關于多媒體儲存和獲取技術第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.1多媒體計算機基本結構1.多媒體計算機

多媒體計算機需要計算機交互式地綜合處理聲、文、圖信息，圖像和聲音信息數據量大，處理速度要求高。有三種方案：

1選用專用芯片、設計專用接口卡。例如視頻卡、聲卡、網卡等該方法就是多媒體個人計算機（MPC）的標準和結構。2設計專用芯片和軟件3把多媒體技術做到CPU芯片中多媒體系統：CD-I系統：家用交互式多媒體系統DVI系統：由美國普林斯頓DavidSanaoff研究中心研究開發的交互式數字視頻系統多媒體工作站

第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2.多媒體計算機硬件第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.2多媒體存儲多媒體信息：存在和表現有多種形式常見的有：正文、向量圖形、位圖、數字化聲音和高保真音響、數字化視頻。

信息量大多媒體信息即使經過壓縮,所需的存儲空間仍然十分可觀,傳統使用的計算機存儲設備如軟磁盤、磁帶等,無法滿足大信息量的要求。第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日存儲器：計算機的重要組成部分,一般分為內存儲器和外存儲器。

內存儲器由只讀存儲器、隨機存儲器和高速緩沖存儲器(cache)組成。

外存儲器分為數字式磁記錄設備(如磁盤、磁帶)和模擬式磁記錄設備(如錄音帶、錄像帶)。

20世紀70年代研制出的光盤是滿足上述要求較為理想的存儲設備,其中只讀式緊湊光盤(compactdisc－readonlymemory,CD-ROM)及其改進的DVD光盤是廣泛使用的多媒體信息載體。

CD,DVD屬于光存儲技術，硬盤屬于磁儲存技術。第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.2.1.硬盤存儲：硬盤用磁性記錄技術記錄數據。磁性介質很容易被擦去和重寫。

上圖為硬盤內部情況，可以看見轉盤、讀寫臂、讀寫頭、高速線性馬達。

第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日多數硬盤有多個盤面，且雙面讀寫。3盤片例6讀寫頭

第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

數據以磁道（tracks）和扇區（sectors）的方式存儲在盤面的表面。磁道是一些同心圓，而扇區是磁道上的楔型區域。

磁道和扇區

低級格式化：在磁盤盤面上建立磁道和扇區。高級格式化：建立文件存儲結構到扇區上。

第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日硬盤性能指標

1．轉速以每分鐘多少轉（RPM）為單位。

2．容量硬盤的容量與盤片數、面密度關系密切，這兩項數值越大則容量越大。3．平均尋道時間平均尋道時間指的是磁頭到達目標數據所在磁道的平均時間，目前硬盤平均尋道時間大約為7～9毫秒。

4．緩存5．傳輸速率（transferrate）傳輸速率分為內傳輸速率與外傳輸速率，以每秒MB為單位。內傳輸速率是從硬盤到緩存的傳輸速度。外傳輸速率是從緩存到通信接口的傳輸速度。第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.2.2.光存儲：工作原理：

改變一個存儲單元的性質,使其性質的變化反映出被存儲的數據,識別這種性質的變化,就可以讀出存儲數據。

光存儲單元的性質,例如反射率、反射光極化方向等均可以改變,它們對應于存儲二進制數據0(不變)、1(改變),光電檢測器能夠通過檢測出光強和光極性的變化來識別信息。

高能量激光束可以聚焦成約1μm的光斑,因此光存儲技術比其他存儲技術具有更高的容量。

光存儲技術的產品化形式是由光盤驅動器和光盤片組成的光盤驅動系統。

驅動器讀寫頭是用半導體激光器和光路系統組成的光頭,記錄介質采用磁光材料。第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日光盤系統（光盤驅動器和光盤盤片

）特點：與硬盤相比：具有可拆卸性容量相當驅動器較貴盤片便宜讀寫速度慢

與磁帶相比：容量大隨機存取性強

激光頭與介質元接觸,不受環境影響而退磁,信息保存時間長,可達30年以上。

技術指標:

容量、平均存取時間、數據率、接口標準及格式規范等。

第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日·存儲容量

所能讀寫的光盤盤片的容量。又分為格式化容量和用戶容量,采用不同的格式和不同驅動器,光盤格式化后容量不同。一般用戶容量比格式化容量要少,因為光盤還需要存放有關控制、校驗等信息。

·平均存取時間

在光盤上找到需要讀寫的信息的位置所需要的時間,即從計算機向光盤驅動器發出命令,到光盤驅動器可以接受讀寫命令為止的時間。一般取光頭沿半徑移動全程1/3長度所需要的時間為平均尋道時間,盤片旋轉一周的一半時間為平均等待時間,兩者加上讀寫光頭的穩定時間就是平均存取時間。

·

數據率

指從光盤驅動器讀取數據的速率,可以定義為單位時間內從光盤的光道上讀取數據的比特數,與光盤轉速、存儲密度有關。

第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日光盤類型：ROM只讀盤：

采用激光調制方式記錄信息，將信息以凹坑和凸區的形式記錄在螺旋形光道上。光盤是由母盤壓模制成的，一旦復制成形永久不變，用戶只能讀出信息。

WORM一次性寫多次讀光盤

WORM(writeoncereadmany)

只能寫一次但可以多次瀆,一旦寫入就不能更改。

Rewritable可重寫光盤

可重寫光盤或稱可擦寫光盤是最理想的光盤類型,也是最有應用前途的光盤類型。

目前可重寫光盤價格較貴。第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日防止沾污某些溶劑，造成鋁膜腐蝕。防止光盤劃傷。保護光盤不受強光照射，不存放在過熱、過冷或潮濕的地方。光盤必須放在專用的容器內保存而不能堆放在一起。取盤時：

光盤可用水或中性清潔劑清潔。從中心向邊緣擦拭，不能沿圓形軌邊擦拭。光盤的壽命與用戶的維護有直接關系。光盤的保養第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.3CD9.3.1CD原理

CD（CompactDisc、高密盤）

Philips公司，20世紀80年代初，開發成功數字光盤音響系統化學材料：

CD光盤采用聚碳酸脂（Polycarbonate）制成，這種材料壽命很長而且不易損壞，摩托車頭盔和防彈玻璃也是這種材料。物理構造：

CD光盤上記錄的信息最小單元是比特（bit）。在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式記錄二進制“0”和“1”。

再覆上一層薄反射層（鋁），最后再覆上一層透明膠膜保護層，并在保護層的一面印上標記。第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

我們通常稱光盤的兩面分別為數據面和標記面。目前通常用的光盤直徑為12cm，厚度約為1mm，中心孔直徑為15mm，重約14-18g。第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日CD數據記錄和讀取方式

二進制數據以微觀的凹痕形式記錄在螺旋軌道（track，光道）上，光道從盤的中心開始直到盤的邊緣結束，與磁盤的同心環型磁道不一樣。CD光盤磁盤第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

光道上凹凸交界的跳變沿均代表數字“1”，兩個邊緣之間代表數字“0”。“0”的個數是由邊緣之間的長度決定。信息讀取時，CD機的激光頭發出一束激光照到CD盤的數據面并拾取反射回來的光信號判別記錄的是“1”或“0”。

激光照在光盤上時，如果是照在凸區上，將會有70％～80％被反射，這樣光頭就可以讀到反射信號。如果照在凹區上，則造成激光散射，CD讀取頭無法接受到反射信號。第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日可讀寫光盤的擦寫原理要實現光盤信息的重寫,必須恢復光盤介質原來的性質,擦去原來信息,然后重新記錄新的信息。可分為兩類,即磁光式和相變式。磁光式（MO，Magnet-Optical）：以稀土-過渡金屬非晶體垂直磁化膜作為記錄介質。

磁光記錄技術的原理就是在高溫下磁介質磁性會發生變換，并且在冷卻之后一直保持這種變化(記錄過程)，再次加熱可以將其恢復到原先的樣子(擦除過程)。

第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日相變式：利用記錄介質的兩個穩態之間的互逆相結構的變化來實現信息的記錄和擦除。兩種穩態是反射率高的晶態和反射率低的非晶態(玻璃態)。寫過程是把記錄介質的信息點從晶態轉變為非晶態。擦過程是寫過程的逆過程,即把激光束照射的信息點從非晶態恢復到晶態。

PD是“相變式可重復擦寫光盤驅動器”的縮寫：（PhaseChangeRewritableOpticalDiskDrive）”第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日·CD-DA(digitalaudio)：紅皮書(RedBook)

激光數字音頻光盤的規范。這個標準是CD的最基本的標準。

·CD-ROM：黃皮書(YellowBook),

1988年正式作為國際標準IS09660,1991年又推出了IS0966OII。

·CD-V(video)

從紅皮書發展而來,存儲模擬的視頻信息和數字化聲音,在影碟機上使用,視頻信息可以輸出到電視機。

·可錄CD(recordablecompactdisc)：橙皮書(OrangeBook)分為CD-MO和CD-WO。CD-MO指磁光盤,可重寫;CD-WO又稱CD-R,只能一次寫入數據，不能抹掉。9.3.2.CD標準第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日·CD-I：綠皮書(GreenBook)

用于交互式多媒體CD-I系統。1992年推出第二代CD-I,可播放交互式視頻圖像。·CD-ROMXA(ExtendedArchitecture，CD-ROM擴展結構)

Philips,SONY及Microsoft制定。一般的CD-ROM將不同類的信息（聲音、圖像和文字）放在不同的軌上，CD-ROMXA克服了這一問題，可在統一軌中同時存放性質不同的資料。

·Photo-CD像片光盤

1991年Philips和kdak,1992年制定規范。用于存放數字靜態照片。

·VideoCD：白皮書(WhiteBook)

采用MPEG-1壓縮算法壓縮動態圖像，可在普通CD-ROM盤片上存儲74分鐘的全動態視頻圖像和CD音質的同步聲音。VideoCD節目能夠在CD-I,CD-ROMXA和VideoCD播放機上播放。第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.3.3.CD的批量制造父盤———〉母盤————〉子盤(壓模)————〉CD盤第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.3.4.CD使用的基本技術1．EFM編碼

EFM（EighttoFourteenModulation，8到14比特調制）編碼的含義就是把一個8比特(即1個字節)的數據用14比特來表示。根據20世紀70年代的技術水平，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。也就是說，2個“1”之間至少要有2個“0”最多不超過10個“0”。

8位數據有256種代碼，14位通道位有16384種代碼。在這16384種代碼中有267種代碼能夠滿足“0”游程長度的要求。再去掉11個代碼，這樣就定義了與8位數據相對應的256種通道碼。當通道碼合并時，在通道碼之間再增加3位以確保讀出信號的可靠性，于是在CD中8位的數據就轉換成了17位的通道代碼。在DVD光盤技術中，把3位合并位改成2位。第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2.CRC（CyclicRedundancyCode，循環冗余碼）屬于糾錯編碼3.RS（Reed-Solomon，里德-索洛蒙）屬于糾錯編碼4.CIRC（CrossInterleavedReed-SolomonCode，交叉RS碼）在用RS編譯碼前后，對數據進行交插處理和交叉處理。其基本思想是把本該連續存放的數據錯開放，當出現一片錯誤時，這些錯誤就分散到各處，錯誤就容易得到糾正，這種技術就稱為交插(interleaving)技術。

5.RSPC（Reed-SolomonProduct-likeCode，Reed-SolomonProductCode，里德－索洛蒙乘積碼）被DVD采用的糾錯編碼技術第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日6．CLV(ConstantLinearVelocity，恒定線速度)

使用CLV技術的光驅特點是讀取光盤內圈時轉速加快，保證在讀取盤片內外圈時有大致相同的傳輸速度。該技術是早期CD-ROM的標準技術，已經無法適應現代高倍速CD-ROM驅動器。7．CAV(ConstantAngularVelocity，恒定角速度)

無論激光頭讀取光盤片外圈還是內圈時，馬達都以相同的速度旋轉。特點是為了保持盤片的旋轉速度穩定，CD-ROM的數據傳輸速率是可變的，光驅在讀外道的速度比讀內道的時候大得多。因此，高速CD-ROM的倍速都是指光驅“可以”達到的最高數據傳輸率。躁聲比較小。8．PCAV(PartialConstantAngularVelocity，局部恒定角速度)把CAV和CLV合二為一，特點是當激光頭讀盤片的外圈數據時，旋轉速度保持不變，而大幅增加數據傳輸率；當激光頭讀取內圈數據時，逐漸增加旋轉速度，使性能提高。使用PCAV技術的光驅，是目前CD-ROM的主流技術，能夠基本實現其標稱倍速值。第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.4、DVDDVD原名:DigitalVideoDisc，“數字電視光盤”。后更改為DigitalVersatileDisc，“數字萬用光盤”。

1995年，由Sony和Philips公司領導的國際財團與另一個由Toshiba和TimeWarner公司領導的國際財團分別提出了兩個不兼容的高密度CD(HDCD——HighDensityCompactDisc)規格。同年10月，兩大財團同意盤片的設計按Toshiba/TimeWarner公司的方案，而盤上的存儲數據編碼按Sony/Philips公司的方案。

DVD儲存的視頻節目分辨率與現在的電視相同，并配備DolbyAC-3/MPEG-2Audio質量的聲音和不同語言的字幕。

第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.4.1.DVD的容量DVD盤的類型存儲容量MPEG-2Video的播放時間單面單層(只讀)4.7GB133分鐘單面雙層(只讀)8.5GB240分鐘單層雙面(只讀)9.4GB266分鐘雙層,雙面(只讀)17GB單層雙面(DVD-R)6.6GB215分鐘單層雙面(DVD-RAM)5.2GB147分鐘第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.4.2.DVD技術DVD和CD技術比較DVDCD盤片直徑120mm120mm盤片厚度1.2mm1.2mm減小激光波長635/650nm780nm加大N.A.(數值孔徑)0.60.45減小光道間距0.74μm1.6μm減小最小凹凸坑長度0.4μm0.83μm減小糾錯碼的長度RS-PCCIRC修改信號調制方式8-14加28-14加3

加大盤片表面利用率86.6平方厘米86平方厘米減小每個扇區字節數2048/2060字節/扇區2048/2352字節/扇區第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日DVD盤光道之間的間距由CD的1.6mm縮小到0.74mm，而記錄信息的最小凹凸坑長度由CD的0.83mm縮小到0.4mm。第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日DVD盤的記錄區域從CD盤的86cm2提高到86.6cm2，記錄容量也就提高了1.9%。

第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日激光波長和數值孔徑一般而言，光盤片的記錄密度受限于讀出的光點大小，與激光波長λ，物鏡的數值孔徑NA相關。要提高光盤的記錄密度和分辨率，一般可使用短波長激光或提高物鏡的數值孔徑使光點縮小。數值孔徑(NA)

數值孔徑簡寫NA。與物鏡前透鏡與被檢物體之間介質的折射率（η）和孔徑角（u）有關。用公式表示如下：

NA=ηsin(u/2)孔徑角又稱“鏡口角”，是物鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度。孔徑角越大，進入物鏡的光通亮就越大。

分辨率

分辨率是指能被顯微鏡清晰區分的兩個物點的最小間距。其計算公式是σ=λ/NA，式中λ為光線的波長。第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.4.3.DVD盤的規格（面和層的概念）。最簡單的單面單層光盤結構

第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日單面雙層光盤：單面雙層盤的表層稱為第0層，最里層稱為第1層。第0層采用了一種新的半透明(semi-transparent)薄膜涂層，可讓激光束透過表層到達第1層。單面雙層DVD盤的容量可達到8.5GB。單面雙層光盤的結構第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日雙面雙層光盤的結構雙面雙層DVD盤的容量可達到17GB第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.4.4.DVD標準

DVD(digitalversatiledisc)BookA:DVD-ROMBookB:DVD-VideoBookC:DVD-AudioBookD:DVD-RecordableBookE:DVD-RAM數據傳輸率可變，平均速率4.69Mbps，最大速率10.7Mbps圖像標準MPEG－2標準聲音標準DolbyAC-3/MPEG2Audio/LPCM/AAC通道數最多8個聲音通道和32個字幕通道第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.5、藍光光盤和HDDVD的競爭

藍光光盤（Blu-rayDisc

）和HDDVD（HighDefinitionDVD）都是采用波長較短(405nm)的藍色激光讀取和寫入數據。而普通DVD采用的是650nm的紅光。藍光擁有較短的光波長度，能儲存較密集的數據到盤片上。第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

藍光光盤是目前最先進的大容量光碟格式，能在一張單碟上存儲25GB的文檔文件，是現有(單碟)DVD4.7GB的5倍。

HD-DVD單層容量為15GB。但是HD-DVD與標準DVD共享部分構造設計，DVD制造商不需為規格升級。藍光光盤HD-DVD單面層數（激光頭個數）1或2個，理論值最多8個HDDVD-ROM2個；HDDVD-R1個；HDDVD-RW1個每層容量25GBHDDVD-ROM15G；HDDVD-R15G；HDDVD-RW20G影像帶寬48Mbps

36.55Mbps

技術支持廠商戴爾/惠普/LG/三菱/松下/飛利浦/先鋒/索尼因特爾/微軟/NEC/東芝電影制作廠商

狄斯尼/福柯斯/獅門/美高梅/派拉蒙/索尼/華納派拉蒙/環球/華納第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2002年2月19日，由索尼領導的全球九大電子企業宣布了藍光光盤開發計劃。

2002年8月29日，東芝和NEC提議將HD

DVD作為下一代光盤格式的標準

。

2003年4月10日，全球首臺藍光錄像機“索尼BDZ-S77”在日本上市。

2004年1月7日，東芝在CES

2004上公開了第一款HD

DVD播放機原型，向下兼容DVD。

2004年1月12日，惠普和戴爾決定支持藍光。

2004年11月29日，派拉蒙、環球、華納兄弟等好萊塢片商宣布支持HD

DVD。

2004年12月9日，迪斯尼宣布支持藍光。

2005年4月21日，索尼和東芝對單一格式進行談判無果而終。

2005年8月18日，獅門和環球音樂集團宣布支持藍光。

2005年9月27日，微軟和Intel宣布支持HD

DVD。

2005年10月3日，派拉蒙宣布將同時提供藍光和HD

DVD格式的電影。

2005年12月16日，惠普宣布同時支持兩種格式。

2006年1月4日，比爾·蓋茨宣布Xbox

360主機將提供HD

DVD外置光驅。

2006年3月31日，東芝推出全球首款HD

DVD播放機HD-A1。

2007年3月5日，中國版HD

DVD規范C-HD

DVD-ROM

v10.0獲批。

2007年8月20日，派拉蒙和夢工廠宣布單獨支持HD

DVD。

2007年11月，東芝HD

DVD播放機出現99美元超低促銷價。

2008年1月4日，華納兄弟宣布不再支持HD

DVD，轉而獨立支持藍光。

2008年1月14日，東芝第三代HD

DVD播放機HD-A3零售價降至150美元。

2008年2月11日，NetFlix和Best

Buy宣布將逐漸淡出HD

DVD格式產品。

2008年2月15日，沃爾瑪宣布將在六月起專營藍光格式產品。

2008年2月16日，日本NHK電視臺報道稱，東芝已經停產HD

DVD播放機。

2008年2月19日，東芝宣布不再繼續開發HD

DVD。2008年2月22日，為防止索尼藍光DVD壟斷，中國版HDDVD堅持如期推出。第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日藍光光盤藍光光驅第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.6、多媒體信息獲取9.5.1.掃描儀基本部件：

·移動架：掃描的過程中從一端移動到另一端。

·

光源：熒光燈管，移動的過程中形成掃描線。

·

鏡子：將每條照亮的掃描線反射到CCD陣列上。

·CCD（change-coupleddevice，電荷耦合器件）陣列：掃描儀的光傳感器它可以將照射在其上的光信號轉換為相應的電信號

既包括計算機從自然界獲取多媒體信息也包括人從計算機獲取多媒體信息。簡單介紹掃描儀、數碼相機、觸摸屏、顯示器和打印機。第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日工作原理：

將反映圖像特征的光信號轉換成計算機可接受的電信號。·

掃描儀在工作時，首先由光源將光線照在圖稿上，產生表示圖像特征的投射光和反射光。

·

光學系統采集這些光線將其聚焦在CCD上，由CCD將光信號轉換成相應電信號

·

然后對這些信號進行A/D轉換及處理，產生相應的數字信號送往計算機。

·

機械轉動機構在控制電路的控制下帶動裝有光學系統和CCD的掃描頭與圖稿進行相對運動，將圖稿全部掃描一遍，一幅完整的圖像就輸入到計算機中了。第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日9.5.2.數碼相機數字相機使用CCD陣列，把來自CCD陣列的電壓信號送到模數轉換器后，變換成圖像的像素值。第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日存儲介質：典型的存儲介質由普通的動態隨機存取存儲