第3章 多媒体存储技术new.docx
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第3章多媒体存储技术new
第三章多媒体储存技术
3.1多媒体储存技术基础
多媒体音频、视频、图形图像等信息虽经过压缩处理,但仍需较大的存储空间,数字化多媒体对存储技术提出了较多的要求,其中之一就是大容量存储技术。
多媒体数据中的声音和视频图像都是与时间有关的信息,在很多应用过程中都要进行实时处理(压缩、传输等),而且多媒体数据的查询、编辑、显示等都向多媒体数据的存储技术提出了很高的要求。
3.1.1储存原理与方式介绍
信息存储装置大致可以分为磁、光两大阵营。
磁记录方式历史悠久,应用也很广泛。
多媒体数据类型复杂、信息量大,采用光学方式的记忆装置,因其容量大、可靠性好、存储成本低廉等特点,越来越受世人注目,光存储的历史已经有二十多年,并成为目前多媒体存储的最重要的方式。
光存储技术的产品化形式是由光盘驱动器和光盘片组成的光盘驱动系统。
驱动器读写头是用半导体激光器和光路系统组成的光头,记录介质采用磁光材料。
光存储技术是通过光学的方法读写数据的一种存储技术,其工作原理是,改变一个存储单元的性质,使其性质的变化反映出被存储的数据,识别这种性质的变化,就可以读出存储数据。
光存储单元的性质,例如反射率、反射光极化方向等均可以改变,它们对应于存储二进制数据0(不变)、1(改变),光电检测器能够通过检测出光强和光极性的变化来识别信息。
高能量激光束可以聚焦成约1μm的光斑,因此光存储技术比其他存储技术具有更高的容量。
1.只读光盘读原理
只读光盘上的信息是沿着盘面螺旋形状的信息轨道以凹坑和凸区的形式记录的,如下图3.1(a)所示。
它既可记录模拟信息(如 Laser Vision 系统),也可以记录数字信号(如CDDA)。
图3.1(c)表示记录数字信号的原理。
光道上凹坑或凸区的长度是0.3m的整数倍。
凹凸交界的正负跳变沿均代表数字“1”,两个边缘之间代表数字“0”,“0”的个数是由边缘之间的长度决定的。
通过光学探测仪器产生光电检测信号,从而读出“0”、“1”数据。
数字信号记录的优点是搞干扰能力强,由于盘片损坏或变脏而造成的读出错误也容易得到纠正。
图3-1光盘的工作原理
为了提高读出数据的可靠性,减少误读率,存储数据采用 EFM(eight to fourteen modulation)编码,即将1字节的 8位编码为14位的光轨道位,并在每 14位之间插入3位“合并位”(merging bits )以确保“1”码间至少有2个“0”码,但最多有10个“0”码。
2.可重写光盘的擦写原理
根据前面所述,光盘写入信息的过程是改变光盘介质的某种性质,以变化和不变两种状态分别表示“1”和“0”,从而实现信息的存储。
要实现光盘信息的重写,必须恢复光盘介质原来的性质,擦去原来信息,然后重新记录新的信息。
按照这种改变性质来实现信息存储的原理来分,光盘记录方式可分为两大类,即磁光式和相变式。
(1)、磁光式擦写原理
磁光式普遍采用玻璃盘基上再加 4 层膜结构组成,它是以稀土过渡金属非晶体垂直磁化膜作为记录介质光学膜和保护膜的多层夹心结构。
有两种磁光写操作方法,即居里点记录(稀土铁合金膜介质)和补偿点记录(稀土钴合金膜介质)。
写过程是利用磁性物质居里点热磁效应,用激光向需要存储信息“1”的单元区域加热,使其温度超过居里点,失去磁性。
在盘的另一面的电磁线圈上施加一个外磁场,使被照单元反向磁化,这样该单元区域磁化方向与其他未照射单元方向相反,从而生产一个信息存储状态“1”,而其他未经照射单元相当于存储信息“0”。
信息擦去过程与写过程刚好相反,即恢复原来的磁化方向。
读出原理是,利用物理学中电磁感应效应,检测出磁盘存储单元磁化方向不同,从而实现信息的读取。
(2)、相变式擦写原理
这种方式是利用记录介质的两个稳态之间的互逆相结构的变化来实现信息的记录和擦除。
两种稳态是反射率高的晶态和反射率低的非晶态(玻璃态)。
写过程是把记录介质的信息点从晶态转变为非晶态。
擦过程是写过程的逆过程,即把激光束照射的信息点从非晶态恢复到晶态。
3.1.2多媒体存储设备
多媒体存储设备主要是指存储量比较大的信息存储设备,在多媒体计算机技术中属于存储媒体的范畴。
多媒体存储设备通常可作为计算机的外存储器。
1.多媒体存储设备的分类:
常见的多媒体存储设备有以下 3类:
(1)模拟式磁记录设备(如磁带录音机、磁带录像机)。
图3-2磁带录音机、磁带录像机
(2)数字式磁记录设备(如硬磁盘、数据磁带机)
图3-3硬磁盘、数据磁带机
(3)光存储设备(如CDROM、CDRW、DVD等)
图3-4CD-ROM
3.2光盘储存技术
3.2.1光存储设备的特点
作为一种广泛应用的信息存储设备,光存储设备有以下特点:
(1) 与硬盘相比,单片光盘容量比硬盘略小,但光盘片可拆卸,盘片便宜;读写速度慢。
(2) 与磁带相比,具有容量大、随机存取性强的优点。
(3) 与磁记录设备相比,激光头与介质无接触,不受环境影响而退磁,记录信息保存时间长,可达30年以上。
3.2.2光盘存储系统
光盘存储系统由光盘片和光盘驱动器组成。
光盘片简称光盘,光盘驱动器简称光驱。
1.光盘
光盘片采用磁光材料制成。
常见的光盘片按读写功能分为3种:
(1)CDROM只读光盘
CDROM 只读光盘是最常用的光盘片,直径约 12cm,容量为 650MB(74 分钟)和700MB(80分钟)两种,价格便宜,市场上很受用户的欢迎。
其工作特点是,采用激光调制方式记录信息,将信息以凹坑(pits)和凸区(lands) 的形式记录在螺旋形光道上。
光盘是由母盘压模制成的,一旦复制成形,永久不变,用户只能读出信息。
图3-5光盘
(2)WORM一次写多次读光盘CDR
WORM(write once read many)光盘在使用前首先要进行格式化,形成格式化信息区和逻辑目录区,利用激光照射介质,使介质变异,利用激光不同的变化,使其产生一连串排列的“点”,从而完成写的过程。
WORM 光盘引入 DOS 文件分配表的概念,在光盘的根目录下面是用户定义的逻辑目录,逻辑目录对应文件管理区,其他各个文件目录项可以相应地浮动对应光盘的一切数据区,使得逻辑目录的转换同磁盘上目录转换一样方便,因此,提高了光盘的利用率,并且在逻辑目录建立的同时,用户可以根据需要,对其中重要数据进行加密。
WORM 光盘的特点是只有一次写可多次读,所以记录信息时要慎重,一旦写入就不能再更改了。
(3)Rewritable 可重写光盘 CDRW
可重写光盘或称可擦写光盘,是最理想的光盘类型,也是最有应用前途的光盘类型。
它像硬盘一样可读写,利用浮动磁光头在磁光盘上进行磁场调制,可进行高速重写磁光记录。
目前由于价格较贵,普及受到限制,随着技术不断进步,成本的降低,相信其前景会很好。
后两种光盘要有相应的可读写光驱配合使用。
2.光驱
光驱是读写光盘片的设备。
驱动器读写头是用半导体激光器和光路系统组成的光头。
目前常见的光驱有CDROM、DVDROM、CDRW和 DVDRW。
(1)、CDROM :
只读CDROM、CD、CDR盘片。
(2)、DVDROM:
只读DVDROM、 CDROM、CD、CDR盘片。
(3)、CDRW:
读CDROM、CD、CDR、CDRW盘片。
写CDR、CDRW盘片。
(4)、DVDRW
3.2.3光盘存储系统的技术指标
与光盘系统有关的技术指标包括:
容量、平均存取时间、数据传输率、缓存、接口标准及格式规范等。
其中容量、平均存取时间、数据传输率是最主要的三个指标。
1.容量
容量指它所能读写的光盘盘片的存储容量。
光盘容量又分为格式化容量和用户容量,采用不同的格式和不同驱动器,光盘格式化后容量不同。
一般用户容量比格式化容量要少,因为光盘还需要存放有关控制、校验等信息。
2.平均存取时间
平均存取时间是在光盘上找到需要读写的信息的位置所需要的时间。
即指从计算机向光盘驱动器发出命令,到光盘驱动器可以接受读写命令为止的时间。
一般取光头沿半径移动全程1/3长度所需要的时间为平均寻道时间,盘片旋转半周的时间为平均等待时间,两者加上读写光头的稳定时间就是平均存取时间。
3.数据传输率
数据传输率也叫数据传送速率,有多种定义方式。
一种是指从光盘驱动器送出的数据率,可以定义为单位时间内光盘的光道上传送的数据比特数,这与光盘转速、存储密度有关。
另一种定义是指控制器与主机间的传输率,它与接口规范、控制器内的缓冲器大小有关。
以下指标是目录流行的 CDROM 光盘及其驱动器的主要性能指标。
随着技术的进步,有些指标还将进一步提高。
✓容量:
650MB或700MB
✓数据传送速率:
(91年)最初推出为150KB/s,称为单速,(93年)后又推出倍速(300KB/s),(95年)后又推出四倍速(600KB/s),2002年流行五十速(50×150KB/s),有的已达 70倍速。
✓存取时间:
50~400ms
✓存储缓冲器:
早期为64KB,目前常用的为512KB 。
✓误码率:
1/1012~1/1016,采用复杂的纠错编码技术降低了误码率。
✓体积:
光盘驱动器的大小一般为41mm(H)×146mm(W)×206mm(D)
✓接口:
采用SCSI接口、IDE接口和 AT总线接口。
接口可集成在音频板、视频板或主机板上,也可以是一块单独的板。
✓MTBF(mean time between failures)平均无故障时间约为25000小时左右。
✓兼容性:
支持PhotoCD和CDROM XA 。
3.2.4光盘规范、格式和标准
1.CDDA 规范及格式
CDDA即激光唱盘,光盘的物理规格为直径12cm,内径1.5cm,厚度0.12cm,重量14g。
这种光盘常采用常线速(const linear velocity,CLV)伺服方式,逆时针旋转。
光道总长度为 74 分,即可存放 74 分钟高音质非压缩的音频信号。
1 分=60 秒,1秒=75扇区。
整个激光唱盘的螺旋线光道被等长地分为 74*60*75 个扇区。
每个扇区都存放一定量的数据块,并以一个特定的地址标记,其单位为“分”、“秒”、“扇区”。
每个扇区的音频数据分为98帧。
2.CDROM 规范及格式
CDROM黄皮书标准很大程度地继承了CDDA红皮书的内容。
从物理结构来说,CDROM 同样是把光轨道分为等长的扇区,使用分、秒、扇区的数据编址方法,采用常线速伺服方式。
它与CDDA的不同主要是每个扇区中数据格式的不同。
CDROM光盘有两种格式:
Model 和 Mode2。
它们的格式如图所示。
图3-6CDROM光盘格式
在Mode1中,用了 4个字节作为错误检测码(error detection code ,EDC),采用的循环冗余校验码 CRC,只能检测是否有错。
Mode1 中用 276 个字节作为错误校正码(error correction code,ECC),可以校正扇区中多个字节错误。
通过两级校验,Mode1中数据误码率可以降到1/1012。
3.DVDROM 标准
相对于CDROM标准650MB的存储容量,DVDROM光碟的存储容量可达到17GB。
从表面上看,DVD与 CD很接近。
但实质上,两者之间有本质的差别。
按单/双面与单/双层结构的各种组合,DVD可以分为:
单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种物理结构。
CD(包括 CD,VCD,CDROM 等)厚度是 1.2mm。
而单层的 DVD 盘片是0.6mm,这样使得从盘片表面到存放信息的物理坑点的距离大大减少,读取信息的激光束不用再穿越像现在的 CDROM 那么厚的塑料体,而是在更小的区域聚焦,所以存放信息的物理坑点能做得更小,排布得更加紧密,从而提高了存储量。
图3-7DVD与CD凹坑比较
4.高清 DVD标准
DVD技术之后,为了争夺高清晰度影碟机市场,出现了很多标准。
其中EVD、蓝光DVD、HD-DVD最有发展潜力,以下分别给予介绍。
(1) EVD
1999 年,由国家信息产业部科技司提议,商务部和经贸委的资助,国内影碟机骨干企业和相关研究机构组建“中国数字光盘技术联合体”,瞄准高清电视,研发新一代高密度数字激光视盘系统技术。
2001 年 7 月,在国际标准化组织的第 65 届年会上,“联合体”推出的 EVD(增强型多媒体盘片系统 EnhancedVersatile Disc)标准提案获得受理。
2002年3 月1日,在“联合体”基础上,北京阜国数字技术有限公司正式成立,原各成员单位均成为公司股东。
2002 年7月,完成EVD全功能产品样机。
2005 年 2月,国家信息产业部发布《高密度激光视盘系统技术规范》,将EVD确定为国家电子行业推荐标准。
目前,市场上主推厂家为新科,已有千元以下的EVD机型出售。
(2) 蓝光DVD标准
由包括戴尔、惠普、日立、LG 电子、松下电子、三菱、先锋、飞利浦、三星电子、夏普电子、Sony、TDK和Thomson在内的蓝光碟创始人组织(BlurayDisc Founders group)发起。
2006年1月 5日,BDA宣布蓝光制式规范已经完成并准备开始对BDROM (播放专用蓝光光盘)、BDRE(复写型蓝光光盘)和BDR(追记型蓝光光盘)进行授权。
规范完成后,可以使内容提供商和光盘制造商进行多种蓝光光盘产品的生产。
BDR 和 BDRE 2.0 规范的授权已经在 2005 年 12 月 26 日开始。
这个规范已经批准了单层蓝光光盘(25GB)和双层蓝光光盘(50GB)的技术规格。
蓝光 DVD 技术采用波长为 450nm 的蓝紫色激光,通过广角镜头上比率为 0.85的数字光圈,成功地将聚焦的光点尺寸缩得极小程度。
此外,蓝光DVD的盘片结构中采用了 0.1mm 厚的光学透明保护层,以减少盘片在转动过程中由于倾斜而造成的读写失常,这使得盘片数据的读取更加容易,并为极大地提高存储密度提供了可能。
(3) HDDVD标准
HDDVD 是由 DVD 论坛发起的下一代 DVD 标准格式。
HD DVD 与 DVD 十分接近,光学系统的透镜数值孔径(NA)都是0.65,盘片结构则保持双 0.6mm 盘片粘贴。
与 Bluray Disc 相比,其生产工艺与 DVD 更为接近。
由于激光的工作波长缩短,光盘的坑槽缩短,坑槽间距缩短,HD DVD的生产工艺要求很高,特别对盘片的厚度不均匀性和翘曲的指标很高。
因此,在注塑成型和冷却环节应格外注意。
HD DVD的应用前景十分看好。
DVD单面单层盘片可储存132分钟 525线标准清晰度(SD)的电视图像,而HD DVD单面单层盘片可储存 4小时以上的 1125 线高清晰度(HD)的电视图像。
HD DVD 使用单层和双层的版本,单层HD DVD的容量是15GB,容量超过单层 DVD三倍以上。
每增加一层,就添加 15GB。
现在新的三层版本已经发布。
东芝联合NEC于2002年8月29日向DVD论坛提交了统一后的设计规格并获得通过。
两公司将新的技术标准暂时命名为 AOD(Advanced Optical Disc 高级光盘系统)。
2003 年 11 月底,DVD 论坛理事会通过这一新一代 DVD 规格,并正式命名为“HD DVD”,但仅限于其中的播放专用光盘规格“HD DVDROM(暂定名)”。
2004年9月,三洋电机宣布加入HD DVD阵营。
9月27日,HD DVD阵营建立促进社团——HDDVDPG,阵容扩大为四家:
MemoryTech、NEC、三洋和东芝。
目前,HD DVD阵营除以上4个主要发起人会员外,还有63家普通企业会员和55家准企业会员。
3.2.5刻录软件的使用
NeroBurningRom是一款运行于Window9x/NT/2000/XP环境下,支持多种格式的刻录工具。
利用该软件,用户可以轻松创造、编辑和管理数字多媒体文件。
NeroBurningRom主要有以下功能:
(1)刻录:
可将数据刻录到BD-RE和BD-R(Blu-Ray)介质上。
(2)备份:
在多个CD或DVD上备份整个系统。
使用作业计划程序自动备份。
(3)支持MP3、MP3Plus编码,支持蓝光和HDDVD,还支持多音轨编辑。
(4)专业制作:
制作专业DVD,可编辑具有过滤效果和菜单的视频。
用户可以到Nero官方网站,选择下载专区-->其他产品目录,下载简体中文版的Nero8软件。
下载并按照其引导安装程序,安装完成NeroStartSmart(Nero精灵)中文版。
以下通过一个实例,介绍如何使用NeroStartSmart刻录视频光盘。
操作步骤如下:
第1步:
双击桌面上的Nero快捷方式,即启动中文版的NeroStartSmart,出现NeroStartSmar主界面。
第2步:
单击常用工具栏中的“翻录与刻制”按钮,其界面如图3-8所示。
图3-8刻录软件NeroStartSmart操作
第3步:
单击“刻录视频光盘”项,弹出NeroExpress窗口,如图3-9所示。
图3-9刻录软件NeroStartSmart操作
第4步:
单击“视频/图片”项,打开“视频/图片”子菜单,双击SuperVideoCD项,弹出“我的视频光盘”界面,如图3-10所示。
图3-10刻录软件NeroStartSmart操作
第5步:
单击对话框右侧的“添加”按钮,在弹出的“添加文件和文件夹”窗口中,选择要刻录的文件,如图3-11所示。
图3-11刻录软件NeroStartSmart操作
第6步:
需要刻录的文件全部选中之后,单击“添加”按钮,弹出“新增文件”对话框,如图3-12所示。
图3-12刻录软件NeroStartSmart操作
第7步:
新增的文件分析完毕之后,回到“我的视频光盘”界面,如图3-13所示。
图3-13刻录软件NeroStartSmart操作
第8步:
单击“下一步”按钮,设置所刻录的光盘的当前路径以及名称等,如图3-14所示。
图3-14刻录软件NeroStartSmart操作
第9步:
单击“刻录”按钮,开始刻录光盘,在“进度”栏中显示刻录进度,直至刻录完成,如3-15所示。
图3-15刻录软件NeroStartSmart操作
3.2多媒体储存卡
伴随数码产品的普及,存储卡已经成为非常普及的消费类数码配件。
以下面简单介绍市面上所有存储卡的类型和特点。
1.SmartMedia(SM卡)
SM卡是由东芝和Taec于1995年11月发布的闪存卡(FlashMemory)。
它受到了Toshiba、Sam-sung、Sony、Sharp、JVC、Philips、NEC等众多厂家的支持。
SmartMedia体积很小,其尺寸为45mm×37mm×0.76mm,且很轻很薄,全重只有1.8克。
存贮卡上只有FlashMemory模块和接口,而没有控制芯片,兼容性相对较差,不同厂家和不同设备及不同型号间的SM卡有可能互不兼容。
2.CompactFlash(CF卡)
CF卡的兼容性非常的好,因而被广泛应用,CompactFlash是美国SanDisk公司1994年推出的由于把FlashMemory存贮模块与控制器做在了一起,这样CF卡的外部设备就可以做得比较简单而没有兼容性问题,特别是升级换代时也可以保证与旧设备的兼容性,保护了用户的投资,而且几乎所有的操作系统都支持它。
CF卡无论是在笔记本电脑中还是其它数码产品中都得到了非常广泛的应用。
CF卡的大小为43mm×36mm×3.3mm,只有PCMCIA卡的1/4,而且CF卡本身还兼容PCMCIA-ATA功能及TrueIDE。
CF卡同时支持3.3伏和5伏的电压,可以在这两种电压下工作。
它有两种接口标准:
CFTypeⅡ和CFTypeI,从物理结构上来看,CFTypeⅡ卡和CFTypeI卡的每个插孔的间隔大小一样,但是CFTypeⅡ卡比CFTypeI卡厚一些。
CFTypeI卡看起来只有TypeⅡ厚度的一半。
另外,TypeⅡ比TpyeI插槽要宽,所以CompactFlashTypeⅡ卡不能在TypeI卡插槽上使用。
目前LEXAR公司已经推出高达4GB的CF卡。
3.MultiMediaCard(MMC卡)
MMC(MultiMediaCard)卡,从字面含义上来翻译就是多媒体卡,是由美国SANDISK公司和德国西门子公司于1997年共同开发的多功能存储卡。
可用于手机,数码相机,数码摄像机,MP3等多种数码产品。
它具有体积小,重量轻的特点,外形尺寸只有32mm×24mm×1.4mm,重量在2克以下,并且耐冲击,可反复进行读写记录30万次以上。
驱动电压为2.7-3.6V。
目前有64M和128M,256,512,1G等多种类型,多用于数码摄像机和MP3,手机,MP4。
4.SecureDigitalCard(SD卡)
SD卡就是SecureDigitalCard--安全数码卡,是由日本松下公司,东芝公司和美国SanDISK公司于1999年8月共同研制开发而成的。
虽然SD卡是根据MMC卡开发的,但是基本上两者还是不同的产品,只是在设计时考虑到兼容问题,所以在大多数情况下这两种产品能够互换,是一款具有大容量,高性能,并且更为安全等多种特点的多功能存储卡。
它比MMC卡多了一个进行数据著作权保护的暗号认证功能(SDMI规格)。
现多用于MP3、数码摄像机、电子图书、微型电脑、AV器材等。
大小尺寸比MMC卡略厚一点32mm×24mm×2.1mm,容量则要大许多,刚上市时的SD卡单卡容量为8MB-64MB不等,传输速度为每秒2MB,而到2002年初单卡容量已经高达512MB,2004年容量更是达到了2G的水平,数据传输率也提升到10MB/s,这样在传输一些较大的文件时具有一定的优势。
另外此卡的读写速度比MMC卡要快4倍,达2MB/秒。
同时与MMC卡兼容,SD卡的插口大多支持MMC卡。
从性能上看,这两者最大的分别在于SD卡强调资料的安全性,可以通过特定的软件设置卡内程序或资料的使用权限,以避免用户肆意复制,损害所有者的利益。
当然对于一般用户而言,这个功能没什么用处,相反有关的系统及加密资料会占用记忆卡900K容量,另外SD卡和MMC卡都采用了一体化固体介质,没有任何移动部分,所以完全不用担心机械运动的损坏而导致数据的丢失。
5.MemoryStick(MS卡)
MemoryStick则是索尼推出的数码存储卡,中文也叫记忆棒。
MemoryStick采用了单一平面的10针独立针槽设计,易于从插槽中插拔,也不易损坏。
从规格上看MemoryStick卡有普通、Pro和DUO三个版本,其中MemoryStick与MemoryStickPro的外型尺寸同为50mm×21mm×2.8mm,不同之处在于MemoryStickPro在存储卡中加入了MagicGate版权保护技术,拥有更高的读写速度,且存储容量上限也有所提升。
而MemoryStickDUO则将MemoryStick的体积进一步缩减,其长度大约为MemoryStick卡的1/2,通过一个适配器,可以像MemoryStick卡一样使用。
目前MemoryStick的容量在16MB~512MB之间,MemoryStickPro的容量在256MB~1GB之间,未来可以达到32GB。
6.ExtremeDigital
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