多媒體技術應用教程之多媒體數據存儲技術

多媒體技術應用教程陳永強，張聰主編胡兵，崔樹芹，蘇勇參編電子工業(yè)出版社2011.81當前第1頁\共有71頁\編于星期四\22點第6章多媒體數據存儲技術6.1光存儲基礎

6.1.1光存儲原理

6.1.2CD

6.1.3VCD

6.1.4DVD6.2網絡存儲技術

6.2.1直接連接存儲

6.2.2存儲區(qū)域網

6.2.3網絡附加存儲6.3光盤刻錄軟件Nero功能概述編輯環(huán)境

6.3.3基本操作6.4光盤刻錄實驗2當前第2頁\共有71頁\編于星期四\22點第6章多媒體數據存儲技術6.1光存儲基礎6.1.1光存儲原理6.1.2CD6.1.3VCD6.1.4DVD3當前第3頁\共有71頁\編于星期四\22點光盤存儲具有存儲密度高、容量大、可隨機存取、保存壽命長、工作穩(wěn)定可靠、輕便易攜帶等一系列其他記錄媒體無可比擬的優(yōu)點，特別適于大數據量信息的存儲和交換。光盤存儲技術不僅能滿足信息化社會海量信息存儲的需要，而且能夠同時存儲聲音、文字、圖形、圖像等多種媒體的信息，從而使傳統的信息存儲、傳輸、管理和使用方式發(fā)生了根本性的變化。

4當前第4頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理光盤存儲技術是將具有很高的相干和單色性的激光束，匯聚到光衍射極限的斑點上，使被照射的光斑區(qū)域內某種存儲介質產生物理或化學變化，從而改變媒體的光學（或光磁）性質以記錄信息。讀出信息時，用另一束激光束檢測光信號，存儲介質表面的狀態(tài)轉變?yōu)榉瓷涔鈴娀蚱窆獾钠D角旋轉，還原出記錄的信息。

5當前第5頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理雖然光盤都是采用激光進行讀/寫，光盤由于采用的存儲材料不同，其寫入讀出信息的機理也存在差異。一般來說可分為：1.形變2.相變3.磁光（Magneto-Optical）存儲

6當前第6頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理1.形變采用這種方法的包括只讀光盤和寫一次讀多次光盤。雖然只讀光盤和寫一次讀多次光盤記錄信息時都是使存儲介質形變，但是在實現的技術上是完全不同的。一個是壓制出信息坑，一個則是燒制出信息坑。7當前第7頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理1.形變只讀光盤存儲器對于像激光唱盤(CD-DA)和CD-ROM這樣的只讀光盤，其制作過程都相同，大致分成三個階段。原版盤預制作(Premastering)，或者稱為母盤預制作原版盤制作(Mastering)，或者稱為母盤制作大批量復制8當前第8頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理1.形變CD-ROM盤制作過程：在制作原版盤時，是用編碼后的二進制數據去調制聚焦激光束，如果寫入的數據為“0”，就不讓激光束通過，寫入“1”時，就讓激光束通過，或者相反。參看圖6-1。9當前第9頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-1光刻系統示意圖

10當前第10頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理1.形變CD-ROM盤制作過程：在制作原版盤的玻璃盤上涂有感光膠，曝了光的地方經化學處理后就形成凹坑，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。在經過化學處理后的玻璃盤表面上鍍一層金屬，用這種盤去制作母盤(motherdisc)，然后用母盤制作壓模，再用壓模去大批量復制。原版盤制作的整個過程如圖6-2所示。11當前第11頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-2原版盤制作的整個過程

12當前第12頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理1.形變只寫一次讀多次光盤存儲器這類光盤存儲器的媒體可為用戶提供一次寫入的存儲空間，寫后不能修改，但可以多次讀取。CD-R光盤結構和CD-ROM盤基本相同，主要差別在于CD-R中增加了一層有機染料作為記錄層。無論是CD-ROM還是CD-R，使用光驅讀取光盤時原理是相同的。

13當前第13頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理1.形變無論CD-ROM還是CD-R，光盤的讀出原理是相同的，見圖6-3。光盤上壓制了許多凹坑，激光束在凹坑部分反射的光的強度，要比從非凹坑部分反射的光的強度弱，光盤就是利用這個極其簡單的原理來區(qū)分“1”和“0”的。凹坑的邊緣代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的長度和非凹坑的長度都代表有多少個“0”。

14當前第14頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-3CD盤的讀出原理

15當前第15頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理2.相變相變可擦除光盤存儲器可反復多次寫入數據，采用的是一種特殊的相變材料，由鍺、銻等組成。這些材料最初是晶體結構，在這些結構中原子排列整齊，光反射率高。當表面溫度升到比熔點高時，如果突然冷卻，材料將從晶體結構變?yōu)榉蔷ЫY構。非晶結構的原子沒有很好的排列，光反射率低。相變可擦除光盤工作原理如圖6-4。

16當前第16頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-4相變可擦除光盤工作原理

17當前第17頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理2.相變寫原理利用激光束的大功率照射對盤片進行局部瞬間加溫，激光將相變材料加熱到熔點以上，再進行快速冷卻，就會固定在原子排序不整齊的非晶體狀態(tài)。從而，產生被激光照到的非晶體狀態(tài)部分和沒有被激光照到而留有原來晶體狀態(tài)的部分。用結晶狀態(tài)和非結晶狀態(tài)來區(qū)分信息0和1，利用這兩個狀態(tài)具有不同的反射率這一特性來檢測0和1信號。18當前第18頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理2.相變數據清除原理熱力學上，將相變材料被激光照到的非晶體狀態(tài)視為不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，從外部提供充分的能量即可恢復到晶體狀態(tài)。這就是相變可擦除光盤的數據消除原理。此時，恢復到晶體狀態(tài)的溫度被稱之為晶化溫度。得力于該原理，只要調整激光強度就可自由自在地寫入或清除數據。19當前第19頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理2.相變讀原理讀取時利用晶體與非晶體的不同反射率還原出二進制數據。

20當前第20頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理3.磁光（Magneto-Optical）存儲

磁光盤是使用光技術和磁技術相結合來記錄信息的一種可擦除重寫型光盤。目前所用的材料主要為鋱、鐵、鈷等構成的非晶態(tài)合金膜。

21當前第21頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理3.磁光（Magneto-Optical）存儲寫原理磁場強度對磁感應強度的磁滯回線如圖6-5所示，在小的固定的磁場強度HO下，將激光照射在記錄介質上，使其局部溫度升高，在外磁場的作用下改變磁疇的取向，用磁疇的正反方向來區(qū)別記錄的0和1信息。要使磁疇從一個方向變成另一個方向所需要的磁場強度和溫度有很大的關系，在常溫下不易改變。只有用激光將磁疇加熱到一定溫度，使其矯頑力變成幾乎為零，才可以在偏置磁場的作用下完成。等激光撤離后，該區(qū)域迅速冷卻，磁疇的方向也就固定了。

22當前第22頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理3.磁光（Magneto-Optical）存儲擦除原理磁光盤的擦除和寫入的原理類此，擦除后讓光道上的所有磁疇取相同的方向。方法是加入恒定磁場，用寫入信號調制寫入激光的輸出功率。要使磁疇反向的區(qū)域，輸出功率大，使該區(qū)域的溫度升高，在反向磁場的作用下磁疇的磁化方向發(fā)生翻轉；磁疇不反向的區(qū)域，激光輸出功率小，該區(qū)域的磁疇保持原有方向。23當前第23頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.1光存儲原理3.磁光（Magneto-Optical）存儲讀原理法拉第效應和克爾效應指的是在磁場的作用下，偏振光的偏振面發(fā)生旋轉，偏振角的大小和方向與磁場的大小和方向一致。法拉弟效應指的是在磁化表面中，偏振光透射產生偏振面旋轉的現象?？藸栃傅氖窃诓煌拇呕砻?，偏振光反射產生偏振面旋轉的現象。磁光盤利用克爾效應或法拉第效應來檢測0和1。讀出時激光不能使記錄介質過熱，其加熱功率要比記錄時的功率低。24當前第24頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD1.CD發(fā)展史2.CD分類3.CD盤片結構4.CD光道結構5.CD格式和標準25當前第25頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD1.CD發(fā)展史1980年飛利浦與索尼公司為CD制定了標準，這就是世界聞名的“紅皮書標準”。1982年索尼公司研制成功世界上第一張實用的CD，這種盤稱為CD-DA盤。1985年Philips公司和SONY公司推出CD-ROM，并了相應的物理格式標準，稱為黃皮書。1988年飛利浦發(fā)表CD-R可記錄光盤。索尼在1990年11月發(fā)布了橘皮書，制定了一次寫入式光盤的規(guī)格，并相繼推出MO磁光盤、CD-RW格式可刻錄光盤的國際統一標準。26當前第26頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD2.CD分類（1）按照應用格式劃分27當前第27頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD2.CD分類（2）按讀寫限制分類只讀式(CD-ROM)CD-ROM光盤的內容是在制作光盤時寫入的，用戶可任意多次從CD-ROM讀取信息，而不能往盤上寫信息。一次性寫入，多次讀出式(CD-R)一次寫多次讀光盤系統中的光盤，用戶可對其做一次寫入內容，以后成為只讀光盤?？勺x寫式(Rewriteable或Erasable)可重寫型光盤像磁盤一樣具有可擦寫性。它又分磁光型(MO)和相變型(PC)兩種形式。28當前第28頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD3.CD盤片結構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。29當前第29頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD3.CD盤片結構CD盤的外徑為120mm，重量為14克～18克。激光唱盤分3個區(qū)：導入區(qū)、導出區(qū)和聲音數據記錄區(qū)。30當前第30頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD4.CD光道結構磁盤存放數據的磁道是同心環(huán)，磁盤片轉動的角速度是恒定的，用CAV(constantangularvelocity)表示。CD盤采用螺旋型光道，CD盤轉動的線速度是恒定的，光盤的光學讀出頭相對于盤片運動的線速度是恒定的，通常用CLV(constantlinearvelocity)表示。31當前第31頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD5.CD格式和標準CD格式包含邏輯格式和物理格式。邏輯格式規(guī)定如何把文件組織到光盤上，以及指定文件在光盤上的位置，包括文件的目錄結構、文件大小以及盤片數目等事項；物理格式規(guī)定數據如何放在光盤上，包括物理扇區(qū)的地址、數據類型、數據塊的大小、錯誤檢測和校正碼等。32當前第32頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD5.CD格式和標準（1）物理格式CD-DA與紅皮書CD-ROM與黃皮書CD-ROM／XACD-I與綠皮書PhotoCDCD-Bridge盤CD-R與橙皮書33當前第33頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.2CD5.CD格式和標準（2）邏輯格式ISO9660

CD-ROM的邏輯格式可歸納為兩個部分：卷結構和文件結構。卷結構用來描述整片CD-ROM盤上所含信息的結構。一卷為一片CD-ROM。由于文件有大小之分，一個盤片上可以有很多文件，一個文件也可以需要幾個盤片才能存放。所以一卷可能有好幾個文件，一個文件也可能要跨越好幾卷。卷就是來描述這種錯綜復雜關系的規(guī)則。文件結構用來描述和配置放到CD-ROM盤上的文件的結構。文件結構的核心是目錄結構。目錄結構對文件系統的性能有很大的影響。一般來說，目錄結構采用分層目錄結構，并且有顯式說明和隱式說明之分。34當前第34頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.3VCD1.VCD標準2.VCD物理格式3.VCD邏輯格式35當前第35頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.3VCD1.VCD標準VCD標準描述的是一個使用CD格式和MPEG-1標準的數字視頻存儲格式。VCD采用了CD-DA，CD-ROM，CD-ROMXA，CD-I物理格式及ISO9660邏輯格式中的適用部分，而把MPEG-I作為它們的邏輯格式。VCD是介于CD-ROM和CD-I之間的一種格式。36當前第36頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.3VCD1.VCD標準超級VCD（SVCD）使用MPEG-2視頻編碼。SVCD廣泛的兼容性以及與中國彩電的匹配性。

37當前第37頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.3VCD2.VCD物理格式VCD盤由引導區(qū)(導入區(qū)和導出區(qū))和節(jié)目區(qū)兩部分組成。導入區(qū)和導出區(qū)按CD-ROMXA數據光道的Mode2Form2進行編碼，是不含數據的空扇區(qū)。節(jié)目區(qū)中的第一條光道（Track1）是一條專用VCD數據光道，其余的是MPEGAudio/Video光道和CD-DA光道。

38當前第38頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-8VCD盤的組織結構39當前第39頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.3VCD3.VCD邏輯格式VCD盤的文件系統是在ISO9660文件結構標準基礎上開發(fā)的。VCD盤需要的目錄有Root、CDI、VCD和MPEGAV等。VCD盤的目錄結構如圖6-10所示。

40當前第40頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-10VCD盤的目錄結構41當前第41頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD1.簡介2.分類3.原理4.新發(fā)展42當前第42頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD1.簡介1995年9月，DVD研制的兩大陣營SONY,PHILIPS聯盟和TOSHIBA，TIMEWARNER聯盟合作推出了DigitalVideoDisc（DVD）。DVD其主要應用是提供相比LD更廉價，而容量全面超過CD-ROM的高質量視頻存儲解決方案。但隨后的發(fā)展使得新格式的涵蓋規(guī)模已超過當初設定的視頻播映的范圍，因此后來又有人提出了新的名稱：DigitalVersatileDisc，意即用途廣泛的數字化儲存光碟媒體，也就是目前我們所熟知的接替CD承擔歷史重任的下一代勇士：DVD。43當前第43頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD1.簡介現階段DVD-Video產品選用MPEG-2的11種規(guī)范中的主型主級規(guī)范，即NTSC制式電視720像素/行×576行/幀，30幀／秒；PAL制式電視720像素/行×488行/幀，25幀／秒，數據傳輸速率最大為15Mbps，達到了廣播級電視圖像質量的標準。44當前第44頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD2.分類（1）只讀光盤DVD-ROM按容量為：DVD-5DVD-9DVD-10DVD-18按應用領域分：BookABookBBookCBookDBookE45當前第45頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD2.分類（2）可刻錄DVDDVD-RAMDVD-R/RWDVD+R/RW46當前第46頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD3.原理DVD尺寸上和CD沒有兩樣，但是什么樣的技術造成了存儲容量的巨大差異？

面數增加，層數增加。DVD可以分為單面單層、單面雙層、雙面單層和雙面雙層四種物理結構。厚度變薄。CD厚度是1.2mm。而單層的DVD盤片是0.6mm。激光波長變短。DVD采用的糾錯方式也比較特殊。47當前第47頁\共有71頁\編于星期四\22點DVD與CD凹坑比較DVD與CD的主要技術參數比較48當前第48頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD4.新發(fā)展一是索尼、松下、菲利浦等廠商力推的俗稱“藍光DVD”的Blue-RayDisk（簡稱BD）；二是以東芝為主力推的“AdvancedOpticalDisk”，也就是平時所說的HDDVD。49當前第49頁\共有71頁\編于星期四\22點6.1.4DVD4.新發(fā)展BD和HDDVD可以說各有所長。BD的優(yōu)勢在于較強的存儲能力，更適合在專業(yè)的光存儲領域發(fā)展；而HDDVD憑借其對紅光DVD和CD的向下兼容性，更適合在PC存儲領域使用。藍光BD最終統一了高清影碟格式。

50當前第50頁\共有71頁\編于星期四\22點第6章多媒體數據存儲技術6.2網絡存儲技術6.2.1直接連接存儲6.2.2存儲區(qū)域網6.2.3網絡附加存儲51當前第51頁\共有71頁\編于星期四\22點網絡技術的發(fā)展，使得在網上流動的數據量大增。尤其是多媒體網絡技術的發(fā)展，人們經常要在網上獲取音/視頻數據。不斷加速的信息需求使得存儲容量的增長速度超過了服務器處理能力的增長速度。一方面是服務器有限的內部存儲極限，另一方面是不斷增長的存儲內容，這就要求服務器的存儲“外部化”，以適應新的應用要求。52當前第52頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.1直接連接存儲1.簡介2.問題和不足53當前第53頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.1直接連接存儲1.簡介直接連接存儲是一種直接與主機系統相連接的存儲設備，它完全以主機為中心，寄生在相應服務器或客戶端上，本身不帶有任何操作系統。

54當前第54頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-12DAS示意圖55當前第55頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.1直接連接存儲2.問題和不足直連式存儲過分依賴服務器SCSI通道成為I/O瓶頸容量擴展不方便56當前第56頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.2存儲區(qū)域網1.簡介2.特點57當前第57頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.2存儲區(qū)域網1.簡介SAN指存儲設備相互連接且與一臺服務器或一個服務器群相連的網絡。其中的服務器用作SAN的接入點。FCSANIPSAN58當前第58頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-13FC構成的SAN59當前第59頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.2存儲區(qū)域網2.特點結構靈活，傳輸距離遠高性能可擴展性好

60當前第60頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.3網絡附加存儲1.簡介2.特點3.SAN與NAS的區(qū)別和聯系61當前第61頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.3網絡附加存儲1.簡介NAS是一種特殊的專用數據存儲設備，這些設備都分配有IP地址，內嵌系統軟件，可提供跨平臺文件共享功能。它以數據為中心，將存儲設備與服務器分離集中管理數據，能提高網絡整體性能，如圖6-15所示。

62當前第62頁\共有71頁\編于星期四\22點圖6-15NAS與網絡直接相連63當前第63頁\共有71頁\編于星期四\22點6.2.3網絡附加存儲2.特點（1）NAS的優(yōu)點即插即用，易于安裝和管理。使用簡單方便?？缙脚_使用。性能可靠穩(wěn)定、優(yōu)化的文件管理系統和低廉的價格。安全性強。（2）NAS的缺點存儲性能較低，只適用于較小網絡規(guī)?；蛘咻^低數據流域量的網絡數據存儲；磁盤陣列必須配置專用文件服務器，后期擴容成本高