多媒体计算机系统组成优质推荐课件.ppt
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1、第4章 多媒体计算机系统组成 n多媒体存储技术 n多媒体功能卡 n多媒体信息获取与显示设备 n多媒体个人计算机 nCD-I交互式多媒体系统 nDVI多媒体计算机系统 nVCD与DVD播放系统n多媒体工作站 4.1.1 多媒体信息存储的特点n多媒体信息存在和表现的形式n 正文 包括文字和数据n 向量图形 图元组成的图形n 位图图像n 数字化声音和高保真音响n 数字化视频n信息量大4.1多媒体存储技术4.1.2 光盘存储原理n光存储技术n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。n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。n光存储技术原理光存储技
2、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。n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,它们对应于存储二进制数据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。n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他存储技术有更高的容量。光盘系统的特点n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。n与磁带相比,具有容量大、随机存取性强的优点。n 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n容量 光盘盘片的容量n
3、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n数据传输率 n接口标准及格式规范等 存储容量n指它所能读写的光盘盘片的容量。n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。n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n是在光盘上找到需要读写的信息的位置所需要的时间。n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。n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:n一
4、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。n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。光盘的分类光盘的分类 nCD-ROM只读光盘 nWORM一次写多次读光盘 nRewritable可重写光盘 CD-ROMn最常用的光盘系统,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。nCD-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。nCD-ROM采用激光调制方式记录信息,将信息以凹坑和凸区的形式记录在螺旋形光道上。WORM一次写多次读光盘一次写
5、多次读光盘 nWORM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。n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。n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。n一旦写入就不能再更改。Rewritable可重写光盘可重写光盘n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读原理 n只读光盘上的信息是
6、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。n它既可以记录模拟信息(如Laser Vision系统),也可以记录数字信号(如CD-DA)。坑深0.12m0.6m1.6m在螺旋形光道上以凹坑和凸区表示的信息001000100000100 图4.1 只读光盘工作原理声音卡或音频卡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。外围总线诸如SCSI,是面向连续媒体的数据传输开发的。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”的个数是边缘之间长度决定的。(6)文件保护模块FPMIntel将系统外围逻辑电路集成为3个门阵列电路即82750H主机接口
7、门阵列,82750LV VRAM/SCSI/Capture门阵列,82750LA音频子系统接口门阵列。1981年制定红皮书,即CD-DA(Digital Audio)激光数字音频光盘的规范。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。SAW触摸屏在一片玻璃的每个角上装有两个发射器和两个接收器,一系列的声波反射器被嵌进玻璃中,沿着两面从顶至底穿过玻璃。效果处理单元实际上是图形库功能的集合。处理离散媒体信息标准处理器;与硬盘相比,具有可拆卸性;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-DA规范及格式1978年,SONY生产的影碟机正式投放市场,光盘的直径为3
8、0厘米,一片双面盘的播放时间可达2小时。电视摄象机由摄象镜头管、同步信号发生电路、偏转电路、放大电路、电源等部分组成。Book A:DVD-ROMCD-WO又称CD-R,这种盘一旦用户写入数据就不能抹掉。当触摸玻璃的某点就阻碍了脉冲能量通过那点反射到达接收机,于是从接收的脉冲信号中就见到一段缺口。(4)表面声波触摸屏VCD播放机的基本结构在光盘上记录模拟信息在光盘上记录模拟信息n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。在光盘上写在光盘上写
9、/读数字信息读数字信息n光道上凹坑或凸区的长度是0.3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”的个数是边缘之间长度决定的。n通过光学探测仪器产生光电检测信号,从而读出“0”、“1”数据。n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编码编码n为了提高读出数据可靠性,减少误读率,存储数据采用EFM(Eight to Fourteen Modulation)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
10、擦写原理可重写光盘的擦写原理n光盘记录方式可分为两大类:n磁光式n相变式 磁光式擦写原理磁光式擦写原理n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两种磁光写操作方法n居里点记录(稀土铁合金膜介质)n补偿点记录(稀土钴合金膜介质)磁光写的过程磁光写的过程n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。n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
11、反向磁化,这样该单元磁化方向与其他未照射单元方向相反,从而生产一个信息存储状态“1”,而其他未经照射单元相当于存储信息“0”。n信息擦去过程与写过程刚好相反,即恢复原来的磁化方向。相变式擦写原理相变式擦写原理n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)。n写过程是把记录介质的信息点从晶态转变为非晶态。n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。1.光盘发展历史光盘发展历史 n1972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。n19
12、78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。n1979年,Philips公司发表了激光唱机(compact disk player)。4.1.3 光盘标准光盘标准光盘的规范和标准光盘的规范和标准 nCD-DAnCD-ROMnCD-V(Video)n可录CDnCD-InCD-ROM XA nPhoto-CD nVideo CD CD-DA n1981年制定红皮书,即CD-DA(Digital Audio)激光数字音频光盘的规范。这个标准是CD的最基本标准。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
13、达2小时。接口标准及格式规范等显示任务,它将还原后的视频帧在计算机显示器上显示。CD-I光盘的数据格式CD-MO称为磁光盘,可重写;单面单层DVD盘能够存储4.VCD与DVD播放系统1 VCD播放系统1.效果处理单元实际上是图形库功能的集合。(2)主盘制作处理离散媒体信息标准处理器;另外,还要考虑图像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。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”的个数是边缘之间长度决定的。可录CD(recordable CD)盘的橙皮书标准。MPEG-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
14、DVD并于1995年完成标准化方案。可录CD分为两类,即CD-MO和CD-WO。2 DVI系统结构及其工作原理这个过程称为图像的采样,其中MN称为采样的分辨率,网格的亮度值即为采样值。CD-I音频处理器的组成相对于传统的工作站一般处理离散的媒体信息,多媒体工作站设计成为能同时处理离散和连续媒体信息的工作站系统。CD-ROM n1985年制定黄皮书,经修订,1988年正式作为国际标准ISO9660,1991年又推出了ISO 9660。CD-V(video)n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。可录可录CDn可录CD(recordable CD)盘的橙皮书标准。可录CD分为
15、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 n1987年制定绿皮书规范用于交互式多媒体CD-I系统中。n1992年推出第二代CD-I,可播放交互式视频图像。CD-ROM XA(extended architecture)n1988年,Philips、SONY及 Microsoft制定CD-ROM扩展结构,1991年又制定CD-ROM XA规范,对应于ISO9660。Photo-CDn像片光盘,1991年Philips和KODAK对外发布Photo-CD,1992年制定规范。用于存放数字化的静态照片。Video
16、 CD n1993年制定的白皮书规范,采用MPEG压缩算法压缩动态图像。它能使Video CD节目能够在CD-I、CD-ROM/XA和Video CD播放机上播放。2.CD-ROM的性能指标的性能指标(1)容量 约为650MB。(2)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(600 KB/S),48X等光驱。(3)存储缓冲器 早期为64KB,目前常用的为128 KB或256KB。(4)存取时间 200400ms(5)误码率 1/10121/1016,采用复杂的纠错编码技术降低了误码率。(6)体积光盘驱动器的大小一般为41mm(H)146mm(W)2
17、06mm(D)(7)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(mean time between failures)平均无故障时间约为25000小时左右。(9)兼容性 支持Photo-CD和CD-ROM XA。3.光盘的规范及格式光盘的规范及格式 nCD-DA规范及格式 nCD-ROM规范及格式 nCD-I光盘的数据格式 n激光视盘 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。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
18、用磁光材料。CD-ROM采用激光调制方式记录信息,将信息以凹坑和凸区的形式记录在螺旋形光道上。常角速(CAV)所谓多媒体个人机(MPC)就是具有多媒体处理功能的个人计算机。MIDI合成芯片;上层接口是处理器默认的字符集,下层接口是对8位PCM数据进行实时解码。周期处理任务调用队列集函数,并且用队列集函数从主机传送命令到主命令表或命令表数据流,这样就允许主机传送指令到82750PB像素处理器。(4)存取时间 200400msDVI型系统中,VRAM/SCSI/Capture门阵包括了一个SCSI接口,这个接口可用于支持单个CD-ROM驱动器,作为压缩编码视频和音频数据源。数据传输率有多种定义方式
19、: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。声音卡或音频卡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。另外,这些产品可支持多种图像文件格式。提供了一个合适的操作系统,也许仅有一个处理器也能根据面向离散数据和连续数据处理之间的要求进行共享。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。(7)内带的混声器芯片可以控制各种数字与模拟音量;DVI系统中采用了ADPCM算法把16位的采样数据编
20、码成4位码。除了CRT监视器,越来越多的终端使用彩色LCD技术。20 音频处理器子系统CD-DA规范及格式规范及格式 nCD-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(CLV)伺服方式,逆时针旋转。n其螺旋线光道上等长分段,每段称为一个扇区。每个扇区都存放定量数据块,并以特定的地址标记,其单位为“分”、“秒”、“扇区”,即1分=60秒,1秒=75扇区。n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。nCD-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。n一帧中每个通道有6个音频数据,有左右2
21、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。n错误的检测和校正采用的是CIRC(cross interleave reed-solomon code)码。图图4.2 CD-DA帧及扇区格式帧及扇区格式 C&D1B音频数据音频数据12B校验校验4B音频数据音频数据12B校验校验4B8位8位8位8位24位位3位位143 143143143帧帧0帧帧1帧帧2帧帧971扇区1帧同步位合并位33字节EFM调制588个通道位nCD-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
22、要在每个扇区中数据格式的不同。nCD-ROM光盘有两种格式:Mode1和Mode2。Mode1格式格式Mode2格式格式SYNC12BHEADER4BUSER DATA 2048BEDC 4BSPACE 8BECC276BSYNC12BHEADER 4BUSER DATA 2336B图图4.3 CD-ROM的的Mode1和和Mode2格式格式 Mode1和和Mode2格式相同之处格式相同之处 n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
23、,地址字段中设置了MODE字节,指明该扇区是哪种格式 Mode1和和Mode2格式不同之处格式不同之处n用户数据量不同。Model1为2048个字节,Mode2为2336个字节。n存储数据的类型不同。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、图像、图形等。nMode2的数据经过CIRC检验后的误码率为1/109,对声音、图像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。Mode1中的容错机制中的容错机制 n用了4个字节作为错误检测码(EDC),采用的循环冗余校验码
24、CRC,只能检测是否有错n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。n通过两级校验,Mode1中数据误码率可以降到1/1012。CD-ROM XA n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。n CD-ROM XA的数据格式(FORM1,FORM2)SYNC 12BHEADER 4BSUBHEADER 8BUSER DATA 2048BEDC 4 BECC 276BSYNC 12BHEADER 4BSUBHEADER 8BUSER DATA 2324BEDC4B图图4.4 CD-ROM X
25、A FORM1和和FORM2格式格式 nCD-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、CLUT、DYUV等)。n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。2 DVI系统结构及其工作原理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.SAW触摸屏在一片玻璃的每个角上装有两个发射器和
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