第 4 章 多媒体硬件环境

1. 第4章多媒体硬件环境 • 4.1 光存储设备 • 4.2 音频接口 • 4.3 视频接口 • 4.4 多媒体I/O设备

2. 4.1 光存储设备

3. 4.1 光存储设备 • 光盘存储技术是采用磁存储以来最重要的新型数据存储技术，它具有下面的一些优势： • 记录密度高：107~108位/CM2是目前磁盘的上百倍。 • 存储容量大：标准的CD-ROM容量为650M，可存20万页的16开本的文本信息资料。 • 采用非接触方式读写信息：盘面没有磨损 • 能自由地更换光盘 • 信息保存时间长：30年以上 • 不同平台可以互换 • 快速的检索方式 • 多种媒体融合：可存文、图、声等媒体 • 价格低廉

4. 4.1 光存储设备 • 光存储技术原理 • 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, 它们对应着存储二进制数据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1微米的光斑, 因此光存储技术比其它存储技术有更高的容量。

5. 4.1.1 光存储的类型 • 只读型光存储系统 • 只读型光盘包括LV和CD-ROM等。 • CD-ROM（Compact Disc-Read Only Memory）只读式压缩光盘，其技术来源于激光唱盘，形状也类似于激光唱盘，能够存储650MB左右的数据。 • 用户只能从CD-ROM读取信息，而不能往盘上写信息。 • 一次写型光存储系统 • 一次写（WORM）光存储系统可一次写入，任意多次读出。 • 与CD-ROM相比，它具有由用户自己确定记录内容的优点。 • 可重写型光存储系统 • 可重写光盘（E-R/W，Rewritable或Erasable）像硬盘一样可任意读写数据。 • 磁光型（Magnetic Optical，简称MO） • 相变型（Phase Change，简称PC）两种形式。

6. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD光盘上记录的信息最小单元是比特（bit）。在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式记录二进制“0”和“1”，然后覆上一层薄铝反射层，最后再覆上一层透明胶膜保护层，并在保护层的一面印上标记。我们通常称光盘的两面分别为数据面和标记面。 • 目前通常用的光盘直径为12 cm，厚度约为1 mm，中心孔直径为15 mm，重约14--18g。 CD-ROM盘片的物理层次

7. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM光盘制作过程 • (1) 数据准备 • (2) 主盘制作 • (3) 复制光盘 • CD光盘主要分为五层，其中包括 • 基板、 • 记录层、 • 反射层、 • 保护层、 • 印刷层

8. CD-ROM光盘制作过程

9. 反变频及驱动控制 数字信号处理 CD-ROM盘 主 机 RAM RAM 接 口 光头 EFM 解调器 去交插 和内插 同步检测器 反变频器 RAM 控制器 旋转马达 CLV 控制 CIRC 错误校正 错误校正和系统管理 聚焦、道跟踪 和定位伺服 系统控制 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM驱动器的构造

10. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 光头： • 光头（optical pickup）是CD-ROM驱动器的关键部件。 • 聚焦伺服： • 为使激光束的聚点落在光盘的信息面上，CD-ROM驱动器采用自动聚焦伺服系统来实现。 • 道跟踪伺服： • 为了确保聚焦光束能沿着道间距为1.6um、凹坑宽为0.5um左右的螺旋形光道正确读出信息，CD-ROM采用径向光道跟踪技术，以克服光盘可能多达300um的偏心，使道跟踪精度达到0.1um。聚焦司服：

11. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CLV伺服： • 由于CD-ROM盘要以恒定线速度（CLV）旋转，这就意味着，驱动光盘旋转的驱动马达的速度要随光头所处的位置而变化。 • EFM解调： • 从聚焦司服系统输出的数据信号是经过EFM调制后的信号，EFM解调过程是EFM调制过程的逆过程。 • 错误检测和校正处理 • 一级是CIRC • 另一级是ECC

12. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 数据是如何从光盘上读取的 • 凸区和凹坑 • 数据位和通道位 • 凸区和凹坑的长度 • 最小的凹坑数据是如何读取的 • EFM编码 • 通道合并位

13. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 凸区和凹坑 • Inside a CD is a flat light reflecting layer called "land". On the land are many "pits" written in a spiral-shaped track. From the read lasers point of view, the track spiral goes outwards when the disk rotates counter-clockwise. The spiral has a pitch of 1600 nm • Pits are "bumps" really, from the read lasers point of view, because the master disc with pits is duplicated negatively, turning the pits into bumps. • Pits have the same light reflecting surface as the land, but pits reflect the read-laser's light in a diffuse and interfering way and thus look relatively dark compared to the land areas.

14. 凸区和凹坑

15. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 数据位和通道位 • It is not simply so that a land is a "1" data bit, and a pit is a "0" data bit. A data bit is a "1" or "0" from the original data, but on a CD there are no data-bits but channel-bits. A channel bit is the smallest time unit used on a CD: 1/4,321,800 sec. • a "1" channel bit = a time with change from land to pit, or from pit to land. • a "0" channel bit = a time when there is no change. • Also; data bytes (8 data bit) are converted into 14 channel bit code with EFM (Eight-to-Fourteen-Modulation), and "glued" with 3 Merging Channel bits before written on the disk. • Channel bit length is computed just by dividing the speed by the bit rate. • For example: 1.2 m/sec / 4321800 channel bit/sec = 277.662 nm

16. 通道位

17. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 凸区和凹坑的长度 • Pit & Land Lenght varies a little depending on how fast the disk turns while recording. • * The actual recording velocity can be between 1.2 and 1.4 m/s, so long as it's constant. • * Since the channel bit rate is held constant (4321800 channel bit/sec = 75 blocks/sec * 98 frames/block * 588 channel bits/frame.), then the density of the bits must vary with recording velocity. • In other words, those 4321800 channel bits that encode 1 second of audio could be stored in as little as 1.2 linear meters or as much as 1.4 linear meters.

18. Velocity Channel bit size 3T size 11T size 1.2m/sec 278 nm 833 nm 3054 nm 1.3m/sec 301 nm 902 nm 3309 nm 1.4m/sec 324 nm 972 nm 3563 nm 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 通道位的长度及其9种表示 1001 10001 100001 1000001 10000001 100000001 1000000001 10000000001 100000000001

19. 最小的凹坑数据是如何读取的

20. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • EFM编码（Eight-to-Fourteen-Modulation） • 普通光盘凹痕宽约0.5μm，凹痕最小长度约0.83μm，光道间距约 1.6μm。每张光盘大约包含8亿个凹痕，可容纳高达680 MB的数据量，因此光盘的容量很大。为了提高读出数据的可靠性，减少误差，存储数据利用EFM（Eight to Fourteen Modulation）编码，即一个字节8bit数据编码为14bit光轨道位， • 00000000  01001000100000 • 00000001 10000100000000 • 具体的变换关系可查阅EFM表

21. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 通道合并位 • 在光轨道位之间插入3bit的合并位，确保“1”码间至少有2个“0”码；但最多有10个“0”码。 • 可能的4种合并位 • 000, 001, 010 和 100 • 如何将 “Nerd” 写入 CD • ASCII码 – 十进制 – 二进制 – EFM码N = 078 = 01001110 = 00010001000100e = 101 = 01100101 = 00000000100010r = 114 = 01110010 = 10010010000010d = 100 = 01100100 = 01000100100010 • EFM码 + 通道合并位:(14 通道位/字节 + 3合并位/ EFM码)00010001000100 001 00000000100010 000 10010010000010 000 01000100100010 001

22. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD盘的结构

23. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 光盘发展简介 • 1976年，PHILIPS发表光存储介质，1978年SONY发表影碟机（Video Disc Player）, 1979年，PHILIPS发表激光唱机（Compact Disk Player） • CD-DA：1981年制定红皮书（Red Book）激光数字音频光盘规范 • CD-ROM：1985年制定黄皮书（Yellow Book）经修正1988成为ISO9600，1991年又推出ISO9600II • CD-G（Graphic）：1985出现，遵循红皮书，可以存储静止画面。利用一个与主音轨平行的子码（SUBCODE）轨道，存储一些简单的图形、文字（如诗歌）等数据，可以用于卡拉OK • CD-V（Video）：放在影碟机上使用，视频信号可以输出到电视机上。 1992年由PHILIPS及SONY、JVC遵循黄皮书而制定。MPEG压缩算法。

24. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-WORM（Write Once Read Many）：1985年制定的蓝皮书规范，由于兼容性不好，很少使用。 • CD-I （Interactive）1987年制定的绿皮书规范，用于CD-I系统中。 • CD-ROM XA（Extended Architecture）：1988年三家（ PHILIPS 、SONY，MICROSOFT）制定的CD-ROM扩展结构。1991年又制定了CD-ROM XA II规范，它对应于ISO 9660-II。 • CD-R（Recorder）：1987年制定的Orange Book规范，新的可记录式CD，可以多次在CD空余部分写入数据。 • Photo-CD：影片光盘，1991年PHILIPS 与KODAK对外发布的概念，1992年制定了白皮书。

25. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • DTS CD ：DTS音轨的音频Audio-CD ，只是DTS CD中纪录的实际内容并不是普通CD的PCM采样信号，而是DTS 编码的音轨信号。DTS CD，需专用解码芯片。但现在市面上几乎所有的DVD机都支持DTS，传统的CD机不能放，放的时候只有沙沙沙的声音。 • DVD • HDCD：普通CD机可以播放HDCD碟片，理论上比播放普通CD音质要好 • XRCD(完美的16位)：普通CD机可以播放XRCD碟片。但你从网上BT下来的XRCD没有真正的XRCD效果。 • SACD：CD机可以播放SACD，读CD 层上的信息，还原出CD品质的声音。原CD片也可以放入SACD播放机中播放，像DVD播放CD一样，放出的也是CD品质的声音。但要享受真正SACD的魅力需要购买带SACD的CD机

26. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-DA规范 • CD家族成员是逐步产生的。后来成员的标准是在已有标准的基础上，根据不同的需要发展起来的，其硬件结构都相同。不同标准之间的主要区别在于用户数据在盘上的预定（初始化）及管理方法。 • 红皮书制定了激光数字音频光盘的规范。CD家族的所有产品都是建立在红皮书之上的。 • 物理格式 ：直径为120mm（43/4英寸），内径15mm，厚度1.2mm，重量14克。采用CLV（Constant Linear Velocity）伺服方式，逆时针方向旋转。 • 数据沿着一条螺旋线光道存放，光道从内圈开始到外圈等长地分段，每一个段称为一个扇区，每个扇区中存放相同的数据量。

27. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 在光道上，每一个数据块都有一个特定的地址标记。块的编址单位是“分”、“秒”和“扇区”。 • 1“分”等于60“秒”，1秒等于75“扇区” • 例如：光道中第10000个扇区的地址为： 2“分”13“秒”25“扇区” • 光盘上光道的总长度为74“分”，即可存74分钟的高质量的非压缩的音频信号。 • 声音信号经变换成二进制数字信号后对其进行编码。 • 所谓编码，就是在有用数据中根据一定的算法加入一定的纠错数据、同步数据和控制数据。在数据回放时，可以根据所记录的纠错数据判别读出的声音数据是否有错，如在一定范围内有错，可加以纠正。

28. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-DA采用差错校验码CIRC纠错，可用来检测和纠正因CD表面的划伤或灰尘产生的差错。CD-DA定义每24字节（Byte） 双声道音频数据为一帧，对每一帧数据编码后要形成帧同步码、子码（用于控制和显示）及纠错码如下所示： • 帧同步 子码 音频数据 Q校验 音频数据 P校验 • (左声道) (右声道) . • 24b+3b 1 12 4 12 4 • 编码后的数据再经调制编码，转换通道码以确定光盘上凹痕和凸痕的长度。 • 定义98个音频数据帧为一个扇区。因此每个扇区所含音频数据量为98×24（Byte）＝2352（Byte） • 这也称红皮书（Red Book）或 Mode 0规格。一张CD唱盘理论上可容纳约74分钟的立体声音乐信号。CD唱盘的成功，使它很快取代了普通留声机及唱片。

29. C&D 1B 音频数据 12B 校验 4B 音频数据 12B 校验 4B 8位 8位 8位 … 8位 33字节 合并位 同步位 EFM调制 24位 3位 14 3 14 3 14 3 … 14 3 588个通道位 1帧 帧0 帧1 帧2 … 帧97 1扇区 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-DA帧及扇区格式

30. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM规范 • 1985年，Philips 和 Sony 公司共同提出了用于计算机外围设备存储器的另一个标准CD-ROM，即只读型的高密度盘标准。同样，由于该标准发布时采用了黄色封面，故也称为黄皮书。 • CD-ROM的基本物理特性与CD-DA完全相同，只是在数据结构上，对数据的类型和数据的编码方式作了进一步扩充。原来存放音频数据的扇区不再仅仅是音频数据，它可存放各种不同类型的数字数据 。

31. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM编码 • 由于人耳对音频数据的误码不太敏感，CD-DA对数据的正确性要求较低。 • 而CD-ROM中的一个误码则可能导致计算机灾难性的错误。因此，CD-ROM要求更高的精确性。CD-ROM是在CD-DA的扇区数据段中上再增加进一步的纠错码，从而使实际数据空间有所减小。 • EDC：Error Detection Code • ECC：Error Correction Code • CD-ROM扇区数据包又分为两种，称之为 Mode 1和 Mode 2 • CD-ROM 黄皮书扇区结构 • 数据单位：Byte • 数据总长：2352

32. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • Mode 1和Mode 2的不同点在于用户数据的容量不同，存储数据的类型不同。 • Mode1格式 • Mode2格式

33. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • Mode1和Mode2格式相同之处 • 这两种方式的扇区首部都是12字节的同步码(SYNC), 其前后为“00H”而中间10个字节存放“FFH”数据。 • 紧接着的4个字节为地址字段, 或称扇区头(HEADER),它采用分、秒、扇区号的制式确定地址标号, 地址字段中设置了MODE字节, 指明该扇区是哪种格式 。 • Mode1和Mode2格式不同之处 • 用户数据量不同。Model1为2048个字节, Mode2为2336个字节。 • 存贮数据的类型不同。Mode1用于存放对错误极为敏感的数据, 如计算机程序等; 而Mode2用于存放对错误不太敏感的数据, 如声音、图象、图形等。 • Mode2的数据经过CIRC检验后的误码率为1/109, 对声音、图象类的数据可以不必做进一步校验; 而要满足计算机数据误码率小于1/1012的要求, 则应对Mode1的数据作进一步校验。

34. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM的文件结构 • 黄皮书的标准仅涉及到光盘的物理性能 • 因为CD-ROM面对用户的是文件，这就要求一个文件系统来管理，使用户把CD-ROM当成一个文件集来管理，否则就会使用户从物理层上看待CD-ROM • 应用软件也必须要知道信息在盘上的精确物理位置。 • 1988年国际标准化组织制定了CD-ROM的逻辑格式标准--ISO 9660，由此定义了CD-ROM的卷和文件结构：

35. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • 文件结构： • 文件结构用来描述和配置放到盘上的文件。放到CD-ROM上的文件类型没有限制，可以是ASCII文件，可执行文件（如 * .EXE文件， * .COM文件）。文件的标识符（file identifier）可由三部分组成：文件名、文件扩展名和文件版本号。文件标识符必须要包含一个文件名，或者包含一个扩展名，其它可作为选择。 • 文件结构的核心是目录结构，它用来说明文件及文件段的的位置。大多数支持磁盘的文件系统都采用分层目录结构，CD-ROM也采用这种结构，并且限定目录层次最多为8层。分层目录结构可组织大量的文件。 • 卷结构：单片CD-ROM称为一卷。 • 把存放单个应用软件的多片CD-ROM称为一个卷集

36. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM XA规范 • 黄皮书的规格虽然可以存放文字、声音等不同性质的数据，但是不同性质的数据必须放置于不同的光道上，故无法满足类似声音与动态影像同步的功能。 • 因此在黄皮书 Mode 2的基础上又产生了所谓CD-ROM扩展规格（Extended Architecture），记为CD-ROM XA。它利用黄皮书Mode 2的用户数据空间（2336字节），在该空间中加入一定的控制位和校验位，而压缩了用户可用的数据空间。 • CD-ROM XA为计算机数据、压缩或未压缩的音频、视频图像数据定义了一种新的轨道类型，使这些不同类型的数据资料可以同时存放在光盘的同一轨道上。 • CD-ROM XA又可分为Form 1和 Form 2两种规格，其中Form 1规格适用于计算机数据，并且数据中允许插入或混合声音和动态影像等，Form 2规格适用于压缩过的声音和动、静态影像： • CD-ROM XA 规格 数据单位：Byte 数据总长：2352

37. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM XA的数据格式(FORM1,FORM2) • FORM1 • FORM2

38. 4.1.2 CD-ROM光存储系统 • CD-ROM XA所定义格式包括与CD-I格式相同的FORM1和FORM2格式，解决了普通CD-ROM驱动器不能读CD-I格式光盘的问题。 • CD-ROM XA在HEADER后面增加了8个字节信息来进一步说明扇区中用户数据, 其中存放有数据类型(音频、视频、数据等)格式形式, 触发位(记录开始、文件结束、实时性等), 数据编码信息(ADPCM、DYUV等)。 • 这样CD-ROM XA驱动器可通过对子头信息的识别, 读出数据区中多种媒体的信息, 特别地能正确读出CD-I中采用ADPCM压缩的音频数据。

39. 4.1.3 CD-R光存储系统 • CD-R盘片的物理层次 • CD-R光盘将反射用的铝层改用24K黄金层（也可以是纯银材料），另外再加上有机染料层和预置的轨道凹槽。

40. 4.1.3 CD-R光存储系统 • CD-R的刻录和读取原理 • CD-R刻录是将刻录光驱的写激光聚焦后，通过CD-R空白盘的聚碳酸脂（polycarbonate）层照射到有机染料（通常是箐蓝或酞箐蓝染料）的表面上，激光照射时产生的热量将有机染料烧熔，并使其变成光痕（mark）。 • 当CD-ROM驱动器读取CD-R盘上的信息时，激光将透过聚碳酸脂和有机染料层照射镀金层的表面，并反射到CD-ROM的光电二极管检测器上。光痕会改变激光的反射率，CD-ROM驱动器根据反射回来的光线的强弱来分辨数据0和1。

41. 4.1.3 CD-R光存储系统 • 目前市面上的CD－R空白光盘主要有绿盘、金盘和蓝盘三种类型。它们主要区别在于使用了三种不同颜色的有机染料，从而呈现出不同的颜色。从数据记录和读取的原理来看，它们都具有相同的功能。 • 绿盘：兼容性好 • 金盘：可靠性好 • 蓝盘：成本低

42. 4.1.4 DVD光存储系统 • DVD（Digital Video Disc数字影碟光盘）这个继继VHS、VCD、LD之后的最新一代影音存储媒介，最初诞生于电影行业，它是由美国的八大电影公司（如哥伦比亚电影公司等）所组成的HDVA Group（Hollywood Digital Video Advisory Group）在一起讨论一种新的Video Disc之后所产生的。当初八大公司讨论的结果认为新的Video应具以下特点： • 1、在一张碟片中能容纳135分钟的影片； • 2、高品质的影像效果（比LD及Video-CD好）； • 3、具有高级、逼真的音响效果； • 4、在一个光碟片中能容纳3～5种多国语言； • 5、需有防盗版的功能； • 6、能适应不同长、宽比的屏幕； • 7、一个光碟片中能有同一节目的多种版本。

43. 4.1.4 DVD光存储系统 • DVD标准的历史背景 • 在1995年，一个由Sony和Philips Electronics DV公司领导的国际财团与另一个由Toshiba和Time Warner Entertainment公司领导的国际财团分别提出了两个不兼容的高密度CD（HDCD---High Density Compact Disc）规格。 • 同年10月，两大财团终于同意盘片的设计按Toshiba/Time Warner公司的方案，而荐储在盘上的数据编码则按Sony/Philips公司的方案。 • 随着多家厂商研发及规格整合后，在1995年底将DVD正式定名为“数字多功能光碟”(Digital Versatile Disc)，而最终也不再只是为电影行业所服务，而是集计算机技术、光学存储技术和影视技术等为一体，其目的是满足人们对大存储容量、高性能的存储媒体的需求。

44. 4.1.4 DVD光存储系统 • DVD盘片的物理结构 • 分类：单面单层、单面双层、双面单层、双面双层； • 容量：4.7GB— 17GB； • 最小凹坑长度仅为0.4μm，道间距为0.74μm，采用波长为635～650nm的红外激光器读取数据； • DVD盘的厚度为1.2mm。对于单面盘而言，只有下层基底包含数据，上层基底没有数据；而双面盘的上下两层基底上均有数据。

45. 4.1.4 DVD光存储系统 • 当我们提到DVD时，首先想到的是播放影视节目的DVD-Video。其实DVD和CD一样，除了DVD-Video 之外还将有4个成员，它们的标准文件用 Book A，Book B，…，Book E来标识 • 几种DVD光盘驱动器 • Book A：DVD-ROM • Book B： DVD-VIDEO • Book C： DVD-AUDIO • Book D： DVD-R与DVD-RW • Book E： DVD-RAM

46. 4.1.4 DVD光存储系统 • Toshiba/Time Warner公司定义的DVD规格是SD（Super Density Digital Video Disc），而Sony/Philips公司定义的DVD规格是MMCD（Multimedia CD），这两种高密度盘规格的统一是扩充光盘存储容量的一个里程碑。 • 在理论上来说，DVD的存储容量如下表所示。

47. 4.1.4 DVD光存储系统 • DVD采用的技术 • 如何提高存储器的存储容量和传输速率是存储工业中永恒的研究课题，许多科学家和工程技术人员一直献身于这个领域。一片DVD盘要能够存储多达17GB的信息，需要采用许多新的技术。

48. DVD与CD技术项目对照表

49. 增加盘的数据记录面积

50. 4.1.4 DVD光存储系统 • 常规的CD播放机和CD-ROM驱动器的光学读出头的数值孔径为0.45。为了提高接收盘片反射光的能力，也就是提高光学读出头的分辨率，在DVD中就需要把NA将由现在的0.45加大到0.6。 • 使用短波长的激光源和数值孔径比较大的光学元件之后，最小凹凸的长度可以从0.83um减小到0.4um，而光道间距从1.6um 减小到0.74um，总的容量可以提高到4.486倍。