【精品课件】多媒体存储技术

实践中已经证实，多媒体信息能够充分表达信息的内涵，加快人们对信息的接受，加深人们对信息内容的理解和记忆。因而在计算机领域中对多媒体技术的研究越来越深入，要求也越来越高。由于多媒体数据具有量大的特征以及各种应用领域中因信息巨增而带来的海量数据，因而存储问题相当严峻。第8章多媒体存储技术目前光盘存储在多种功能样和智能化操作方面都已经有了显著的成果。随着光量子数据存储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术的发展，光存储技术逐渐成为信息产业中的重要支柱技术之一。本章主要介绍光盘存储基本结构、CD和DVD的介质和存储技术，同时，结合发展动态介绍高密、高效、高速的母盘刻录技术以及网络存储技术。在许多基础科学技术如光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自动控制技术的发展和支持下，使得光存储技术可以在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上可发掘出更大的潜力。8.1光盘存储光盘技术是20世纪60-70年代开发的一项激光信息存储新技术，具有存储密度高、同计算机联机能力强、易于随机检索和远距离传输、还原效果好、便于拷贝复制、适用范围广等特点。8.1.1光存储系统组成光存储系统是由光盘驱动器和光盘组成。光盘驱动器面板上设有收回托盘、弹出托盘、播放、停止以及音量控制等功能，有些产品还有遥控功能。按照与主机的接法，光盘驱动器可分为内置式和外置式两种类型。内置式光盘驱动器装在机箱内，外置式光盘驱动器放在主机箱的外部，自带电源并通过串口与主机相连。8.1.2光盘的构造和特性光盘外观是中心有一个15mm主轴孔的圆形薄片，实际上是一个多层介质结构组成。无论是CD光盘还是DVD光盘，其构造特点主要表现在光盘的结构层、信道间距和记录信息的坑区。基层是聚碳酸酯层(Poly-carbonate)，其表面含有凹形和凸形相间区域。聚碳酸酯层的表面覆盖着一层反射铝或铝合金膜，反射铝的作用是增加记录面的反射性能。反射层上用漆膜层(UV-Lacquer)保护以防止金属层的氧化。不同特性的光盘，所包含的层数以及介质涂层原料都是不同的。例如CD光盘包括基层、反射层和保护层，而CD-R包含基层、记录层、反射层和保护层。介质涂层可以是金、银、铝或合金。CD光盘和DVD光盘的主要区别在于盘片的厚度、信道间距以及坑区的大小。CD（包括CD，VCD等）盘片的厚度是1.2mm。CD的最小凹坑长度为0.834μm，信道间距为1.6μm。单层的DVD盘片厚度仅为0.6mm，是CD盘片厚度的1/2，而DVD的最小凹坑长度仅为0.4μm，信道间距为0.74μm，这些指标都小于CD盘片。从图8-1中可见，在相同的面积中，DVD盘片的最小凹坑长度和信道间距都比CD盘片要小，这样使得存放信息的物理坑点排布得更加紧密，从而可提高存储量。同样的单层单面光盘，CD容量为650mb，而DVD容量就高达4.7gb，从如此悬殊的存储量之比，可以看出DVD在这方面的绝对优势。图8-1CD和DVD光盘物理结构DVD盘片和CD盘片非常相似。然而DVD格式拥有更多的不同盘片类型。DVD光盘构造有单/双面和单/双层结构，按照单/双面和单/双层结构的不同组合，DVD光盘可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层4种物理结构。通常把他们分别定义为“DVD-5”、“DVD-9”、“DVD-10”、和“DVD-18”。如图8-2所示的是“DVD-5”、“DVD-9”光盘结构。DVD-5（D5）：单面单层盘，其涂料为银色，总容量达4.7GB，可以存储播放时间超过两小时的DVD视频。DVD-9（D9）：单面双层盘，它的第一层是金色的半透明涂料，第二层之涂料为银色，所以双层DVD的颜色呈现金色，总容量达8.5GB。大约可存储播放时间为四小时的DVD视频。DVD-10（D10）：双面单层盘，是由两边且每边各厚0.6mm的单层DVD组成，总容量达9.4GB。大约为四个半小时之DVDVideo播放长度。DVD-18（D18）：双面双层盘，容量高达17GB，可存储播放时间约八小时的DVD视频。图8-2DVD光盘的层结构BACK光盘的特性差异同样是光盘，之所以CD只能存储声音，DVD还能存储影像，就是因为激光和记录层不同的缘故。光盘物理结构上的差别要求使用不同的激光波长。CD采用波长为780-790nm的红外激光器读取数据的，其光斑的直径为1.74μm。而因为DVD光盘具有更细小的信息坑洞和轨距，需要更小的激光点才能读取数据，因此采用波长为635~650nm的红外激光器读取数据，读取信息的激光束在更小的区域聚焦，其光斑的直径为1.08μm。同时采用更短的激光波长可提高单位次数能识别的坑点数，但并不会误认坑点内的信息。表8-1列出的是CD与DVD的主要技术参数，比较表中的各种技术参数值，就可以理解CD-ROM驱动器为什么不能读取DVD光盘信息的原因了。DVD在容量、数据精度以及多媒体技术等方面都优越于CD。同时DVD具有可变的数据传输率，文件结构满足ISO9660，数据格式支持CD-ROM/XA标准，向下兼容CD、VCD等光盘。表8-1CD/VCD与DVD的主要技术参数主要技术参数CD/VCDDVD激光波长780-790ｎm635~650ｎm最小凹坑长度0.834μm0.4μm信道间距1.6μm0.74μm凹坑宽度0.6μm0.4μm光斑直径1.74μm1.08μm镜数值孔径0.45na0.6na纠错编码冗余度31%15.4%影音质量16bit、44.1KHz、2声道24bit、96kHz、8声道影像质量240线540-720线通道码调制方式8/17调制8/16调制容量650mb4.7gb(单面单层)8.1.2光盘的格式标准和类型光盘标准涉及许多参数和技术问题，光盘的生产也有企业标准、行业标准、国家标准与国际标准等区别，所以光盘有多种规格，并对应于不同的标准。在这里我们主要了解一下ISO对光盘定义的标准。CD（CompactDisc）光盘的标准国际标准化组织ISO制定和采纳了多种标准规范，定义了光盘的尺寸、转速、数据传输率、编码方式、数据格式等重要的技术规范，并对不同CD规格书的封面用不同颜色加以区别，因此习惯上就用红皮书、黄皮书、绿皮书和白皮书等来说明光盘的品种。红皮书(RedBook)红皮书定义CD-DA(DigitalAudio)规格，CD-DA简称为数字音乐光盘。这是PHILIPS与SONY公司在1980年制定的，尔后所有其它规格的光盘片均以此为基础而发展。最初数字音乐光盘片播放时间可达60分钟，后来经过改良演进为74分钟为最后标准。AudioCD是将音乐以44.1KHz取样频率单位，而每个取样单位转换数字讯号都有一个16bit范围的值。CD-Audio光盘片的主要功能只是提供播放音乐，而且是循序播放，每首歌都是从头开始播到尾，因此红皮书的规格在当时是很单纯完整的，其最主要的目的就是提供一个标准的播放规格，所有的CD光盘片可以在所有的CD音响上来播放音乐。黄皮书(YellowBook)黄皮书定义CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)的规格，CD-ROM简称为只读式光盘。Philips与Sony在1983年发表了黄皮书。黄皮书是以红皮书为基础，存在CD片上的数据可分为两种，一种为正确性要求较低的音乐或图形数据，可容许一些Byte的错误，另一种是正确性要求非常严格的计算机数字或文字数据是不允许有错误的位数据.黄皮书有“Mode1”和“Mode2”两种模式，其中，“Mode1”指定了“错误检测码”（EDC）和“错误校正码”（ECC），而“Mode2”仍然沿用了红皮书的CIRC错误校正方案。黄皮书这一标准的诞生为计算机CD-ROM的应用打开了方便之门，可存储任何计算机数据文件。但在实际刻录工作中我们需要注意，为了保证数据的正确性，刻录普通数据光盘时要选择“Mode1”。黄皮书CD-ROMMode2的规格延伸是另一种格式，CD-ROM/XA，这是介于黄皮书和CD-I之间的格式，增加了声音与资料交错编排(Interleaving)的存贮信息方式，允许同一张光盘混合存放数据文件、音频和图像（视频）等数据，可用来制作游戏光盘、多媒体光盘等。你可以指定在CD上的每一个数据轨为Mode-1orMode-2，但是其内的扇区只能有一种格式来存放数据。大部分的CD-ROM计算机用光盘片，包括程序、计算机游戏、百科全书或共享软件等，都是采用Mode-1方式存放数据。其它的光盘片，如PhotoCD、CD-I及VideoCD等，则是采用Mode-2方式来存放。CD-ROM具有强大的功能及合理的价位，对图形、数字影像信号及声音档案的储存均非常理想，光盘片本身有良好的保护，不易受到刮伤及灰尘的影响，但是无法像一般的磁盘片及硬盘机随意读写，在CD-ROM光盘片上，数据是无法任意删除及重复写入的。因此，在CD雷射音乐片成功后不久，计算机所用的CD数据片也被开发完成，称之为CD-ROM，ROM代表只读型资料(ReadOnlyMemory)之意，由音乐数据转为计算机数据其实并不复杂，因为主要在CD片上是以数字方式存放数据，而计算机信号正是采用数字方式(0或1)做处理。CD-ROM在多媒体上的应用，最初是那些庞大数据的的拥有者，像是图书数据、参考系统或是零件手册等。根据1992年的统计，在所有的CD-ROMTITLE中，有60%是以文字数据为主，但是随着多媒体的流行，现在许多光盘片开始设计应用面包括了：农业、图书、商业、医学、目录、教育、百科全书、娱乐、图形、保健、历史、休闲、文学、生活、音乐及音效、研究科学及科技等。绿皮书(GreenBook)绿皮书定义CD-I(CompactDiscInteractive)的规格，简称为交互式光盘。在所有规格书中唯一包括硬件规格的标准，其中包括了CPU、操作系统、内存、Video与Audio的控制器及影音数据的压缩方式等。CD-I是被定义成一个消费性的电子产品，也就是类似电视、录放机等功能的产品，它是可以直接接上电视，并且采用遥控器控制，它没有软式磁盘驱动器(Floppy)与硬盘机(HardDisk)，完全采用光驱作为数据的输入装置，并且采用实时性的操作系统(Real-timeoperatingsystem)。白皮书(WhiteBook)白皮书定义(VIDEO-CD)的标准格式，简称为激光视盘。影片画质相当于S-VHS视讯品质，播放音效可达立体声历声的取样频率(44.1KHz,16bits)，可全屏幕动态播放，播放时间约74分钟，增加交互式选单功能，可随意选择播放片段，利用MPEG-1的技术将影音数字化，将电影存放在CD上。VIDEO-CD包含MPEG为特殊全动态视讯格式，播放影片也必需配备MPC3等级以上计算机、CD-I播放器或者是激光视盘机。现在，市面上VIDEO-CD强调Version2.0的功能，即是包含有交互式选单PBC(PlayBackControl)功能，加上Karaoke-CD包含数字音乐音轨，达到声光效果的最佳境界。蓝皮书(BlueBook)蓝皮书定义(Enhanced-CD)的标准格式，简称为加强型光盘。由于cd－rom是在cd－da的基础上发展起来的，因此philips和sony在制定cd－rom（黄皮书）标准时，还制定出了一种包含cd－rom数据和cd－da数据的混合模式———mixedmodecd。其中cd－rom数据全部放在第一轨中，其余轨道记录cd－da音频数据。mixedmodecd可在任何cd－rom驱动器或普通cd唱机中播放。由于cd－rom数据放在第一轨，因此唱机仍会将cd－rom数据当作cd－da音频数据播放，一般的cd唱机会产生很大的噪音，高档的cd唱机由于带有静音功能，播放第一轨时寂静无声，常会使用户误以为光盘有问题。为了解决cd唱机播放mixedmodecd的上述问题，philips、sony和microsoft公司在1995年制定出了enhancedmusiccd标准（蓝皮书），称为“cdextra”。它采用mu