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1、第6章 多媒体硬件环境,音频接口 视频接口 多媒体的存储 多媒体I/O设备,多媒体的存储,多媒体的存储,要点： CD的发展历史 CD的工作原理 DVD简介 CD的格式 VCD标准,前言,如何记录“0”和“1”，是计算机工业中一个非常重要的技术研究和开发课题 在过去半个世纪中，科学家和工程技术人员开发了许多记录技术 从电子管到半导体存储器 从磁记录到光记录,前言,光记录是20世纪70年代的重大发明 90年代得到广泛的应用,CD简历,CD工业史上的几件大事 1972年9月，Philips公司向全世界展示了长时间播放电视节目的光盘系统（1978年正式投放市场的光盘播放机LV），在光盘上记录的是模拟电
2、视信号。从此，利用激光来记录信息的革命拉开了序幕 1982年，Philips公司和Sony公司推出数字激光唱盘（CD-DA），同时为这种盘制定了著名的“红皮书标准”，在光盘上记录的数字声音信号,CD简历,由于CD-DA能记录数字信息，如何把它用作计算机的存储设备，有两个问题需要解决： 计算机如何寻找盘上的数据，也就是如何划分盘上的地址问题 把CD盘作为计算机的存储器使用，要求它的错误率（10-12）远远小于声音数据的错误率（10-9） 1985年左右，作为计算机存储设备的CD-ROM被推向市场（黄皮书标准、ISO9660标准）,CD系列产品,CD系列产品,CD-DA 存放数字化的音乐节目 CD
3、-G 存放静止图像和音乐节目 CD-V 存放模拟的电视图像和数字化的声音 CD-ROM 存放数字化的文、图、声、像等 CD-I 存放数字化的文、图、声、像（静止的）、动画等 CD-I FMV 存放数字化的电影、电视等节目 卡拉OK-CD 存放数字化的卡拉OK节目 Video-CD 存放数字化的电影、电视等节目 Photo-CD 存放的主要是照片、艺术品,CD的工作原理,一、CD盘片结构 激光唱盘、CD-ROM、数字激光视盘等统称为CD盘 CD盘主要由保护层、反射激光的铝反射层、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成,CD的工作原理,CD盘的外径为120mm，重量为14-18g。分三个区：导入区、导出区和声音数
4、据记录区,CD的工作原理,二、CD盘的光道结构 软磁盘：磁道是同心环，恒定角速度（CAV）。便于随机存储，但存储空间没有得到充分利用 CD盘：螺旋型光道，恒定线速度（CLV）。盘片得到充分利用，但随机存储特性较差 从CAV到CLV整整化了30多年的时间才得以实现,CD的工作原理,三、数据的写入 CD盘通过在盘上压制凹坑的机械办法来记录“0”和“1” 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 压模制作过程：用编码后的二进制数据去调制激光束，曝光地方形成凹坑 对于CD只读光盘，用户只能读CD盘上的数据，而不能把数据写到CD上,CD的工作原理,CD的工作原理,CD的工作原理,四、数据
5、的读出 CD盘上的数据要用CD驱动器来阅读 激光在凹坑部分反射的光的强度，要比从非凹坑部分反射的光的强度来得弱，光盘就是利用这个极其简单的原理来区分“0”和“1” 用凹坑的边缘来记录“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分记录“0”,CD的工作原理,光学读出头是CD驱动器的核心部件之一 光电检测器 透镜 激光束分离器 激光器,激光唱盘标准摘要,激光唱盘的标准定义在1982年发布的红皮书中，这是所有其他CD产品标准的基础,EFM编码,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，称为通道编码 改善读出信号的质量 在记录信号中提取同步信号通道编码实际上就是在连续的“0”之间插入若干个“1”，而在连续
6、的“1”之间插入若干个“0”，以满足游程长度的要求,EFM编码,激光唱盘使用的通道编码叫做 8 到 14 位调制编码(eight to fourteen modulation, EFM)。含义是把一个 8 位（即一个字节）的数据用 14 位来表示 由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。这条规则是：2个“1”之间至少要有2个“0”，最多不超过10个“0” 14位的通道位有16384种代码，从中选择256种满足游程要求的代码作为8位数据的通道编码。此外，当通道码合并时，为了满足游程长度要求，在通道码之间再增加3位来确保读出信号的可靠性
7、,EFM编码,因此，经过EFM编码，激光唱盘中的8位数据被转换成17（=143）位的通道代码,DVD简介,DVD盘片尺寸与CD相同，但存储容量和带宽都明显高于CD 单面单层DVD盘能够存储4.7GB的数据，存储133分钟的MPEG-2视频 单面双层盘片的容量为8.5G 容量最高的双层双面盘可达17GB(25片CD-ROM),DVD的规格,DVD的规格,DVD的规格,DVD的容量是怎样提高的,DVD盘存储容量提高到4.7GB的主要原因 光道间距：由原来的1.6um缩小到0.74um 最小凹凸坑的长度：由原来的0.83um缩小到0.4um 为此，DVD播放机采用波长更短的激光源来提高聚焦激光束的精
8、度(由780nm减小至635/650nm),DVD的容量是怎样提高的,DVD的容量是怎样提高的,DVD的容量是怎样提高的,DVD的容量是怎样提高的,DVD信号的调制方式和错误校正方法也做了相应的修正以适合高密度的需要 DVD信号的通道编码采用效率较高的8-16+（EFM PLUS）调制方式 DVD校验系统采用了比交叉交插里德-所罗门码（cross-interleaved Reed-Solomon code, CIRC）更可靠的里德-所罗门乘积码(Reed-Solomon Product-Code, RS-PC),DVD的容量是怎样提高的,VCD与DVD播放机的结构,激光视盘和激光唱盘的成功，很
9、自然地促使人们产生把数字电视放到光盘上的想法 光盘技术始于70年代，进入80年代，CD技术促进录音带向数字激光唱盘过渡； 进入90年代，MPEG标准的制定和CD技术的发展，促使录像带向VCD过渡,VCD播放机的结构,使用最普遍的VCD播放系统 1、使用PC机构成的播放系统 可以使用MPEG播放卡 或者使用软件MPEG播放器 2、VCD播放机电视机,VCD播放机的结构,VCD播放机主要由3个核心部件组成： CD驱动器（CD加载器） MPEG解码器 微控制器（用来控制VCD播放机的运行）,VCD播放机的结构,DVD播放机的结构,DVD和VCD播放系统的结构差别不大。DVD播放机主要由下列几个部件组
10、成： DVD盘读出机构，主要由马达、激光读出头和相关的驱动电路组成 DVD-DSP，这块集成电路用来把光盘上读出的脉冲信号转换成解码器能够使用的数据 数字声音/电视图像解码器 微控制器,DVD播放机的结构,CD格式,CD格式包括物理格式和逻辑格式 物理格式：规定信息存到CD盘上的方法。例如：扇区的划分、光道的划分、扇区的大小、寻址的方法、错误的检测和校正等等 逻辑格式：即文件格式，它是规定数据文件在盘上应如何组织和排列的方法。例如：文件大小、目录结构等的处理方法,CD盘上的物理格式,激光唱盘标准红皮书CD-ROM标准黄皮书CD-ROM/XA,激光唱盘标准红皮书,红皮书是Philips和Sony
11、公司为CD-DA定义的标准激光唱盘标准。这个标准是整个CD工业界的最基本的标准，所有其他的CD标准都是在这个标准的基础上制定的,CD-DA标准,CD-DA中的螺旋形光道(track)是等长分段的，每段称为一个扇区(sector)；每个扇区分为98帧，帧是激光唱盘上存放声音数据的基本单元,CD-DA标准,CD-DA标准,光道上1个扇区有3234字节，其结构如下,CD-DA标准,激光唱盘上声音数据的采样频率为44.1 kHz，每次对左右声音通道各取一个16位的样本，因此1秒钟的声音数据率就为44.11 0002(168) = 176 400字节/秒 由于1帧存放24字节的声音数据，所以1秒钟所需要
12、的帧数为：176 400247 350帧/秒 98帧构成1个扇区（节），所以1秒钟所需要的扇区数为： 7 3509875扇区/秒 扇区地址用“分”、“秒”、“扇区”表示，即1分 = 60秒，1秒 = 75扇区,CD-DA标准,CD-DA标准,CD-DA中定义了一个控制字节(Control Bytes)，或者叫做子码(Subcode) 一帧有一个8位的控制字节，98帧组成8个子通道，分别命名为P、Q、R、S、T、U、V和W子通道。98个控制字节(988位)组成8个子通道的结构如下： 98字节的b8组成P子通道，98字节的b7组成Q子通道，依此类推。通道P告诉CD播放机光道上的声音数据从什么地方开
13、始；通道Q包含有运行时间信息,CD-DA标准,Q通道的98位的数据排列成如下的形式：其中， 2位：控制字节的部分同步位 4位：控制标志，定义这条光道上的数据类型 4位：说明后面72位数据的标志 72位：Q通道的数据。在盘的导入区(Lead In)，含有盘的内容表TOC(Table Of Contents)；在其余的盘区，含有当前的播放时间 16位：CRC用于错误检测，没有错误校正功能,CD盘上的物理格式,激光唱盘标准红皮书CD-ROM标准黄皮书CD-ROM/XA,CD-ROM标准黄皮书,黄皮书是Philips和Sony公司为CD-ROM定义的标准。它与CD-DA的不同主要是重新定义了每个扇区中
14、用户数据的结构，解决了CD用作计算机存储器的两个问题：计算机寻址和误码率黄皮书在红皮书的基础上增加了两种类型的光道： CD-ROM Mode1：用于存储计算机数据 CD-ROM Mode2：用于存储声音数据、静态图像或电视图像数据,CD-ROM Mode1,CD-ROM Mode 1把Red Book中的2352字节的用户数据重新定义为：,CD-ROM Mode1,CD-ROM的扇区地址与磁盘的扇区地址不同。磁盘的扇区地址是用C-H-S (柱面号-磁头号-扇区号)地址系统来表示，而CD-ROM是用计时系统中的分、秒，以及特地为CD-ROM规定的分秒(1/75秒)来表示。CD-ROM用户数据区的
15、地址结构如下：,CD-ROM Mode2,CD-ROM Mode 2把Red Book中的2352字节的用户数据重新定义为：2352字节：同步字节12字节、扇区地址4字节、用户数据2336字节 CD-ROM Mode 2与CD-ROM Mode 1相比，存储的用户数据多14%，但是由于没有错误检测和错误校正码，因此在这种方式中，用户数据的误码率比Mode 1中的误码率要高,混合方式（mixed mode）,当CD既含有CD-ROM光道又含有CD-DA光道时，这种方式称为混合方式，使用这种方式的盘叫做混合式盘 通常，这种盘的第一条光道是CD-ROM Mode 1光道，其余的光道是CD-DA光道。
16、这种盘上的CD-DA光道可以在普通的CD播放机上播放,CD盘上的物理格式,激光唱盘标准红皮书CD-ROM标准黄皮书CD-ROM/XA,CD-ROM/XA,CD的第三个标准叫做CD-ROM扩展结构(CD-ROM Extended Architecture, CD-ROM/XA)，这是由Philips、Microsoft和Sony公司发布的CD-ROM/XA标准是Yellow Book标准的扩充，这个标准定义了一种新型光道：CD-ROM/XA光道,CD-ROM/XA,CD-ROM/XA在Red book和Yellow Book标准的基础上，对CD-ROM Mode 2作了扩充，定义了两种新的扇区： CD-ROM Mode 2，XA Format，Form 1 用于存储计算机数据 CD-ROM Mode 2，XA Format，Form 2 用于存储压缩的声音、静态图像或电视图像数据定义了这两种扇区方式之后，CD-ROM/XA就允许把计算机数据、声音、静态图像或电视图像数据放在同一条光道上，计算机数据按Form 1的格式存放，而声音、静态图像或电视图像数据按Form 2的格式存放。这样一来，就可以根据多媒体的信息把计算机数据、声音数据、图像数据或电视图像数据交错存放在同一条光道上,
