《数字视听技术》课件第2章

2.1光盘技术基础知识2.2光盘的结构与制作技能训练项目5光盘参数的测量与质量鉴别本章小结思考题第2章光盘的结构与制作

2.1光盘技术基础知识

2.1.1光盘技术的发展

1960年，世界上诞生了红宝石激光器，从而为激光视盘的实用化创造了条件。美国RCA公司与荷兰飞利浦公司于1972年联合开发并发表了激光视盘LD(LaserDisc)系统，从此开创了以激光和高密度记录为前提的光盘时代。20世纪70年代初期，随着计算机技术与LSI工业的发展，早在1937年由法国人发明的PCM(脉冲编码调制)技术具备了实用化的条件，1977年产生了PCM录音机，1982年推出了CD(CompactDisc)唱机。此后，以CD为基础的各种CD媒体大量涌现，先后开发出了CD-V、CD-G、CD-ROM、CD-I、CD-BGM、CD-MIDI、CD-WO、CD-R等，形成了一系列CD产品，使光盘不仅能够用于记录声音、图像，还可用来记录图形、文字、数据资料等，被广泛应用于文档管理、计算机软件、电子出版物等领域。

在20世纪90年代，随着短波长激光器、数字信号处理技术和超大规模集成电路技术的发展，对图像和声音的压缩技术被应用到光盘制造领域，先后开发出微型光盘MD(MiniDisc)以及VCD(VideoCompactDisc)、DVD(DigitalVideoDisc)、EVD(EnhancedVersatileDisc)等光盘。2.1.2光盘的分类

通常，将利用光学方式在磁性介质上记录和读取信息的盘片称为磁光盘，将利用光学方式在非磁性介质上记录和读取信息的盘片称为光盘。目前市场上流行的光盘主要有LD、CD、VCD、SVCD、DVD、EVD等多种类型。

1. LD光盘

LD光盘又称激光视盘。LD光盘有多种分类方法，例如，按照几何尺寸分为20cm和30cm光盘；按照记录内容的多少分为单面和双面光盘；按照旋转方式分为恒角速度型和恒线速度型光盘。

LD光盘上对图像与声音信号的记录虽然都是以坑点形式实现的，但它并不是将模拟的图像、声音信号变换成数字信号记录在光盘上，而是将图像及声音信号分别进行调频，然后进行叠加，经限幅和光调制等处理后将得到的模拟信号(方波信号)记录在光盘上。由于图像和声音信号均采用模拟形式，LD的图像画面清晰度可达400线以上。

2. CD光盘

CD光盘又称小型唱片，或激光唱片，其直径有120mm和80mm两种。CD光盘上记录的信息可以是数字音频信号，也可以是计算机系统的数据、文字、图形等，其主要特点是频率范围宽(5Hz～20kHz)、动态范围大(90dB以上)、信噪比高(90dB以上)、失真小(失真系数在0.0025%～0.03%范围)等。

CD光盘根据记录内容不同而有多种系列产品，如CD-DA、CD-I、CD-ROM、CD-G、CD-R等。

1) CD-DA(CompactDisc-DigitalAudio)

CD-DA就是日常所讲的音乐CD光盘，其直径为120mm，能记录74min的16位数字音频信息。

2) CD-I(CompactDisc-Interactive)

CD-I称为交互式激光唱片。它可以将音乐与交互式游戏的画面融为一体，用户可以将CD-I系统与电视机或计算机连接在一起工作，每张CD-I光盘可存储7000幅图像或数字立体声的72min全屏幕动画。

3) CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)

CD-ROM称为只读存储光盘，容量为650MB，主要用于存储音、视频信息及计算机数据。盘中信息由生产厂商刻录，用户只能读取，不可更改，也不能抹去。

4) CD-G(CompactDisc-Graphics)

CD-G称为激光图示唱片，或卡拉OK光盘。每张光盘中可存储1500～2000幅文字或静止图像，记录或重放60min的节目，如音乐、文字、图形、符号、静止画面和歌词字幕等多种信息。

5) CD-R(CompactDisc-Recordable)

CD-R称为可记录光盘，它可将音频、数据、文字等媒体信息一次写入到空白盘中，并可在激光唱机中多次播放，广泛应用于计算机及多媒体领域。

3．VCD光盘

VCD光盘是主要用于记录数字音频、视频信息的一种光盘，其直径为120mm，轨道间距为1.6μm，每张盘的存储容量为650MB。在VCD技术中，对数字图像与数字音频数据的压缩普遍采用MPEG-1标准。

VCD技术是在CD技术基础上发展起来的，其标准于1993年由Sony、Phillips、Panasonic和JVC联合制定，并在发展过程中出现了多种版本，不同版本间的性能规格也有一定的差距。

1) VCD1.1版本

VCD1.1版本是在卡拉OKCD标准基础上加上索引功能形成的，它利用MPEG-1压缩标准，在120mm光盘上记录74min的活动图像和立体声信号。

2) VCD2.0版本

VCD2.0版本与VCD1.1版本相比，增加了高清晰度静止图像播放功能、重放控制(PBC)功能和16位音频重放功能。

3) VCD3.0版本

VCD3.0版本在VCD2.0版本的基础上采用了超文本链接技术，能够对各种类型的信息进行线性和非线性链接，并提供直观的图形用户界面，同时还增加了程序处理能力，可进行简单的数学计算和游戏，并能够判断答案是否正确。

4) VCD6.0版本

VCD6.0版本的主要性能指标与VCD2.0版本的相同，但其播放时间约增加1倍，变为135min。另外，为提高图像质量，在图像压缩过程中，将每秒2帧图像增加到每秒6帧。

4．SVCD光盘

SVCD(SuperVideoCompactDisc)又称超级VCD，其标准由我国信息产业部联合国内VCD生产厂商制定。SVCD部分采用了MPEG-2的编、解码压缩标准，使图像清晰度可达到350线，具有4个独立的声音通道。

5．DVD光盘

DVD光盘视频信号采用MPEG-2压缩标准，图像的水平清晰度可超过500线，音频信号采用DolbyAC-3标准(也有MPEG-2音频标准)，可记录8种语言信号，显示两种语言字幕，具有5.1声道音频输出。DVD光盘有4种规格的结构，即单面单层、单面双层、双面单层、双面双层，容量分别为4.7GB、8.5GB、9.7GB、17GB。

6．EVD光盘

EVD(EnhancedVersatileDisc)，意为“增强型多媒体盘片系统”，也被称为“新一代多媒体高清晰视盘系统”，是中国自行研发、拥有自主知识产权的光盘和播放机工业标准，也是中国数字光盘领域的国家标准，极有可能作为VCD、DVD的升级换代产品。

EVD的视频编码格式为MPEG-2，支持的高清节目图像分辨率为1920 × 1080i和1280 × 720p，有效像素可达207万，是标准DVD清晰度的5倍，画面的屏幕比例为16∶9；音频采用EAC音频编码技术，对多声道节目，可播放AC-3格式的环绕声信号源，并且信号压缩上要比DVD格式小，并可提供EAC算法的6声道输出。EVD机可向下兼容市面上所有的DVD、VCD、CD、SVCD等。

7．BD与HDDVD光盘

BD(Blue-rayDisk)，意为蓝光光盘。该命名来自于其采用的激光波长为405纳米(nm)，刚好是光谱之中的蓝光。一个单层的蓝光光盘的容量为25GB或22GB，足够刻录一个长达4小时的高清晰电影。双层更可以达到46GB或54GB容量，足够刻录一个长达8小时的高清晰电影。而容量为100GB或200GB的，分别是4层及8层。BD是DVD下一代的标准之一，主导者为索尼与东芝，以索尼、松下、飞利浦为核心，又得到先锋、日立、三星、LG等巨头的鼎力支持。与蓝光相对的是HD-DVD阵营，原本东芝已经加入蓝光阵营，然而利益的分配以及相关技术特性诱使东芝断然退出该组织，转而联合NEC开发新技术AOD(AdvancedOpticalDisk)，并且得到DVD-Forum的鼎力支持，改名为HDDVD。由于蓝光DVD和当前的DVD格式不兼容，直接加大了厂商过渡到蓝光DVD生产环境的成本投入，因此大大延迟了蓝光成为下一代DVD标准的进程。由东芝和NEC联合推出的AOD技术相比于蓝色激光最大的优势就在于能够兼容当前的DVD，并且其生产难度相对较低。

HDDVD采用新开发的多层动态影像压缩和解码技术，其单面单层碟片的容量可达15GB，可储存4小时以上的1125线高清晰度(HD)的电视图像。此外，单面双层HDDVD可高达30GB，三层HDDVD碟片更可达到45GB的容量。

2.2光盘的结构与制作

2.2.1CD与VCD光盘

1. CD与VCD光盘结构

标准CD与VCD盘片的直径为120mm，厚度为1.2mm，结构如图2-1所示。对直径为120mm的光盘，从内向外依次是：直径为15mm的中心孔，用于刻录和播放光盘时定位；中心孔之外26～36mm之间为夹持区，用于固定光盘；再向外在46～50mm之间有一个导入区；导入区外，在50～116mm之间为信息区，用于存储用户所需要的主要数据信息；信息区外，在116～117mm之间为导出区；在117～120之间为光盘的边沿区。光盘的盘基一般为聚碳酸酯等透明塑料，利用激光将数字信号0、1刻录在盘基上，形成一系列凹坑和小岛，并由这些信息坑与岛组成信息的凹凸层面。在凹凸层面上蒸发一层铝反射膜，以便重放时反射激光束来拾取信息；在铝反射膜上再涂一层硬树脂材料的保护层，以保护信息层面上的坑与岛不受外界触摸的伤害。

光盘信息面的表面一般为银白色，镀有保护层，另一面为标志面，表面有保护层。音频、视频信号以连接螺旋状的一条条轨迹的形式记录在盘片上，轨迹中心间距为1.6μm，每张盘片大约有2万条轨迹。光盘重放时，节目是由内向外顺序播放的。图2-1CD与VCD光盘结构示意图

2．CD与VCD光盘的数据格式

无论是CD光盘上记录的未经压缩的音频信号，还是VCD光盘上记录的经压缩处理后的音频、视频信号，都是以二进制的方式存储在光盘上的，二进制中的“1”和“0”以反射层的“坑”和“岛”来表示。在CD/VCD光盘的反射层上，每次坑、岛的跳变处表示为1，不跳变处表示为0。光盘上的坑和岛由内向外螺旋延伸，每个坑的深度大约0.1μm，宽度约0.5～0.6μm，长度约0.83～3.1μm，相邻两圈坑、岛的宽度为1.6μm。根据信息内容，信息坑的长度和间隔是可变的，为了避免光盘信号出现连续为“1”或连续为“0”的情况而导致读写出错，信号在写入光盘前都要经过EFM调制，从而保证光盘上最小的信息坑长度为3T(T为1个信息码的长度，即一位信号所占用的时间)，最大为11T。

1) CD数据的记录格式

CD数据的记录采用帧结构格式，这是由于当CD光盘出现缺陷时，使信号长时间失落，或由于光盘抖动使数字信号偏移了一位，那么以后的重放信号都会由此出错而不能恢复正常。为此，在记录数字信号时，把连续的数字信号分割为相对独立的小数据字段，这样的字段称为帧，在帧与帧之间插入作为分割符的帧同步信号。这样即使由于某种原因使重放信号丢失或混乱，由于有帧同步信号的存在，则能使下一帧信号到来时被强制同步，使重放信号恢复正常。

CD数据的帧结构格式如图2-2所示。

CD中的一帧信号共588位，依据功能不同分为6段，依次排列顺序为：24位帧同步信号(同步码)，14位控制和显示信号(控制码)，12字节的音乐数据，4字节的CIRC纠错码，12字节的音乐数据，4字节的CIRC纠错码。另外在同步码、控制码之间以及音乐数据、纠错码的每两个字节之间共设有34个耦合码，每个耦合码由3位二进制数字组成，作为数据段或字节之间的分段连接标志。图2-2CD一帧信号的格式帧同步信号(24位)位于每帧之首，其作用有两个：一是代表一帧信号的起始位置，二是作为主轴电机伺服控制电路的比较信号，经伺服电路控制，使光盘的转速以恒线速度旋转。

控制和显示信号(14位)紧跟帧同步信号之后，占一个字符空间。此字符为8位数码，也称为子码信息，依次为P、Q、R、S、T、U、V、W，其中子码P的作用是迅速准确地找到节目的开始位置，方便检索和编辑；子码Q的作用是存放节目的时序信息、方便显示和检索等，如总的播放时间、单个信息符的播放时间、版本结构、总的音乐轨迹数等；R～W子码则用于存储图形和文字的信息。除了帧同步码、控制码、耦合码外，实际每帧中只有24字节(24 × 14位)用于传输音频信息。通常将98个帧组成一个播放段，又称为一个扇区，每一个扇区有98 × 24 = 2352字节的音频数码信息，一首歌曲就是由许多个这样的扇区组成的。重放时，依次从扇区各帧读出音频数码信息，先存储到缓冲存储器内形成流畅的数码流，再经数模变换、低通滤波形成模拟音频信号。

这样，若6个采样值为1帧，对频率为44.1kHz的采样信号，其帧频为44.1 ÷ 6 = 7.35kHz，位时钟频率为588 × 7.35kHz = 4.3218MHz。

2) VCD数据的记录格式

虽然VCD在调制方式、纠错编码方式、帧编码数据结构等方面与CD均采用相同的方式，但VCD光盘对音、视频数据信息的存放区域和方法与CD相比有了很大的改变，其目的是便于光学拾信头迅速找到某个扇区，具体实现方法如下：

(1)将原来每帧用于存放立体声音乐的24个字节进行统一安排，用于存放视频图像数据和音频数据。

(2)将视频图像数据和音频伴音数据采用打包(Pack)方式存放，打包后的每一个捆包中包含3个封包(Packet)，封包是传送数据的基本单位。由5个捆包(15个封包)构成一个扇区。在一个扇区中，14个封包用于存放视频图像数据，只有一个封包存放音频数据。

(3)为辨认各捆包中的封包，以便解码时识别，编码时在每一个封包前设有一定字节长度的“包头”(Header)，包头内容包括开始码、定时信息、内容指示等。数据封包中又分为多个层面，各层均有不同的标头以区别数据。除此之外，在VCD中对音频和视频数据均采用MPEG标准的压缩技术进行处理。VCD视盘机的主要任务就是将以MPEG-1标准压缩的存储在光盘中的音、视频信号还原成活动的图像和伴音。

3) DVD数据的记录格式

DVD不仅要兼容CD、VCD，而且其存储容量更大，对音频和视频的压缩比更高。在CD/VCD中，采用的是8～14位EFM调制技术，14位码间用3位结合码进行连接，以利于光盘的刻录；DVD光盘系统采用了改进型EFM调制技术，即8～16位EFMPlus方式，其结合码为1位，通过模式预读操作来减少数据的冗余度。

3．CD与VCD光盘的制作

1)母盘预制作

对于CD激光唱盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA格式；而对于VCD盘，把影视节目转换成VCD标准记录格式，此过程称为预处理。该工作通常是由软件完成的，这种软件称为转换软件，或者称为编码器。

2)母盘制作

CD/VCD母盘制作流程如图2-3所示。图2-3CD/VCD母盘制作流程母盘制作包括以下步骤：

(1)把符合CD-DA或者VCD标准格式的数据经过EFM(Eight-to-FourteenModulation，8—14调制)编码器变成串行数据流，把8位的数据变成14位的数据，再附加3位结合码，用来改善读/写信号的质量，这样8位的并行数据就转换成物理通道上17位的串行数据。

(2)把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻，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，激光调制器可看成一个控制开关。例如，数据“0”不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”让激光束通过，光敏电阻就曝光。这样在玻璃盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。

(3)对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。

(4)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，通过父盘作为电极，再以同样方法对其表面进行电镀处理，则剥离下来的称为母盘，然后由母盘制作出子盘，子盘就是压模。

3)大批量复制

CD与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，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。2.2.2DVD光盘

1. DVD光盘的结构

DVD光盘的规格与CD、VCD光盘一样，直径为120mm，厚度为1.2mm(由两片黏合而成)。在DVD中由于采用了MPEG-2压缩编码标准，其信息轨迹间距为0.74μm，信息面的深度为0.6μm，信息坑的最小长度仅0.4μm，因此其可录密度远大于CD和VCD光盘的。DVD光盘按单面/双面与单层/双层结构的各种组合，可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层等4种基本物理结构。单面单层(D-5)、单面双层(D-9)、双面单层(D-10)和双面双层(D-17)的容量分别为4.7GB、8.5GB、9.4GB和17GB，如图2-4所示。图2-4DVD光盘的结构与容量单面单层DVD光盘由一片空白基片和一片有一层数据记录层的基片黏合而成。无论是单层光盘还是双层光盘都由两片基片黏合而成，每片基片的厚度均为0.6mm，因此DVD盘的厚度为1.2mm。单面双层的DVD光盘总容量达8.54GB，可以储存大约播放241min的视频数据。双层盘的容量比单层盘的两倍稍小，这是因为激光束要“透过”半反射层读取上层的数据，而两层记录层的间距很小，仅为20～70μm。为减少两个层之间的干扰，两个层的最小光坑长度从0.4μm增加到0.44μm。为了补偿，参考扫描速度也要稍微快一点，需将3.49m/s(单层盘)提高到3.84m/s。较长的光坑，间隔更远些，能保证数据正确读取，而不易受抖晃影响。增加最小光坑长度意味着每圈的光坑数减少，结果导致每层的数据容量减少。

双面单层的DVD光盘是由厚0.6mm的两面各有一层记录层的基片黏合而成，总容量达9.4GB，可以储存大约播放266min的视频数据。读取双面盘上的数据有两种方法：

(1)在播放完盘上第一面的节目后，将盘片从播放机中取出，翻面后再放入播放机中继续播放第二面上的节目。

(2)在播放机中装两个读激光器，分别从盘的上、下两面读取数据，或者在播放机中只装一个读激光器，但在读完盘的第一面后可以自动地跳到盘片的另一面继续播放。如果采取后一种方案，则读完盘的第一面后不需要将盘取出翻面。但播放机需要有这种功能。

双面双层盘片由两片分别有两层记录层的片基黏合而成，总容量达17GB，可以储存播放482min的视频数据。生产这种盘片对生产工艺要求很高，这意味着生产成本较高。因此，除非有特殊需要，一般厂商不采用DVD-17格式。

2. DVD光盘与CD/VCD光盘的异同

对于CD、VCD、DVD光盘，其光盘都是以二进制数字信号的方式来记录信息的。这些信息在记录时，从内圈到外圈连接成螺旋状的轨迹，数据信号以凹坑形式刻录在光盘的信息层面上，形成一圈圈的信息纹迹。光盘上刻录的信息结构如图

2-5所示。

由图2-5可见，对CD/VCD光盘，其坑长为0.83～3.1μm，相邻轨迹的间距为1.6μm，它可利用波长为780nm的激光束拾取信息；对DVD光盘，其坑长为0.4～1.6μm，相邻轨迹的间距为0.74μm，利用波长为635/650nm的激光束拾取信息。图2-5DVD光盘的信息结构从外观上看，DVD光盘虽然与CD/VCD光盘相似，但两者之间有本质的差别。DVD盘片的厚度均为1.2mm，由两片0.6mm的盘片黏合而成，盘片的外形几何尺寸与CD相同，盘面直径120mm，内孔直径15mm，数据起始记录区直径46mm，记录区最大直径116mm。与CD相比，DVD的记录密度大大提高了。为了能实现高密度记录数据并准确读取，DVD采取了一系列措施。首先，DVD盘片的记录凹坑尺寸缩小，最小凹坑长度从CD的0.83μm缩小为0.4μm，凹坑轨迹间距从CD的1.6μm缩小为0.74μm；其次，采用较短波长(635/650nm)的激光头(CD为780nm)，且激光头物镜的数值孔径(NA开口系数)加大为0.6(CD为0.45)。这样可以将聚焦点的尺寸缩小，以便聚焦在更小的凹坑上。采用EFM+(8—16)数据调制方式及纠错能力强的RS-PC编码纠错方式，其纠错能力较CD的纠错能力强10倍，有助于降低纠错码与用户数据的比例，从而降低数据冗余度，增强了编码效率。

DVD机不但可以向下兼容CD、VCD、SVCD等激光视听产品，而且具有高品质的音像系统，表2-1为DVD与LD、VCD、SVCD的性能指标及相关技术的比较。

3.DVD原版盘的制作

DVD原版盘的制作系统结构如图2-6所示，也可分为母盘预制、母盘制作、批量生产3个阶段。图2-6DVD原版盘制作系统的结构

1)母盘预制

首先将模拟电视图像转换成数字图像，并对电视图像进行剪辑，增加字幕，对影视内容加各种标记代码，然后按照MPEG-2格式使用可变位速率编码技术对电视图像数据进行压缩。对伴音信号首先将模拟声音转换成数据声音，然后按照DolbyAC-3环绕声格式或者MPEG-2Audio格式对声音数据进行压缩。

对压缩处理后的图像数据和声音数据按照MPEG-2标准组合成单一数据流，该过程称为多路复合。

2)母盘制作

首先在经过研磨的玻璃盘上极薄地涂以感光剂(感光胶)，然后在它上面用激光束进行记录信号的刻录。将母盘刻录所用的信号加至光调制器，这样光调制器便根据录用信号控制激光束的通断，以便把光点照射在旋转的玻璃盘感光膜上。感光膜的曝光部位被专用的显影液溶解掉而成为坑。对其表面涂以导电剂后，再以它作为电极在感光膜上镀镍。将其剥离下来成为父版，以此父版作为电极，再以同样方式对其表面进行电镀，则剥离下来的称为母版，母版可作为复制时的压模来使用。

3)批量生产

DVD所用的树脂材料一般与CD/VCD所用的相同，都是聚碳酸酯塑料。将聚碳酸酯加热熔化之后注入到装有压模的模具中，填充完毕后经冷却即可完成视盘的成形。然后在成形的树脂盘的信号坑面上，以溅射工艺生成一层铝反射膜，在其上面还要涂一层保护膜。

若制作DVD双层盘，则需要在对半透明膜两侧的玻璃原盘刻录时取相反的旋转方向，并需要设法把粘结到一起时两层之间的互差控制在几微米至几十微米以内。

由此可见，DVD单面单层盘与CD/VCD盘的制作过程基本相同，所需要的制作设备也基本相同，差别是对制作设备的要求不同，除了需要提高VCD制作设备的精度才能满足DVD盘的制作之外，制作单面双层、双面单层、双面双层DVD还需要更加复杂的设备。

技能训练项目5光盘参数的测量与质量鉴别

【实训目的】

(1)熟悉常用光盘的基本结构与参数。

(2)掌握识别光盘质量的方法。

【实训设备和器件】

激光视盘机一台，不同规格、不同质量的CD、DVD光盘若干张，卡尺1把。【实训步骤与要求】

1.光盘几何尺寸的测量

利用游标卡尺或卡尺测量光盘参数，其中包括：光盘直径、厚度、中心孔直径