第三章多媒体多媒体光盘存储系统

第3章多媒体光盘存储系统•3.1光盘存储系统•3.2光盘的标准•3.3光存储介质的结构与工作原理•3.4光盘数据编码与光盘生产过程•3.5光盘库与光盘镜像服务器•3.1光盘存储系统光盘存储系统由光盘和光盘驱动器组成。3.1.1光盘及其特点CD（CompactDisc）意为高密盘，称为光盘。因为它是通过光学方式来记录和读取二进制信息的。光盘是一种数字式记录存储器，具有一切存储介质的优点，如大容量、耐用、易保存、标准化等。–光盘在存储多媒体信息方面具有以下主要的特点。•1.记录密度高CD光盘的表面的存储位（凹痕）DVD光盘的表面的存储位（凹痕）图3-1DVD比CD提供了更大的存储容量–2.存储容量大图3-2一张光盘可存放16万页A4开本的文本信息资料–3.采用非接触方式读/写信息图3-3光头不与光盘片直接接触图3-4光盘可以存储多种媒体–4.信息保存时间长•对于只读型光盘，不必但心文件会被误删除，更不必忧虑受到病毒的侵扰。如果使用得当，一张光盘上的信息可保存长达几十年甚至更长。–5.不同平台可以互换•光盘上的信息按照标准格式记录，即使在不同的硬件或软件平台上，光盘中的信息也可以被正确读出。–6.取代传统媒体存储介质•光盘可以同时存储计算机程序、文字、音乐、图形、影像、等多种媒体信息。–7．价格低廉•与磁带、磁盘相比，光盘是目前计算机数据最便宜的存储介质。3.1.2光盘的类型按照数据存放格式和类型，光盘可分为许多不同的类型，通常指下列光盘的总称：包括CD-DA、CD-ROM、CD-R、CD-R/W、Photo-CD、V-CD、DVD等。按光盘的读/写性能来讲，可以分为3种类型：只读型光盘存储器数据是用压模方法压制而成的，用户只能读取上面的数据。多次可写光盘存储器这种光盘允许用户一次或多次写入数据，并可随时往盘上追加数据，直到盘满为止。可擦写光盘存储器这种光盘具有磁盘一样的可擦写性，可多次写入或修改光盘上的数据，更适合作为计算机的新型标准外存设备，目前有磁光和相变和两种类型。3.1.3光盘驱动器必须使用专门的设备，才能从光盘中读取数据，这种设备就是光盘驱动器，简称光驱或光盘机。就普遍使用的CD-ROM光驱而言，高倍速的驱动器已经普及，并出现了32倍速或更高倍速的光驱。这里所说的倍数是指光盘的数据传输率，单倍速的CD-ROM的数据传送速度是150KB/s，双倍速的CD-ROM的数据传送速度是2×150KB/s，依此类推，n倍速为n×150KB/s。CD-ROM光盘驱动器既能读CD-ROM盘，也能读其他如CD-DA、CD-R和VCD等光盘，但它不能读DVD等特殊形式的光盘。这些光盘都各有自己的标准，需要相应的光驱才能访问。因此在谈到读光盘驱动器时，要注意说明它对哪些光盘是适用的。•CD-ROM驱动器的工作原理图3-5光盘驱动器工作原理可擦写光盘机根据其记录原理的不同，有磁光驱动器MO和相变驱动器PD。但是记录在MO或PD盘片上的数据无法在广泛使用的CD-ROM驱动器上读取，因此难以实现数据交换和数据分发。3.1.4光驱读取光盘的两种方式CD-ROM光盘信息组织和其地址编码与软盘、硬盘不一样，由于它的光道是螺旋形的光道，光盘在光驱中将以恒定线速度旋转，为有效提高对光盘的读取速度，光驱在工作时有CLV和CAV两种方式。在CLV（ConstantLineVelocity，恒定线速度）方式下，单位距离的光道上所储存的信息容量是相等的，因而可以充分利用盘片的空间，增加了存储容量。但这样一来，激光头每旋转一圈所读取的数据量，内圈数据少，外圈数据多。因此在CLV方式下，当激光头移动到不同的轨道时，电机也必须以不同的转速旋转，内圈转得慢些，外圈转得快些，以维持单位距离信息读取时间一致。对于高速光驱来讲，CLV方式容易造成光驱耐用性的降低。目前的高倍速光驱大多采用了CAV（ConstantAngularVelocity，恒定角速度）技术。在CAV方式下，不管是内圈还是外圈，激光头始终以恒定的角速度旋转CD-ROM盘片，这和硬盘驱动器的操作方式十分相似。恒定的转速对于电机来说比较容易实现，由于不需要在随机寻道时经常地改变电机的转速，因此，随机读取性能会得到很大的改善。不过，在CAV方式下，光盘内外圈转动的线速度是不相等的，因此内外光道的数据记录密度也是不同的，光盘的存储空间没有充分利用。正是由于CLV与CAV技术各有优劣，于是一些光驱采用CLV+CAV技术，在内圈采用CLV方式以保证其具有足够的传输速率，在外圈则采用CAV的方式，以提高可靠性。•3.2光盘的标准3.2.1CD-DA标准CD-DA（CompactDisk–DigitalAudio数字式激光唱盘）主要用于存储数字化的高保真立体声音乐。3.2.2CD-ROM标准该标准从CD-DA发展而来，又称黄皮书标准，该标准使得光盘以统一的格式存储只读的信息。CD-ROM是在CD-DA之后产生的，尽管两者之间有许多相似之处，但是它们有一个根本区别：音频CD只能存放音乐，而CD-ROM可以存放文本、图形、声音、视频及动画。CD-ROM中存放的是计算机数据，对误码率有一定的要求，所以在CD-DA的基础上又增加了一层错误检测和错误校正。黄皮书只定义了计算机数据在光盘上的物理存储的格式，但计算机数据在外存储器上都是以文件形式存储的，而黄皮书并未定义CD-ROM的逻辑结构，即文件结构。为解决这个问题，国际标准化组织(ISO)于1988年制定ISO9660标准，这是一个为CD-ROM盘上的文件系统而定义的标准，它定义了CD-ROM光盘上通用的信息交换的文件规范，该规范由于其通用性和相对的独立性，ISO9660很快成为CD-ROM光盘上最为重要的文件格式。3.2.3CD-R标准CD-R(CompactDiskRecordable:可记录光盘)是一种可刻录多次的光盘。基于橙皮书的CD-R空白光盘实际上没有记录任何信息，一旦按照某种文件格式并通过刻写程序和设备，可以将需要长期保存的数据写入空白的CD-R盘片上，这时的CD-R空白盘就可以变成CD-DA、CD-R或VCD光盘的形式。CD-R盘与CD-ROM盘相比有许多共同之处，它们的主要差别在于CD-R盘上增加了一层有机染料作为记录层。当写入激光束聚焦到记录层上时，染料被加热后烧溶，形成一系列代表信息的凹坑。这些凹坑与CD-ROM盘上的凹坑类似，但CD-ROM盘上的凹坑是用金属压模压出的。由于光盘成本上的差别，CD-R一般不适于大量制作的产品，但对于少量制作时它呈现许多优越性。例如，CD-R的制作成本低，制作一张光盘的费用基本上就是材料费，省去了传统工艺中母盘制作的大量开销，是数据永久备份的廉价手段；CD-R也可以多次写入数据，不必一次将盘写满；CD-R还可以作为提供给生产厂家用来大批量生产CD盘片的样品母盘。CD-R的另外一个重要特性是它可以像其他CD光盘一样在普通的CD-ROM驱动器上使用。3.2.4Photo-CD标准Photo-CD意为照片光盘，该标准由柯达公司和Philips公司采用CD-ROMXA标准开发的另一种系统，PhotoCD是一种可记录光盘(CD-R)，它作为存储彩色图片的新载体而成为CD-ROM在摄影领域的成功应用，此技术将传统的像片冲洗技术与数字图像处理，数字显示相结合，利用CD光盘的巨大存储能力，为使用者提供了一种长期保存大量珍贵资料的途径，是摄影领域里的一次革命。它带来的其他好处还有：可以在计算机上剪辑这些相片，或与计算机提供的其它图像资料相互融合，增加照片的生动性。可以通过多媒体的环境将这些相片转存或输出到其他设备上，如电视机、录像机、计算机屏幕、投影仪和打印机等。由于光盘相对于照像底片而言，不易霉变，也不会褪色。所以永久保存也能保证相片的彩色质量。PhotoCD作为一种特殊的光盘格式，它存储图片的过程大致可分为：将拍摄的胶片冲洗成负片后，在工作站上使用彩色扫描仪输入计算机，采用专门的图像压缩技术，把每一幅图片以不同的分辨率压缩，然后使用CD-R刻盘机将彩色照片存贮到PhotoCD盘片上。PhotoCD的图片存取方便且不会褪色变质，还可以配以文字说明、音乐及语言解说。PhotoCD可以使用专用的播放机，在彩色电视机上进行显示。通过专用的打印设备可输出PhotoCD照片3.2.5Video-CDVideoCD（简称VCD）是由JVC、Philips等公司于1993年联合制定的数字电视视盘技术规格，称之为白皮书(WhiteBook)。它用来描述光盘上存放采用MPEG-1（活动图像专家组）标准编码的全动态图像及其相应声音数据的光盘格式，是继CD-DA、CD-ROM、CD-ROMXA和CD-I之后又一个有很强应用前景的光盘产品。它可以在一张普通的CD光盘上录制70分钟的全屏幕、全动态的视频与音频数据及相关的处理程序。同激光视盘(LD)相比，它体积小、价格便宜、且有很好的音、视频质量和很好的兼容性。VCD的出现与MPEG-1标准有着密切的关系。MPEG-1是一个专用于处理活动影像的标准，也是一个与特定应用对象无关的通用标准，从CD-ROM上的交互系统到电信网络上的和视频网络上的视频信号发送都可以使用.VCD按照MPEG-1标准对音、视频数据进行压缩以后，提高了存储空间的有效利用率，使一张盘片能存放74分钟的活动图像与伴音。3.2.6DVD新一代光盘存储介质DVD（DigitalVideoDisc，数字视频光盘）是继上述光盘产品之后的新一代光盘存储介质。与以往的光盘存储介质相比，DVD采用波长更短的红色激光、更有效的调制方式和更强的纠错方法，具有更高的道密度和位密度，并支持双层双面结构。在与CD大小相同的盘片上，DVD可以提供相当于普通CD8～25倍的存储量、以及9倍以上的读取速度。DVD与新一代音频、视频处理技术相结合，可提供近乎完美的声音和影像。它与计算机结合，可提供新的海量存储介质。在视频与音频处理上，DVD都达到了当今的最高水准。对视频信号的处理，DVD采用的都是MPEG-2压缩编码标准。目前的DVD能满足现行电视标准，单面单层的DVD视盘能够存储１３３分钟的电影，其水平清晰度可以达480线，因此DVD的画面质量是相当高的。DVD采用MPEG2作为视频压缩技术，对视频图像进行冗余量处理，以实现无明显失真的视频图像压缩。DVD（右图）比CD（左图）有更高的道密度和位密度在音频方面，DVD可以采用的标准较多，既可是MPEG-1立体声、MPEG-2环绕立体声，也可是杜比（Dolby）AC-3。立体声一般是指具有二个声音通道的，而具有三个以上的通道的就称为环绕声。杜比AC-3是一种高效、高性能的声音编码系统，该声音系统在放音时，前面有左、中、右三个通道，后侧面有二个独立的环绕声通道，前方中间还有200Hz以下的低音专用通道，因频带窄而称为0.1通道。所以AC-3又称为5.1通道。•3.3光盘的结构与记录信息的原理3.3.1只读光盘结构与记录信息的原理只读光盘的结构以CD-ROM为例，其物理结构如图3-6所示。光盘的最上面一层是标签层，上面印有光盘的名称以及制造商的商标；第二层是保护层；第三层是反射层，目的是提高盘片的反射率；第四层是记录层，在其上压制出凹痕光道用来记录数据；最下一层是用聚碳酸脂压制出来的透明衬底。只读光盘是利用在盘上压制凹坑的机械办法，利用凹坑的边缘来记录“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分记录“0”，并使用激光来读出。由于只读光盘的物理特性，用户只能读取只读光盘上的数据，而不能自己把数据写到CD盘上。CD-ROM的剖面结构光盘信息读取原理在读出光盘信息时，就要把光盘上用凹坑和非凹坑代表的信息还原为原来的数据信息。光盘的读取过程是基于物理学的“光的反射”原理。光盘放入光驱后，是将带有凹、凸那一面向下对着激光头。激光发射器发出的激光光束先通过衍射光栅后，一束普通光束将被衍射成为多条细光束，然后再依次通过分光片、校准波片和聚光物镜达到盘片的表面，呈汇聚状的各条细光线分别会透过盘片表面透明基片，然后聚