多媒体技术应用教程之多媒体数据存储技术

多媒体技术应用教程陈永强，张聪主编胡兵，崔树芹，苏勇参编电子工业出版社2011.81当前第1页\共有71页\编于星期四\22点第6章多媒体数据存储技术6.1光存储基础

6.1.1光存储原理

6.1.2CD

6.1.3VCD

6.1.4DVD6.2网络存储技术

6.2.1直接连接存储

6.2.2存储区域网

6.2.3网络附加存储6.3光盘刻录软件Nero功能概述编辑环境

6.3.3基本操作6.4光盘刻录实验2当前第2页\共有71页\编于星期四\22点第6章多媒体数据存储技术6.1光存储基础6.1.1光存储原理6.1.2CD6.1.3VCD6.1.4DVD3当前第3页\共有71页\编于星期四\22点光盘存储具有存储密度高、容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列其他记录媒体无可比拟的优点，特别适于大数据量信息的存储和交换。光盘存储技术不仅能满足信息化社会海量信息存储的需要，而且能够同时存储声音、文字、图形、图像等多种媒体的信息，从而使传统的信息存储、传输、管理和使用方式发生了根本性的变化。

4当前第4页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理光盘存储技术是将具有很高的相干和单色性的激光束，汇聚到光衍射极限的斑点上，使被照射的光斑区域内某种存储介质产生物理或化学变化，从而改变媒体的光学（或光磁）性质以记录信息。读出信息时，用另一束激光束检测光信号，存储介质表面的状态转变为反射光强或偏振光的偏转角旋转，还原出记录的信息。

5当前第5页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理虽然光盘都是采用激光进行读/写，光盘由于采用的存储材料不同，其写入读出信息的机理也存在差异。一般来说可分为：1.形变2.相变3.磁光（Magneto-Optical）存储

6当前第6页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理1.形变采用这种方法的包括只读光盘和写一次读多次光盘。虽然只读光盘和写一次读多次光盘记录信息时都是使存储介质形变，但是在实现的技术上是完全不同的。一个是压制出信息坑，一个则是烧制出信息坑。7当前第7页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理1.形变只读光盘存储器对于像激光唱盘(CD-DA)和CD-ROM这样的只读光盘，其制作过程都相同，大致分成三个阶段。原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作大批量复制8当前第8页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理1.形变CD-ROM盘制作过程：在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通过，写入“1”时，就让激光束通过，或者相反。参看图6-1。9当前第9页\共有71页\编于星期四\22点图6-1光刻系统示意图

10当前第10页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理1.形变CD-ROM盘制作过程：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，用这种盘去制作母盘(motherdisc)，然后用母盘制作压模，再用压模去大批量复制。原版盘制作的整个过程如图6-2所示。11当前第11页\共有71页\编于星期四\22点图6-2原版盘制作的整个过程

12当前第12页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理1.形变只写一次读多次光盘存储器这类光盘存储器的媒体可为用户提供一次写入的存储空间，写后不能修改，但可以多次读取。CD-R光盘结构和CD-ROM盘基本相同，主要差别在于CD-R中增加了一层有机染料作为记录层。无论是CD-ROM还是CD-R，使用光驱读取光盘时原理是相同的。

13当前第13页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理1.形变无论CD-ROM还是CD-R，光盘的读出原理是相同的，见图6-3。光盘上压制了许多凹坑，激光束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。凹坑的边缘代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的长度和非凹坑的长度都代表有多少个“0”。

14当前第14页\共有71页\编于星期四\22点图6-3CD盘的读出原理

15当前第15页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理2.相变相变可擦除光盘存储器可反复多次写入数据，采用的是一种特殊的相变材料，由锗、锑等组成。这些材料最初是晶体结构，在这些结构中原子排列整齐，光反射率高。当表面温度升到比熔点高时，如果突然冷却，材料将从晶体结构变为非晶结构。非晶结构的原子没有很好的排列，光反射率低。相变可擦除光盘工作原理如图6-4。

16当前第16页\共有71页\编于星期四\22点图6-4相变可擦除光盘工作原理

17当前第17页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理2.相变写原理利用激光束的大功率照射对盘片进行局部瞬间加温，激光将相变材料加热到熔点以上，再进行快速冷却，就会固定在原子排序不整齐的非晶体状态。从而，产生被激光照到的非晶体状态部分和没有被激光照到而留有原来晶体状态的部分。用结晶状态和非结晶状态来区分信息0和1，利用这两个状态具有不同的反射率这一特性来检测0和1信号。18当前第18页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理2.相变数据清除原理热力学上，将相变材料被激光照到的非晶体状态视为不稳定状态。因此，从外部提供充分的能量即可恢复到晶体状态。这就是相变可擦除光盘的数据消除原理。此时，恢复到晶体状态的温度被称之为晶化温度。得力于该原理，只要调整激光强度就可自由自在地写入或清除数据。19当前第19页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理2.相变读原理读取时利用晶体与非晶体的不同反射率还原出二进制数据。

20当前第20页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理3.磁光（Magneto-Optical）存储

磁光盘是使用光技术和磁技术相结合来记录信息的一种可擦除重写型光盘。目前所用的材料主要为铽、铁、钴等构成的非晶态合金膜。

21当前第21页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理3.磁光（Magneto-Optical）存储写原理磁场强度对磁感应强度的磁滞回线如图6-5所示，在小的固定的磁场强度HO下，将激光照射在记录介质上，使其局部温度升高，在外磁场的作用下改变磁畴的取向，用磁畴的正反方向来区别记录的0和1信息。要使磁畴从一个方向变成另一个方向所需要的磁场强度和温度有很大的关系，在常温下不易改变。只有用激光将磁畴加热到一定温度，使其矫顽力变成几乎为零，才可以在偏置磁场的作用下完成。等激光撤离后，该区域迅速冷却，磁畴的方向也就固定了。

22当前第22页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理3.磁光（Magneto-Optical）存储擦除原理磁光盘的擦除和写入的原理类此，擦除后让光道上的所有磁畴取相同的方向。方法是加入恒定磁场，用写入信号调制写入激光的输出功率。要使磁畴反向的区域，输出功率大，使该区域的温度升高，在反向磁场的作用下磁畴的磁化方向发生翻转；磁畴不反向的区域，激光输出功率小，该区域的磁畴保持原有方向。23当前第23页\共有71页\编于星期四\22点6.1.1光存储原理3.磁光（Magneto-Optical）存储读原理法拉第效应和克尔效应指的是在磁场的作用下，偏振光的偏振面发生旋转，偏振角的大小和方向与磁场的大小和方向一致。法拉弟效应指的是在磁化表面中，偏振光透射产生偏振面旋转的现象。克尔效应指的是在不同的磁化表面，偏振光反射产生偏振面旋转的现象。磁光盘利用克尔效应或法拉第效应来检测0和1。读出时激光不能使记录介质过热，其加热功率要比记录时的功率低。24当前第24页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD1.CD发展史2.CD分类3.CD盘片结构4.CD光道结构5.CD格式和标准25当前第25页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD1.CD发展史1980年飞利浦与索尼公司为CD制定了标准，这就是世界闻名的“红皮书标准”。1982年索尼公司研制成功世界上第一张实用的CD，这种盘称为CD-DA盘。1985年Philips公司和SONY公司推出CD-ROM，并了相应的物理格式标准，称为黄皮书。1988年飞利浦发表CD-R可记录光盘。索尼在1990年11月发布了橘皮书，制定了一次写入式光盘的规格，并相继推出MO磁光盘、CD-RW格式可刻录光盘的国际统一标准。26当前第26页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD2.CD分类（1）按照应用格式划分27当前第27页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD2.CD分类（2）按读写限制分类只读式(CD-ROM)CD-ROM光盘的内容是在制作光盘时写入的，用户可任意多次从CD-ROM读取信息，而不能往盘上写信息。一次性写入，多次读出式(CD-R)一次写多次读光盘系统中的光盘，用户可对其做一次写入内容，以后成为只读光盘。可读写式(Rewriteable或Erasable)可重写型光盘像磁盘一样具有可擦写性。它又分磁光型(MO)和相变型(PC)两种形式。28当前第28页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD3.CD盘片结构CD盘主要由保护层、反射激光的铝反射层、刻槽和聚碳脂衬垫组成。29当前第29页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD3.CD盘片结构CD盘的外径为120mm，重量为14克～18克。激光唱盘分3个区：导入区、导出区和声音数据记录区。30当前第30页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD4.CD光道结构磁盘存放数据的磁道是同心环，磁盘片转动的角速度是恒定的，用CAV(constantangularvelocity)表示。CD盘采用螺旋型光道，CD盘转动的线速度是恒定的，光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的，通常用CLV(constantlinearvelocity)表示。31当前第31页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD5.CD格式和标准CD格式包含逻辑格式和物理格式。逻辑格式规定如何把文件组织到光盘上，以及指定文件在光盘上的位置，包括文件的目录结构、文件大小以及盘片数目等事项；物理格式规定数据如何放在光盘上，包括物理扇区的地址、数据类型、数据块的大小、错误检测和校正码等。32当前第32页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD5.CD格式和标准（1）物理格式CD-DA与红皮书CD-ROM与黄皮书CD-ROM／XACD-I与绿皮书PhotoCDCD-Bridge盘CD-R与橙皮书33当前第33页\共有71页\编于星期四\22点6.1.2CD5.CD格式和标准（2）逻辑格式ISO9660

CD-ROM的逻辑格式可归纳为两个部分：卷结构和文件结构。卷结构用来描述整片CD-ROM盘上所含信息的结构。一卷为一片CD-ROM。由于文件有大小之分，一个盘片上可以有很多文件，一个文件也可以需要几个盘片才能存放。所以一卷可能有好几个文件，一个文件也可能要跨越好几卷。卷就是来描述这种错综复杂关系的规则。文件结构用来描述和配置放到CD-ROM盘上的文件的结构。文件结构的核心是目录结构。目录结构对文件系统的性能有很大的影响。一般来说，目录结构采用分层目录结构，并且有显式说明和隐式说明之分。34当前第34页\共有71页\编于星期四\22点6.1.3VCD1.VCD标准2.VCD物理格式3.VCD逻辑格式35当前第35页\共有71页\编于星期四\22点6.1.3VCD1.VCD标准VCD标准描述的是一个使用CD格式和MPEG-1标准的数字视频存储格式。VCD采用了CD-DA，CD-ROM，CD-ROMXA，CD-I物理格式及ISO9660逻辑格式中的适用部分，而把MPEG-I作为它们的逻辑格式。VCD是介于CD-ROM和CD-I之间的一种格式。36当前第36页\共有71页\编于星期四\22点6.1.3VCD1.VCD标准超级VCD（SVCD）使用MPEG-2视频编码。SVCD广泛的兼容性以及与中国彩电的匹配性。

37当前第37页\共有71页\编于星期四\22点6.1.3VCD2.VCD物理格式VCD盘由引导区(导入区和导出区)和节目区两部分组成。导入区和导出区按CD-ROMXA数据光道的Mode2Form2进行编码，是不含数据的空扇区。节目区中的第一条光道（Track1）是一条专用VCD数据光道，其余的是MPEGAudio/Video光道和CD-DA光道。

38当前第38页\共有71页\编于星期四\22点图6-8VCD盘的组织结构39当前第39页\共有71页\编于星期四\22点6.1.3VCD3.VCD逻辑格式VCD盘的文件系统是在ISO9660文件结构标准基础上开发的。VCD盘需要的目录有Root、CDI、VCD和MPEGAV等。VCD盘的目录结构如图6-10所示。

40当前第40页\共有71页\编于星期四\22点图6-10VCD盘的目录结构41当前第41页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD1.简介2.分类3.原理4.新发展42当前第42页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD1.简介1995年9月，DVD研制的两大阵营SONY,PHILIPS联盟和TOSHIBA，TIMEWARNER联盟合作推出了DigitalVideoDisc（DVD）。DVD其主要应用是提供相比LD更廉价，而容量全面超过CD-ROM的高质量视频存储解决方案。但随后的发展使得新格式的涵盖规模已超过当初设定的视频播映的范围，因此后来又有人提出了新的名称：DigitalVersatileDisc，意即用途广泛的数字化储存光碟媒体，也就是目前我们所熟知的接替CD承担历史重任的下一代勇士：DVD。43当前第43页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD1.简介现阶段DVD-Video产品选用MPEG-2的11种规范中的主型主级规范，即NTSC制式电视720像素/行×576行/帧，30帧／秒；PAL制式电视720像素/行×488行/帧，25帧／秒，数据传输速率最大为15Mbps，达到了广播级电视图像质量的标准。44当前第44页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD2.分类（1）只读光盘DVD-ROM按容量为：DVD-5DVD-9DVD-10DVD-18按应用领域分：BookABookBBookCBookDBookE45当前第45页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD2.分类（2）可刻录DVDDVD-RAMDVD-R/RWDVD+R/RW46当前第46页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD3.原理DVD尺寸上和CD没有两样，但是什么样的技术造成了存储容量的巨大差异？

面数增加，层数增加。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。厚度变薄。CD厚度是1.2mm。而单层的DVD盘片是0.6mm。激光波长变短。DVD采用的纠错方式也比较特殊。47当前第47页\共有71页\编于星期四\22点DVD与CD凹坑比较DVD与CD的主要技术参数比较48当前第48页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD4.新发展一是索尼、松下、菲利浦等厂商力推的俗称“蓝光DVD”的Blue-RayDisk（简称BD）；二是以东芝为主力推的“AdvancedOpticalDisk”，也就是平时所说的HDDVD。49当前第49页\共有71页\编于星期四\22点6.1.4DVD4.新发展BD和HDDVD可以说各有所长。BD的优势在于较强的存储能力，更适合在专业的光存储领域发展；而HDDVD凭借其对红光DVD和CD的向下兼容性，更适合在PC存储领域使用。蓝光BD最终统一了高清影碟格式。

50当前第50页\共有71页\编于星期四\22点第6章多媒体数据存储技术6.2网络存储技术6.2.1直接连接存储6.2.2存储区域网6.2.3网络附加存储51当前第51页\共有71页\编于星期四\22点网络技术的发展，使得在网上流动的数据量大增。尤其是多媒体网络技术的发展，人们经常要在网上获取音/视频数据。不断加速的信息需求使得存储容量的增长速度超过了服务器处理能力的增长速度。一方面是服务器有限的内部存储极限，另一方面是不断增长的存储内容，这就要求服务器的存储“外部化”，以适应新的应用要求。52当前第52页\共有71页\编于星期四\22点6.2.1直接连接存储1.简介2.问题和不足53当前第53页\共有71页\编于星期四\22点6.2.1直接连接存储1.简介直接连接存储是一种直接与主机系统相连接的存储设备，它完全以主机为中心，寄生在相应服务器或客户端上，本身不带有任何操作系统。

54当前第54页\共有71页\编于星期四\22点图6-12DAS示意图55当前第55页\共有71页\编于星期四\22点6.2.1直接连接存储2.问题和不足直连式存储过分依赖服务器SCSI通道成为I/O瓶颈容量扩展不方便56当前第56页\共有71页\编于星期四\22点6.2.2存储区域网1.简介2.特点57当前第57页\共有71页\编于星期四\22点6.2.2存储区域网1.简介SAN指存储设备相互连接且与一台服务器或一个服务器群相连的网络。其中的服务器用作SAN的接入点。FCSANIPSAN58当前第58页\共有71页\编于星期四\22点图6-13FC构成的SAN59当前第59页\共有71页\编于星期四\22点6.2.2存储区域网2.特点结构灵活，传输距离远高性能可扩展性好

60当前第60页\共有71页\编于星期四\22点6.2.3网络附加存储1.简介2.特点3.SAN与NAS的区别和联系61当前第61页\共有71页\编于星期四\22点6.2.3网络附加存储1.简介NAS是一种特殊的专用数据存储设备，这些设备都分配有IP地址，内嵌系统软件，可提供跨平台文件共享功能。它以数据为中心，将存储设备与服务器分离集中管理数据，能提高网络整体性能，如图6-15所示。

62当前第62页\共有71页\编于星期四\22点图6-15NAS与网络直接相连63当前第63页\共有71页\编于星期四\22点6.2.3网络附加存储2.特点（1）NAS的优点即插即用，易于安装和管理。使用简单方便。跨平台使用。性能可靠稳定、优化的文件管理系统和低廉的价格。安全性强。（2）NAS的缺点存储性能较低，只适用于较小网络规模或者较低数据流域量的网络数据存储；磁盘阵列必须配置专用文件服务器，后期扩容成本高