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多媒体应用设计师 培训教材_多媒体计算机系统常用硬件设备.doc
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多媒体计算机系统常用硬件设备
多媒体是利用计算机交互式综合技术和数字通信网技术处理文本、图形、图像、声音等多种媒体的一
门技术,多媒体技术主要包括超文本处理、声音处理、图像处理、大容量存储及多媒体通信等方面,将这
些技术集成到计算机系统中就称为多媒体计算机系统。多媒体计算机系统的任务就是要完成多媒体信息的
获取、存储、组织和合成,最后以用户所要求的形式表现出来。完成这些任务需要使用大量的多媒体硬件
设备,本章将详细介绍多媒体计算机系统在处理多媒体信息时常用的各种多媒体硬件设备。
一、光存储技术概述
信息存储器是计算机的重要组成部件。存储器的容量越大,表明它能容纳的信息也就越多。把信息存
入存储器或从存储器取出信息的速度越快,计算机处理信息的速度也就越高。多媒体计算机系统需要对文
本、图形、动画、声音、静态图像和视频图像等多种媒体进行数字化处理,对于多媒体信息来说,其最显
著的特点就是信息存在与表现具有多种形式,而且数据量十分巨大,特别是动态视频图像更加明显。即使
采用了压缩算法,所需的存储空间也十分浩大,传统的计算机存储设备在容量和存取速度上已无法满足多
媒体信息处理的要求。
自 20 世纪 70 年代人类发明激光以后,各国科学家就开始了高密度光学存储器的研究与开发,30 多年
来在光存储技术方面已取得了举世瞩目的成就,光盘存储器已成为衡量一台计算机是否具有多媒体功能的
重要标志。光盘存储器是指利用光学原理存取信息的存储器,其基本工作原理是利用激光改变一个存储单
元的性质,而性质状态的变化就可以表示存储的数据,识别性质状态的变化就可以读出存储的数据。由于
高能量激光束可以聚焦成 1μm 光斑,因而光存储技术比其他存储技术具有更高的存储容量。
(一)光盘存储器的特点与分类
1. 光盘存储器的特点
(1)存储密度高
存储密度是指记录介质单位长度或单位面积内所能存储的二进制位数,单位长度存储的二进制位数称
为位密度,单位面积存储的二进制位数称为面密度。光盘上存储一位二进制数只需要 1μm2,其位密度一
般可达到 1000bit/mm,面密度可达到 107~108bit/mm2。
(2)非接触读写方式
软盘存储器的磁头与盘面需要接触才能完成读写工作,因而盘面容易被磁头划伤,硬盘存储器的浮动
磁头虽与盘面不接触,但其距离小于亚微米数量级,盘面也存在划伤的危险。在光盘存储器中,信息的写
入与读出是通过聚焦激光束完成的,透镜与介质表面的距离在 1~2 mm,根本没有接触的可能性,所以光
盘和激光头的使用寿命都比较长。
(3)信息保存时间长
光盘的记录介质一般采用特殊材料,如 CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory)盘的盘基采用防
水、耐热聚碳酸酯塑料,WORM(Write Once Read Many)盘采用低熔点碲系抗氧化合金薄膜,用激光束
在记录介质上烧蚀出凹坑来记录信息。光盘不像磁盘或磁带因环境影响可能导致退磁,硬盘驱动器的使用
寿命多数在 5~10 年左右,而光盘信息的保存时间至少在 30 年以上,CD-ROM 盘的寿命预计在 100 年以上。
(4)盘面抗污染能力强
激光束可以穿过 1 mm 厚的透明层聚焦,所以各种光盘的盘面都加有透明保护层,使记录介质处于密
封状态,由于记录介质不与外界相接触,因而可以免受外界灰尘或其他有害物质的污染。
(5)价格低廉、使用方便
由于光盘可以大量复制,其价格相对较低,一张 CD-ROM 盘片可以存放 650MB 信息,相当于 400 张
3.5 英寸高密度软磁盘的存储容量,而且能像软磁盘那样随意在驱动器中装卸。随着光盘技术的发展,其
价格还在大幅度下降。
2.光盘存储器的分类
按照光盘性能的不同,光盘存储器主要分为以下几类:
(1)只读型光盘 CD-ROM
只读型光盘的主要技术来源于激光唱盘,可以存储 650MB 信息。CD-ROM 盘片上的信息是由生产厂
家预先写入的,用户只能读取盘片上的信息,而不能往盘片上写入信息。它主要用于存放固定不变的数据、
计算机软件或多媒体演示节目,如计算机辅助教学课件等。CD-ROM 光盘可以大量复制,而且成本非常低
廉。
(2)一次写入型光盘 WORM
一次写入型光盘类似于半导体 PROM 的读写功能,用户可以一次性写入信息。写入的信息将永久保存
在光盘上,以后可以任意多次读出,但写入后不能再修改,所以记录信息时一定要慎重。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,并引入了 DOS 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,在逻辑目录建立的同时,用户可以对其
中重要文件进行加密,特别适用于数字图像等文档信息的存储和检索。
(3)可擦除重写光盘(Rewrite、Erasable 或 E-R/W)
可擦除重写光盘像磁盘一样可以任意读写数据,不仅可以读出信息,而且可以擦除原存信息后进行重
写。根据可擦除重写光盘记录介质的读、写、擦原理来分类,主要有相变型光盘 PCD(Phase-Changed
Disk)和磁光型光盘 MOD(Magnetic Optical Disk)两种类型。
(4)照片光盘 Photo CD
照片光盘或图片光盘在平面设计、印刷和多媒体制作等领域有广泛的应用,照片光盘不仅可以在光驱
上使用,也可以在家用 VCD(Video Compact Disk)机上使用。Photo CD 又分为印刷照片光盘(Print CD)
和显示照片光盘(Portfolio CD)。印刷照片光盘专用于平面设计和印刷行业,显示照片光盘主要用于多媒
体制作。照片光盘除存放数字照片以外,也可以存放文本、图像或音频信息,因而在视听娱乐领域中也得
到广泛应用。照片光盘 Photo CD 中的每幅图像都可以采用五种不同图像分辨率表示,标准图像分辨率为
768×512,最大图像分辨率可以达到 3072×2048,其最大容量大约在 650MB 左右。Photo CD 的存储格式
可以是 TIFF、EPS 或 PCD 格式。TIFF 与 EPS 主要供印刷排版使用。PCD 格式则多用于图像处理,如
Photoshop 可直接读取 PCD 格式,而不必进行格式转换。
(二)光盘存储器的技术指标与国际标准规范
1.光盘存储器技术指标
光盘存储器的技术指标主要包括存储容量、平均存取时间、数据传输速率、误码率和平均无故障时间。
(1)存储容量
光盘存储器的存储容量有格式化容量与用户容量之分,格式化容量是指按一定的光盘标准格式化以后
的容量,对于不同的光盘标准,每扇区存放的字节数不同,采用不同的驱动程序也会使格式化容量不同。
用户容量是指盘片格式化以后容许用户对盘片读写的容量,因为校验、控制、检索等信息需要占用存储空
间,因而用户容量小于格式化容量。
(2)平均存取时间
光盘存储器的平均存取时间是指计算机向光盘驱动器发出命令,到光盘驱动器在光盘上找到读写信息
的位置所花费的时间。将光头沿径向移动全程 1/3 长度所需要的时间称为平均找道时间,盘片旋转一周所
需时间的一半称为平均等待时间,平均找道时间、平均等待时间再加上读写光头的稳定时间就是光盘的平
均存取时间。
(3)数据传输速率
数据传输速率通常是指光头定位以后,单位时间内从光盘的光道上读出的数据位数,与光盘的转速、
位密度和道密度密切相关。对于 CD-ROM 驱动器,最初推出的光盘驱动器的数据传输速率为 150KB/s,简
称单速光驱,后又推出二速 300KB/s、四速 600KB/s、八速 1200KB/s,直到目前的 48 速 7200KB/s 和 52
速 7800KB/s。
(4)误码率和平均无故障时间
由于光盘制作材料及目前技术水平的限制,从光盘上读出的数据不可能保证绝对正确。根据测定,一
张从未使用过的 CD-ROM 光盘的原始误码率为 3×10-4,有指纹污迹的光盘的原始误码率为 6×10-4,
而被轻微划伤的光盘的原始误码率为 5×10-3。通过在光道中插入错误检测码 EDC(Error Detection
Code)、错误校正码 ECC(Error Correction Code)和交叉隔行里德-所罗门码 CIRC(Cross Interleaved
Reed-Solomon Code)可将误码率降低到 10-16~10-12。此外,CD-ROM 光盘的平均无故障时间 MTBF
(Mean Time Between Failures)一般都可以达到 25000 小时以上。
2.光盘存储器国际标准规范
为了使不同生产厂家生产的光盘能够在遵循对应规范的光盘驱动器中使用,国际标准化组织 ISO
(International Standard Organization)对光盘的物理尺寸、转速、存储容量、数据传输速率、误码率、
编码方法和数据格式等多项技术参数作了详细的规定。这些技术规范为软件、硬件设计人员提供了详细的
技术说明,也是软件、硬件开发人员进行技术开发的依据。由于国际标准化组织在制定和采纳光盘标准规
范文件时,使用了不同颜色的封面,人们也就习惯以标准规范文件的封面颜色来区分不同的光盘标准。
(1)红皮书(Red Book)规范
红皮书是 CD 标准的第一个文件,即 CD-DA(CD-Digital Audio)激光数字音频光盘规范,发表于 1981
年。红皮书详细规定了 CD-DA 光盘的物理特性、数据编码和错误校正的格式。CD 系列的所有产品都建立
在红皮书规范之上,其后的各种光盘标准都是以红皮书规范为基础改进制定的。如 CD-V(CD-Video)和
CD-G(CD-Graphics)都采用了红皮书规范,CD-V 的视频信号可直接输入给电视机,CD-G 则用于存储卡
拉 OK 静止画面。(2)黄皮书(Yellow Book)规范 CD-ROM 开发人员 1985 年在 High Sierra 旅馆集会提
出了 CD-ROM 的基本标准,1988 年正式被国际标准化组织制定为 ISO 9660 规范,即人们常说的黄皮书规
范。ISO 9660 规范以红皮书为基础详细规定了 CD-ROM 数据存放和逻辑结构的格式,其核心思想是将光
盘上的数据以数据块的方式来组织,专用于存储计算机数据或软件。CD-ROM 扇区数据格式的定义分为
Mode 1 和 Mode 2 两种规范,Mode 1 主要用于存放对误码率要求较高的计算机软件或数据,Mode2 主要用
于存放对误码率要求不高的图像或声音数据。
(2)绿皮书(Green Book)规范
绿皮书是 1987 年为交互式光盘 CD-I(CD-Interactive)制定的技术标准。交互式光盘 CD-I 可将高质量
的静止图像、图形、动画、声音及文本以数字格式存放在 CD-ROM 光盘上。主要用于家庭娱乐交互式多
媒体播放系统,1992 年又推出了可以交互式播放动态视频的第二代 CD-I 规范。因黄皮书规范与绿皮书规
范采用不同的物理格式,所以标准 CD-ROM 驱动器不能读取交互式光盘 CD-I 的数据。
(3)蓝皮书(Blue Book)规范
蓝皮书规范是 1985 年为 CD-WORM 光盘制定的标准,CD-WORM 光盘容许用户一次性写入信息,写
入的信息将永久保存在光盘上,写入后可以多次读出,但不能再修改。由于蓝皮书规范与光盘的基本标准
红皮书规范在逻辑格式上完全不兼容,因而没有得到推广应用。蓝皮书规范目前已被橙皮书规范完全取代,
橙皮书规范已成为 CD-WORM 光盘的正式标准。
(4)橙皮书(Orange Book)规范
橙皮书规范是在黄皮书规范的基础上增加了在可录 CD 空白部分写入数据而改进的一种光盘标准。于
1989 年发表。橙皮书规范容许在 CD-R(Compact Disk Recordable)光盘的空白部分多次写入数据,直到
剩余空间用完为止,但不能擦除以前写入的数据。可录 CD 橙皮书规范分为两类:CD-MO(Compact Disk
Magnetic Optical Disk)和 CD-WO(Compact Disk Write Once),CD-MO 称为可重写磁光盘,CD-WO 就
是可录 CD-R 光盘。CD-R 光盘只容许用户写一次,一旦写错则不能修改,适合于小规模发行的 CD 制品,
橙皮书规范与红皮书规范的逻辑格式完全兼容。
(5)CD-ROM XA(Extended Architecture)规范
因标准 CD-ROM 驱动器不能读取交互式光盘 CD-I 格式的数据,1988 年由 Philips、Sony 和 Microsoft
公司共同制定了一种 CD-ROM 扩展结构。该规范基本兼容了交互式光盘 CD-I 数据格式,其目的是让
CD-ROM XA 驱动器能够读取 CD-I 格式的数据。CD-ROM XA 规范容许将视频、音频和文本交替地放置
在光盘的光道上,便于开发人员制作丰富多彩的多媒体节目。随后于 1992 年又制定了 CD-ROM XAⅡ规
范,对应于 ISO 9660Ⅱ规范。
(6)白皮书(White Book)规范
白皮书规范由绿皮书规范演化而来,是 1992 年针对 VCD(Video Compact Disk)光盘制定的标准,采
用 MPEG 压缩算法压缩音频与动态图像,目前 VCD 1.0 和 VCD 2.0 光盘节目均采用白皮书规范。VCD 光
盘能在 CD-I、CD-ROM XA 和 Video CD 播放机上正常播放。
常见光盘存储器的种类及其英文缩写如图 3-1 所示。图中 DVI(Digital Video Interactive)是 Intel 公司
制定的光盘标准,要求在 DVI 平台下使用。LV(Laser Vision)是激光视盘,盘上的电视信号与双声道音
频信号都是模拟信号,而不是数字信号。
二、 CD-ROM 盘片与数据结构
CD-ROM 光盘的全称是紧凑式只读存储器,用户只能从 CD-ROM 光盘上读取信息,而不能写入信息。
盘上的内容是由光盘生产厂商利用专用设备写入的,其上可以存储多媒体应用程序所需的文本、图形、动
画、声音、静态图像、视频图像等媒体。它是专门为存储计算机程序或数据而制定的一种大容量只读存储
器光盘标准。标准 CD-ROM 盘片采用了黄皮书规范,与 CD-DA 激光数字音频唱盘的物理尺寸一样,所使
用的技术也是相同的,都是用压模方法在塑料盘衬底上形成凹坑来构成螺旋形光道。但 CD-ROM 光盘每
个扇区中的数据结构、寻址方式和误码率与 CD-DA 激光数字音频盘不同,CD-DA 的误码率为 10-9,
CD-ROM 光盘的误码率要求低于 10-12 以下。黄皮书规范详细地描述了 CD-ROM 光盘的物理结构以及按
扇区寻址读出数据的方法。
标准 CD-ROM 盘片的直径为 120mm,中心定位孔直径为 15mm,盘片的厚度为 1.2mm,重量大约为 14
克左右,采用常线速 CLV(Constant Linear Velocity)伺服方式,逆时针旋转方向。盘片为单面只读光盘,
一面用来存储计算机程序或数据,另一面专门用来印制商标或光盘的安装与使用方法说明。标准 CD-ROM
盘片之所以制成单面盘,是因为双面盘的制作成本远高于两张单面盘的制作成本。
(一) CD-ROM 盘片的物理结构与数据存储
1.CD-ROM 盘片的物理结构
标准 CD-ROM 盘片由三层材料组成,衬底由透明的耐热、防水聚碳酸酯(Polycarbonate)塑料压制
而成。表示信息的凹坑就模压在聚碳酸酯衬底上,位于透明衬底之上的是铝反射层,当激光扫描光道上的
凹坑时,铝反射层能提高激光的反射率。在铝反射层上涂上漆就可以形成第三层保护层。
CD-ROM 盘片的光道与磁盘的磁道在形状上完全不同,磁盘上的磁道都是同心圆,不同磁道上的扇区
长度不同,数据按磁道和扇区存放。每条磁道上记录的数据量是相同的,因而靠近磁盘内圈磁道上的位密
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