多媒体光盘存储技术

第九章 多媒体光盘存储技术本章要点 CD简历 CD的工作原理 CDAUDIO DVD简介 VCD与DVD播放机结构第九章 多媒体光盘存储技术 如何记录“0”和“1”，如何提高单位面积上的记录密度是计算机工业中的一个非常重要的技术研究和开发课题。光记录是20世纪70年代的重大发明，是80年代世界上的重大技术开发项目，是90年代得到广泛应用的技术。第九章 多媒体光盘存储技术9.1 CD简历9.1.1 CD发展的三部曲 1.LD-激光视盘 20世纪70年代初，荷兰飞利浦公司开始研究利用激光来记录和重放信息。1972年9月展示了长时间播放电视节目的光盘系统。1978年光盘播放机正式投放市场并命名为LV.9.1.1 CD发展的三部曲1.LD-激光视盘 又称LCD，直径较大，为12英寸。两面都记录信息,记录模拟信号。模拟信号经过频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。9.1.1 CD发展的三部曲2.CD-DA激光唱盘 u 1982年Philips公司和Sony公司开发出存储数字声音的光盘，即数字激光唱盘(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA)。u CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM数字化处理，再经过通道编码之后记录到盘上。u 专门为光盘制定了标准，就是闻名世界的“红皮书”标准。9.1.1 CD发展的三部曲3.CD-ROMn 从CD-DA过渡到CD-ROM需要解决的两个重要问题：计算机如何寻找盘上的数据，即如何划分盘上的地址问题。把CD盘作为计算机的存储器时，要求它的错误率(10-12)远远小于声音数据的错误率(10-9).n 1985年CDROM成功推向市场，专门制定了“黄皮书(Yellow)标准”。9.1 CD简历9.1.2光盘的成长历程l20世纪七十年代初世纪七十年代初，Philips 1972.9 展示播放电视节目的光盘系统展示播放电视节目的光盘系统 1978.正是投放市场光盘播放机正是投放市场光盘播放机 LVl1982 CD-DA 红皮书标准红皮书标准 数字声音数字声音l1985 CD-ROM 推向市场推向市场，ISO9660标准标准l1986 CD-ICD-I数字化文图声像动画等数字化文图声像动画等,CD-G,CD-G静止图像和音乐节目静止图像和音乐节目lCD-V 模拟的电视图像和数字化的声音模拟的电视图像和数字化的声音l1992 CD-I FMVCD-I FMV 数字化电影电视等节目数字化电影电视等节目,OK-CDOK-CD卡拉卡拉OKOK节目节目l1993 VCD 数字化电影电视节目数字化电影电视节目9.1 CD简历9.1.3 部分CD产品标准红皮书红皮书 CD-DA 音乐节目音乐节目 74分钟分钟黄皮书黄皮书 CD-ROM 文图声像等多媒体节目文图声像等多媒体节目 650M绿皮书绿皮书 CD-I 文图声像等多媒体节目文图声像等多媒体节目 760M 橙皮书橙皮书 CD-R 读写文图声像等多媒体节目读写文图声像等多媒体节目白皮书白皮书 Video-CD 影视节目影视节目 70分钟分钟(MPEG-I)红皮书红皮书+CD-V模拟电视数字声音模拟电视数字声音 5-6分钟电视分钟电视20分钟声音分钟声音蓝皮书蓝皮书 LD 影视节目影视节目 200分钟分钟 直径直径12英寸英寸9.1.3 部分CD产品简介1.CDDA 激光数字音频光盘，激光数字音频光盘，19811981年制定了它的规范年制定了它的规范红皮书，又称为红皮书，又称为CDCD，CD-DACD-DA盘直径为盘直径为1212厘米，每厘米，每片盘能播放片盘能播放7474分钟高质量的音乐节目分钟高质量的音乐节目。2.CDROM 计算机只读光盘。计算机只读光盘。19851985年制定了它的规范，主年制定了它的规范，主要用于计算机外存储器，最初要用于计算机外存储器，最初CDCDROMROM只含计算机只含计算机可读的文字信息，现在可存储声音、图形、视频、可读的文字信息，现在可存储声音、图形、视频、动画等。动画等。CDCDROMROM光盘直径光盘直径1212厘米，容量为厘米，容量为650MB650MB。9.1.3 部分CD产品简介3.CDV 带视频的激光唱片，带视频的激光唱片，1987年出现，它是年出现，它是 CDDA和和LD相结合的产物，同相结合的产物，同CDG 一样在影碟机上使用。一样在影碟机上使用。4.CDI 交互式光盘：用于交互式计算机多媒体交互式光盘：用于交互式计算机多媒体 CDCDI I系统中。系统中。19871987年制定了它的规范，年制定了它的规范，CDCDI I只能由只能由CDCDI I播放机播放播放机播放。9.1.3 部分CD产品简介5.CDR 可录式光盘。可录式光盘。19891989年制定了它的规范。年制定了它的规范。它可多次在空余部分写入数据，适合于小它可多次在空余部分写入数据，适合于小规模单一发行的规模单一发行的CDCD制品或数据备份，资料制品或数据备份，资料存档等。存档等。9.1.3 部分CD产品简介6.PhotoCD 相片光盘。相片光盘。1992年制定了它的规范。年制定了它的规范。PhotoCD是专为存储数字化的是专为存储数字化的35mm相相片设计的，一张光盘可多次录入约片设计的，一张光盘可多次录入约100张左张左右的相片，必要时还可以还原成底片。右的相片，必要时还可以还原成底片。PhotoCD光盘可在光盘可在CDI、CDROMXA和和PhotoCD播放机上播放。播放机上播放。9.1.3 部分CD产品简介7.VCD 是是Video CD的简称，意为视频小型光盘。的简称，意为视频小型光盘。1993年制定了年制定了VCD1.1的标准。的标准。1994年又在年又在VCD1.1的基础上增加了播放控制的基础上增加了播放控制 (屏幕菜单屏幕菜单)和高清晰度图像等功能，制定了和高清晰度图像等功能，制定了VCD2.0标准。标准。VCD标准采用了标准采用了CDROMXA数据格式，因此可在配置数据格式，因此可在配置了了CDROM驱动器的驱动器的PC基础上播放，普通的基础上播放，普通的CD唱机增唱机增加加VCD解码板也可播放解码板也可播放VCD。VCD盘可连续播放盘可连续播放74分钟的录像节目。其图像优于分钟的录像节目。其图像优于VHS录录像质量，伴音质量可达到像质量，伴音质量可达到CD的效果。的效果。9.1.3 部分CD产品简介8.LD 激光视盘，又称影碟，因此视频播放机激光视盘，又称影碟，因此视频播放机又称影碟机。又称影碟机。视盘的直径一般为视盘的直径一般为30cm、也有、也有20cm的。的。根据其信号录制方式，根据其信号录制方式，LD分为两种，一种分为两种，一种是标准播放视盘是标准播放视盘(CAV)，这种视盘单面播放，这种视盘单面播放时间为时间为30分钟。另一种是长时间播放视盘分钟。另一种是长时间播放视盘(CLV)，其单面播放时间为，其单面播放时间为60分钟。分钟。第九章 多媒体光盘存储技术9.2 CD工作原理9.2.1 CD盘片结构 1.CD盘主要由保护层、反射激光的铝反射层、刻槽和聚碳脂衬垫组成。9.2.1 CD盘片结构 2.CD盘的外径为120mm，内径为15mm，重量为14克18克。激光唱盘分3个区：导入区、导出区和声音数据记录区。第九章 多媒体光盘存储技术9.2 CD工作原理9.2.2 CD盘的光道结构 1.与磁盘的磁道比较 磁盘存放数据的磁道是同心环。磁盘片转动的角速度是恒定的（CAV）采用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于随机存取，缺点是存储器没有达到应有的存储容量。9.2.2 CD盘的光道结构2.CD盘光道结构采用的是螺旋型光道，一张CD盘的光道长约为5公里。CD盘转动的线速度是恒定的，用CLV表示。由于采用了恒定线速度，因此内外光道的记录密度一样，盘片的存储容量得到充分利用，但随机存储特性变得较差，控制也较复杂。第九章 多媒体光盘存储技术9.2 CD工作原理9.2.3 数据是怎样写入到CD盘上的 CD盘上的数据是用压模冲压而成的，而压模是用原版盘制成的。在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通过，写入“1”时，就让激光束通过，或者相反。在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑，没有曝光的地方保持原样，二进制信息就以这样的形式刻录在原版盘上。在经过化学处理后的玻璃盘表面上镀一层金属，用这种盘去制作母盘，然后用母盘制作压模，再用压模去大批量复制。成千上万的CD盘就是用压模压出来的，所以价格才这样便宜。第九章 多媒体光盘存储技术9.2 CD工作原理9.2.4数据是怎样从CD盘读出的 1.CD盘上的数据要用CD驱动器来阅读。CD驱动器由光学读出头光学读出头、光学读出头驱动机构、光学读出头驱动机构、CDCD盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路出信号的电子线路等组成。9.2.4数据是怎样从CD盘读出的2.光学读出头光学读出头是CD系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成。3.激光器发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。9.2.4数据是怎样从CD盘读出的说明：凹坑和非凹坑本身不代表和，而是凹坑端部的前沿和后沿代说明：凹坑和非凹坑本身不代表和，而是凹坑端部的前沿和后沿代表，凹坑和非凹的长度代表的个数。表，凹坑和非凹的长度代表的个数。第九章 多媒体光盘存储技术9.3 CD-AUDIO9.3.1 激光唱盘标准摘要 技术指标技术指标:播放时间 74分钟 旋转方向 顺时针 旋转速度1.2m/s1.4m/s 光道间距1.6 m 记录区46 mm117 mm 数据信号区50 mm116 mm 材料为折射率为1.55的任何材料 最小凹坑长度0.833 m 0.972 m 最大凹坑长度3.05 m 3.56 m 凹坑深度0.11 m凹坑宽度0.5 m 9.3.1 激光唱盘标准摘要光学系统光学系统:激光波长780 nm 聚焦深度 2 m信号格式信号格式:通道数 2个 16位线性量化 采样频率 44.1 kHz 通道位速率4.3218 Mb/s 数据位速率1.9409 Mb/s 数据:通道位8:17 错误校正码 CIRC 调制方式 EFM第九章 多媒体光盘存储技术9.3 CD-AUDIO9.3.2 采用频率和样本大小 1.44.1KHz的由来？：人耳朵(因人而异)能听到的声音信号频率范围是2020000Hz,为了避免高于20000Hz的高频信号干扰采样,在进行采样之前，需要对输入的声音信号进行滤波.考虑到滤波器在20000Hz的地方大约有10%的衰减,所以可以用22000Hz的2倍频率作为声音信号的采样频率.但是,为了能够与电视信号同步,PAL电视的场扫描为50 Hz,NTSC电视的场扫描为60Hz,所以取50和60的整数倍,选用了44 100 Hz作为激光唱盘声音的采样标准。9.3.2 采用频率和样本大小2.激光唱盘音乐信号的样本位数是16。16位的样本能够表达的动态范围就大于96 dB。3.数字化的模拟声音在激光唱盘上一秒钟的存储空间为：1秒 44 100样本/秒 2字节/样本 2(左右两个通道)=176.4 千字节4.声道数 数字激光唱盘采样两个声道(立体声)的规格.第九章 多媒体光盘存储技术9.3 CD-AUDIO9.3.3声音数据的通道编码 1.声音转换成用“1”和“0”表示的数字信号之后，并不是直接把它们记录到盘上。物理盘上记录的数据和真正的声音数据之间需要做变换处理，这种处理统称为通道编码。采用通道编码的目的主要是两个:一是为了改善信号质量，使得读出信号的频带变窄。其次是为了在接收端能够从信号本身提取自同步信号。9.3.3声音数据的通道编码2.激光唱盘使用的通道编码叫做8到14比特调制编码(eight to fourteen modulation，EFM)。1.为什么要做通道编码 在数字记录中,有连续多个字节的全”0”或者全“1”信号要记录到盘上，如果不作通道编码读出时的输出信号就是一条直线，电子线路就很难区分有多少个“0”或者多少个“1”信号。而对于没有规律的数字信号，读出的信息就很不可靠。通道编码实际上就是要在连续的“0”插入若干个“1”，而在连续的“1”之间插入若干个“0”，并对“0”和“1”的连续长度数目即“行游程长度”加以限制。9.3.3声音数据的通道编码2.为什么要把8位数转换成14位数 理论分析和实验证明，把“0”的游程长度最短限制在2个，而最长限制在10，光盘上的信号就能够可靠读出。即：2个“1”之间至少要有2个“0”最多不超过10个“0”。因为，8位数据有256种代码,14位通道位有16 384种代码。通过计算机的计算,在这16 384种代码中有267种代码能够满足“0”游程长度的要求.在这267种代码中,其中有10种代码在合并通道代码时限制游程长度仍有困难，再去掉一个代码，这样就得到了与8位数据相对应的256种通道码。9.3.3声音数据的通道编码2.为什么要把8位数转换成14位数 实际在通道码合并时，为了满足游程长度的要求，在通道码之间再增加了3位来确保读出信号的可靠性，于是在激光唱盘中8位的数据就转换成了17位的通道代码。第九章 多媒体光盘存储技术9.3 CD-AUDIO9.3.4 CD盘如何批量生产 激光唱盘(CD-DA)、数字激光视盘(V-CD)和CD-ROM的制作过程都相同，大致分成三个阶段：u 原版盘预制作原版盘预制作。u 原版盘制作。原版盘制作。u 大批量复制。大批量复制。9.3.4 CD盘如何批量生产1.原版盘预制作 对于激光唱盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA格式，而对于V-CD盘，把影视节目转换成V-CD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。2.原版盘制作 (1)把符合CD-DA或者V-CD标准格式的数据经过一个EFM编码器变成串行数据流。9.3.4 CD盘如何批量生产2.原版盘制作 (2)把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。9.3.4 CD盘如何批量生产2.原版盘制作 (3)对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。(4)对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘，通过父盘再制作母盘，然后由母盘制作出子盘(，子盘就是压模。9.3.4 CD盘如何批量生产2.原版盘制作9.3.4 CD盘如何批量生产3.大批量复制。聚碳酸脂加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。第九章 多媒体光盘存储技术9.4 DVD技术9.4.1DVD简介 1.DVD是Digital Video Disc的缩写，由于DVD的应用可以用来存储其他类型的数据，所以更改为Digital Versatile Disc。9.4.1DVD简介2.DVD的问世原因 MPEG-1的电视质量是家用录象机的质量，MPEG-1技术的成熟促成了VCD的诞生和成熟；MPEG-2的电视质量是广播级的质量，由于广播级数字电视的数据量要比MPEG-1的数据量大得多，而CD-ROM的容量满足不了存放MPEG-2 Video节目的要求。为了解决MPEG-2 Video节目的存储问题，就促成了DVD的问世。9.4.1DVD简介2.DVD的问世 在1995年，DVD由四家国际公司合作共同开发完成。盘片的设计采用Toshiba/Time Warner公司的方案，而存储在盘上的数据编码则采用Sony/Philips公司的方案。成果：单面单层DVD盘片应该能够存储4.7GB的数据，单面双层盘片的容量为8.5 GB，最高可达到17GB；单面单层盘存储133分钟的MPEG-2 Video，其分辨率与现在的电视相同，并配备Dolby AC-3/MPEG-2 Audio质量的声音和不同语言的字幕。第九章 多媒体光盘存储技术9.4 DVD技术9.4.2 DVD的规格 1.DVD的成员DVD(Digital Versatile Disc)DVD(Digital Versatile Disc)Book A:DVD-ROMBook A:DVD-ROMBook B:DVD-VideoBook B:DVD-VideoBook C:DVD-AudioBook C:DVD-AudioBook D:DVD-RecordableBook D:DVD-RecordableBook E:DVD-RAMBook E:DVD-RAM9.4.2 DVD的规格2.DVD的存储容量 DVDDVD盘的类型盘的类型存储容量存储容量(GB)(GB)MPEG-2 VideoMPEG-2 Video的的播放时间播放时间单面面单层(只只读)4.7133单面双面双层(只只读)8.5240单层双面双面(只只读)9.4266双双层,双面双面(只只读)17500单层双面双面(DVD-R)(DVD-R)6.6215单层双面双面(DVD-RAM)(DVD-RAM)5.21479.4.2 DVD的规格3.DVD-Video技术参数 技术内容技术规格数据传输率可可变速率，平均速率速率，平均速率为4.69 Mb/s(4.69 Mb/s(最大速率最大速率为10.7 Mb/s)10.7 Mb/s)图像压缩标准MPEG-2MPEG-2标准准声音标准NTSCNTSC：Dolby AC-3Dolby AC-3或或LPCM,LPCM,可可选用用MPEG-2 MPEG-2 AudioAudioPALPAL：MPEG MUSICAM*5.1 MPEG MUSICAM*5.1或或LPCM,LPCM,可可选用用Dolby AC-3Dolby AC-3通道数多达多达8 8个声音通道和个声音通道和3232个字幕通道个字幕通道第九章 多媒体光盘存储技术9.4 DVD技术9.4.3 DVD存储技术 1.从外观和尺寸方面来看，DVD盘与现在广泛使用的CD盘没有什么差别，直径均为120 mm，厚度为1.2 mm。从CD700多兆的存储容量到DVD 最高达17G的信息存储容量，许多新的技术得到了应用。DVD采用的新技术如下：9.4.3 DVD存储技术DVD采用的新技术 1.DVD盘光道之间的间距缩小到0.74m，而记录信息的最小凹凸坑长度0.4m，这是DVD盘的存储容量可提高到4.7 GB的主要原因。9.4.3 DVD存储技术DVD采用的新技术 2.使用波长为635/650 nm的激光源代替在CD中使用的780 nm红外光激光源。3.DVD把光学读出头的数值孔径 NA加大到0.6,这样可以提高接收盘片反射光的能力，即提高光学读出头的分辨率。9.4.3 DVD存储技术DVD采用的新技术 4.DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2，加大了盘的数据记录区域。9.4.3 DVD存储技术DVD采用的新技术 5.DVD采用了双面和双层的存储技术。单面单层光盘的结构单面双层光盘的结构9.4.3 DVD存储技术DVD采用的新技术 6.DVD的通道编码采用了效率比较高8-16(EFM PLUS)的调制方式。7.DVD的错误校正系统采用里德-索洛蒙乘积码(RSPC)系统，它比CD采用的CIRC更可靠。9.4.3 DVD存储技术 2.影视DVD的区域编码 影视DVD地区编码 区区 号号包括区域包括区域区区 号号包括区域包括区域1 1美国和加拿大美国和加拿大4 4中南美洲，新西兰及中南美洲，新西兰及澳大利亚澳大利亚2 2日本和西欧日本和西欧5 5非洲，俄罗斯和东欧非洲，俄罗斯和东欧3 3亚洲亚洲(不含中国大不含中国大陆陆)6 6中国大陆中国大陆3.DVD技术摘要 DVDDVDCDCD容量增益容量增益盘片直径片直径120 mm120 mm120 mm120 mm盘片厚度片厚度0.6 mm/0.6 mm/面面1.2 mm/1.2 mm/面面减小激光波减小激光波长635/650 nm635/650 nm780 nm780 nm4.486=4.486=(1.6*0.83)/(1.6*0.83)/(0.74*0.40)(0.74*0.40)加大加大N.A.(N.A.(数数值孔径孔径)0.60.60.450.45减小光道减小光道间距距0.74 0.74 m m1.6 1.6 m m减小最小凹凸坑减小最小凹凸坑长度度0.4 0.4 m m0.83 0.83 m m减小减小纠错码的的长度度RSPCRSPCCIRCCIRC修改信号修改信号调制方式制方式8-168-168-14 8-14 加加 3 3 1.06251.0625加大加大盘片表面的利用率片表面的利用率86.686.6平方厘米平方厘米86 86 平方厘米平方厘米1.0191.019减小每个扇区字减小每个扇区字节数数20602060字字节/扇区扇区23522352字字节/扇区扇区1.1421.142第九章 多媒体光盘存储技术本章结束 谢谢！