多媒体理论与应用 CH09 光碟媒体.ppt

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1、第九章 光碟媒體 9.1 光儲存媒體的演進1972年，荷蘭的飛利浦(Philips)公司首先發表利用光碟(CD：compact disk)媒體來儲存音樂的方法。1979年，飛利浦公司更提出了直徑11.5公分的光碟原型，並於1980年協同新力公司(SONY)共同訂定了音樂光碟(CD-DA：digital audio)的統一規格，從此人類的生活就開始進入光碟時代的新紀元。1984年底，全世界就已銷售超過100萬台的光碟播放機、與超過2000萬片的音樂光碟。1984年就有CD-ROM(read only memory)格式的提出。1986年，更由飛利浦、IBM、MicroSoft 等工業界代表於美國

2、加州的High Sierra Hotel and Casino共同研議了利用光碟來儲存電腦資料的檔案結構，這個協訂工業界稱之為High Sierra Format。1987，國際標準組織(ISO：International Standard Organization)終於開始制定正式規格，並決定採用 High Sierra Format 的協議修改為ISO 9660的CD ROM 格式。由於CD-ROM格式的定型，微軟等軟體公司才得以開發在不同電腦上使用的光碟機驅動程式，不久之後CD-ROM開始大量的運用於電腦上。1986年，飛利浦公司又提出另一個可以播放影片(video)與互動多媒體(如遊戲

3、)的光碟格式，稱為CD-I(CD-Interactive)，但由於CD-I格式並未被其他家電廠商所採用，僅有飛利浦公司獨家生產其播放機，且其光碟節目的製作也不多，因此並未廣泛的流行。1994年，由CD-I 格式衍生的Video-CD 格式終於確定，並廣範的被應用於家電及電腦；但礙於光碟容量的限制，Video-CD的影片格式只能採用解析度較低且畫質較差的MPEG-1影音格式。而後為了應付隨著高畫質與更優音質而來的龐大資料量，更高容量的光碟儲存技術便不斷的應運而生。1996年DVD(digital versatile disc)的規格終於正式被提出 在各種不同光碟格式陸續被訂定出來的過程中，可寫錄

4、式(recordable)光碟的技術也有突破性的進展。1989年規範可寫入式光碟的橙皮書(Orange Book)也正式定案，各種不同格式的光碟資料都可透過電腦燒錄到空白光碟片中。近年來由於雷射等相關技術的進步，可記錄光碟片正由目前的紅光雷射技術逐漸進步到高密度的藍光雷射技術；藍光雷射光碟片的容量比紅光雷射要高出610倍，主要應用於高畫質影音資料的儲存，市面上已可見到SONY、Philips、JVC 等廠商所生產的產品。目前已發展的藍光雷射光碟片主要有兩種規格：1.由日本的SONY、Hitachi、Matsushita、Pioneer、Sharp，韓國的LG、Samsung，荷蘭的Philip

5、s以及法國的Thomson等家電大廠，加上Apple、Dell等PC廠商共同推出的藍光光碟(BD：Blue-ray Disc)。2.由Toshiba及NEC共同制訂的Advanced Optical Disk(AOD)。9.2 光碟的基本格式 CD-DA 紅皮書 CD-DA(digital audio)為音樂光碟格式，又稱“紅皮書”(Red Book)，是由飛利浦和SONY兩家公司於1980年所共同制訂。紅皮書採用的聲音資料格式為PCM(pulse code modulation)。PCM是一種不壓縮的聲音採樣方式，而音樂光碟採用的是44.1KHz、16Bit、雙聲道(stereo)的取樣頻率

6、。一般電腦所使用的WAVE(*.wav)檔就是PCM格式；而市面上的燒錄軟體(如Nero等)在燒錄音樂光碟時，也多是以上述採樣頻率的WAVE檔為資料來源。依紅皮書的規定，光碟片的最小儲存單位為block(區塊)，或稱為Sector，每一個block可儲存2,352 bytes的資料；光碟機播放音樂的速度為每一秒75個blocks。同一張光碟最多只能有99個音樂資料軌(track)，每一軌即是一首歌；軌與軌之間有2秒(150 blocks)的資料間隔(gap)。音樂光碟格式為最早發展的光碟格式。CD-ROM 黃皮書 CD-ROM為資料光碟格式，又稱“黃皮書”(Yellow Book)。當音樂光碟

7、的格式被成功且廣範應用之後，飛利浦和SONY等公司更將此技術應用於電腦資料的儲存。為了讓CD-ROM的資料可以在不同的電腦平台上使用，因此建立一個跨平台的資料結構就顯得十分重要。此一共同的標準在1984年由國際標準組織 ISO(International Standard Organization)訂定，稱為 ISO 9660 規範，從此CD-ROM光碟便可以在不同電腦作業系統中使用。為了因應其他多媒體資料(音樂及影片)與電腦資料的交錯配置儲存、以及同步播放，以滿足多媒體光碟的需求與發展，軟體巨擘微軟(MicroSoft)也參與飛利浦和SONY的研發，並於1989年共同提出CD-ROM的延伸格

8、式(Extended Architecture)，簡稱為CD-ROM XA(XA：eXtended Architecture)。爾後發展出來的許多格式如CD-I、Video CD、遊戲光碟 等均為CD-ROM XA的再衍生格式 CD-I 綠皮書 CD-I為互動式影音光碟格式，又稱“綠皮書”(Green Book)，由飛利浦於1986年提出，主要仍採用CD-ROM XA 的特性，並加入聲音和影片的資料軌，以與電腦資料軌交錯配置。能夠播放CD-I 光碟的作業系統稱為CD-RTOS，但由於CD-I格式並未被Philips以外的家電廠商所採用，因此只流行於歐洲市場。也由於CD-I採用的MPEG-1影片

9、壓縮格式畫質比不上VHS之傳統錄影帶，因此並未在其主要市場 歐洲的客戶造成如CD-DA般的風行。但由於多媒體電腦的崛起，卻意外的造成了另一波新格式 Video CD 的盛行，一般人反而不清楚其實CD-I 的格式就是Video CD的前身。CD-R and MO Format 橙皮書 預錄式光碟開始流行之際，可寫錄式光碟的技術也有了重大的突破，因此規範可寫錄式光碟的“橙皮書”(Orange Book)就也應運而生，它規範了CD-R和MO(magnetooptical)等可錄式光碟片的規格。橙皮書Part I規範的是資料記錄到CD-MO的格式；Part II規範的是資料記錄到CD-R的格式。CD-

10、R 光碟片燒錄時的資料配置方式 在光碟片的資料記錄區域，最內圈稱為能量矯正區(PCA，power calibration area)，此區域為記錄燒錄機在燒錄過程中所使用的雷射光功率。下一個區域為程式記憶區(PMA，program memory area)，此區記錄了每一個資料軌的起點及終點位置。再往內圈則為資料記錄區，每一次的資料寫入都會產生一個Lead In 和 Lead Out 區域：Lead In 記錄每個檔案的起始位置；而在每次燒錄結束時都會產生Lead Out 區域，以記錄是否還要多次燒錄。Video CD 白皮書 Video-CD為影音光碟格式，又稱“白皮書”(hite Book

11、)。白皮書也稱做CD-I Bridge，此格式定義了讓CD-ROM XA、CD-I 等格式的光碟可以自動交換的環境；參與此格式的廠商除了飛利浦外，又多了SONY、JVC、Matsushita(Panasonic)等家電大廠。Video CD和CD-I有著相同的缺點(畫質比VHS錄影帶差)，因此在美國及歐洲主要先進國家並未大量流行，但它卻在亞洲地區國家(中國、日本、)等地區造成風潮。由於市場對於VCD播放機及影片光碟的需求量大增，因此Video CD播放機在推出後不數年間價格便急速的下降，成為許多家庭的標準配備，而Video CD光碟更成為所有影片公司發行的標準媒體，逐漸取代了錄影帶的市佔率。雖

12、然如此，MPEG-1的低畫質一直都還是威脅Video CD 發展的一大阻礙；不過在DVD光碟技術還沒成熟發展之前，Video CD 仍是影片光碟的最佳選擇。DVD (Digital Versatile Disc)DVD的規格是由一個稱為DVD論壇(DVD Forum)的國際組織所制訂，此組織集合幾個先進國家的研究機構、工業團體及相關產業代表，定期召開會議討論並制訂DVD相關產品的規格。1996年DVD Forum 正式提出DVD(Digital Versatile Disc)的規格，內容規範由Book A E總共分為五個部分：Book A：規範電腦資料儲存用途的DVD-ROM格式。Book B

13、：規範家庭使用的DVD-Video格式，這是DVD家族中最早問市、也是目前應用最廣的DVD格式，因此一般人若是提起DVD，幾乎就是指DVD-Video。Book C：規範下一代音樂光碟的DVD-Audio格式，其音質不再受限於音樂CD的44.1KHz採樣頻率，反之DVD-Audio的頻率最高可到192 KHz，聲音品質直追音響族視為無上至寶的傳統膠盤唱片，同時並可播放圖片或歌詞；但目前因播放機的價位仍偏高，且光碟來源亦不若CD-DA般普遍，所以還只能算是少數音響玩家的奢侈品。Book D：規範 DVD-R的規格。Book E：規範 DVD-RAM 的規格。DVD-Video仍是各種DVD應用中

14、最普及的產品，因此我們在此特別說明一下它的影音規格。影像部分採用的是MPEG-2的標準，取樣的Bit Rate可採用固定採樣頻率(CBR:constant bit rate)及變動採樣頻率(variable bit rate)，最高可採樣到9Mbps(bps:bits per second)；解析度也由VCD的352 240(NTSC)大幅提昇到720 480，因此在畫質上穫得了很大的改善。聲音部分可採用PCM、杜比AC3及DTS等格式，能支援到5.1、6.1、甚至7.1的環繞音效，因此亦能營造出相當理想的家庭電影院影音效果。9.3 發展中的新一代DVD光碟格式HD-DVD規格大戰 隨著數位廣

15、播時代的來臨，高畫質電視(HDTV：High Definition TV)將成為下一代電視機的主流，因此各種高畫質(High Definition)的影音格式正不斷地在發展與制訂中。由於DVD光碟仍是這一波新影音格式的儲存媒體，因此HD-DVD的規格也成為各家積極爭取出線的對象。前所述的BD和AOD兩大聯盟亦均為DVD Forum的成員，由於新世代DVD規格向來為廠商兵家必爭之地，長久以來一直由此兩大陣營在角逐出線機會，2003年DVD論壇一舉通過由NEC與Toshiba(AOD)提出的唯讀型HD-DVD規格以及HD-DVD在複寫式規格的應用，幾乎已經確定藍光DVD規格戰進入尾聲，也讓BD陣營

16、暫時屈居下風。HD-DVD有單面單層、儲存容量15GB，及單面雙層、儲存容量30GB兩種規格。跟現有DVD規格相較，目前的4.7GB DVD光碟可以儲存2小時、525條掃描線的SD(Standard Definition)畫質影片；而30GB的HD-DVD光碟則可儲存長達8小時、1,125條掃描線的HD(High Definition)高畫質影片，進步的程度顯而易見。DVDHDDVDDisctypeDVD-ROM(Read-Only)HDDVD-ROM(Read-Only)HDDVD-R(Recordable)HDDVD-Rewritable(Recordable)Discdiameter12

17、0mm120mm120mm120mmDiscstructure0.6mmx2substrates0.6mmx2substrates0.6mmx2substrates0.6mmx2substratesCapacity(Single-sided,single-layer)(Single-sided,dual-layer)4.7GB8.5GB15GB30GB15GB20GB32GB(Underdevelopment)Playbacktime*Recordingtime*4.7GB,SDresolution:132minutes8.5GB,SDresolution:238minutes15GB,HDr

18、esolution:over4hours30GB,HDresolution:over8hours15GB,HDresolution:over4hours20GB,HDresolution:over5.5hours32GB,HDresolution:over8.5hoursLaserWavelength650nm(redlaser)405nm(bluelaser)405nm(bluelaser)405nm(bluelaser)CompressiontechnologyMPEG-2MPEG-4AVC/VC-1/MPEG-2MPEG-4AVC/VC-1/MPEG-2MPEG-4AVC/VC-1/MP

19、EG-2Userbitrate11.08Mbps36.55Mbps36.55Mbps36.55MbpsTrackpitch0.74m0.40m0.40m0.34m HD-DVD的影音壓縮格式標準，共有三種格式獲得支持：Microsoft的VC-9、H.264與MPEG-2。VC-9或H.264標準，皆強調是具有高壓縮率的MPEG-4格式，讓原先容量的光碟片可容納更多的資料。紅光高解析度 DVD 光碟 紅光高解析度 DVD包括：EVD(Enhanced Versatile Disc,EVD)HDV(High Definition Video,HDV)HVD(High-Definition Ver

20、satile Disc,HVD)FVD(Forward Versatile Disc)等四種 EVD、HDV或是HVD，均為在影像處理的晶片組上進行功能提昇，以提高其解析度，其主要的碟機結構與傳統的DVD播放機並無太大的差異而在既有的紅光雷射技術的基礎上提昇高解析度，與當前全球光碟機產業發展的藍光雷射技術產業主流有其不同的方向 台灣工研院光電所所推出的FVD,在物理規格的容量方面單面單層由 DVD 的 4.7GB 增到 5.4GB6GB 而單面雙層或三層的容量可能提升到 11GB 或 15GB。在影音壓縮格式上採用微軟公司的 WMV-9 技術有別於目前 DVD光碟採用的 MPEG-2 技術，而

21、在防拷機制（copy protection）方面也有自創獨特的AES技術。以 FVD 的規格特性，以 FVD 碟片單面單層 5.4GB 容量將可容納 135 分鐘 1280720p 的高畫質節目，另以 FVD 碟片單面三層 15GB 將可容納 3 小時 19201080i 的高畫質節目。紅光高解析度 DVD光碟目前只有在中國大陸及台灣發展尚未穫得全球家電大廠如Philips,SONY 之青睞,未來會不會像SVCD的發展一樣被市場所淘汰,則尚待觀察 藍光光碟(Blue-ray Disc)藍光光碟(Blue-ray Disc)是新一代的光碟格式,由藍光光碟協會Blu-ray Disc Associ

22、ation(BDA)所提出,BDA 的成員包括了各國PC及家電大廠如Apple,Dell,Hitachi,HP,JVC,LG,Mitsubishi,Panasonic,Pioneer,Philips,Samsung,Sharp,Sony,TDK and Thomson 藍光光碟主要的功能是用來記錄及播放高畫質的影音資料(High Definition Video),及需要高容量儲存的電腦資料,一片單面的藍光光碟片有25GB的儲存容量,可儲存約 2小時的數位電視(HDTV)節目或13小時的普通電視節目(Standard Deinition TV),雙面的藍光光碟片有50GB的儲存容量.採用波長4

23、05nm的藍光雷射技術,較傳統的紅光雷射的650nm波長來的短,因此有較高密度的儲存密度.藍光光碟有以下三種格式 1.BD-ROM:唯讀式藍光光碟,應用於 軟體,遊戲光碟及電影的發行.2.BD-R :可記錄式藍光光碟,應用於高畫質 電視(HDTV)及PC資料的儲存3.BD-RW:可重複寫入式藍光光碟,應用於 高畫質電視(HDTV)及PC資料的儲存ParametersBD BD DVD DVD Capacity25GB 50GB 4.7GB 9.4GB Number of layers single-layer dual-layer single-layer dual-layer Laser w

24、avelength 405nm 405nm 650nm 650nm Numerical aperture(NA)0.85 0.85 0.60 0.60 Protection layer 0.1mm 0.1mm 0.6mm 0.6mm Data transfer rate 54.0Mbps 54.0Mbps 11.1Mbps 11.1Mbps Video compression MPEG-2MPEG-4 AVCVC-1MPEG-2MPEG-4 AVCVC-1MPEG-2 MPEG-2 CD光碟格式的資料的基本排列方式光碟格式的資料的基本排列方式:CD光碟片的最小儲存單位為Block(區塊)或稱為 Sector,每一個Block儲存2,352 bytes 的資料,光碟片容量為每一秒75個Blocks,以一張74分鐘的光碟片而言其可儲存的資料量為:2,352byte X 75 Blocks/秒秒 X 60 秒秒/分分 X 74 分分/光碟光碟=783,216,000 bytes/光碟光碟=747Mb/光碟光碟如儲存的資料為電腦的資料則每一個如儲存的資料為電腦的資料則每一個Block的真實資料需的真實資料需修正為修正為2048 bytes 各種光碟格式的基本資料排列方式