第四章多媒体计算机系统组成

第田章多城沐封售机?彼区成

■多媒体存储技术

■多媒体功能卡

■多媒体信息获取与显示设备

■多媒体个人计算机

■CD-I交互式多媒体系统

■DVI多媒体计算机系统

■VCD与DVD播放系统

■多媒体工作站

中4.1多媒体存储技术

4.L1多媒体信息存储的特点

■多媒体信息存在和表现形式的多样化

■正文包括文字和数据

■向量图形图元组成的图形

■位图图象

■数字化声音和高保真音响

■数字化视频

■多媒体信息量大

.大型磁带记录盘式磁带

■在1950年代，IBM最早把盘式磁带用在数据存储上。因为一卷磁带可

以代替1万张打孔纸卡，于是它马上获得了成功，成为直到80年代之前

最为普及的计算机存储设备。在80年代末的时候，大家都聚在一起看

老电影，当时看待巨大的圆盘来回转，这就是盘式磁带，现在磁带的

最大容量已经达到1TB。

最珍贵的回忆盒式录音磁带

■飞利浦公司在1963年发明的，可是直到1970年代才开始流行开来。

■一些计算机，如zxSpectrum,Commodore64和AmstradCPC使用它来

存储数据。一盘90分钟的录音磁带，在每一面（录音磁带是可以翻面）可

以存储700KB到1M的数据。现在的一张DVD9光盘，可以保存4500张这

样磁带的数据，如果现在要把这些数据全部读出来，那要整整播放281

天。

超长的存储设备—磁鼓

■一支磁鼓有12英寸长，一分钟可以转1万2千5百转。它在IBM650系列

计算机中被当成主存储器，每支可以保存1万个字符（不到10K）。

软盘

■软盘是个人计算机（PC）中作为一种可移贮存硬件，它是用于那些需要被物

理移动的小文件的理想选择。软盘有八寸、五又四分一寸、三寸半之分。当中

又分为硬磁区Hard-sectored及软磁区Soft-Sectored。软式磁盘驱动器则称FDD,

软盘片是覆盖磁性涂料的塑料片。

鼻祖—8英寸软盘

在60年代末70年代初期，IBM推出的全球第一台PC,是计算机业

里程碑似的革命性的飞跃。但是IBM的System370计算机面临这

样一个问题，就是这种计算机的操作指令存储在半导体内存中，

一旦计算机关机，指令便会被抹去。于是在1967年，IBM的

SanJose实验室的存储小组受命开发一种廉价的设备，为大型机

处理器和控制单元保存和传送微代码。这种设备成本必须在5美

元以下，以便易于更换，而且必须携带方便，于是软盘的研制之

路开始了。4年后又推出一种直径8英寸的表面涂有金属氧化物的

塑料质磁盘，发明者是艾伦・舒加特（AlanShugart,后离开IBM

创办了希捷Seagate公司），这就是我们常说的软盘标准“软盘”

的父辈，最大容量1.2MB。

5.25英寸软盘和餐巾

■8英寸的软盘虽然从技术原理上已经很接近现代软盘，但缺陷就

是体积过大，携带很不方便，于是5.25英寸的软盘诞生了。

-有关5.25英寸软盘发明的小故事，美国王安电脑公司当时打算发

布用于字处理的计算机，感到8英寸的软盘太大，于是开始与

ShugartAssociates公司合作生产小一点的磁盘。一天晚上，在波

士顿一家昏暗的酒吧中，他们最后一致同意采用某种尺寸的软盘,

这种尺寸就是餐桌上的一块鸡尾酒餐巾的尺寸，它的大小恰好是

5.25英寸。从此这种软盘成为电脑的最佳移动存储设备，容量也

达到360K。5.25英寸软盘一直持续到90年代，后来终于被另一种

体积更小、容量更大的产品替代了，那就是3.5英寸软盘，最大容

量1.2MB。

大行其道的3.5英寸软盘

5.25英寸软盘的缺点：比如软盘采用的外包装比较脆弱，容易损坏,

体积也比较大。

■1980年，索尼公司率先推出体积更小、容量更大的3.5英寸软驱和软

盘。刚推出的时候在当时并没有被一些主要PC厂家所接受，市面上

流行的依旧是5.25英寸的软盘。

■直至U1987年4月，IBM推出基于386的IBMPersonalSystem/2(PS/2)

个人电脑系列，正式配置了3.5英寸的软驱后，这才引起了很多人的

注意。大家都被这种体积更为小巧、容量却是5.25英寸软盘的几倍

的新软盘所吸引，从那时起，在IBM、康柏为代表的厂商极力推崇

下，这种3.5英寸的软盘开始大行其道，3.5寸软盘以其便宜的价格、

相对巨大的存储量(1.44M,百万级字节存储量)很快全面占领市

场，而3.5英寸软盘驱动器也开始正式取代5英寸的软驱成为PC的标

准配置，走向了它一生中最辉煌的时期。这一绝对的垄断地位持续

了十几年，一直到2002年，最大容量1.44MB。

第一张视频光盘—LD光盘

1958年就发明光盘技术了，可是直到1972年，第一张视频光盘才问

世，6年后的1978年它开始在市场上卖。那个时候的光盘是只读的,

虽然不能写，但是能够保存达到VHS录像机水准的视频，使得它很

有吸引力。

CD—全称：COMPACTDISC

l（激光唱片，光盘）

•CD代表小型镭射盘，是一个用于所有CD媒体格式的一般术语,最大

容量700MB。

■1982年8月31日傍晚，日本各大媒体都争相报导“引发音频之梦的

数字团ayer终于上市”、“数字音频时代开幕”等消息。原来，当

天SONY.CBS/SONY.荷兰飞利浦与POLYGRAM四家公司共同举

办了CD这个数字录音格式的发布会，并决定从秋季起开始在日本发

售。直径仅仅12cm,利用数字信号录音，只要一个按钮就可执行选

曲，能够半永久的使用，CD实现了许多乐迷的梦想。是年10月1日,

SONY推出了第一台CD机CDP-101。16万8,000日圆的价格，对一般

消费者而言是很难接受的。不过只要想到里面的技术与开发时间，

能做成商品的确是一个奇迹。进入1983年后，其它公司的CD机也相

继上市，销售形势一片大好。但是，大家看到了，由于网络下载、

mp3的出现，现在的CD也已经没落。

磁光盘一又叫MO光盘

■MO全称Magneto-OpticalDisk,即磁光盘的意思。1991年第一张M0

盘就已经开始发行，它具有体积小，不用安装驱动程序，容量大等

优点。但最终受到价格因素制约，没能在个人用户中普及开来。可

是凭着超高的安全性和稳定性，目前仍有不少科研、政府机构或是

苹果机使用比较多的广告公司仍在使用。最大容量可达9.1GB,普遍

应用于电子邮件存储，医疗图像传送与保存，声音记录，金融记录

存储。

,采用红外激光DVD光盘

-DVD是使用了不同激光技术的CD,它采用了625-650纳米的红外激光（标准

CD则采用780纳米的红色激光），这种激光技术使得DVD可以在同样的面积

中保存更多的数据。一张双层DVD容量可达8.5GB

先进存储——蓝光、HD-DVD

L随着高清发展，蓝光已被越来越多人

关注认识，蓝光（Blu-ray）或称蓝光

盘（Blu-rayDisc,缩写为BD）利用

波长较短（405nm）的蓝色激光读取

和写入数据，并因此而得名。而传统

DVD需要光头发出红色激光（波长为

650nm）来读取或写入数据，通常来

说波长越短的激光，能够在单位面积

上记录或读取更多的信息。因此，蓝

光极大地提高了光盘的存储容量，对

于光存储产品来说，蓝光提供了一个

跳跃式发展的机会，最大容量大约

50GBo

蓝光光盘不算什么300G全息光盘

nPhaseTechnologies公司量产并销售全息存储驱动器和300GB容量

的全息光盘(HVD),其中驱动器"TapestryHDS-300R”要价18000美

元，300GB容量的全息光盘也高达180美元。目前主要的客户是政府

机构和大型企业。

-全息光盘在存储数据时，从不同角度在包含数据的信号光上层叠参

照光，使之产生干涉，然后将干涉波记录在介质上。通过稍稍改变

参照光的角度来记录，就可以在同一位置层叠记录多个信号光。

■目前300GB容量的全息光盘，采用激光波长为407nm的蓝紫色激光,

所使用介质的记录层厚度为写入时的数据传输速度为

20MB/秒，使用寿命为50年。Pauierofth*Dimension

Invertth*Savinas■一"1

M一.-ofIntegration-^

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4T1ln~Phase在2005年4月就实现了200Gbit/平方英寸的存储密度，06年

初它们则宣布了，存储密度达到了515Gbit/平方英寸，容量可达

360GB全息光盘。这一存储密度已经远远超过了包含硬盘在内的现

所有存储媒体（目前实验室里硬盘单碟最高为345Gbit/平方英寸）。

-根据InPhase给出的设想图，全息光盘的容量将在2010年将提高到

1.6TB,同时将写入速度提升至120MB/S.

■2007年1月全息驱动器和光盘已经投入OEM生产，目前已投放市场。

目前由于价格昂贵，目前的用户只有一些政府机构和大型企业，其

中包括美国地质调查局、洛克希德•马丁、时代华纳旗下的Turner

Broadcasting等等，而德意志银行、欧洲航天局、西门子医疗、大众

汽车等也都有意向采用这种新技术。

■全息光盘的一些主要用途：高清晰度的视频、重要数据、医疗档案

和大型数据库存档。

双光子3D技术—12cm光盘存储1TB

双光子3D技术使用一特别“near-field^^透镜和“three-

dimensionally”萤光媒介技术。能够在L2mm厚的光盘片上记录上百

层，让DVD光盘大小的媒体达到全息一样的存储密度。

■目前，双光子吸收技术能够实现50倍于蓝光、400倍于DVD的容量，但是在

未来Call/Recall的光学技术不光能够实现1TB、5TB甚至15TB。Cdll/Recall公

司总裁WayneYamamoto^,“商业和企业必须存放和处理相当大的数据,

并且需要定时维护和管理这些数据，Cdll/RecM光盘比磁带机更具有管理和

维护的优势。”泡泡网PCPOP.COM

吸收以后的光盘变成浅蓝色

泡泡网PCPORCOM

4.1.2光盘存储原理

存储器分类：

■内存储器一一由只读存储器、随机存储

器和高速缓存组成。

■外存储器——数字式磁记录设备（如磁

盘、磁带），模拟式磁记录设备（如录

日用、求保审）

4.1.2光盘存储原理

・光存储技术

・光存储技术的产品化形式是由光盘驱动器

和光盘片组成的光盘驱动系统。

■驱动器读写头是用半导体激光器和光路系

统组成的光头，记录介质采用磁光材料。

■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。（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。

>------------------

光盘系统的特点

■与硬盘相比，具有可拆卸性;容量相当；驱动

器较贵，但盘片便宜;读写速度慢。

■与磁带相比，具有容量大、随机存取性强的

优点。

■激光头与介质无接触，不受环境影响而退磁,

信息保存时间长，可达30年以上。

光盘系统技术指标

■容量光盘盘片的容量

■平均存取时间在光盘上找到需要读写

信息的位置所需时间

■数据传输率：

■接口标准及格式规范等

存储容量

■指它所能读写的光盘盘片的容量。

■光盘容量又分为格式化容量和用户容量，

采用不同的格式和不同驱动器，光盘格式化

后容量不同。

■一般用户容量比格式化容量要少，因为光盘

还需要存放有关控制、校验等信息。

平均存取时间

平均存取时间=平均寻道时间+平均等待时间+读写光头的稳定时间

■是在光盘上找到需要读写的信息的位置所需要的时

间。

■指从计算机向光盘驱动器发出命令，到光盘驱动器

可以接受读写命令为止的时间。

■一般取光头沿半径移动全程1/3长度所需要的时间

为平均寻道时间，盘片旋转一周的一半时间为平均

等待时间，两者加上读写光头稳定时间就是平均存

取时间。

数据传输率有多种定义方式。

■一种是指从光盘驱动器送出的数据率,可以定

义为单位时间内光盘的光道上传送的数据比

特数，这与光盘转速、存储密度有关。

■另一种定义是指控制器与主机间的传输率，它

与接口规范、控制器内的缓冲器大小有关。

光盘的分类一按照读写功能分

■CD-ROM只读光盘

■WORM一次写多次读光盘

■Rewritable可重写光盘

CD-ROM

■第一代光盘系统，直径约12cm,因为它容量大，

约650MB,价格便宜，市场上颇受用户的欢迎。

■CD-ROM光盘是由母盘压模制成的，一旦复制成

形，永久不变，用户只能读出信息。

■CD-ROM工作特点采用激光调制方式记录信息，

将信息以凹坑和凸区形式记录在螺旋形光道上。

>------------------

WORM一次写多次读光盘

■WORM光盘在使用前首先要进行格式化，形成格

式化信息区和逻辑目录区，利用激光照射介质，使

介质变异，利用激光不同的变化,使其产生一连串

排列的“点”，从而完成写的过程。

■WORM光盘引入文件分配表的概念，在光盘的根

目录下面是用户定义的逻辑目录,逻辑目录对应文

件管理区。

■在逻辑目录建立同时，用户可以根据需要,对其中

重要数据进行加密。

■一旦写入就不能再更改。

Rewritable可重写光盘

■可重写光盘或称可擦写光盘是最理想的光盘类

型，也是最有应用前途的光盘类型。它像硬盘

一样可读写，利用浮动磁光头在磁光盘上进行

磁场调制，可进行高速重写磁光记录。

只读光盘读原理

■只读光盘上的信息是沿着盘面螺旋形状的

信息轨道以凹坑和凸区的形式记录的。

■它既可以记录模拟信息（如LaserVision系

统），也可以记录数字信号（如CD-DA）。

在螺旋形光道上以凹坑和凸区表示的信息

>------------------

在光盘上记录模拟信息

■模拟信号先进行频率调制(FM),声音信号加在

经过频率调制的视频信号上，所得到的综合信

号经过双向限幅，再转换成光盘上长度不等的

凹坑和凸区，边缘之间的长度反映了视频信号

频率的高低和声音信号的频率和幅度。

Wi--------------------

在光盘上写/读数字信息

■光道上凹坑或凸区的长度是0.28微米的整数倍。

凹凸交界的正负跳变沿均代表数字“1”，两个边

缘之间代表数字“0”，“0”的个数是边缘之间的

长度决定的。

■通过光学探测仪器产生光电检测信号，从而读出

“0”、“1”数据。

■数字信号记录的优点是抗干扰能力强，由于盘片

损坏或变脏而造成的读出错误也容易得到纠正。

EFM编码

■为了提高读出数据可靠性，减少误读率，存储数

据采用EFM(EighttoFourteenModulation)编码，

即将1字节的8位编码为14位的光轨道位,并在

每14位之间插入3位“合并位”以确保“1”码

间至少有2个“0”码，但最多有10个“0”码。

可重写光盘的擦写原理

■光盘记录方式可分为两大类:

■磁光式

■相变式

>-------------------

磁光式擦写原理

■当前国际上较流行的是磁光式，该盘普遍采用

玻璃盘基上再加四层膜结构组成，它是以稀

土一过渡金属非晶体垂直磁化膜作为记录介质

光学膜和保护膜的多层夹心结构。

■两种磁光写操作方法一一居里点记录（稀土一

铁合金膜介质）和补偿点记录（稀土一钻合金膜

介质）

磁光写的过程

■用激光照射光盘垂直膜面磁化方向上的磁化物质，

并对其垂直磁化。

■利用磁性物质居里点热磁效应,在某一方向饱和式磁

化用激光对需要存储信息“1”的单元区域加热，使

其温度超过居里点，失去磁性。在盘的另一面上施加

一个外磁场,使被照单元反向磁化，这样该单元磁化方

向与其它未照射单元方向相反,从而生产一个信息存

储状态“1”，而其它未经照射单元相当于存储信息

“0”。

■信息擦去过程与写过程刚好相反，即恢复原来的磁

化方向。

相变式擦写原理

■利用记录介质的两个稳态之间的互逆相结构的

变化来实现信息的记录和擦除。两种稳态是反

射率高的晶态和反射率低的非晶态（玻璃态）O

■写过程是把记录介质的信息点从晶态转变为非

晶态。

■擦过程是写过程的逆过程，即把激光束照射的

信息点从非晶态恢复到晶态。

4.1.3光盘标准

光盘发展历史

■1972年9月5日Philips公司向国际新闻界展示

了长时间播放电视节目的光盘系统，在光盘上

记录的是模拟电视信号(LaserVision)。

■1978年，SONY生产的影碟机正式投放市场，

光盘的直径为30厘米,一片双面盘的播放时间

可达2小时。

■1979年，Philips公司发表了激光唱机

(CompactDiskPlayer)。

光盘的规范和标准

■CD-DA

■CD-ROM

■CD-V(Video)

■可录CD

■CD-I

■CD-ROMXA(ExtendedArchitecture)

■Photo-CD

■VideoCD

CD-DA

■1981年制定红皮书(RedBook),即CD-DA

(DigitalAudio)激光数字音频光盘的规范。这

个标准是CD的最基本标准。

CD-ROM

■1985年制定黄皮书(YellowBook),经修订,

1988年正式作为国际标准ISO9660,1991年

又推出了ISO9660no

CD-V(Video)

■从红皮书发展而来,在影碟机上使用，视频信息

可以输出到电视机。

>-----------------

可录CD

■可录CD(RecordableCompactDisk)盘的橙

皮书(OrangeBook)标准。可录CD分为两类,

即CD-MO和CD-WO。CD-MO称为磁光盘，可

重写；CD-WO又称CD-R,这种盘一旦用户写

入数据就不能抹掉。

CD-I

■1987年制定绿皮书(GreenBook)规范用

于交互式多媒体CD-I系统中。

■1992年推出第二代CD-I,可播放交互式

视频图象。

CD-ROMXA(ExtendedArchitecture)

■1988年，Philips、SONY及Microsoft制定

CD-ROM扩展结构，1991年又制定CD-ROM

XAU规范，对应于ISO9660U。

Photo-CD

■像片光盘，1991年Philips和KODAK对夕卜

发布Photo-CD,1992年制定规范。用于存

放数字化的静态照片。

VideoCD

■1993年制定的白皮书(WhiteBook)规范，采用

MPEG压缩算法压缩动态图象。它能使Video

CD节目能够在CD-I、CD-ROM/XA和Video

CD播放机上播放。

CD-ROM的性能指标

⑴容量约为650MB。

⑵数据传送速率最初推出为150KB/S,称为

单速，后又推出倍速(300KB/S),四速(6。0

KB/S),・・・，48X等光驱。

⑶存储缓冲器早期为64KB,目前常用的为

128KB或256KB。

>-----------------

(4)存取时间200〜400ms

⑸误码率1/1。12〜1/1016,采用复杂的纠错

编码技术降低了误码率。

⑹体积光盘驱动器的大小一般为41mm(H)X

146mm(W)X206mm(D)

⑺接口采用SCSI接口、IDE接口和AT总线接

口。接口可以集成在音频板、视频板或主机板

上，也可以是一块单独的板。

(8)MTBF(MeanTimeBetweenFailures)平

均无故障时间约为25000小时左右。

⑼兼容性支持Photo-CD和CD-ROMXAO

光盘的规范及格式

■CD-DA规范及格式

■CD-ROM规范及格式

■CD-I光盘的数据格式

■激光视盘

,CD-DA规范及格式

.CD-DA即激光唱盘，光盘的物理规格为直径

12cm，内径1.5cm,厚度0.12cm,重量14克。

这种光盘常采用常线速(ConstLinear

Velocity,CLV)伺服方式，逆时针旋转。

■其螺旋线光道上等长分段，每段称为一个扇区。

每个扇区都存放一定量数据块,并以一个特定

的地址标记淇单位为“分”、“秒”、“扇

区”，即1分=60秒」秒=75扇区。

■光道总长度为74分，即可存放74分钟高音质非

压缩的音频信号。

■CD-DA每个扇区的音频数据分为许多称为帧

的单元，每帧共有33个字节。

■一帧中每个通道有6个音频数据，有左右2个通

道，每个通道的样本值是16位的数据，共24

个字节。一帧中有8个校验字节和1个“控制与

显示(C&D)”字节。

■错误的检测和校正采用的是CIRC(Cross

InterleaveReed-SolomonCode)码。

《扇区的结构图

C&D音频数校验音频数校验

1B据12B4B据12B4B

/

A8位8位8位•••8位33字节

同步位3

[位////EFM调制

24位3位143143143■■■143588个

通道位

■］巾^___________________________________-，

帧。帧工帧2■■■帧97

1扇区

]CD-ROM规范及格式

■CD-ROM同样是把光轨道分为等长的扇区，使用

分、秒、扇区的数据编址方法，采用常线速伺

服方式。它与CD-DA的不同主要在每个扇区中

数据格式的不同。

■CD-ROM光盘有两种格式:Model和Mode2。

■Model格式

SYNCHEADERUSEREDCSPACEECC

12B4BDATA4B8B276B

2048B

■Mode2格式

SYNCHEADERUSERDATA

12B4B2336B

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。Modell为2048个字节,Mode2为

2336个字节。

■存贮数据的类型不同。Model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的要求,则应对

Model的数据作进一步校验。

Model中的容错机制

■用了4个字节作为错误检测码(EDC),采用的

循环冗余校验码CRC,只能检测是否有错

■用276个字节作为错误校正码(ECC),可以校

正扇区中多个字节错误。

■通过两级校验，Model中数据误码率可以降

到1/1012。

扩展结构CD-ROMXA

■它所定义格式包括与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-ROMXA的数据格式(FORM15FORM2)

SYNCHEADERSUBHEADERUSEREDCECC

12B4B8BDATA4B276B

2048B

SYNCHEADERSUBHEADERUSERDATAEDC4B

12B4B8B2324B

■CD-ROMXA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、CLUT、DYUV等）。

■这样CD-ROMXA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自适应差分脉冲编码调

制压缩的音频数据。

CD-ROM卷和文件结构

■卷和文件结构由逻辑块（512X2「字节）和逻辑

扇区（2048'2口字节卜记录、文件、卷、卷集

等多级结构定义。

■由于CD-ROM驱动器的平均寻道时间较长，

为了能高速检索CD-ROM光盘上文件，ISO为

CD-ROM光盘的文件目录结构规定了路径表

CD-ROM目录结构和路径表

CD-I光盘的数据格式

「CD-I光盘的数据格式是从CD-DA和CD-ROM光盘

格式演变而来的

■其扇区格式与CD-ROMXA相同，它有三个区：导

入区(Lead-inArea),节目区(ProgramArea)和导出

区(Lead-outArea)。

■CD盘上的信息均采用EFM记录方式进行记录。

由于光盘原始误码率较高,所以都采用能纠突发

错误的CIRC码。

■CD-I光盘的导入区是由若干个空扇区组成的，这

样做的目的是使识别节目区变得容易。

■CD-I光盘可以有多到99条光道，编号为1〜99。

■CD-I光盘的导出区或者是空扇区（最后一条光

道是CD-I光道时）或者是无声的帧（最后一条光道

是CD-DA光道）

_________________C（_________________

\导入区节日区导出区,

$、

光道1光道九

"W99

CD-I光盘的结构

■只有CD-I光道的CD-I盘结构

节目区

导入区166信息扇盘标记2250信息CD-I数据导出区

区扇区

光道1

■有CD-I和CD-DA光道的CD-I盘结构

节目区

◄---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------►

导入区166B信盘标记2250信CD-I数2250信CD-DA导出区

息扇区息扇区据息扇区

尢胆17c胆n

tD-DA（n<=98）■

■含有CD-DA光道的CD-I光盘，第一条光道必须是CD-I光道;

且任一条CD-I光盘上的CD-DA光道必须在CD-I光道之后。

■一片CD-I光盘上的CD-DA光道可以有一条或多条CD-DA

光道,但最多不超过98条。而一条光道的长度可以是300个

扇区（相当于4秒）和325000个扇区（相当于最长的超级HiFi

播放72分钟）之间的数。

■CD-I光盘的导出区或者是空扇区（最后一条光

道是CD-I光道时）或者是无声的帧（最后一条光

道是CD-DA光道）

斗一

■CD-I盘上的所有数据都以文件形式存放，任何一

个文件都可以通过盘上的路径表取出。

■每个文件都有文件描述符记录，存放于文件目录

中。文件描述符记录包含有文件名、文件号、文

件大小、地址、拥有者、属性、交叉存取因子、

读取许可权。

■文件分为目录文件、实时文件和标准文件。

■CD-I的数据以两种专门的数据格式F0RM1和

F0RM2记录。如光盘标号上的数据是用F0RM1

记录，因为它有EDC和ECC码，CD-I系统利用它

们可以获得误码率小于1/1数据。

,激光视盘

■激光视盘也是一种只读光盘，家用激光视盘又

称为影碟机，是独立的视频播放设备，与音响设

备和电视机（监视器）相连就可以播放视盘。

■计算机可以通过外设接口与视盘播放机相连,

视盘在多媒体应用形式主要是“交互式视盘”，

由改算机来控制视盘的播放、视频帧的寻址和

显示。

■视盘与前述的几种光盘原理结构一样

■视盘的型号大-12英寸，小-12CM

■视盘有两种信息记录格式

常线速(CLV)

常角速(CAV)

>--------------------

CLV型视盘

■扇区长度为常数,以紧凑形式存放信息，每盘可以

存放60分钟的视频信号。

■当驱动器从内圈到外圈读盘时，由于内圈和外圈

存放的信息量不同，所以转速也不同。在内圈可

达到每分钟1800转,在外圈轨道每分钟约600转。

CAV型视盘

■以类似于磁盘的方式划分扇区，扇区长度从内圈到

外圈逐渐增加，每盘仅可存放30分钟的视频信号。

■优点是驱动器读盘时，从内圈到外圈，转速一致，对

NTSC制式,CAV视盘转速为每分钟1800转对

PAL制式，CAV视盘转速为每分钟1500转。

■这种信息存放格式有利于单帧访问、搜索、帧序

列的随机访问等功能，适合于多媒体平台。

]VideoCD标准

■VideoCD标准是90年代流行的视频光盘标准，它

描述一个使用CD格式和MPEG-1标准的数字电

视播放系统。

■VideoCD定义了MPEG光道的结构，它由MPEG-

Video扇区和MPEG-Audio扇区组成。光道上的

Video（电视图象）和Audio（声音）是按MPEG-1的

规定进行编码。

■MPEG-Video扇区和MPEG-Audio扇区是交错存

放在光道上。

VideoCD结构

・・.VVVVAVVVVVAVVVVVAVV•・・

VideoCD光道结构

信息包开始码SCR（系统MUX速率信息包数据

4B参考时钟）3B2312B

5B

MPEGVideo扇区的一般结构

信息包开始码SCR（系统MUX速率信息包00

4B参考时钟）3B20B

5B2292B

MPEGAudio扇区的一般结构

CD-ROM光盘制作过程

(1)数据准备

⑵主盘制作

⑶复制光盘

电阻涂层

激光记录

金属、II化学冲冼

、压模

(SON)

CD-ROM光盘制作过程

q,DVD光盘

品PEG-2的视频质量是广播级质量，为解决其MPEG-2

数据存储问题，研制了DVD并于1995年完成标准化

方案。

■DVD盘片尺寸与CD相同，容量最高的双层双面盘可

达17GB。单面单层DVD盘能够存储4.7GB的数据，存

储133分钟的MPEG-2视频，其分辨率与现在电视相

同，并配备DolbyAC-3/MPEG-2音频质量的声音和不

同语言的字幕。

DVD光盘

■DVD系列标准与CD系列标准对应关系

DVD系歹ljCD系歹U

BookA：DVD-ROMCD-ROM

BookB：DVD-VideoVideoCD

BookC：DVD-AudioCD-Audio

BookD：DVD-RecordableCD-R

BookE：DVD-RAMCD-MO

DVD光盘

D-Video的规格

■数据传输率可变速率，平均速率为4.69Mbps,最大

速率10.7Mbps

■图象压缩标准MPEG-2标准

■声音标准

NTSC:DolbyAC-3或LPCM,可选用MPEG-2Audio

PAL/SECAM:MPEGMUSICAM5.1或LPCM,

可选用DolbyAC-3

■通道数多达8个声音通道和32个字幕通道

DVD光盘

外观和尺寸上看,DVD盘和CD-ROM盘没

什么差别，直径均为120mm，厚度为1.2mm;

DVD播放机能够播放已有的CD激光唱片和

VCDo

■DVD光道之间的间距由原来的l.6|LLm缩小到0.74pm,

而记录信息的最小凹坑凸区长度由原来的0.83即缩

小到0.Wm,这是DVD盘存储容量提高到4.7GB的主

要原因。

■DVD信号的调制方式和错误校正方法也做了相应的

修正以适合高密度的需要，它采用效率较高的8比特

到16比特+(EFMPLUS)调制方式,DVD校验系统采用

更可靠的RS-PC(ReedSolomonProductCode)o

■DVD播放机也采用波长更短(由780nm减小至

635/650nm)的激光源来提高聚焦激光束的精度。

网络存储

维连式存储DAS将接口存储设备通过

SCSI接口或光纤信道直接连接到一台计算机

上。

■适用场合——地理上分散、互联困难，存储

系统必须直接连接到应用服务器上等场景。

■缺点：

存储共享受限；

系统负担重，不利于CPU指令周期的优化。

昂络连接存储(NAS)——将存储设备通过

标准的网络拓扑结构，连接到一群计算机上。

(网络上共享存储)

■NAS产品包括存储器件和集成在一起的简易

服务器，可用于实现涉及文件存取与管理的

所有功能。

■集成在NAS设备中的简易服务器可以将有关

存储的功能与服务器执行的其他功能分隔开,

从而改善了数据的可用性。

NAS产品是真正的即插即用产品，物理位置灵活，能够

提高文件服务的速度，降低网络主机的负担，简化安装，降

低购买和维护成本，以及在不间断网络运行的情况下增加或

设置存储。

简单、易用、支持多平台，具有很好的开放性和扩充特

性，对于用户保护数据资源和充分利用投资、获得较高的性

价比是非常有效的。

■缺点：

不能解决备份中带宽消耗；

将存储事务由并行SCSI连接转移到了网络上。

「存储区域网络SAN——用在服务器和存储资

源之间的、专用的、高性能的网络体系，为

了实现大量原始数据的传输而进行了专门的

优化。

■SAN的市场主要集中在高端的、企业级的存

储应用上，这些应用对于性能、冗余度和可

接入性有很高的要求。

「存储区域网络SAN的应用

数据共享

存储共享

数据备份

灾难恢复

SAN与NAS对比

■SAN是以数据为中心的；而NAS以网络为中心。

-SAN具有高带宽块状数据传输的优势；而NAS

更适合文件系统级别上的数据访问。

■用户可以部署SAN运行关键应用，如数据库、

备份等，以进行数据的集中存取和管理；而

NAS支持若干客户端之间或服务器与客户端之

间的文件共享，所以可以使用NAS作为日常办

公中需要经常交换小文件的地方，如文件服务

器、存储网页等。

>4.2多媒体功能卡

包括视频信号捕捉、压缩、处理、播放的视频

卡，音频卡,VGA与TV的转换卡,图形加速卡,

SCSI接口卡，光盘接口卡等。

■通过这些功能卡将计算机与各种外部设备相连,

构成一个制作和播出多媒体系统的工作环境。

■具有代表性的多媒体功能卡：声音卡、视频卡

■声卡(SoundCard)也叫音频卡(港台称之为

声效卡)：声卡是多媒体技术中最基本的组

成部分，是实现声波/数字信号相互转换的

一种硬件。声卡的基本功能是把来自话筒、

磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出

到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设

备，或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器

发出美妙的声音。

多媒体计算机中处理活动图像的适配器称

为视频卡。视频卡可分为视频采集卡、视频压缩

卡、视频解压卡和视频转换卡等。

■视频采集(VideoCapture)卡是可以对模拟视

频信号进行采集、量化和编码的设备。视频采集

卡是将模拟摄像机、录像机、LD视盘机、电视机

输出的视频信号等输出的视频数据或者视频直频

的混合数据输入电脑，并转换成电脑可辨别的数

字数据，存储在电脑中，成为可编辑处理的视频

数据文件。

■视频压缩卡就是把模拟信号或是数字信号通解码、编码按

一定算法把信号采集到硬盘里或是直接刻录成光盘，因

它经压缩所以它的容量较小，格式灵活(MP&-1\MREG-

2\MPEG-4\WMV\RM…)，常见的压缩卡的有硬件压缩卡,

它的压缩比一般不超过1:6,软件压缩卡就不同了，它的

压缩比由软件而定几比几就没有标准了，压缩一般有帧

内压缩和帧间压缩.

硬件压缩卡的优点就是不需占要PC资源,故较低

配置的PC机也可以采集出好质量的视频文(VCD/DVD),

软件压缩就不同了，它需要有较高的PC配置，硬件压缩

卡的性能和价格都要比软件压缩卡高。

■视频解压卡——视频播放卡（电影卡），将压

缩保存在计算机中的视频信号数据在计算机的显

示器上播放出来的设备。

■电视转换卡——分为电视卡和TV编码器。

1.电视卡将标准的NTSC、PAL、SECAM电视信号转换

成VGA信号，在计算机屏幕上显示。带有一个高频头，

可将计算机变成一台电视，收看不同频道的电视节目。

2.TV编码器是将VGA信号转换为标准的NTSC、PAL、

SECAM电视信号，在电视上播放或进行录像。

4.2.1声音卡

■声音卡或音频卡(Audi。Card)是处理音频信号的

计算机插件，它是普通计算机向MPC升级一种重

要部件。目前作为微机必备功能集成在主板上.

■MPC所用声音卡由专用DSP芯片管理声音的输

入输出和MIDI操作。音频数据是8位或16位的

PCM数据或压缩格式ADPCM数据。

■声霸卡(SoundBlaster,SB)及其特点

(1)立体声或单声道声音采样(ADC)和重放(DAC);

(2)采样速率从4KHz到44KHz程序可调；

⑶功能强大的FM音乐合成芯片(128种音色)；

(4)MIDI接口和游戏杆端口；

⑸CD-ROM驱动器及接口；

(6)可选择多种声源(麦克风、CD唱机、线路输入)；

(7)内带的混声器芯片可以控制各种数字与模拟音量;

⑻音箱输出接口有功放功能。

另外，随SB系列卡还带有丰富的软件，主要是：

（1）声音编辑（录制、播放、修改声音）；

⑵文本到声音转换（读文本）；

（3）多媒体制作（制作多媒体演示系统）;

（4）调频电子琴（变成一台功能齐全的电子琴）；

⑸乐曲文件播放（MIDI和CMF两种乐曲文件）;

（6）软件开发工具（供二次开发使用）o

■音频卡主要由下列部件组成：

MIDI输入/输出；

MIDI合成芯片；

带有脉冲编码调制电路的数模转换器;

压缩芯片；

语音合成器；

语音识别电路；

音频输出或线输出的输出电路等。

4图4.11音频卡的结构框图

图4.12数字化声音的获取与处理流程

4.2.2视频卡

MPC视频处理芯片可分为两类：

■一是专用固定功能的芯片，这类芯片主要围绕数

据压缩标准JPEG,MPEG等开发的；

■二是可编程的多媒体处理器，如Intel750系列，

TI公司的TMS320系列高效可编程多媒体处理器

以及Philips和Sony共同开发的CD-I等产品。

]C-Cube公司的视频卡

■第一个把JPEG算法集成在一块芯片上。

■CL550芯片

■CL450芯片

.CL550简介

■cL550用了40多万只晶体管集成了JPEG压缩编码

所需的DCT7逆向DCT单元、量化器、可变长编码

器等单元。

■压缩率可以通过修改量化表和VLC表的内容来改

变。当执行JPEG的有损压缩算法时，可按不同的

图象质量、存储器容量、带宽等应用环境来设置

不同的压缩比。

■压缩比可以从8:1到100:1之间任意选择。

■CL550专用芯片上还提供有数字视频接口和直接

与系统总线相连的接口,视频接口支持8位灰度、

RGB、CMYK及YUV数字信号的输入和输出。

&CL550框图

压缩时的数据流方向

CL550编码过程

m象象素数据经象素总线接口（PBi）输入到

CL550处理器。

PBI功能：

1.以行扫描为顺序的视频数据到以8*8像素点阵为顺序

的JPEG格式数据转换；

2.视频数据的格式化；

3.YUV至RGB彩色空间的转换；

4.图像有效处理区域的控制。

F字化的数值在输入到缓冲单元块存储后，以独立分量的形

式存储。

-每个分量的8X8象素点阵数据DCT首先由单元处理，之后

DCT系数矩阵根据用户编程选择的量化表，由量化单元进

行量化处理。

■在CL550器件内部的量化矩阵存储区中，可同时存储4个64字

长的量化系数矩阵，分别适用于不同的彩色分量。

-量化后的矩阵被Z形扫描顺序扫描处理,对直流系数(DC)和

交流系数AC分别表示,而后再同时对DC和AC两部分共同完

成哈夫曼编码查表处理。

■哈夫曼编码的结果最终作为JPEG压缩后的数据传送到主机

总线接口(HBI),成为最终的处理结果。

&CL550解码过程

■图象解码过程与编码过程相反,JPEG标准格式的压

缩数据输入到哈夫曼解码单元解码,又返回FIFO区

域等待进行下一步处理。

■游程编码解码单元从FIFO区域中读出解码后的数据，

生成交流系数AC值,并进行Z形扫描生成8X8点阵格

式。而生成的DC值另做处理。

-然后进行逆量化和逆DCT,处理的结果输入到输出缓

冲区中，而后象素总线接口取出这里的视频象素数据,

按照一定的视频同步时序,输出到象素数据总线,供

显示设备使用。

特点

■利用其内部的320阶流水线处理结构，将JPEG算

法的每一操作运算都分解安排到流水线的每一

阶中。

■CL550-30处理器可以工作在29.41MHz的时钟

频率,这就使得流水线处理可以在每秒内完成

109次运算,这样的处理速度应用于JPEG算法时,

每秒可压缩14.7M图象象素点。

■CL550-10每秒也可压缩5M图象象素数据，

CL550-35每秒可压缩17.5M图象象素数据

C-Cube公司基于CL550推出静态图象压缩板系列产品

■可运行基本环境包括80386（33MHz主频）CPU,ISA

或EISA总线结构，VGA显示卡（8位、16位或24位），

Windows3.1094MBRAM,50MB以上硬盘。

■另外，这些产品可支持多种图象文件格式。

■许多公司围绕CL-550设计各种图象板以满足多媒

体系统的应用,如多媒体信息系统，图象处理，扫描

仪，数字摄象机，电视电话，彩色传真等

CL450

C-Cube公司推出CL450系列产品及CL680解码器。

■CL450包括RISC处理器、Huffinan解码器、

DRAM控制器、视频显示控制器等单元,三条总

线是主机总线、DRAM总线、象素总线。

■CL450完全遵从MPEG标准,能实现RGB和YUV

格式的相互转换,支持NTSC和PAL制式,能完成

SIF分辨率(352X240,30Hz或352X288,25Hz)的

实时解码,并支持视频和音频的同步,可全部或部

分显示解码后图象。

$CL450解码器框图

主机接口

■CL450通过执行宏码完成高层次功能。宏码由

C-Cube和硬件提供，并且把它作为产品一部分。

在CL450完全操作之前，宏码必须由软件装入

CL-450中，C-Cube公司提供的源码供用户在其

目标系统中修改和编译。

■应用程序可用两种方式操作CL450,它们是寄存

器操作方式和宏命令操作方式。CL450产品主

要面向低成本应用，例如CD-I系统、视频游戏、

交互式多媒体系统、交互式电视等。

।2.视频采集卡

■视频采集卡将视频信号连续转换为计算机存储的数

字视频数据，其典型产品如Creative公司的视霸卡,

它是具有良好性能的视频处理卡。

12.视频采集卡

■其工作原理如下：视频信号源、摄像机、录像机

或激光视盘的信号首先经A/D变换，通过多制式数

字解码器得到YUV数据，然后由视频窗口控制器

对其进行剪裁，改变比例后存入帧存储器。帧存储

器的内容走窗口控制器的控制下，与VGA同步信

号或视频编码器的同步信号同步，再送到D/A变换

器变成模拟RGB信号，同时送到数字式视频编码器

进行视频编码，最后输出到VGA监视器及电视或

录像机。

■(1)A/D变换和数字解码；

■(2)窗口控制器；

■(3)帧存储器系统；

■(4)数模变换和距阵变换；

■(5)视频信号和VGA信号的叠加；

■(6)数字式多制式视频信号编码部分。

视频采集卡结构框图

VGA同步信号TV同步

SAA7199VGA输入

到TV或VCR从VGA板输入

VGA的特性连接多路开关

RGB

数据J一Video同步

CVBS

8■RGBI

0YUVYUVC0—►

4数据98

8PCVideo09

<VRAM6寸VGA

C82C9001A4<一»输出一'

LSAA7191SyncAdd地址<c

Lshl

—►

6着拟开关

Z0彩色键联控制

8.

<

CIH

L

L到VGA监视器

SAA7I97ISA总线

SVHSY

SVHSC

窗口控制器的逻辑框图

总线控制

系统地址系统数据

4.3多媒体信息获取与显示设备

■多媒体计算机必须配置必要的外部设备来完成

多媒体信息获取和显示的功能

■常见有鼠标、光笔、扫描仪、摄像机、触摸屏、

彩色显示器、打印机等设备。

4.3.1图像获取设备

-数字化图像获取设备常见的有扫描仪

(Scanner)>数字照相机(DigitalCamera)

等静态图像获取设备和摄像机等视频图像

获取设备。

■图象数字化

■自然景物成象后的图象信息以照片或视频记录介

质形成保存,这些图象必须数字化成计算机能处

理的数字化信息,才能被多媒体计算机处理。

■对于照片和视频图象来说，不管是从图象信息的

空间分布和亮度（颜色）分布都是连续的,这些连续

的信息量必须离散化，离散化的过程即数字化处

理过程，它应该包括空间位置的离散和亮度电平

的离散化。

■步骤：采样，量化，模数变换

空间采样

■一幅图象在二维方向上分成MXN个网格,

每个网格用一个亮度值来表示该区域亮度，

这样一幅图象就离散化为MXN个亮度值

来表示。

■这个过程称为图象的采样，其中MXN称为

采样的分辨率，网格的亮度值即为采样值。

图像的采样

N

•••

M

空间采样的分类

■一维采样用扫描方式（如传真、扫描仪等）把二维图

象转化为一维随时间变化的信号。这样得到的一

维行扫描信号经采样实现图象数字化。

■二维采样是固体摄象器件采用的通用方法，它把光

电转换和采样功能结合起来。固体摄象器件由

MXN个光敏元件构成,每个光敏元件对应一个采

样点,MXN个光敏元件构成MXN个采样点o

>------------------

量化

■所谓量化就是把连续的亮度值分为K个区间，每个

区间上对应着一个亮度I。落于区间i中的任何亮

度值都以亮度值I1表示，共有K个不同亮度值。

■按照量化区间划分方法，量化可分为均匀量化和非

均匀量化。

4—

模数变换

■实现上述量化过程称为模数变换，这个过程一般

采用PCM量化器来实现,PCM量化是均匀量化。

■非均匀量化一方面可利用PCM量化的结果，根据

信号特性处理为非均匀量化的数据;另一方面也

可以利用专门的非均匀量化器来实现。

■另外要考虑图象数据采样过程中产生的失真和

噪声，包括叠加噪声、孔径效应及插入噪声等。

0图象扫描仪

■80年代中期出现的光机电一体化高科技产品。

■基本原理是将反映图象特征的光信号转换成计算机

可接受的电信号。

■工作过程-CCD,光电转换

■图象扫描仪是最常用的静态图象输入设备

■它往往配置大量的管理和控制扫描过程软件及文字

识别、排版、图文数据库等软件，使扫描仪提供很强

图文信息获取能力。

■另外，扫描仪还提供设置扫描区域、分辨率、亮度、

图象深度等参数,扫描后图象还可进一步处理

图象扫描仪的种类

■平板式

■手持式

■滚动式

电视摄像机

■电视摄象机由摄象镜头、摄像管、同步信号发生

电路、偏转电路、放大电路、电源等部分组成。

■来自被摄物体的光通过光学系统在摄象管的靶上

形成光学图象，这个光学图象经摄象管转换成电

信号，以视频信号方式输出被摄图象。

■彩色图象摄取重要的是分离出三基色信号，利用

滤色片、分色镜或棱镜等把光分解成三基色

■最近新产品不用电子管作光电转换，用电荷耦合

器件CCD等固态摄象器件，这种器件具有体积小、

重量轻、省电、寿命长、可靠性高等优点。

»4.3.2显示设备

■多媒体计算机系统中信息显示的设备主要有PC机

的显示系统。包括两部分:显示器，显示适配器。

■显示适配器由寄存器、视频存储器和控制电路三

部分组成，其中视频存储器包括显示帧缓存RAM

和存放BIOS的ROM。显示适配器可以是一块插

入PC总线的扩展卡或集成在主板上。

■显示器与显示适配器相配。主要有两类