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第3章多媒体存储技术【学习目的与要求】通过本章的学习，了解光盘的结构、种类及基本工作原理，了解VCD和DVD的视频标准，掌握常用多媒体光盘的制作方法。3.1光盘存储技术概述将声音、文字、图形图像、视频等多媒体信息输入计算机进行处理。能充分利用计算机的运算功能，但随之带来的一个显著问题是数字化的音频、视频数据量很大，这些信息即使经过压缩，所需的存储空间仍然十分可观，传统的计算机存储设备，如磁盘、磁带等，无法满足信息对大容量和实时性的要求。20世纪70年代以来陆续研制成功的各种光盘存储器是满足上述要求的较为理想的存储设备。3.1.1光盘的结构与工作原理光记录是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。光存储以其存储容量大、工作稳定、密度高、寿命长、介质可换、便于携带和价格低廉等优点，成为多媒体系统普遍使用的设备。1．CD盘片的规格普通CD(CompactDisc，致密光盘)盘片的直径为120mm，中间孔直径为15mm，厚度为1.2mm。盘片最里面部分不存储数据，这个区域把光盘和旋转的动力轴夹在一起。记录数据的区域有35.5mm宽。导入区在数据区的最里面，导出区在最外面。导入和导出区包含有非音频数据，用来控制光驱，如图3-1所示。2．CD盘的光道结构CD盘与磁盘的存储结构不同，用来记录数据的光道不是同心环，而是螺旋型，光道长度大约为5km。从光盘的内部一直螺旋到最外圈，光道内部排列着一个个蚀刻的“凹坑”，由这些“凹坑”和“平地”构成了存储的数据信息，内外光道的记录密度相同。3．CD盘的读写原理CD盘的基本结构和原理如图3-2所示，在从光盘上读取数据的时候，激光器发出的激光经过透镜聚焦后，照射在快速旋转的光盘上，读取头检查激光经过的每一个点，根据光盘对激光反射的强弱，判断这个点所代表是“1”还是“0”，数以百万计的“1”和“0”又被激光唱机或电脑恢复成音乐、文件或程序。数据轨道中心孔空白区7.5mm60mm没有凹坑的区域有反射面盘基反射层塑料保护层往光盘中记录数据时，激光烧蚀光盘，将反射层上刻出凹坑。这些凹坑对激光的反射较弱光驱读取数据的时候，使用较弱的激光，从凹坑上和没有烧蚀的反射层上返回的激光强弱有显著差异3·1·2光盘存储系统的技术指标光存储系统的技术指标包括尺寸、平均存取时间、数据传输速率等。1．尺寸光盘的尺寸多种多样，主要尺寸为5.25in和3.5in。3.5in盘尺寸较小，携带方便。2．光驱读盘方式光驱有三种不同读取方式:(1)恒定角速度方式CAV（ConstantAngularVelocity）优点是读取光驱的转速不变，可使其可靠性和寿命大为加强。缺点在于读取光盘内外圈的数据时，传输速率不一样，这就无法体现高速光驱性能的优越性。(2)恒定线速度方式CLV（ConstantLinearVelocity）优点是可使光驱的数据传输率保持在一个恒定的状态，从而保证了光驱的内外沿读取数据的一致。缺点在于读取光盘内外圈时，光驱的马达速度会经常改变，容易使光驱的寿命降低。(3)局部恒定角速度方式PCAV（PartialConstantAngularVelocity）PCAV技术综合CLV和CAV技术的优点，在随机读取光盘时采用CLV加速，而一旦激光头无法正确读取数据时，立刻转为CAV方式减速。3．光驱的缓存光驱的缓存是提高光驱综合性能的一个重要因素，其工作原理与主板缓存相似。加大缓存可以提高数据传输速度，目前主流光驱缓存都达到了2MB。4．平均存取时间平均存取时间是衡量光驱性能的一个重要标准，指从计算机向光盘驱动器发出命令开始，到光盘驱动器在光盘上找到读／写的信息的位置，并接收读／写命令为止的一段时间，单位是ms，一般来说，该指标越小越好。5．数据传输速率数据传输速率一般是指单位时间内光盘驱动器送出的数据比特数，通常我们是以多少倍速来描述数据传输率。在制定CD－ROM标准时，把150KB/s的传输率定为标准，后来驱动器的传输速率越来越快，目前CD-ROM读取速度能达到56倍速或者更高。以50倍速的CD－ROM为例，理论上的数据传输率应为：150×50=7500KB/s。一般来说，高倍速光驱的标称值只是在理想情况下读取光盘外圈数据时的最高速度，实际应用中多数时间达不到这个理想状态。3．1．3光盘的分类光盘按物理格式划分有CD和DVD；按应用格式划分有音频、视频、数据和混合光盘；按照工作原理分类有光技术和磁光技术结合的光盘；按读写限制划分有只读光盘、只写一次光盘和可擦写光盘。下面仅介绍最后一种分类方法。1．CD-ROM只读光盘只读式光盘以CD-ROM为代表。CD-DA、CD-I、CD-Photo及V-CD等也都是只读式光盘。CD-ROM光盘容量约650～700MB。光盘是由母盘压模制成，一旦复制成形，永久不变，用户只能读出信息，不能修改或写入新的信息。只读式光盘特别适于廉价、大批量地发行同一种信息。2．WORM一次写多次读光盘WORM(WriteOnceReadMany）光盘使用户能够自己将数据、程序或节目记录到光盘上。WORM光盘的特点是只能写一次但可多次读，信息一旦写入就不能再更改。目前这种光盘主要产品为CD-R（Recordable）。CD-R适用于需少量CD盘的场合，如教育部门、图书馆、档案管理、会议、培训、广告等，可以免除高成本母盘的制作过程，具有经济、方便的优点。3．Rewritable可擦写光盘在可擦写光盘系统中，光盘写入后可以擦除，并再次写入。目前市场上出现的可读写光盘主要为CD-RW（CD-Rewritable），分为磁光盘MOD（Magneto-OpticalDisk）和相变光盘PCD（PhaseChangeDisk）两类。MOD利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据。PCD的刻录层是多晶体，刻录时，激光束有选择性地加热相变材料某一区域，使得这部分迅速成为液态，然后“凝结”形成非结晶状态。由于非结晶状态和结晶状态有不同的光学反射率，这样就可以通过CD-ROM来读取数据了。当把相变材料加热，非结晶状态的原子又回到有序的结晶状态。这样就恢复到可写状态。3.2CD3.2.1CD的种类及特点1．CD-DACD-DA(CompactDisc-DigitalAudio)称为数字音乐光盘，又称作激光唱盘，用来存储数字音频信息，如音乐，歌曲等，可以在所有的CD音响上来播放音乐。由于其可以记录高品质声音，所以数年内即风行全世界，其它规格的光盘均以此为基础而发展起来的。CD-DA把模拟的声音信号通过采样、量化转换成数字信号，采用数字方式记录声音信息。音频数据存放在一个或多个光道（Tracks）上。每一条光道通常是一首歌曲。一张CD唱盘理论上可容纳约74分钟的立体声音乐信号。如图3-3所示，是一张CD-DA唱盘的光道结构，其中有14条光道，对应14首乐曲。2．CD-ROMCD-ROM（CompactDisc-ReadOnlyMemory）称为只读式光盘，这是最常见、使用最广泛的一种光盘，主要是用来保存数字化资料，例如各种游戏、软件等。它具有容量大，价格低廉等优点。CD-ROM支持3种类型的光道：ØCD-DA光道，用于存储声音数据；ØCD-ROMmode1（模式1），用于存储计算机数据、游戏、软件等；ØCD-ROMmode2（模式2），用于存储声音数据、静态图像或电视图像数据。3．CD-ROM/XACD的第3个标准叫做CD-ROM/XA(CD-ROMExtendedArchitecture）标准，这个标准定义了一种新型光道：CD-ROMMode2XA光道，这种光道允许把计算机数据、声音、静态图像或电视图像数据放在同一条光道上。CD-ROM光驱在读混合模式光盘时（同时会有数据轨道和音频轨道的CD称为混合模式光盘），如果读计算机数据，就不能回放音乐。而CD-ROM/XA允许计算机数据和音频数据放在相同的轨道上，所以它能够在读计算机数据的同时回放音乐。3.2.2VCDVCD(VideoCD)是由JVC、Philips、Matsushita和Sony联合定义的数字电视视盘技术规格，它于1993年问世，盘上的声音和电视图像都是以数字的形式表示的。1994年7月发布了“VideoCDSpecificationVersion2.0”标准，该标准描述的是一个使用CD格式和MPEG-1标准的数字电视存储格式。VCD采用MPEG-1的压缩方法来压缩图像，解析度到达352×240﹙NTSC﹚或352×288﹙PAL﹚1.15Mb/s视频流，声音格式则采用44.1KHz采样频率，16Bit量化等级，立体声，MPEG-1layer2，224Kb/s音频流的压缩方式，这是一种非破坏性的音频压缩方式。一张VCD光盘大约存储60分钟的视频节目。VCD标准定义了完整的文件系统，这样就使VCD节目既能在VCD机上也能在CD-ROM光驱上播放。把VCD盘放到电脑中，可以看到CDI、VCD、MPEGAV、SEGMENT、CDDA、KARAKOKE、EXT等目录，如图3-4所示。ØCD-DA目录：包含以轨道方式存在的CD-DA轨；ØCDI目录：包含CD-I应用程序及其它使用CD-I播放机时所用的文件；ØVCD目录：包含在VCD播放机及CDI播放机上播放时都用到的文件；图3-4VCD盘片的文件目录结构MPEGAV目录：包含以轨道方式存在的MPEG影音文件，其中每个DAT文件就是一条轨道；ØKARAOKE目录：包含KARAOKE光盘所要用到的语言及文字资料；ØSEGMENT目录：包含不以轨方式存在的MPEG影音文件；EXT目录：包含播放SEGMENT目录中的文件所需的文件。3.3DVD3.3.1DVD简介DVD原名是DigitalVideoDisc，意思是数字电视光盘。DVD不仅可以用来存放电视节目，同样可以用来存储其他类型的数据，DVD在数据存储方面具有其他媒质所无法比拟的容量和灵活性，因此又把DigitalVideoDisc更改为DigitalVersatileDisc，缩写仍然是DVD。从外观和尺寸来看，DVD光盘与CD光盘直径均为120mm，厚度为1.2mm；DVD播放机能够兼容已经有的CD激光唱盘和VCD节目。DVD和CD虽然尺寸大小相同，使用相同的技术来读取光盘片中的资料，但是由于DVD的光学读取头所产生的光点较小，光盘轨道间距变窄，再加上编码方式的改进，因此在同样大小的盘片面积上，DVD资料储存的密度要高得多。一片普通DVD可存储4.7GB数据，是CD的7倍，如图3-5所示。CD使用一层1.2mm塑料基片，而DVD盘使用两层0.6mm厚的基片，数据层夹在中间，使数据受到更好的保护，薄的基片可以减少激光束跟踪的错误。双层结构使制造多样化，产生了4种只读光盘：DVD-5，DVD-9，DVD-10和DVD-18，容量分别为4.7GB，8.5GB，9.4GB和17GB。DVD分为六种格式ØDVDVideo：用于观看电影和其他可视娱乐；ØDVD-ROM：基本技术与DVDVideo相同，但它包含与计算机友好的文件格式。用于存储数据；ØDVD-R：用户可以写入一次，多次读出；ØDVD-RAM：可以用做虚拟硬盘，能随机存取，可以重写10000次；ØDVD-RW：类似DVD-RAM，但是采用顺序读-写存取，可以重写1000次；DVDAudio：最新的音频格式，比标准CD的保真度好一倍。3.3.2DVD-VideoDVD-Video格式于1995年发布，也是最早的DVD格式，其典型应用是存储5.1声道的数字化电影节目。1．视频编码DVD-Video标准使用MPEG-2数据压缩算法对视频节目进行编码。MPEG-2允许不同的比特速率。例如编码一个在静止的背景中运动的物体，只需比较低的比特速率，而编码一个快速运动的场景、复杂变化的图像需要更高的比特速率。MPEG-2解码器输出的比特速率变化反映了图片复杂程度以及编码的复杂程度。DVD-Video最大输出比特速率（包括视频、音频及辅助数据）为10.08MB/S，平均比特速率为3.