1、多媒体技术基础(第3版) 第14章 光盘存储器,张奇 复旦大学计算机科学技术学院 2011年5月,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,2/48,第14章 光盘存储器目录,14.1 CD光盘 14.1.1 CD工业史上的大事 14.1.2 CD系列产品 14.1.3 CD盘的结构 14.1.4 数据是怎样写入到CD盘上的 14.1.5 数据是怎样从CD盘读出的 14.1.6 CD激光唱盘标准摘要 14.2 CD-Audio 14.2.1 采样频率和样本大小 14.2.2 声道数 14.2.3 声音数据的通道编码 14.2.4 CD盘如何批量生产,14.3 DVD光盘 14.3.1 D
2、VD光盘是什么 14.3.2 DVD的规格 14.3.3 DVD的存储容量是怎样提高的 14.4 VCD与DVD播放机 14.4.1 VCD简介 14.4.2 VCD播放机的基本结构 14.4.3 DVD播放机的基本结构 14.5 HD DVD与BD光盘 14.5.1 HD DVD与BD光盘是什么 14.5.2 HD DVD与BD技术规范,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,3/48,14.1 CD光盘,14.1.1 CD工业史上的大事 模拟光盘系统的诞生 20世纪70年代初期，荷兰飞利浦(Philips)公司的研究人员开始研究利用激光来记录和重放信息 1972年9月向全世界展示了长
3、时间播放电视节目的光盘系统，这就是1978年正式投放市场并命名为LV(Laser Vision)的光盘播放机 利用激光来记录信息的革命便拉开了序幕。它的诞生对人类文明进步的影响，不亚于纸张的发明对人类的贡献。,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,4/48,14.1 CD光盘(续1),数字激光唱盘的诞生 大约从1978年开始，研究人员把声音信号变成用“1”和“0”表示的二进制数字，然后记录到以塑料为基片的金属圆盘上 1982年Philips公司和Sony公司成功地把记录数字声音的盘推向了市场 这种塑料金属圆盘很小巧，故用Compact Disc命名，而且还为这种光盘制定了标准，这就是世
4、界著名的“红皮书(Red Book)标准”。这种盘又称为数字激光唱盘(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA)盘,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,5/48,14.1 CD光盘(续2),CD-ROM的诞生 由于CD-DA能够记录数字信息，自然就想到把它用作计算机的存储设备。但从CD-DA过渡到CD-ROM需要解决两个重要问题 地址问题：计算机如何寻找盘上的数据，即如何划分盘上的地址。因为记录歌曲时是按一首歌作单位，一片盘也就记录20首左右的歌曲，每首歌平均占用30 MB左右的空间。存储一个文件不一定都要那么大的存储空间，因此需在CD盘上写入很多的地址编号
5、误码率：把CD盘作为计算机的存储器使用时，要求它的错误率(10-12)远远小于声音数据的错误率(10-9)。而用当时现成的CD-DA技术不能满足这一要求，因此还要采用错误校正技术 1984年Sony和Philips发布了CD-ROM物理格式标准，称为黄皮书(Yellow Book)标准,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,6/48,14.1 CD光盘(续3),ISO 9660标准的诞生 黄皮书标准只解决了硬件生产厂家的制造标准问题，即存放计算机数据的物理格式，而没有涉及逻辑格式，也就是计算机文件如何存放在CD-ROM上，文件如何在不同的系统之间进行交换等问题。为此，在多方努力下又制定
6、了一个文件交换标准，后来国际标准化组织(ISO)把它命名为ISO 9660标准,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,7/48,14.1 CD光盘(续4),14.1.2 CD系列产品 自1981年激光唱盘上市以后，开发了一系列CD产品，见图14-1，包括 CD-DA(Compact Disc-Digital Audio) CD-G(Graphics) CD-V(Video) CD-ROM CD-I(Interactive) CD-I FMV(Full Motion Video) Karaoke CD Video CD CD系列盘 大小、重量、制造工艺、材料、制造设备等都相同，只是根据不
7、同的应用目的存放不同类型的数据而已,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,8/48,14.1 CD光盘(续5),图14-1 CD产品系列,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,9/48,14.1 CD光盘(续6),14.1.3 CD盘的结构 盘片结构 组成部分见图14-2 保护层；反射层；刻槽；聚碳酸酯衬垫 两种反射层 铝反射层：银白色，称为“银盘”，只读的光盘 金反射层：金色，称为“金盘”，可刻录的光盘，称为CD-R (CD-Recordable)盘 外形尺寸见图14-3CD盘的外径为120 mm，重约1418g 激光唱盘分为3个区：导入、导出和声音数据记录区,2018年10
8、月10日,第14章 光盘存储器,10/48,14.1 CD光盘(续7),图14-2 CD盘片的结构,图14-3 CD盘的结构,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,11/48,14.1 CD光盘(续8),光道结构,CD盘的光道结构与磁盘磁道的结构比较,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,12/48,14.1 CD光盘(续9),14.1.4-5 CD盘的记录原理 数据记录原理 磁光盘(magneto optical disc，MOD) 利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据 相变光盘(phase change disc，PCD) 利用激光特殊材料在加热前后的反射率不同记忆1
9、和0 只读CD光盘 在盘上压制凹坑的机械办法记录数据，见图14-5 凹坑的边缘记录的是1 凹坑和非凹坑的平坦部分记录的是0 使用激光读出，见图14-7,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,13/48,14.1 CD光盘(续10),(引自Encarta Premium DVD 2006) 图14-5 原版盘制作示意图,图14-7 CD盘的读出原理,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,14/48,14.1 CD光盘(续11),14.1.6 CD激光唱盘标准摘要,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,15/48,14.1 CD光盘(续12),2018年10月10日,第14
10、章 光盘存储器,16/48,14.2 CD-Audio,14.2.1 采用频率和样本大小 采样频率为44 100 Hz 普通人耳朵能听到的声音信号的频率范围为2020 000 Hz 对频率高于20 000 Hz的信号进行滤波。考虑到滤波器在20 000 Hz处约有10%的衰减，故用22 000 Hz的2倍作为采样频率 考虑与电视信号场扫描频率同步以避免相互干扰，PAL电视的场扫为50 Hz，NTSC为60 Hz，取50和60的整数倍，选用44 100 Hz 样本精度为16位 样本位数表示信号的动态范围。一位(bit)的动态范围约为20lg2 6.02 dB，16位能够表达的动态范围大于96 d
11、B 在激光唱盘上1秒钟的声音需要占据的存储空间为 1秒 44 100样本/秒 2字节/样本 2(左右两个通道)= 176.4 千字节,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,17/48,14.2 CD-Audio(续1),14.2.2 声道数 立体声有两个声道 长期以来，立体声就是两个声道(轨)。早期存储声音的媒体是接触式的唱片，唱片上的V形刻槽只能记录最多两个声道的模拟信号，这就使后来的录音机、调频广播、录像机、甚至连数字激光唱盘都采用两个声道的规格 环绕声有多个声道 多声道设备早已开发和采用，许多剧院一直采用4个以上的声音通道。声音转换成数字信号后，计算机很容易处理，如压缩、偏移(P
12、an)、环绕音响效果(surround sound)等，更多的声音通道和更逼真的音响效果已经出现 例如，MPEG-2数字影视标准和杜比数字(Dolby Digital)都采用51个声音通道，即左、中、右3个主声道，左后、右后两个环场声道和一个次低音声道,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,18/48,14.2 CD-Audio(续2),14.2.3 声音数据的通道编码 将用户数据转换成适合存储或传输媒体的代码的过程 1. 为什么要做通道编码 从信号本身提取自同步信号 例如，有要记录连续多个字节的全“0”或全“1”信号，如不做通道编码就记录到盘上，读出的信号是一条直线，电子线路就很难区
13、分有多少个“0”或“1” 使读出信号的频带变窄 例如，对于没有规律的数字信号，读出时的信号幅度和频率的变化范围都很大，电子线路就很难把“0”和“1”区分开 通道编码的本质 在连续“0”(或“1”)之间插入若干个“1” (或“0”) 对“0”和“1”的连续长度数目即“行游程长度”加以限制 凡在物理设备上存储或传输的数字信号都要通道编码,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,19/48,14.2 CD-Audio(续3),为什么要把8位转换成14位/17位 理论分析和实验证明 根据20世纪70年代的技术水平，把“0”的游程长度最短为2个而最长不超过10个，即2个“1”之间的“0”至少要有2
14、个而最多不超过10个，光盘上的信号就能够可靠读出 从8位到14位， EFM (eight to fourteen modulation) 8位数有256种代码，14位通道位有16 384种代码，其中有267种代码能够满足“0”游程长度的要求。在267种代码中有10种代码在合并通道代码时限制游程长度仍有困难，再去掉一个就得到与8位数相对应的256种通道码 从14位到17位 为满足游程长度的要求，在通道码之间增加3位以确保读出信号的可靠性，于是8位数据就转换成17位 注：在DVD光盘技术中，把3位合并位改成2位，并把它们直接插入到重新设计的码表中，于是1字节的数据就转换成16位的通道位，提高了DV
15、D的存储容量,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,20/48,14.2 CD-Audio(续4),图14-8 激光唱盘上声音数据编码的过程,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,21/48,14.2 CD-Audio(续4),14.2.4 CD盘如何批量生产激光唱盘(CD-DA)、数字激光视盘(VCD)和CD-ROM的制作过程都相同，大致分成三个阶段 1. 原版盘预制作(premastering)或称母盘预制作 对于激光唱盘，把音乐节目转换成标准的CD-DA格式, 在“红皮书”中有详细说明 对于VCD盘，把影视节目转换成VCD标准记录格式，在Video CD 2.0标准(白皮
16、书)中有详细说明 这项工作由转换软件或称编码器(encoder)来完成 2. 原版盘制作(Mastering)或称为母盘制作 通道编码： 把符合CD-DA或VCD格式的数据经过EFM编码器编码，再附加3位用来改善读/写信号的质量，于是8位并行数据就转换成物理通道上的17位串行数据,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,22/48,14.2 CD-Audio(续5),光刻：把涂有光敏电阻的玻璃盘放在旋转平台上光刻。见图14-9，激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行数据的控制，如数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘上就形
17、成长短不同的曝光区和非曝光区。 化学处理：对光刻的玻璃盘进行化学处理。盘上曝了光的区域被腐蚀后形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”和“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上,图14-9 光刻系统示意图,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,23/48,14.2 CD-Audio(续6),电镀：对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成 金属原版盘，称为父盘(father disc) 通过父盘制作母盘(mother disc) 由母盘制作子盘(son disc)，即压模(stamper) 原版盘制作的整个过程见图14-10,图14-10 原版盘VCD的整个制作过程,2018
18、年10月10日,第14章 光盘存储器,24/48,14.2 CD-Audio(续7),3. 大批量复制 VCD的盘基是用聚碳酸酯塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机 聚碳酸酯加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上 在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束 涂一层保护漆 印制标牌,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,25/48,14.3 DVD光盘,14.3.1 DVD光盘是什么 原为Digital Video Disc的缩写，后改为Digital Versatile Disc。当谈到DVD时，通常指前者 两大国际财团的产物 在1995年，S
19、ony和Philips Electronics DV公司领导的国际财团与Toshiba和Time Warner Entertainment公司领导的国际财团分别提出不兼容的高密度CD(HDCD)规格 同年10月，两大财团同意盘片的设计按Toshiba/Time Warner公司的方案，而存储在盘上的数据编码按Sony/Philips公司的方案 最终结果 单面单层DVD盘片的存储容量为4.7 GB 单面双层盘片的容量为8.5 GB 单面单层盘存储133分钟的MPEG-2影视，配备Dolby AC-3/MPEG-2 Audio质量的声音和不同语言的字幕,2018年10月10日,第14章 光盘存储器
20、,26/48,14.3 DVD光盘(续1),14.3.2 DVD的规格 DVD的标准文件用Book标识，见表14-3,表14-3 DVD和CD系列,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,27/48,14.3 DVD光盘(续2),表14-4 部分DVD的存储容量,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,28/48,14.3 DVD光盘(续3),DVD-Video的规格见表14-5 DVD盘上的影视采用MPEG-2标准 NTSC的声音采用Dolby AC-3(现改名为Dolby Digital)标准，MPEG-2 Audio作为选用； PAL和SECAM的声音采用MPEG-2 Aud
21、io标准，Dolby AC-3作为选用,表14-5 DVD盘上的电视规格,* MUSICAM (Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing),2018年10月10日,第14章 光盘存储器,29/48,14.3 DVD光盘(续4),14.3.3 DVD的存储容量是怎样提高的 DVD所采用的技术归纳在表14-6,表14-6 DVD技术摘要,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,30/48,14.3 DVD光盘(续5),1.使用波长较短的激光是提高容量的关键 CD采用波长为780 n
22、m的红外光。DVD采用波长为635/650 nm的激光源, 光道间距和凹凸坑的长度和宽度做得更小，见图14-11。总的容量可提高到4.486倍 2. 加大光盘的记录区域 加大光盘的数据记录区域。DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2，见图14-12。总容量提高了1.9%,图14-11 DVD盘和CD盘之间的差别,图14-12 增加记录面积,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,31/48,14.3 DVD光盘(续6),数值孔径,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,32/48,14.3 DVD光盘(续7),3. 使用双面和多层记录 使用盘片的两个面记录数
23、据，比较图14-13和图14-14 在一个面上制作多层记录层 4. 改进调制和纠错方法 采用效率较高的8-16(EFM PLUS)调制，由17位变成16位 采用里德-索洛蒙乘积码(Reed Solomon Productlike Code，RSPC),图14-13 单面单层光盘的结构,图14-14 单面双层光盘的结构,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,33/48,14.4 VCD与DVD播放机,VCD播放机 Video CD是如下技术的产物 Video(可通俗理解为数字影视)技术 激光记录技术，或称光盘存储器技术 计算机软硬件技术 两种VCD播放系统使用PC机构成的播放系统，可用M
24、PEG播放卡或软件MPEG播放器 VCD播放机电视机 VCD播放机的基本结构 典型结构见图14-15，围绕C-Cube Microsystems公司的L482/484解码器构成的 VCD播放机主要由3个核心部件组成 CD盘驱动器或称CD加载器； MPEG解码器； 微控制器。,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,34/48,14.4 VCD与DVD播放机(续1),图14-15 VCD播放机的典型结构3,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,35/48,14.4 VCD与DVD播放机(续2),DVD播放机 DVD播放系统结构见图14-16，主要功能部件如下 DVD加载器：主要由马
25、达、激光读出头和相关的驱动电路组成 数字信号处理器(DVD-DSP)：用于将从光盘上读出的脉冲信号转换成解码器能够使用的数据 数字声音和电视图像解码器：主要功能包括 分离数据流中的声音和视像数据，建立声音和视像的同步关系 视像数据解压缩，重构广播级质量的视像 声音数据解压缩，重构CD质量的环绕立体声 处理图形屏幕显示(On-Screen Display，OSD)。 微控制器：微型计算机芯片 控制播放机的运行、管理遥控器、控制面板上的用户输入 管理DVD节目的存取权限等,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,36/48,14.4 VCD与DVD播放机(续3),图14-16 DVD播放系统
26、的基本结构3,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,37/48,14.5 HD DVD与BD光盘,HD DVD与BD光盘是什么 HD DVD (High Definition DVD)是由Toshiba、Hitachi和NEC等公司在2003年11月联合发布的大容量光盘存储器标准 BD(Blu-ray Disc)是由Sony，Philips和Panasonic等公司在2002年2月联合发布的大容量光盘存储器标准。BD源于blue-violet laser Disc，因它是流行于欧美的普通术语，申请商标不易，因此去掉了blue中的“e”。 比较而言 BD技术更先进，但不能使用现有的DVD
27、设备来生产BD光盘产品，生产线的成本比较贵 HD DVD技术可在现有DVD设备基础上加以改进，因此成本比较低 都用波长为405 nm的蓝激光(blue-violet laser)读写光盘，见图14-17,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,38/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续1),图14-17 CD，DVD，HD DVD和BD盘的主要异同点,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,39/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续2),HD DVD与BD技术规范 物理性能见表14-7 容量差别较大 都用波长为405 mm的蓝紫色激光 影视规范 支持MPEG-2、H.2
28、64/AVC 支持SMPTE VC-1 (Video Codec-1) SMPTE于2006年提出的标准，正式名称为SMPTE 421M 得到Blu-ray, HD DVD和Windows Vista等产品的支持 使用DCT技术和WMV9(Windows Media Video 9)编译器规范 质量比H.264好，解码速度也比H.264快 支持HDTV影视标准格式,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,40/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续3),表14-7 BD与HD DVD的性能比较,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,41/48,14.5 HD DVD与BD光盘
29、(续4),表14-7 BD与HD DVD的性能比较(续),2018年10月10日,第14章 光盘存储器,42/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续5),声音规范 支持多种声音编码格式，如Dolby Digital, PCM,和 DTS等。见表14-8 Dolby Digital(杜比数字): 杜比数字是多声道环绕声编码系统，现已作为国际标准，可提供6个声音通道，称为5.1声道，即左、中、右、后左、后右5个主声道和1个低音加强声道，声音数据的位速率通常为64448 kbps。 (2) DTS(Digital Dolby Theater Systems)：称为“数字影院声音系统”，用于影剧院
30、和部分DVD-Audio和DVD-Video中的5.1通道环绕声格式，与Dolby Digital类似。 (3) linear PCM (linear pulse code modulation)：称为“线性脉冲编码调制”。没有经过压缩的PCM声音编码方法，声音的采样频率可为48或96 kHz，样本精度可为16，20或24位，声道数18个，最高数据位速率为6.144 Mbps,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,43/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续6),表14-8 BD和HD DVD支持的部分声音格式,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,44/48,14.5 H
31、D DVD与BD光盘(续7),记录系统 由光盘和激光读写子系统、信号处理子系统和伺服子系统组成。 HD DVD和BD的共同点和差别见表14-9。有关纠错编码技术(ECC)的介绍请看第16章。需要解释的是数据调制方法，也就是通道编码 HD DVD使用ETM (eight to twelve modulation)8-12调制，即每个8位数据转换为12位，并满足RLL(1.10)的规则 在RLL (d, k)中: d表示两个“1”之间“0”的最小行程长度，k表示两个“1”之间“0”的最大行程长度 BD使用“17PP”调制，其全称为“(1, 7) RLL parity preserve (PP)-p
32、rohibit repeated minimum transition run length (RMTR)” PP(Parity Preserve)表示调制位与原始数据位有相同的奇偶性(1的数目是奇数或偶数),2018年10月10日,第14章 光盘存储器,45/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续8),表14-9 只读BD与HD DVD光盘规范摘要,2018年10月10日,第14章 光盘存储器,46/48,14.5 HD DVD与BD光盘(续9),ECC(error-correction code)：纠错码 LDC(long distance code)：长距离码 BIS(burst i
33、ndicator subcode)：突发指示子码 RSPC(Reed-Soloman Product Code)：里德-索洛蒙乘积码,表14-9 只读BD与HD DVD光盘规范摘要(续),2018年10月10日,第14章 光盘存储器,47/48,第14章 光盘存储器,参考文献和站点 David R. Guenette. How High Density Can CD Get? CD-ROM Professional, May 1996, pp8288 Sony DVD，http:/ C-Cube Microsystems， http:/www.c- (浏览日期：1998年12月)； CL480 MPEG System Decoder Users Manual. 1995; CLM4700 MPEG-2 Video Encoder Users Manual. 1995 林福宗, 陆 达. 多媒体与CD-ROM. 北京：清华大学出版社, 1995.3 17PP：http:/jjap.ipap.jp/link?JJAP/39/912/ http:/ http:/ http:/ 光盘存储器,
