器的PC基礎(chǔ)上播放，普通的CD唱機增加VCD解碼板也可播放VCD。VCD盤可連續(xù)播放74分鐘的錄像節(jié)目。其圖像優(yōu)于VHS錄像質(zhì)量，伴音質(zhì)量可達到CD的效果。當(dāng)前第14頁\共有53頁\編于星期四\22點9.1.3部分CD產(chǎn)品簡介8.LD

激光視盤，又稱影碟，因此視頻播放機又稱影碟機。視盤的直徑一般為30cm、也有20cm的。根據(jù)其信號錄制方式，LD分為兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)播放視盤(CAV)，這種視盤單面播放時間為30分鐘。另一種是長時間播放視盤(CLV)，其單面播放時間為60分鐘。當(dāng)前第15頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.2CD工作原理9.2.1CD盤片結(jié)構(gòu)

1.CD盤主要由保護層、反射激光的鋁反射層、刻槽和聚碳脂襯墊組成。當(dāng)前第16頁\共有53頁\編于星期四\22點9.2.1CD盤片結(jié)構(gòu)2.CD盤的外徑為120mm，內(nèi)徑為15mm，重量為14克～18克。激光唱盤分3個區(qū)：導(dǎo)入?yún)^(qū)、導(dǎo)出區(qū)和聲音數(shù)據(jù)記錄區(qū)。當(dāng)前第17頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.2CD工作原理9.2.2CD盤的光道結(jié)構(gòu)

1.與磁盤的磁道比較

磁盤存放數(shù)據(jù)的磁道是同心環(huán)。磁盤片轉(zhuǎn)動的角速度是恒定的（CAV）采用同心環(huán)磁道的好處之一是控制簡單，便于隨機存取，缺點是存儲器沒有達到應(yīng)有的存儲容量。

當(dāng)前第18頁\共有53頁\編于星期四\22點9.2.2CD盤的光道結(jié)構(gòu)2.CD盤光道結(jié)構(gòu)采用的是螺旋型光道，一張CD盤的光道長約為5公里。CD盤轉(zhuǎn)動的線速度是恒定的，用CLV表示。由于采用了恒定線速度，因此內(nèi)外光道的記錄密度一樣，盤片的存儲容量得到充分利用，但隨機存儲特性變得較差，控制也較復(fù)雜。

當(dāng)前第19頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.2CD工作原理9.2.3數(shù)據(jù)是怎樣寫入到CD盤上的

CD盤上的數(shù)據(jù)是用壓模沖壓而成的，而壓模是用原版盤制成的。

在制作原版盤時，是用編碼后的二進制數(shù)據(jù)去調(diào)制聚焦激光束，如果寫入的數(shù)據(jù)為“0”，就不讓激光束通過，寫入“1”時，就讓激光束通過，或者相反。在制作原版盤的玻璃盤上涂有感光膠，曝了光的地方經(jīng)化學(xué)處理后就形成凹坑，沒有曝光的地方保持原樣，二進制信息就以這樣的形式刻錄在原版盤上。在經(jīng)過化學(xué)處理后的玻璃盤表面上鍍一層金屬，用這種盤去制作母盤，然后用母盤制作壓模，再用壓模去大批量復(fù)制。成千上萬的CD盤就是用壓模壓出來的，所以價格才這樣便宜。

當(dāng)前第20頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.2CD工作原理數(shù)據(jù)是怎樣從CD盤讀出的

1.CD盤上的數(shù)據(jù)要用CD驅(qū)動器來閱讀。

CD驅(qū)動器由光學(xué)讀出頭、光學(xué)讀出頭驅(qū)動機構(gòu)、CD盤驅(qū)動機構(gòu)、控制線路以及處理光學(xué)讀出頭讀出信號的電子線路等組成。

當(dāng)前第21頁\共有53頁\編于星期四\22點數(shù)據(jù)是怎樣從CD盤讀出的2.光學(xué)讀出頭是CD系統(tǒng)的核心部件之一，它由光電檢測器、透鏡、激光束分離器、激光器等元件組成。當(dāng)前第22頁\共有53頁\編于星期四\22點3.激光器發(fā)出的激光經(jīng)過幾個透鏡聚焦后到達光盤，從光盤上反射回來的激光束沿原來的光路返回，到達激光束分離器后反射到光電檢測器，由光電檢測器把光信號變成電信號，再經(jīng)過電子線路處理后還原成原來的二進制數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)是怎樣從CD盤讀出的說明：凹坑和非凹坑本身不代表１和０，而是凹坑端部的前沿和后沿代表１，凹坑和非凹的長度代表０的個數(shù)。

當(dāng)前第23頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.3CD-AUDIO9.3.1激光唱盤標(biāo)準(zhǔn)摘要

技術(shù)指標(biāo):

播放時間74分鐘旋轉(zhuǎn)方向順時針

旋轉(zhuǎn)速度1.2m/s～1.4m/s

光道間距1.6μm記錄區(qū)46mm～117mm數(shù)據(jù)信號區(qū)50mm～116mm

材料為折射率為1.55的任何材料

最小凹坑長度0.833μm～0.972μm

最大凹坑長度3.05μm～3.56μm

凹坑深度～0.11μm凹坑寬度～0.5μm當(dāng)前第24頁\共有53頁\編于星期四\22點9.3.1激光唱盤標(biāo)準(zhǔn)摘要光學(xué)系統(tǒng):

激光波長780nm聚焦深度±2μm信號格式:

通道數(shù)2個16位線性量化采樣頻率44.1kHz通道位速率4.3218Mb/s數(shù)據(jù)位速率1.9409Mb/s數(shù)據(jù):通道位8:17

錯誤校正碼CIRC調(diào)制方式EFM當(dāng)前第25頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.3CD-AUDIO9.3.2采用頻率和樣本大小

1.44.1KHz的由來？：人耳朵(因人而異)能聽到的聲音信號頻率范圍是20～20000Hz,為了避免高于20000Hz的高頻信號干擾采樣,在進行采樣之前，需要對輸入的聲音信號進行濾波.考慮到濾波器在20000Hz的地方大約有10%的衰減,所以可以用22000Hz的2倍頻率作為聲音信號的采樣頻率.但是,為了能夠與電視信號同步,PAL電視的場掃描為50Hz,NTSC電視的場掃描為60Hz,所以取50和60的整數(shù)倍,選用了44100Hz作為激光唱盤聲音的采樣標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前第26頁\共有53頁\編于星期四\22點9.3.2采用頻率和樣本大小

2.激光唱盤音樂信號的樣本位數(shù)是16。16位的樣本能夠表達的動態(tài)范圍就大于96dB。3.數(shù)字化的模擬聲音在激光唱盤上一秒鐘的存儲空間為：1秒×44100樣本/秒×2字節(jié)/樣本×2(左右兩個通道)=176.4千字節(jié)4.聲道數(shù)數(shù)字激光唱盤采樣兩個聲道(立體聲)的規(guī)格.當(dāng)前第27頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.3CD-AUDIO聲音數(shù)據(jù)的通道編碼1.聲音轉(zhuǎn)換成用“1”和“0”表示的數(shù)字信號之后，并不是直接把它們記錄到盤上。物理盤上記錄的數(shù)據(jù)和真正的聲音數(shù)據(jù)之間需要做變換處理，這種處理統(tǒng)稱為通道編碼。采用通道編碼的目的主要是兩個:一是為了改善信號質(zhì)量，使得讀出信號的頻帶變窄。其次是為了在接收端能夠從信號本身提取自同步信號。

當(dāng)前第28頁\共有53頁\編于星期四\22點聲音數(shù)據(jù)的通道編碼2.激光唱盤使用的通道編碼叫做8到14比特調(diào)制編碼(eighttofourteenmodulation，EFM)。

1.為什么要做通道編碼

在數(shù)字記錄中,有連續(xù)多個字節(jié)的全”0”或者全“1”信號要記錄到盤上，如果不作通道編碼讀出時的輸出信號就是一條直線，電子線路就很難區(qū)分有多少個“0”或者多少個“1”信號。而對于沒有規(guī)律的數(shù)字信號，讀出的信息就很不可靠。通道編碼實際上就是要在連續(xù)的“0”插入若干個“1”，而在連續(xù)的“1”之間插入若干個“0”，并對“0”和“1”的連續(xù)長度數(shù)目即“行[游]程長度”加以限制。當(dāng)前第29頁\共有53頁\編于星期四\22點聲音數(shù)據(jù)的通道編碼2.為什么要把8位數(shù)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)

理論分析和實驗證明，把“0”的游程長度最短限制在2個，而最長限制在10，光盤上的信號就能夠可靠讀出。即：2個“1”之間至少要有2個“0”最多不超過10個“0”。因為，8位數(shù)據(jù)有256種代碼,14位通道位有16384種代碼。通過計算機的計算,在這16384種代碼中有267種代碼能夠滿足“0”游程長度的要求.在這267種代碼中,其中有10種代碼在合并通道代碼時限制游程長度仍有困難，再去掉一個代碼，這樣就得到了與8位數(shù)據(jù)相對應(yīng)的256種通道碼。當(dāng)前第30頁\共有53頁\編于星期四\22點聲音數(shù)據(jù)的通道編碼2.為什么要把8位數(shù)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)

實際在通道碼合并時，為了滿足游程長度的要求，在通道碼之間再增加了3位來確保讀出信號的可靠性，于是在激光唱盤中8位的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成了17位的通道代碼。當(dāng)前第31頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.3CD-AUDIO

CD盤如何批量生產(chǎn)激光唱盤(CD-DA)、數(shù)字激光視盤(V-CD)和CD-ROM的制作過程都相同，大致分成三個階段：

原版盤預(yù)制作。

原版盤制作。

大批量復(fù)制。

當(dāng)前第32頁\共有53頁\編于星期四\22點

CD盤如何批量生產(chǎn)1.原版盤預(yù)制作

對于激光唱盤，把制作好的音樂節(jié)目轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的CD-DA格式，而對于V-CD盤，把影視節(jié)目轉(zhuǎn)換成V-CD標(biāo)準(zhǔn)記錄格式，這個過程也叫做預(yù)處理。2.原版盤制作

(1)把符合CD-DA或者V-CD標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個EFM編碼器變成串行數(shù)據(jù)流。

當(dāng)前第33頁\共有53頁\編于星期四\22點

CD盤如何批量生產(chǎn)2.原版盤制作

(2)把一片涂有光敏電阻的玻璃盤在旋轉(zhuǎn)平臺上進行光刻。

當(dāng)前第34頁\共有53頁\編于星期四\22點

CD盤如何批量生產(chǎn)2.原版盤制作(3)對光刻的玻璃盤進行化學(xué)處理，盤上曝了光的區(qū)域被腐蝕掉形成凹坑，沒有曝光的區(qū)域就被保留下來，“0”、“1”信號就以凹坑和非凹坑的形式記錄在螺旋形光道上。(4)對經(jīng)過化學(xué)處理的玻璃盤進行化學(xué)電鍍生成金屬原版盤，稱為父盤，通過父盤再制作母盤，然后由母盤制作出子盤(，子盤就是壓模。當(dāng)前第35頁\共有53頁\編于星期四\22點

CD盤如何批量生產(chǎn)2.原版盤制作當(dāng)前第36頁\共有53頁\編于星期四\22點

CD盤如何批量生產(chǎn)3.大批量復(fù)制。

聚碳酸脂加熱之后注入盤模里，壓模就把它上面的數(shù)據(jù)壓制到正在冷卻的塑料盤上，然后在盤上濺射一層鋁，用于讀出數(shù)據(jù)時反射激光束，最后涂一層保護漆和印制標(biāo)牌。

當(dāng)前第37頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.4DVD技術(shù)簡介1.DVD是DigitalVideoDisc的縮寫，由于DVD的應(yīng)用可以用來存儲其他類型的數(shù)據(jù)，所以更改為DigitalVersatileDisc。

當(dāng)前第38頁\共有53頁\編于星期四\22點簡介2.DVD的問世原因

MPEG-1的電視質(zhì)量是家用錄象機的質(zhì)量，MPEG-1技術(shù)的成熟促成了VCD的誕生和成熟；MPEG-2的電視質(zhì)量是廣播級的質(zhì)量，由于廣播級數(shù)字電視的數(shù)據(jù)量要比MPEG-1的數(shù)據(jù)量大得多，而CD-ROM的容量滿足不了存放MPEG-2Video節(jié)目的要求。為了解決MPEG-2Video節(jié)目的存儲問題，就促成了DVD的問世。當(dāng)前第39頁\共有53頁\編于星期四\22點簡介2.DVD的問世在1995年，DVD由四家國際公司合作共同開發(fā)完成。盤片的設(shè)計采用Toshiba/TimeWarner公司的方案，而存儲在盤上的數(shù)據(jù)編碼則采用Sony/Philips公司的方案。成果：單面單層DVD盤片應(yīng)該能夠存儲4.7GB的數(shù)據(jù)，單面雙層盤片的容量為8.5GB，最高可達到17GB

；單面單層盤存儲133分鐘的MPEG-2Video，其分辨率與現(xiàn)在的電視相同，并配備DolbyAC-3/MPEG-2Audio質(zhì)量的聲音和不同語言的字幕。當(dāng)前第40頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.4DVD技術(shù)9.4.2DVD的規(guī)格

1.DVD的成員DVD(DigitalVersatileDisc)BookA:DVD-ROMBookB:DVD-VideoBookC:DVD-AudioBookD:DVD-RecordableBookE:DVD-RAM當(dāng)前第41頁\共有53頁\編于星期四\22點9.4.2DVD的規(guī)格2.DVD的存儲容量

DVD盤的類型存儲容量(GB)MPEG-2Video的播放時間單面單層(只讀)4.7133單面雙層(只讀)8.5240單層雙面(只讀)9.4266雙層,雙面(只讀)17500單層雙面(DVD-R)6.6215單層雙面(DVD-RAM)5.2147當(dāng)前第42頁\共有53頁\編于星期四\22點9.4.2DVD的規(guī)格3.DVD-Video技術(shù)參數(shù)

技術(shù)內(nèi)容技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)傳輸率可變速率，平均速率為4.69Mb/s(最大速率為10.7Mb/s)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)聲音標(biāo)準(zhǔn)NTSC：DolbyAC-3或LPCM,可選用MPEG-2AudioPAL：MPEGMUSICAM*5.1或LPCM,可選用DolbyAC-3通道數(shù)多達8個聲音通道和32個字幕通道當(dāng)前第43頁\共有53頁\編于星期四\22點第九章多媒體光盤存儲技術(shù)

9.4DVD技術(shù)9.4.3DVD存儲技術(shù)1.從外觀和尺寸方面來看，DVD盤與現(xiàn)在廣泛使用的CD盤沒有什么差別，直徑均為120mm，厚度為1.2mm。從CD700多兆的存儲容量到DVD

最高達17G的信息存儲容量，許多新的技術(shù)得到了應(yīng)用。

DVD采用的新技術(shù)如下：當(dāng)前第44頁\共有53頁\編于星期四\22點9.4.3DVD存儲技術(shù)DVD采用的新技術(shù)

1.

DVD盤光道之間的間距縮小到0.74μm，而記錄信息的最小凹凸坑長度0.4μm，這是DVD盤的存儲容量可提高到4.7GB的主要原因。當(dāng)前第45頁\共有53頁\編于星期四\22點9.4.3DVD存儲技術(shù)DVD采用的新技術(shù)

2.使用波長為635/650nm的激光源代替在CD中使用的780nm紅外光激光源。

3.DVD把光學(xué)讀出頭的數(shù)值孔徑NA加大到0.6,這樣可以提高接收盤片反射光的能力，即提高光學(xué)讀出頭的分辨率。當(dāng)前第46頁\共有5