多媒体技术及应用

1. 多媒体技术及应用 第5章 多媒体数据存储技术

2. 多媒体技术 多媒体信息包括文本、图形、图像、声音、视频及动画。由于多种形式的信息同时存在，计算机需要处理的信息量很大，尤其对声音和视频更为明显。这些信息即使经过压缩，所需要的存储空间仍然十分可观。使用传统的计算机存储设备，无法满足信息量的要求。

3. 5.1.1 光存储类型 ●只读光盘 ● 一次写多次读光盘 ● 可擦写光盘 5.1.2 光存储技术基本原理 ●光存储介质结构 ●光存储原理 ●光读写原理 ●EFM 编码 5.1.3 光存储系统技术指标 ● 主要知识点 5.1 光存储技术概述 5.2 CD 5.3 DVD 5.4 光盘制作 5.5 光存储发展方向

4. 5.2.1 CD 简介 5.2.2 CD-DA ● 物理指标及数据物理格式 ● 文件结构 5.2.3 CD-ROM ●光道结构及文件结构 5.2.4 CD-ROM/XA 5.2.5 CD-R 5.2.6 VCD ●盘组织及文件目录结构 ● 主要知识点 5.1 光存储技术概述 5.2 CD 5.3 DVD 5.4 光盘制作 5.5 光存储发展方向

5. 5.3.1 DVD 简介 5.3.2 DVD-Video ● 视频/音频编码 ●播放 ● 内容扰乱系统 ●Macrovision ●地区码 ●文件组织 5.3.3 DVD-Audio 5.3.4 其他 DVD ● 主要知识点 5.1 光存储技术概述 5.2 CD 5.3 DVD 5.4 光盘制作 5.5 光存储发展方向

6. 5.4.1 用 CD-R 盘制作光盘 ● 方法 ●刻录软件 Nero ●刻录程序 Nero Express 5.4.2 大批量制作光盘 ● 原版盘预制作 ●原版盘制作 ●大批量处理 ● 主要知识点 5.1 光存储技术概述 5.2 CD 5.3 DVD 5.4 光盘制作 5.5 光存储发展方向

7. 5.5.1 从 CD-ROM 到 SD-ROM 5.5.2 CD-WORM 5.5.3 可擦重写光盘 ● 磁光型光盘 ● 相变型光盘 ● 染料聚合型光盘 5.5.3 海量光存储器及光盘网络 ● 主要知识点 5.1 光存储技术概述 5.2 CD 5.3 DVD 5.4 光盘制作 5.5 光存储发展方向

8. 多媒体数据存储技术主要是指光存储技术。光存储技术发展得很快，特别是近十年来，近代光学、微电子技术、光电子技术及材料科学的发展，为光学存储技术的成熟及工业化生产创造了条件。光存储技术的产生和发展，解决了多媒体数据的存储和传递问题，并以其存储容量大、工作稳定、密度高、寿命长、介质可换、便于携带、价格低廉等优点，成为多媒体系统普遍使用的设备。多媒体数据存储技术主要是指光存储技术。光存储技术发展得很快，特别是近十年来，近代光学、微电子技术、光电子技术及材料科学的发展，为光学存储技术的成熟及工业化生产创造了条件。光存储技术的产生和发展，解决了多媒体数据的存储和传递问题，并以其存储容量大、工作稳定、密度高、寿命长、介质可换、便于携带、价格低廉等优点，成为多媒体系统普遍使用的设备。 5.1 光存储技术概述

9. 光存储介质按其读写功能可分为只读光盘、一次写多次读光盘和可擦写光盘光存储介质按其读写功能可分为只读光盘、一次写多次读光盘和可擦写光盘 5.1.1 光存储类型

10. 5.1.1 光存储类型 数据都是在大批量生产制作时生成的，用户可以根据需要选读光盘上的信息，但是不能擦除、更改或再写入新的数据。 常见的 ROM 有CD-ROM、激光唱片 (CD-DA)、激光视盘 (LD) 及存储视频图像和电影的 VCD、DVD 等。主要作为电子出版物、素材库和大型软件的载体。 ● 只读光盘

11. 5.1.1 光存储类型 存储单元的状态只能被改变一次，而且一旦被改变，就不能回到原来的状态，因此写是不可逆的；但是重复可读的次数在理论上是无限的。 常用的 WORM 光盘有 CD-R 光盘，使用 CD-R 刻录机写入数据，它支持逐次写入光盘内容，可以继续使用未使用过的剩余空间，但是对于己写入空间是不允许重新写入的。WORM 光盘主要用于档案存储等。 ● 一次写多次读光盘

12. 5.1.1 光存储类型 像硬盘一样可以任意读写数据。光盘的擦过程与写过程是一个逆过程，写即改变光介质的性质，擦即恢复光介质原来的性质。 利用存储介质两个稳态间互逆结构变化实现数据写和擦。两个稳态为反射率高的晶态和反射率低的非晶态。写是把存储介质存储区域从晶态变到非晶态，而擦则是把存储介质存储区从非晶态恢复到晶态。 利用光照磁化方法实现数据写和擦。写时激光束聚焦在光盘磁光膜上，因温度升高光照区迅速退磁，盘另一面上电磁线圈对光照区施外磁场使被光照区反向磁化，没有光照的相邻存储单元磁化方向不变，从而实现磁化反差记录。擦与写正好相反。 ● 可擦写光盘 相变擦写原理 磁光擦写原理

13. 5.1.1 光存储类型 ● 可擦写光盘 像硬盘一样可以任意读写数据。光盘的擦过程与写过程是一个逆过程，写即改变光介质的性质，擦即恢复光介质原来的性质。 利用相变擦写原理的光盘是一种全光型光盘。利用磁光擦写原理的光盘由于在进行擦和写时需要激光和外磁场的共同作用，因此称为磁光盘。可擦写光盘主要用于多媒体应用开发系统和多媒体信息系统中。

14. 光存储技术是一种通过光学方法写入和读出数据的数字存储技术光存储技术是一种通过光学方法写入和读出数据的数字存储技术 利用激光能聚焦成能量高度集中的极小光点特性，将高能量光点照射到记录介质上，使其微小区发生物理、化学变化以产生一个标记。 当聚焦成微米大小的激光光束照射到存储介质上时，根据有没有物化标志，其光束的反射率会产生变化。 由光检测元件将反射光的强度转变为电的信号，从而判断介质上有没有存储标志。 由于高能量的激光束可以聚焦成 1µm 左右的光点，因此采用光存储技术比采用其他存储技术有更高的存储容量。 5.1.2 光存储技术基本原理

15. 5.1.2 光存储技术基本原理 是在透明衬底上压制出来的预刻槽，用于光道的径向定位 ( 即沿着半径方向的定位 ) 反射层用来反射读出光盘时的激光束，通常使用铝 衬底材料是一种叫作聚碳酸脂的坚硬塑料，使光盘表面不容易被划伤 标签层上印有盘片名称、类型、编号等标识 ● 光存储介质结构 光盘结构 标签层 保护层 反射层 预刻槽 塑料衬 激光束 信号坑

16. 5.1.2 光存储技术基本原理 当激光高能量写入光束照射在存储介质单元上时，进行标识：有标志代表二进制代码 1，无标志代表二进制代码 0。 当读出激光束照射在存储介质单元上时，其反射率强度随存储数据 (0 或 1) 的不同而产生变化，反射率高的区域代表 1，反射率低的区域代表 0。 ● 光存储原理

17. 5.1.2 光存储技术基本原理 使用激光存储原理把数据信息存储在光存储介质上时，由于绝大多数光存储介质采用圆盘形式，因此该光存储介质通常称为光盘。 光盘上的信息数据是沿着盘面螺旋形状的光道以一系列凹坑和凸区的线形式存储的。 数据写入光盘时，以数据信号串行调制在激光束上，再转换成光盘上长度不等凹坑和凸区。凹凸交界正负跳变沿均代表 1；两个边缘间代表 0，其个数由边缘间长度决定。 从光盘上读出数据时，激光束沿光道扫描，当遇到凹坑边缘时反射率发生跳变，表示 1，在凹坑内或凸区上均为 0；通过光学探测器产生光电检测信号，读出 0、1 数据。 ● 数据存储光道

18. 5.1.2 光存储技术基本原理 ● 数据存储光道 光道上的凹坑或凸区的长度约为 0.3µm 的整数倍，最长为 3µm 左右 信息光道的形式有两种：CLV（衡线速盘 ）形式，CAV（衡角速盘）形式 光盘数据存储光轨道

19. 5.1.2 光存储技术基本原理 ● 数据存储光道 读出数据时，其旋转速度与读出光头所处半径成反比。光头距盘片中心越远旋转角速度越慢，从而保证任何位置上线速度都是恒定的。 读出信息时，其旋转角速度保持不变。很显然，当这种形式的盘的光头在中心区和边沿时，光道的线速度是不一样的。 CLV CAV

20. 5.1.2 光存储技术基本原理 向光盘写入数据由写入通道实现，激光器发出的光束经过光分离器，高能量 的光束在光调制器中受到写入信号的调制后，被跟踪反射镜导向聚焦镜，聚 焦成 1µm 的光点，对光盘存储区域进行物化反应，进行数据信号的写入操作 ● 光读写原理 光读写原理图

21. 5.1.2 光存储技术基本原理 ● 光读写原理 光读写原理图 从光盘读出信息数据由读出通道实现，由激光器发出的光束经光分离器将光束强度减弱到一定程度， 然后被跟踪反射镜导向聚焦镜， 使光束聚焦成 1µm 左右光束，对光盘存储区进行扫描，反射光束由跟踪反射镜导入光分离器，以使输入光束与反射光束分离，然后再通过光电检测器将光信号变换成电信号输出

22. 5.1.2 光存储技术基本原理 如果要在光盘上记录数据，就必须将数据转换成那种介质上适于存储的形式。即要将待记录数据转换成便于记录的通道码，再将其记录在光盘上。 8 位数据共有 256 种编码，14 位二进制编码可构成 16384 种编码，从中寻找适合规定的通道码：在两个 1 之间至少有两个 0 而又不多于 10 个 0 。 从 16384 种编码中能找到 267 种这样编码，去掉不合适的 11 种，将留下的 256 种编码与前面的 8 位二进制数据的 256 种编码一一对应。 由此构成 8 位数据和 14 位通道码一一对应的一个表，将此表叫做 EFM 转换表；将一个字节数据转换成 14 位二进制的通道码称为 EFM 编码。 ● EFM 编码

23. 5.1.2 光存储技术基本原理 ● EFM 编码 经查表所得的 14 位通道码肯定满足两个 1 之间不少于两个 0 而又不多于 10 个 0，但却无法保证两个 14 位通道码间结合的位置上满足这一规定。 在记录通道码时允许在两个通道间增加 3 个二进制位的合并码以便满足规定 最后，将加有合并码的通道位信息写到光盘上，形成凹坑和非凹坑。当数据从光盘上读出时，通过上述过程的逆过程，即可以获得原来的数据。 8 位数据 11101000 11100010 14 位通道 00010010000010 10010001000010 加 合并码 00010010000010 00010010001000010

24. 5.1.2 光存储技术基本原理 在磁盘中，数据按磁道和扇区存放，记录形式是 CAV。由于在每一磁道上具有相同扇区数，每个扇区数据存储量是固定的 512 字节，而同一扇区内磁道长度对于外圈和内圈不一样。为保证在不同长磁道上存储相同长信息，外圈磁道信息密度要比内圈低，因而降低了整个磁盘平均信息密度。 在光盘中，记录形式为 CLV，各数据块不论靠内圈还是靠外圈，所占据的信息光道长度（扇区长度）都是一样的，每个扇区固定存放 2048 字节数据，因此各处的信息存储密度也都是一样的，即以紧凑方式存放，这样就大大提高了光道的空间利用率。 ● 光轨道结构与磁道结构比较 磁盘存储结构 光盘存储结构

25. 1 尺寸 LV (Laser Vision) 直径为 12 英寸 (300mm)，CD 激光唱盘和 CD-ROM 直径为 4.72 英寸 (120mm)，光盘正在向小尺寸方向发展。 5.1.3 光存储系统技术指标

26. 5.1.3 光存储系统技术指标 2 容量 ● 格式化容量。指按照某种光盘标准进行格式化后的容量。采用不同的光盘标准就有不同的存储格式，容量也不一样。如果改变每个扇区的字节数，或采用不同的驱动程序，则都会影响格式化容量。 ● 用户容量。指盘片格式化后允许对盘片执行读写操作的容量。由于格式、校正、检索等比特需要占用一定的容量空间，因此用户容量小于格式化容量。

27. 5.1.3 光存储系统技术指标 3 数据传输速率 指从光盘驱动器上读取数据到系统存储器中的速度，或单位时间内从光道上传送的数据比特数 (kbps)，也可以表示为数据字节数 (KB/s)。 最初颁布的 MPC-1 标准中，规定光驱数据传送速率为 150KB/s；后来作为衡量光盘数据传送速率单位，随后就有 2 倍速、4 倍速、8 倍速……。

28. 5.1.3 光存储系统技术指标 4 高速缓存容量 由于光盘驱动器读数的速度远比硬盘驱动器慢，因而在光盘驱动器中需要设置读出数据的高速缓冲器，即光盘驱动器中的一个用电池供电的 RAM 区，数据由光盘读出后暂存于此缓冲区中。 缓冲区的大小直接影响光驱的性能。从光盘读数时，将读出的数据一一存入高速缓冲器，存满后可以立即输出到计算机的 RAM 中，然后又继续读出数据并存入高速缓冲区。这样便可以大大提高光盘读数的速度。

29. 5.1.3 光存储系统技术指标 5 平均存取时间 平均存取时间是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信息的位置并接收读写命令为止的一段时间。 光盘驱动器读取光盘的信息时，包括三个时间段： ● 寻道时间：把光学头定位在指定光道半径上所需要的时间； ● 稳定时间：光学头稳定在指定光道上所需要的时间： ● 旋转延时（也称等待时间）：从光学头稳定在指定光道时开始到盘片旋转到指定的扇区所需要的时间。 寻道时间最长，为200~1000ms，光盘的存取时间主要由它来决定；稳定时间一般不长；等待时间一般为60~150ms。

30. 5.1.3 光存储系统技术指标 6 接口类型 光盘驱动器的接口是指驱动器到计算机扩展总线的物理连接。实际上这个接口是驱动器到计算机的数据管道，其重要性不容低估。 光盘驱动器按接口分为内置和外置，内置的有 IDE/ATAPI 接口和SCSI 接口，外置的有 SCSI、并口及 USB 接口等。 ●IDE/ATAPI ：集成驱动器电路/AT附属包接口 ●SCSI：小型计算机系统接口 ● 并行接口： ● USB：通用串行总线架构

31. 5.1.3 光存储系统技术指标 7 误码率 误码率表示读出数据中错误信息所占的比例。光存储系统采用了复杂的纠错编码技术，可以降低误码率，但错误还是在所难免。 误码率要求与信息类型有关，数字或程序要求误码率为1/1016，即1016个码中只能允许有一个错码；图像信息要求可低些，一般为1/1012。

32. 5.1.3 光存储系统技术指标 8 平均无故障间隔时间 目前，平均无故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）一般可以达到几万至十几万小时。

33. 激光通过聚焦可以获得直径为 1µm 的光束。研究发现，可以利用这种光束记录和重放信息。为此，从 20 世纪 70 年代初开始不少国家就开始致力于这方面的研究工作。1972 年 9 月 5 日，荷兰 Phlips 公司向国际新闻界展示了利用光存储原理长时间播放电视节目的光盘系统，并于 1978 年正式投放市场。这种光盘的直径为 30cm，一片双面光盘可播放 2 小时。光盘上的信号用光道中凹凸长短不同的表面来记录，但它们表示的是模拟信号。这就是后来命名为 Laser Vision (LV) 的激光视盘。 5.2 CD

34. 5.2.1 CD 简介 光盘发展概况

35. 5.2.1 CD 简介 ● LV LV 是最早研制成功并投放市场的光盘。 LV 光盘上记录的是模拟电视信号；记录在盘上的信号以盘面上凹坑表示。 LV 后来被 LD 所代替，现在普遍称这种光盘为 LD，或镭射影碟。 LD 播放机与电视机连接，可以播放高质量图像和高保真音乐。

36. 5.2.1 CD 简介 ● 音频 CD 和 MD 音频 CD 就是人们常说的激光唱盘，它也是对音频信号进行模拟记录。 MD 也是一种音频激光唱盘，CD 不同的是它的尺寸更小，携带更加方便。 CD 规格有直径 12cm 和 8cm 两种， MD 直径只有 6.4cm，存放 74 分钟音乐。

37. 5.2.1 CD 简介 ● CD-G CD-G 激光盘又称卡拉 OK 盘。 CD–G 利用音频 CD 盘片上的剩余通道来记录画面、文字等信息。 CD–G 在播放音乐的同时，可以产生静止的图像画面和歌词文字。 CD-G 播放机在播放 CD-G 光盘时可以和电视机相连接。

38. 5.2.1 CD 简介 ● CD-V CD-V 能播放活动图像和音乐，但它是 LD 系列的扩充和改进。 CD-V 与 LD 最大区别在于 CD-V 盘上立体声不再是模拟信号而是数字信号。 CD-V 盘上的视频信号采用模拟信号，而音频信号采用数字信号。 CD-V 盘可以向下兼容 LV，通常有 12cm、8cm 和 30cm 三种规格。

39. 5.2.1 CD 简介 ● CD-DA CD-DA 标准是全数字化音响激光唱盘的“红皮书（Red Book）”标准。 CD-DA 将音频采集/编码，再将二进制编码进行 8~14 位调制后记录在光盘上。 CD-DA 尽管只是对激光数字音响制定标准，但对后来许多标准都有直接影响。

40. 5.2.1 CD 简介 ● CD-ROM CD-ROM 主要用作计算机的外部存储器。 起初记录文字信息；现在包括全数字化文字/声音/图形/动画及全动态视频。 存放文本/程序等数据时，550MB；存放电视图像/声音等数据时，680MB。 CD-ROM 只读，且容量大、可随机读出，查询方便；可存储各种的数据。 CD-ROM 标准于以“黄皮书（Yellow Book）”的形式公布 。

41. 5.2.1 CD 简介 ● CD-I CD-I 是世界上第一个交互式多媒体光盘标准。 CD-I 标准以“绿皮书（Green Book）”的形式公布。 CD-I 主要用于交互式多媒体 CD-I 系统存储数字化的文字/图形/声音/图像等； CD-I 播放器可直接插入电视机或音箱设备，通过遥控器或操纵杆实现交互。

42. 5.2.1 CD 简介 ● CD-ROM/XA CD-ROM/XA是“黄皮书”标准的一种扩充。 CD-ROM/XA 与 CD-I 相似，利用一种交错技术。 将音频/文本/图形/视频等数据结合在一个文件中以实现文/图/声/像同步播放。 CD-ROM/XA 通常被用于游戏、涉及音/视频交互性产品及复杂多媒体节目中。

43. 5.2.1 CD 简介 ● Photo CD Photo CD 是 Kodak 公司和 Phlips 公司为彩色照相业开发的一种相片光盘。 Photo CD 目的在于用高质量的电子图像作为传统彩色照片的一种补充。 Photo-CD 系统采用一次写入的技术，并且允许在空余部分多段追加记录。 Photo CD 是以数字方式将彩色照片存放在光盘上的一种手段。 Photo-CD 播放机连接在电视机或显示器上，欣赏写在盘上高清晰彩色照片。 Photo CD 也可以连接在计算机上，通过显示屏观看，或进行各种处理。 Photo CD 采用的记录标准与 CD-ROM XA 相同。可以用来长期保存照片。

44. 5.2.1 CD 简介 ● CD-R CD-R 是一种可逐次在 CD 空余部分写入数据的可记录式 CD。 CD-R 一旦写入不能擦除，但写入时必须使用专用 CD-R 驱动器（刻录机）。 CD-R 是遵循“橙皮书（Orange Book）”标准的一个产品。

45. 5.2.1 CD 简介 ● VCD VCD 是由 JVC、Philips、Sony 等公司联合推出的数字视频光盘系统。 VCD 采用 CD 格式和用 MPEG-1 压缩方式存放音频和视频信号， VCD 盘可以在 CD-I 和 Video-CD 播放机上播放。 VCD 的图像和伴音质量已经达到或超过普通录像带或激光视盘的水平。 利用 VCD 既可以看电影又可以唱卡拉 OK。 VCD 标准以“白皮书（White Book）”的形式发布。

46. 5.2.1 CD 简介 ● DVD DVD 是一种全新的以 MPEG-2 为标准的数字视盘，具有高质量的图像画面。 DVD 视盘的记录容量比 CD-ROM 大几倍到几十倍，播放时间达几小时。 DVD 与 VCD 相比具有明显的优势。

47. 5.2.1 CD 简介 ● MO MO 是遵循“橙皮书”标准的另一个产品，称磁光盘。 MO 与以上所描述的光盘不同，具有可读写功能和很大的存储容量。 MO 既有硬盘多次读写及大容量功能，又具备光盘防磁/抗湿及高可靠性特点。

48. 5.2.1 CD 简介 ● PCD PCD 与磁光盘原理不同，利用光学技术实现对数据写入和读出，称相变光盘。 PCD 相变光盘的读写比较简单，其驱动器实现也比较容易。

49. 5.2.1 CD 简介 ● FD FD 是一种软盘，称为光软盘。 FD 记录信息原理仍是传统磁记录原理，区别是采用光学技术对读写磁头定位。 光学技术定位使磁道密度相对要密一些，因此 FD 比一般软盘密度要大一些。

50. CD-DA 激光唱盘标准定义在 1982 年发布的 “红皮书”中，它源于CD-Audio Book，后来成为 IEC 908 标准，是所有其他 CD 产品标准的基础。 5.2.2 CD-DA