1、第九章 多媒體光盤存儲技術本章要點 CD簡歷 CD的工作原理 CDAUDIO DVD簡介 VCD與DVD播放機結構第九章 多媒體光盤存儲技術 如何記錄“0”和“1”，如何提高單位面積上的記錄密度是計算機工業中的一個非常重要的技術研究和開發課題。 光記錄是20世紀70年代的重大發明，是80年代世界上的重大技術開發項目，是90年代得到廣泛應用的技術 。第九章 多媒體光盤存儲技術9.1 CD簡歷9.1.1 CD發展的三部曲 1. LD-激光視盤 20世紀70年代初，荷蘭飛利浦公司開始研究利用激光來記錄和重放信息。 1972年9月展示了長時間播放電視節目的光盤系統。 1978年光盤播放機正式投放市場并

2、命名為LV.9.1.1 CD發展的三部曲1. LD-激光視盤 又稱LCD，直徑較大，為12英寸。 兩面都記錄信息 ,記錄模擬信號。 模擬信號經過頻率調制、線性疊加，然后進行限幅放大。 限幅后的信號以0.5微米寬的凹坑長短來表示。 9.1.1 CD發展的三部曲2. CD-DA激光唱盤 u 1982年Philips公司和Sony公司開發出存儲數字聲音的光盤，即數字激光唱盤(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA) 。u CD-DA激光唱盤系統首先把模擬的音響信號進行PCM數字化處理，再經過通道編碼之后記錄到盤上。u 專門為光盤制定了標準，就是聞名世界的“紅皮書”標準。 9

3、.1.1 CD發展的三部曲3. CD-ROM 從CD-DA過渡到CD-ROM需要解決的兩個重要問題： 計算機如何尋找盤上的數據，即如何劃分盤上的地址問題。 把CD盤作為計算機的存儲器時，要求它的錯誤率(10-12)遠遠小于聲音數據的錯誤率(10-9) . 1985年CDROM成功推向市場，專門制定了“黃皮書(Yellow)標準” 。9.1 CD簡歷9.1.2光盤的成長歷程l20世紀七十年代初世紀七十年代初，Philips 1972.9 展示播放電視節目的光盤系統展示播放電視節目的光盤系統 1978. 正是投放市場光盤播放機正是投放市場光盤播放機 LVl1982 CD-DA 紅皮書標準紅皮書標準

4、 數字聲音數字聲音l1985 CD-ROM 推向市場推向市場，ISO9660標準標準l1986 CD-ICD-I數字化文圖聲像動畫等數字化文圖聲像動畫等,CD-G,CD-G靜止圖像和音樂節目靜止圖像和音樂節目lCD-V 模擬的電視圖像和數字化的聲音模擬的電視圖像和數字化的聲音l1992 CD-I FMVCD-I FMV 數字化電影電視等節目數字化電影電視等節目,OK-CDOK-CD卡拉卡拉OKOK節目節目l1993 VCD 數字化電影電視節目數字化電影電視節目9.1 CD簡歷9.1.3 部分CD產品標準 紅皮書紅皮書 CD-DA 音樂節目音樂節目 74分鐘分鐘 黃皮書黃皮書 CD-ROM 文圖

5、聲像等多媒體節目文圖聲像等多媒體節目 650M 綠皮書綠皮書 CD-I 文圖聲像等多媒體節目文圖聲像等多媒體節目 760M 橙皮書橙皮書 CD-R 讀寫文圖聲像等多媒體節目讀寫文圖聲像等多媒體節目 白皮書白皮書 Video-CD 影視節目影視節目 70分鐘分鐘(MPEG-I) 紅皮書紅皮書+ CD-V模擬電視數字聲音模擬電視數字聲音 5-6分鐘電視分鐘電視20分鐘聲音分鐘聲音 藍皮書藍皮書 LD 影視節目影視節目 200分鐘分鐘 直徑直徑12英寸英寸9.1.3 部分CD產品簡介1.CDDA 激光數字音頻光盤，激光數字音頻光盤，19811981年制定了它的規年制定了它的規范范紅皮書，又稱為紅皮書

6、，又稱為CDCD，CD-DACD-DA盤直徑為盤直徑為1212厘米，厘米，每片盤能播放每片盤能播放7474分鐘高質量的音樂節目分鐘高質量的音樂節目。2.CDROM 計算機只讀光盤。計算機只讀光盤。19851985年制定了它的規范，主年制定了它的規范，主要用于計算機外存儲器，最初要用于計算機外存儲器，最初CDCDROMROM只含計算機只含計算機可讀的文字信息，現在可存儲聲音、圖形、視頻、可讀的文字信息，現在可存儲聲音、圖形、視頻、動畫等。動畫等。CDCDROMROM光盤直徑光盤直徑1212厘米，容量為厘米，容量為650MB650MB。9.1.3 部分CD產品簡介3.CDV 帶視頻的激光唱片，帶視

7、頻的激光唱片，1987年出現，它是年出現，它是 CDDA和和LD相結合的產物，同相結合的產物，同CDG 一樣在影碟機上使用。一樣在影碟機上使用。4.CDI 交互式光盤：用于交互式計算機多媒體交互式光盤：用于交互式計算機多媒體 CDCDI I系統中。系統中。19871987年制定了它的規范，年制定了它的規范，CDCDI I只能由只能由CDCDI I播放機播放播放機播放。 9.1.3 部分CD產品簡介5.CDR 可錄式光盤?？射浭焦獗P。19891989年制定了它的規范。年制定了它的規范。 它可多次在空余部分寫入數據，適合于小它可多次在空余部分寫入數據，適合于小規模單一發行的規模單一發行的CDCD制

8、品或數據備份，資料制品或數據備份，資料存檔等。存檔等。9.1.3 部分CD產品簡介6.PhotoCD 相片光盤。相片光盤。1992年制定了它的規范。年制定了它的規范。PhotoCD是專為存儲數字化的是專為存儲數字化的35mm相相片設計的，一張光盤可多次錄入約片設計的，一張光盤可多次錄入約100張左張左右的相片，必要時還可以還原成底片。右的相片，必要時還可以還原成底片。PhotoCD光盤可在光盤可在CDI、CDROMXA和和PhotoCD播放機上播放。播放機上播放。9.1.3 部分CD產品簡介7.VCD 是是Video CD的簡稱，意為視頻小型光盤。的簡稱，意為視頻小型光盤。 1993年制定了年

9、制定了VCD1.1的標準。的標準。 1994年又在年又在VCD1.1的基礎上增加了播放控制的基礎上增加了播放控制 (屏幕菜單屏幕菜單)和高清晰度圖像等功能，制定了和高清晰度圖像等功能，制定了VCD2.0標準。標準。 VCD標準采用了標準采用了CDROMXA數據格式，因此可在配數據格式，因此可在配置了置了CDROM驅動器的驅動器的PC基礎上播放，普通的基礎上播放，普通的CD唱機唱機增加增加VCD解碼板也可播放解碼板也可播放VCD。 VCD盤可連續播放盤可連續播放74分鐘的錄像節目。其圖像優于分鐘的錄像節目。其圖像優于VHS錄像質量，伴音質量可達到錄像質量，伴音質量可達到CD的效果。的效果。9.1

10、.3 部分CD產品簡介8.LD 激光視盤，又稱影碟，因此視頻播放機激光視盤，又稱影碟，因此視頻播放機又稱影碟機。又稱影碟機。 視盤的直徑一般為視盤的直徑一般為30cm、也有、也有20cm的。的。 根據其信號錄制方式，根據其信號錄制方式，LD分為兩種，一種分為兩種，一種是標準播放視盤是標準播放視盤(CAV)，這種視盤單面播放，這種視盤單面播放時間為時間為30分鐘。另一種是長時間播放視盤分鐘。另一種是長時間播放視盤(CLV)，其單面播放時間為，其單面播放時間為60分鐘。分鐘。第九章 多媒體光盤存儲技術9.2 CD工作原理9.2.1 CD盤片結構 1.CD盤主要由保護層、反射激光的鋁反射層、刻槽和聚

11、碳脂襯墊組成 。9.2.1 CD盤片結構 2. CD盤的外徑為120mm，內徑為15mm，重量為14克18克。激光唱盤分3個區：導入區、導出區和聲音數據記錄區。 第九章 多媒體光盤存儲技術9.2 CD工作原理9.2.2 CD盤的光道結構 1.與磁盤的磁道比較 磁盤存放數據的磁道是同心環。磁盤片轉動的角速度是恒定的（CAV） 采用同心環磁道的好處之一是控制簡單，便于隨機存取，缺點是存儲器沒有達到應有的存儲容量 。 9.2.2 CD盤的光道結構2. CD盤光道結構采用的是螺旋型光道，一張CD盤的光道長約為5公里。CD盤轉動的線速度是恒定的，用CLV表示。 由于采用了恒定線速度，因此內外光道的記錄密

12、度一樣，盤片的存儲容量得到充分利用，但隨機存儲特性變得較差，控制也較復雜。 第九章 多媒體光盤存儲技術9.2 CD工作原理9.2.3 數據是怎樣寫入到CD盤上的 CD盤上的數據是用壓模沖壓而成的，而壓模是用原版盤制成的。 在制作原版盤時，是用編碼后的二進制數據去調制聚焦激光束，如果寫入的數據為“0”，就不讓激光束通過，寫入“1”時，就讓激光束通過，或者相反。在制作原版盤的玻璃盤上涂有感光膠，曝了光的地方經化學處理后就形成凹坑，沒有曝光的地方保持原樣，二進制信息就以這樣的形式刻錄在原版盤上。在經過化學處理后的玻璃盤表面上鍍一層金屬，用這種盤去制作母盤，然后用母盤制作壓模，再用壓模去大批量復制。成

13、千上萬的CD盤就是用壓模壓出來的，所以價格才這樣便宜。 第九章 多媒體光盤存儲技術9.2 CD工作原理9.2.4數據是怎樣從CD盤讀出的 1.CD盤上的數據要用CD驅動器來閱讀。 CD驅動器由光學讀出頭光學讀出頭、光學讀出頭驅動機構、光學讀出頭驅動機構、CDCD盤驅動機構、控制線路以及處理光學讀出頭讀盤驅動機構、控制線路以及處理光學讀出頭讀出信號的電子線路出信號的電子線路等組成。 9.2.4數據是怎樣從CD盤讀出的2. 光學讀出頭光學讀出頭是CD系統的核心部件之一，它由光電檢測器、透鏡、激光束分離器、激光器等元件組成。3. 激光器發出的激光經過幾個透鏡聚焦后到達光盤，從光盤上反射回來的激光束沿

14、原來的光路返回，到達激光束分離器后反射到光電檢測器，由光電檢測器把光信號變成電信號，再經過電子線路處理后還原成原來的二進制數據。 9.2.4數據是怎樣從CD盤讀出的說明：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說明：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，凹坑和非凹的長度代表的個數。表，凹坑和非凹的長度代表的個數。 第九章 多媒體光盤存儲技術9.3 CD-AUDIO9.3.1 激光唱盤標準摘要 技術指標技術指標: 播放時間 74分鐘 旋轉方向 順時針 旋轉速度1.2m/s1.4m/s 光道間距1.6 m 記錄區46 mm117 mm 數據信號區50 mm116 mm

15、 材料為折射率為1.55的任何材料 最小凹坑長度0.833 m 0.972 m 最大凹坑長度3.05 m 3.56 m 凹坑深度0.11 m凹坑寬度0.5 m 9.3.1 激光唱盤標準摘要光學系統光學系統: 激光波長780 nm 聚焦深度 2 m信號格式信號格式: 通道數 2個 16位線性量化 采樣頻率 44.1 kHz 通道位速率4.3218 Mb/s 數據位速率1.9409 Mb/s 數據:通道位8:17 錯誤校正碼 CIRC 調制方式 EFM第九章 多媒體光盤存儲技術9.3 CD-AUDIO9.3.2 采用頻率和樣本大小 1. 44.1KHz的由來？： 人耳朵(因人而異)能聽到的聲音信號

16、頻率范圍是2020000Hz,為了避免高于20000Hz的高頻信號干擾采樣,在進行采樣之前，需要對輸入的聲音信號進行濾波.考慮到濾波器在20000Hz的地方大約有10%的衰減,所以可以用22000Hz的2倍頻率作為聲音信號的采樣頻率.但是,為了能夠與電視信號同步,PAL電視的場掃描為50 Hz,NTSC電視的場掃描為60Hz,所以取50和60的整數倍,選用了44 100 Hz作為激光唱盤聲音的采樣標準。 9.3.2 采用頻率和樣本大小2.激光唱盤音樂信號的樣本位數是16。16位的樣本能夠表達的動態范圍就大于96 dB。3. 數字化的模擬聲音在激光唱盤上一秒鐘的存儲空間為： 1秒 44 100樣

17、本/秒 2字節/樣本 2(左右兩個通道) = 176.4 千字節4.聲道數 數字激光唱盤采樣兩個聲道(立體聲)的規格. 第九章 多媒體光盤存儲技術9.3 CD-AUDIO9.3.3聲音數據的通道編碼 1.聲音轉換成用“1”和“0”表示的數字信號之后，并不是直接把它們記錄到盤上。物理盤上記錄的數據和真正的聲音數據之間需要做變換處理，這種處理統稱為通道編碼。 采用通道編碼的目的主要是兩個:一是為了改善信號質量，使得讀出信號的頻帶變窄。其次是為了在接收端能夠從信號本身提取自同步信號。 9.3.3聲音數據的通道編碼2.激光唱盤使用的通道編碼叫做8到14比特調制編碼(eight to fourteen

18、modulation，EFM)。 1.為什么要做通道編碼 在數字記錄中, 有連續多個字節的全”0” 或者全“1”信號要記錄到盤上，如果不作通道編碼讀出時的輸出信號就是一條直線，電子線路就很難區分有多少個“0”或者多少個“1”信號。而對于沒有規律的數字信號，讀出的信息就很不可靠。 通道編碼實際上就是要在連續的“0”插入若干個“1”，而在連續的“1”之間插入若干個“0”，并對“0”和“1”的連續長度數目即“行游程長度”加以限制。9.3.3聲音數據的通道編碼2.為什么要把8位數轉換成14位數 理論分析和實驗證明，把“0”的游程長度最短限制在2個，而最長限制在10，光盤上的信號就能夠可靠讀出。即：2個

19、“1”之間至少要有2個“0”最多不超過10個“0”。 因為，8位數據有256種代碼,14位通道位有16 384種代碼。通過計算機的計算,在這16 384種代碼中有267種代碼能夠滿足“0”游程長度的要求.在這267種代碼中,其中有10種代碼在合并通道代碼時限制游程長度仍有困難，再去掉一個代碼，這樣就得到了與8位數據相對應的256種通道碼。 9.3.3聲音數據的通道編碼2.為什么要把8位數轉換成14位數 實際在通道碼合并時，為了滿足游程長度的要求，在通道碼之間再增加了3位來確保讀出信號的可靠性，于是在激光唱盤中8位的數據就轉換成了17位的通道代碼。第九章 多媒體光盤存儲技術9.3 CD-AUDI

20、O9.3.4 CD盤如何批量生產 激光唱盤(CD-DA)、數字激光視盤(V-CD)和CD-ROM的制作過程都相同，大致分成三個階段： u 原版盤預制作原版盤預制作。u 原版盤制作。原版盤制作。u 大批量復制。大批量復制。 9.3.4 CD盤如何批量生產1.原版盤預制作 對于激光唱盤，把制作好的音樂節目轉換成標準的CD-DA格式，而對于V-CD盤，把影視節目轉換成V-CD標準記錄格式，這個過程也叫做預處理。2.原版盤制作 (1) 把符合CD-DA或者V-CD標準格式的數據經過一個EFM編碼器變成串行數據流。 9.3.4 CD盤如何批量生產2.原版盤制作 (2) 把一片涂有光敏電阻的玻璃盤在旋轉平

21、臺上進行光刻。 9.3.4 CD盤如何批量生產2.原版盤制作 (3) 對光刻的玻璃盤進行化學處理，盤上曝了光的區域被腐蝕掉形成凹坑，沒有曝光的區域就被保留下來，“0”、“1”信號就以凹坑和非凹坑的形式記錄在螺旋形光道上。 (4) 對經過化學處理的玻璃盤進行化學電鍍生成金屬原版盤，稱為父盤，通過父盤再制作母盤，然后由母盤制作出子盤(，子盤就是壓模。9.3.4 CD盤如何批量生產2.原版盤制作9.3.4 CD盤如何批量生產3.大批量復制。 聚碳酸脂加熱之后注入盤模里，壓模就把它上面的數據壓制到正在冷卻的塑料盤上，然后在盤上濺射一層鋁，用于讀出數據時反射激光束，最后涂一層保護漆和印制標牌。 第九章

22、多媒體光盤存儲技術9.4 DVD技術9.4.1DVD簡介 1.DVD是Digital Video Disc的縮寫，由于DVD的應用可以用來存儲其他類型的數據，所以更改為Digital Versatile Disc。 9.4.1DVD簡介2. DVD的問世原因 MPEG-1的電視質量是家用錄象機的質量，MPEG-1技術的成熟促成了VCD的誕生和成熟； MPEG-2的電視質量是廣播級的質量，由于廣播級數字電視的數據量要比MPEG-1的數據量大得多，而CD-ROM的容量滿足不了存放MPEG-2 Video節目的要求。為了解決MPEG-2 Video節目的存儲問題，就促成了DVD的問世。9.4.1DV

23、D簡介2. DVD的問世 在1995年，DVD由四家國際公司合作共同開發完成。盤片的設計采用Toshiba/Time Warner公司的方案，而存儲在盤上的數據編碼則采用Sony/Philips公司的方案。 成果：單面單層DVD盤片應該能夠存儲4.7GB的數據，單面雙層盤片的容量為8.5 GB，最高可達到17GB ；單面單層盤存儲133分鐘的MPEG-2 Video，其分辨率與現在的電視相同，并配備Dolby AC-3/MPEG-2 Audio質量的聲音和不同語言的字幕。第九章 多媒體光盤存儲技術9.4 DVD技術9.4.2 DVD的規格 1. DVD的成員DVD(DigitalDVD(Dig

24、ital Versatile Disc) 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的規格2. DVD的存儲容量 DVDDVD盤的類型盤的類型存儲容量存儲容量(GB)(GB)MPEG-2 VideoMPEG-2 Video的的播放時間播放時間單面單層

25、單面單層( (只讀只讀) )4.7133單面雙層單面雙層( (只讀只讀) )8.5240單層雙面單層雙面( (只讀只讀) )9.4266雙層雙層, ,雙面雙面( (只讀只讀) )17500單層雙面單層雙面(DVD-R)(DVD-R)6.6215單層雙面單層雙面(DVD-RAM)(DVD-RAM)5.21479.4.2 DVD的規格3. DVD-Video技術參數 技術內容技術規格數據傳輸率可變速率，平均速率為可變速率，平均速率為4.69 Mb/s(4.69 Mb/s(最大速率為最大速率為10.7 Mb/s)10.7 Mb/s)圖像壓縮標準MPEG-2MPEG-2標準標準聲音標準NTSCNTSC

26、：Dolby AC-3Dolby AC-3或或LPCM, LPCM, 可選用可選用MPEG-2 MPEG-2 AudioAudioPALPAL： MPEG MUSICAMMPEG MUSICAM* * 5.1 5.1或或LPCM, LPCM, 可選用可選用Dolby AC-3Dolby AC-3通道數多達多達8 8個聲音通道和個聲音通道和3232個字幕通道個字幕通道第九章 多媒體光盤存儲技術9.4 DVD技術9.4.3 DVD存儲技術 1.從外觀和尺寸方面來看，DVD盤與現在廣泛使用的CD盤沒有什么差別，直徑均為120 mm，厚度為1.2 mm。從CD700多兆的存儲容量到DVD 最高達17G

27、的信息存儲容量，許多新的技術得到了應用。 DVD采用的新技術如下：9.4.3 DVD存儲技術DVD采用的新技術 1. DVD盤光道之間的間距縮小到0.74m，而記錄信息的最小凹凸坑長度0.4m，這是DVD盤的存儲容量可提高到4.7 GB的主要原因。9.4.3 DVD存儲技術DVD采用的新技術 2.使用波長為635/650 nm的激光源代替在CD中使用的780 nm紅外光激光源。 3. DVD把光學讀出頭的數值孔徑 NA加大到0.6,這樣可以提高接收盤片反射光的能力，即提高光學讀出頭的分辨率。9.4.3 DVD存儲技術DVD采用的新技術 4. DVD盤的記錄區域從CD盤的86 cm2提高到86.6 cm2，加大了盤的數據記錄區域。 9.4.3