光盘技术

显示的图像
CD-ROM
CD-I CD-R Video CD CD-Video Photo CD
存储文图声象等多媒体 动画、静态图像、 存储650 MB的数据 节目 动态图像 存储文图声象等多媒体 存储多达760 MB的 动画、静态图像 节目 数据 读/写入文图声象等多媒 体节目 存储影视节目 存储模拟电视 数字声音 存储照片 70分钟(MPEG-1) 5～6分钟(电视) 20分钟(声音) 数字影视(MPEG-1) 质量 模拟电视图像 数字声音 静态图像
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光盘制作过程
• 在制作原版盘时，用编码后的二进制数据去调制 聚焦激光束。 • 在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的 地方经化学处理后就形成凹坑，没有曝光的地方 保持原样，二进制信息就以这样的形式刻录在原 版盘上。在经过化学处理后的玻璃盘表面上镀一 层金属，称为父盘(father disc) • 用这种盘去制作母盘(mother disc)，然后用母盘制 作压模(stamper) • 用压模去大批量复制。
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CD
• Philips在1982年把记录有数字声音的盘推向了市 场。由于这种塑料金属圆盘很小巧，所以用了英 文Compact Disc来命名，而且还为这种盘制定了标 准，称为“红皮书(Red Book)标准”。这种盘又称 为数字激光唱盘(Compact Disc-Digital Audio，CDDA)盘。 • 在多个公司的努力下制定了CD-ROM文件交换标准 ， 1988国际标准化组织(International Standards Organization，ISO)把它命名为ISO 9660标准。
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与以往的光盘存储介质相比，DVD采用波长更短 的红色激光、更有效的调制方式和更强的纠错方 法，具有更高的道密度和位密度，并支持双层双 面结构。 在与 CD 大小相同的盘片上，DVD 可以提供相当于 普通 CD 8～25 倍的存储量、以及 9倍以上的读取 速度 。DVD 与新一代音频 、视频处理技术相结合 ，可提供近乎完美的声音和影像。它与计算机结 合，可提供新的海量存储介质。
• Lead-out （导出区）
– 包含无声音数据（静默）。 – 不论是音乐光盘以及电脑数据光盘还是vcd光盘，其光盘数据分布图 都是一模一样的
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光驱读取光盘的两种方式
• CD-ROM 光盘信息组织和地址编码与软盘、硬盘 不一样，它的光道是螺旋形的光道，长度大约为5 公里 • 为有效提高对光盘的读取速度，光驱在工作时有 CLV和CAV两种方式。 • 光道示意
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CD盘片结构
• 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
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反射层
• CDR一般有颜色：
– 金盘：金盘使用有机染料Phthalocyannine（酞菁 ）， 这种有机染料是接近透明的浅黄色，而反射层使用纯 金，与反射层的金色混合之后，在读写面呈现金黄色 。金盘的稳定性比其他盘都好，使用寿命大于100年 – 蓝盘：白银反射层＋深蓝色的AZO染料 ，成本低 – 绿盘：黄金反射层＋青蓝色的Cyanine染料 ，保存期限 短 – 银盘：铝反射层，看起来是银白色。
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Photo-CD
Photo-CD意为照片光盘，该标准由柯达公司和Philips公司采用 CD-ROM XA标准开发的另一种系统 ，Photo CD是一种可记录光 盘( CD-R ) ，它作为存储彩色图片的新载体而成为CD-ROM在摄 影领域的成功应用，此技术将传统的像片冲洗技术与数字图像 处理、数字显示相结合 ，利用CD 光盘的巨大存储能力 ，为使 用者提供了一种长期保存大量珍贵资料的途径，是摄影领域里 的一次革命。它带来的其他好处还有：
保护层 反射层 透明衬底
读出光信号
0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0
1
0
通道位
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光探测器根据光强度的变化(凸凹的变化)来分辨”0”或”1”
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数据写入
CD盘上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压 模是用原版盘(master disc)制成Biblioteka Baidu。
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大批量复制
• 盘基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多数大批量 复制设备是用塑料注射成型机。聚碳酸脂加热之 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，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反 射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。
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数据读出
• CD盘上的数据要用CD驱动器来阅读。
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CAV
• CAV（Constant Angular Velocity，恒定角速度）技 术。在CAV方式下，不管是内圈还是外圈，激光头 始终以恒定的角速度旋转CD-ROM盘片，这和硬盘 驱动器的操作方式十分相似。 • 恒定的转速对于电机来说比较容易实现，由于不 需要在随机寻道时经常地改变电机的转速，因此 ，随机读取性能会得到很大的改善。 • 在CAV方式下，光盘内外圈转动的线速度是不相等 的，因此内外光道的数据记录密度也是不同的， 光盘的存储空间没有充分利用。
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CLV+CAV
• 由于CLV与CAV技术各有优劣，一些光驱采用 CLV+CAV技术，在内圈采用 CLV方式以保证其具有 足够的传输速率，在外圈则采用CAV的方式，以提 高可靠性。
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0和1的表示
• 光盘上压制了许多凹坑，激光束在凹坑部分反射光的强度 ，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“1”和“0”的 • 凹坑和非凹坑本身不代表“1”和“0” • 而是利用凹坑的边缘来记录“1”，而凹坑和非凹坑的平坦 部分记录“0”，凹坑和非凹的长度代表“0”的个数
多媒体技术基础 Fundamentals of Multimedia
光盘存储技术
山东大学 潘荣江 panrj@sdu.edu.cn http://vr.sdu.edu.cn/~prj
多媒体存储
• 多媒体数据的特点：
– 数据量大 – 44.1KHz采样，16 bit量化，双声道，每秒数据量 44.1x16x2/8=176.4 KB
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CLV
• 在 CLV（Constant Line Velocity，恒定线速度）方式下 ，单位距离的光道上所储存的信息容量是相等的，因 而可以充分利用盘片的空间，增加了存储容量。 • 但这样一来，激光头每旋转一圈所读取的数据量，内 圈数据少，外圈数据多。 • 在 CLV方式下，当激光头移动到不同的轨道时，电机 也必须以不同的转速旋转，内圈转得慢些，外圈转得 快些，以维持单位距离信息读取时间一致。对于高速 光驱来讲，CLV方式容易造成光驱耐用性的降低。
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CD-R
• CD-R(Compact Disk Recordable:可记录光盘) 是一种可刻录 一次的光盘。基于橙皮书的CD-R空白光盘实际上没有记录 任何信息，按照某种文件格式并通过刻写程序和设备，可 以将需要长期保存的数据写入空白的 CD-R 盘片上，这时 CD-R空白盘就可以变成CD-DA、CD-R或VCD光盘的形式。 • CD-R盘与CD-ROM盘相比有许多共同之处，它们的主要差 别在于CD-R盘上增加了一层有机染料作为记录层。当写入 激光束聚焦到记录层上时，染料被加热后烧溶，形成一系 列代表信息的凹坑。这些凹坑与 CD-ROM盘上的凹坑类似 ，但CD-ROM盘上的凹坑是用金属压模压出的。
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CD系列产品
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标准名称 Red Book (红皮书) Yellow Book (黄皮书) Green Book (绿皮书) Orange Book (橙皮书) White Book (白皮书) Red Book + (红皮书+) CD-Bridge
盘的名称 CD-DA
应用目的 存储音乐节目
播放时间 74分钟
可以在计算机上剪辑这些相片，或与计算机提供的其它图像资料相互 融合，增加照片的生动性。 可以通过多媒体的环境将这些相片转存或输出到其他设备上，如电视 机、录像机、计算机屏幕、投影仪和打印机等。 由于光盘相对于照像底片，不易霉变，也不会褪色，永久保存也能保 证相片的彩色质量。
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Video-CD
• 如何存储多媒体数据
– 磁技术 – 光技术
• 光盘存储系统：由光盘和光盘驱动器组成
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光盘特点
光盘在存储多媒体信息方面具有以下主要特点。 记录密度高 存储容量大 采用非接触方式读/写信息 信息保存时间长 可以在不同平台上使用 多种媒体融合 价格低廉
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光盘历史 LV
• 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，并 于1972年9月向全世界展示了长时间播放电视节目 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。 • 存放模拟信号
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DVD
• DVD原名是Digital Video Disc的缩写，意思是“数 字电视光盘(系统)”，这是为了与Video CD相区别 。实际上DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目 ，同样可以用来存储其他类型的数据，因此又把 Digital Video Disc更改为Digital Versatile Disc，缩写 仍然是DVD • DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最 高可达到17 GB。
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CD-DA
• 数字声音 • 44.1KHz采样，样本位数是16 ，2通道 • 为什么选择采样频率44.1KHz
– 人耳朵听到的最高频率约为20000Hz – 为了能够与电视信号同步。PAL电视的场扫描为50 Hz， NTSC电视的场扫描为60 Hz，所以取50和60的整数倍， 选用了44 100 Hz作为激光唱盘声音的采样标准
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CD与DVD区别
• 从外观和尺寸方面来看，DVD盘与现在广泛使用的CD盘没 有什么差别。不同的是DVD盘光道之间的间距由原来的 1.6μm缩小到0.74μm，而记录信息的最小凹凸坑长度由原 来的0.83μm缩小到0.4μm，这是DVD盘的存储容量可提高 到4.7 GB的主要原因。
• Video CD（简称VCD）是由JVC、Philips等公司于1993年联合制定 的数字电视视盘技术规格，称之为白皮书(White Book) 。 • 它用来描述光盘上存放采用 MPEG-1（活动图像专家组）标准 编码的全动态图像及其相应声音数据的光盘格式，是继CD-DA 、CD-ROM、CD-ROM XA和CD-I之后又一个有很强应用的光盘产 品。它可以在一张普通的CD光盘上录制 70 分钟的全屏幕、全 动态的视频与音频数据及相关的处理程序。同激光视盘(LD)相 比，体积小、价格便宜、且有很好的音、视频质量和很好的兼 容性。 • MPEG-1技术的成熟促成了VCD的诞生、产业的形成和市场的成 熟；
– CD驱动器由光学读出头、光学读出头驱动机构、CD盘驱动机构
、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。
• 激光器发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘 ，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回 ，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光 电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路 处理后还原成原来的二进制数据。
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CD盘的结构
• 激光唱盘分3个区：导入区、导出区和声音数据记 录区
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数据分布
• Lead-in（导入区）
– 这部分区域不包含具体的实际数据信息，只记录与实际数据相关的信 息，帮助激光头在读取数据之前进行同步并获取相关数据信息。
• Program area（数据区）
– 包含74 分钟的音频数据或者其他数据，这些数据可以分成99个长度至 少4秒钟的音轨，相邻音轨之间可以插入一个两秒钟的暂停,也可以是 连续的。
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由于光盘成本上的差别 ，CD-R 一般不适于大量制作 的产品，但对于少量制作时它呈现许多优越性。 • CD-R的制作成本低，制作一张光盘的费用基本上 就是材料费，省去了传统工艺中母盘制作的大量 开销，是数据永久备份的廉价手段； • CD-R也可以多次写入数据，不必一次将盘写满； • CD-R 还可以作为提供给生产厂家用来大批量生产 CD盘片的样品母盘。 • CD-R可以像其他CD光盘一样在普通的CD-ROM驱动 器上使用。