多媒體技術(shù)原理及應(yīng)用 2

1、第3章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)組成,多媒體存儲技術(shù) 多媒體功能卡 多媒體信息獲取與顯示設(shè)備 多媒體個人計算機(jī) CD-I交互式多媒體系統(tǒng) DVI多媒體計算機(jī)系統(tǒng) VCD與DVD播放系統(tǒng)多媒體工作站,3.1多媒體存儲技術(shù),3.1.1 多媒體信息存儲的特點,多媒體信息存在和表現(xiàn)的形式 正文 包括文字和數(shù)據(jù) 向量圖形 圖元組成的圖形 位圖圖像 數(shù)字化聲音和高保真音響 數(shù)字化視頻,3.1.2 光盤存儲原理,光存儲技術(shù)光存

2、儲技術(shù)的產(chǎn)品化形式是由光盤驅(qū)動器和光盤片組成的光盤驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動器讀寫頭是用半導(dǎo)體激光器和光路系統(tǒng)組成的光頭，記錄介質(zhì)采用磁光材料。,,光存儲技術(shù)原理 改變一個存儲單元的性質(zhì)，使其性質(zhì)的變化反映出被存儲的數(shù)據(jù)； 識別這種性質(zhì)的變化，就可以讀出存儲數(shù)據(jù)。光存儲單元的性質(zhì)，例如反射率、反射光極化方向等均可以改變，它們對應(yīng)著存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)0(不變)、1(改變)，光電檢測器能夠通過檢測出光強和光極性的變化來識別信息。高能量激光束可以

3、聚焦成約1微米的光斑，因此光存儲技術(shù)比其他存儲技術(shù)有更高的容量。,,光盤系統(tǒng)的特點與硬盤相比，具有可拆卸性； 容量相當(dāng)； 驅(qū)動器較貴，但盤片便宜； 讀寫速度慢。與磁帶相比，具有容量大、隨機(jī)存取性強的優(yōu)點。 激光頭與介質(zhì)無接觸，不受環(huán)境影響而退磁，信息保存時間長，可達(dá)30年以上。,,光盤系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)容量 光盤盤片的容量平均存取時間 在光盤上找到需要讀寫信息的位置所需時間數(shù)據(jù)傳輸率 接口標(biāo)準(zhǔn)及格式規(guī)范等,,存儲容量指它

4、所能讀寫的光盤盤片的容量。光盤容量又分為格式化容量和用戶容量，采用不同的格式和不同驅(qū)動器，光盤格式化后容量不同。一般用戶容量比格式化容量要少，因為光盤還需要存放有關(guān)控制、校驗等信息。,,平均存取時間是在光盤上找到需要讀寫的信息的位置所需要的時間。指從計算機(jī)向光盤驅(qū)動器發(fā)出命令，到光盤驅(qū)動器可以接受讀寫命令為止的時間。一般取光頭沿半徑移動全程1/3長度所需要的時間為平均尋道時間，盤片旋轉(zhuǎn)一周的一半時間為平均等待時間，兩者加上讀寫

5、光頭穩(wěn)定時間就是平均存取時間。,,數(shù)據(jù)傳輸率有多種定義方式。一種是指從光盤驅(qū)動器送出的數(shù)據(jù)率，可以定義為單位時間內(nèi)光盤的光道上傳送的數(shù)據(jù)比特數(shù)，這與光盤轉(zhuǎn)速、存儲密度有關(guān)。另一種定義是指控制器與主機(jī)間的傳輸率，它與接口規(guī)范、控制器內(nèi)的緩沖器大小有關(guān)。,光盤的分類,CD-ROM只讀光盤 WORM一次寫多次讀光盤 Rewritable可重寫光盤,,CD-ROM最常用的光盤系統(tǒng)，直徑約12cm，因為它容量大，約650MB，價格便

6、宜，市場上頗受用戶的歡迎。CD-ROM光盤是由母盤壓模制成的，一旦復(fù)制成形，永久不變，用戶只能讀出信息。CD-ROM采用激光調(diào)制方式記錄信息，將信息以凹坑和凸區(qū)的形式記錄在螺旋形光道上。,,WORM一次寫多次讀光盤 WORM光盤在使用前首先要進(jìn)行格式化，形成格式化信息區(qū)和邏輯目錄區(qū)，利用激光照射介質(zhì)，使介質(zhì)變異，利用激光不同的變化，使其產(chǎn)生一連串排列的“點”，從而完成寫的過程。引入文件分配表的概念，在光盤的根目錄下面是用戶定

7、義的邏輯目錄，邏輯目錄對應(yīng)文件管理區(qū)。在邏輯目錄建立同時，用戶可以根據(jù)需要，對其中重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。一旦寫入就不能再更改。,,Rewritable可重寫光盤可重寫光盤或稱可擦寫光盤是最理想的光盤類型，也是最有應(yīng)用前途的光盤類型。它像硬盤一樣可讀寫，利用浮動磁光頭在磁光盤上進(jìn)行磁場調(diào)制，可進(jìn)行高速重寫磁光記錄。,只讀光盤讀原理,只讀光盤上的信息是沿著盤面螺旋形狀的信息軌道以凹坑和凸區(qū)的形式記錄的。它既可以記錄模擬信息(如Lase

8、r Vision系統(tǒng))，也可以記錄數(shù)字信號(如CD-DA)。,,,,,,,坑深0.12μm,0.6μm,1.6μm,,,在螺旋形光道上以凹坑和凸區(qū)表示的信息,,,,,,,,,001000100000100,,圖3.1 只讀光盤工作原理,在光盤上記錄模擬信息模擬信號先進(jìn)行頻率調(diào)制(FM)，聲音信號加在經(jīng)過頻率調(diào)制的視頻信號上，所得到的綜合信號經(jīng)過雙向限幅，再轉(zhuǎn)換成光盤上長度不等的凹坑和凸區(qū)，邊緣之間的長度反映了視頻信號頻率的高低和聲音信

9、號的頻率和幅度。,,,在光盤上寫/讀數(shù)字信息光道上凹坑或凸區(qū)的長度是0.3微米的整數(shù)倍。凹凸交界的正負(fù)跳變沿均代表數(shù)字“1”，兩個邊緣之間代表數(shù)字“0”，“0”的個數(shù)是邊緣之間長度決定的。通過光學(xué)探測儀器產(chǎn)生光電檢測信號，從而讀出“0”、“1”數(shù)據(jù)。數(shù)字信號記錄的優(yōu)點是抗干擾能力強，由于盤片損壞或變臟而造成的讀出錯誤也容易得到糾正。,,EFM編碼為了提高讀出數(shù)據(jù)可靠性，減少誤讀率，存儲數(shù)據(jù)采用EFM(Eight to Fourt

10、een Modulation)編碼，即將1字節(jié)的8位編碼為14位的光軌道位，并在每14位之間插入3位“合并位” 以確?！?”碼間至少有2個“0”碼，但最多有10個“0”碼。,可重寫光盤的擦寫原理,光盤記錄方式可分為兩大類：磁光式相變式,,磁光式擦寫原理當(dāng)前國際上較流行的是磁光式，該盤普遍采用玻璃盤基上再加四層膜結(jié)構(gòu)組成，它是以稀土—過渡金屬非晶體垂直磁化膜作為記錄介質(zhì)光學(xué)膜和保護(hù)膜的多層夾心結(jié)構(gòu)。兩種磁光寫操作方法居里點記錄(稀

11、土—鐵合金膜介質(zhì))補償點記錄(稀土—鈷合金膜介質(zhì)),,磁光寫的過程用激光照射光盤垂直膜面磁化方向上的磁化物質(zhì)，并對其垂直磁化。利用磁性物質(zhì)居里點熱磁效應(yīng)，在某一方向飽和式磁化，用激光對需要存儲信息“1”的單元區(qū)域加熱，使其溫度超過居里點，失去磁性。在盤的另一面上施加一個外磁場，使被照單元反向磁化，這樣該單元磁化方向與其他未照射單元方向相反，從而生產(chǎn)一個信息存儲狀態(tài)“1”，而其他未經(jīng)照射單元相當(dāng)于存儲信息“0”。信息擦去過程與寫過

12、程剛好相反，即恢復(fù)原來的磁化方向。,,相變式擦寫原理利用記錄介質(zhì)的兩個穩(wěn)態(tài)之間的互逆相結(jié)構(gòu)的變化來實現(xiàn)信息的記錄和擦除。兩種穩(wěn)態(tài)是反射率高的晶態(tài)和反射率低的非晶態(tài)(玻璃態(tài))。寫過程是把記錄介質(zhì)的信息點從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。擦過程是寫過程的逆過程，即把激光束照射的信息點從非晶態(tài)恢復(fù)到晶態(tài)。,3.1.3 光盤標(biāo)準(zhǔn),,1. 光盤發(fā)展歷史,1972年9月5日Philips公司向國際新聞界展示了長時間播放電視節(jié)目的光盤系統(tǒng)，在光盤上記錄的是模

13、擬電視信號。1978年，SONY生產(chǎn)的影碟機(jī)正式投放市場，光盤的直徑為30厘米，一片雙面盤的播放時間可達(dá)2小時。1979年，Philips公司發(fā)表了激光唱機(jī)(compact disk player)。,光盤的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),CD-DACD-ROMCD-V(Video)可錄CDCD-ICD-ROM XA Photo-CD Video CD,,CD-DA 1981年制定紅皮書，即CD-DA (Digital Audio)激光

14、數(shù)字音頻光盤的規(guī)范。這個標(biāo)準(zhǔn)是CD的最基本標(biāo)準(zhǔn)。,,CD-ROM 1985年制定黃皮書，經(jīng)修訂，1988年正式作為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9660，1991年又推出了ISO 9660Ⅱ。,,CD-V(video)從紅皮書發(fā)展而來，在影碟機(jī)上使用，視頻信息可以輸出到電視機(jī)。,,可錄CD可錄CD(recordable CD)盤的橙皮書標(biāo)準(zhǔn)?？射汣D分為兩類，即CD-MO和CD-WO。CD-MO稱為磁光盤，可重寫； CD-WO又稱CD-R，這種盤

15、一旦用戶寫入數(shù)據(jù)就不能抹掉。,,CD-I 1987年制定綠皮書規(guī)范用于交互式多媒體CD-I系統(tǒng)中。1992年推出第二代CD-I，可播放交互式視頻圖像。,,CD-ROM XA(extended architecture) 1988年，Philips、SONY及 Microsoft制定CD-ROM擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，1991年又制定CD-ROM XAⅡ規(guī)范，對應(yīng)于ISO9660Ⅱ。,,Photo-CD像片光盤，1991年P(guān)hilips和KOD

16、AK對外發(fā)布Photo-CD，1992年制定規(guī)范。用于存放數(shù)字化的靜態(tài)照片。,,Video CD 1993年制定的白皮書規(guī)范，采用MPEG壓縮算法壓縮動態(tài)圖像。它能使Video CD節(jié)目能夠在CD-I、CD-ROM/XA和Video CD播放機(jī)上播放。,2. CD-ROM的性能指標(biāo),(1) 容量 約為650MB。(2) 數(shù)據(jù)傳送速率 最初推出為150KB/S，稱為單速，后又推出倍速(300KB/S)，四速(600 KB/S)，…

17、，48X等光驅(qū)。(3) 存儲緩沖器 早期為64KB，目前常用的為128 KB或256KB。(4) 存取時間 200～400ms(5) 誤碼率 1/1012～1/1016，采用復(fù)雜的糾錯編碼技術(shù)降低了誤碼率。,,(6) 體積光盤驅(qū)動器的大小一般為41mm(H)× 146mm(W)×206mm(D)(7) 接口 采用SCSI接口、IDE接口和AT總線接口。接口可以集成在音頻板、視頻板或主機(jī)板上，也可以是

18、一塊單獨的板。(8) MTBF(mean time between failures) 平均無故障時間約為25000小時左右。(9) 兼容性 支持Photo-CD和CD-ROM XA。,3.光盤的規(guī)范及格式,CD-DA規(guī)范及格式 CD-ROM規(guī)范及格式 CD-I光盤的數(shù)據(jù)格式 激光視盤,CD-DA規(guī)范及格式,CD-DA即激光唱盤，光盤的物理規(guī)格為直徑12cm，內(nèi)徑1.5cm，厚度0.12cm，重量14克。這種光盤常采用常

19、線速(CLV)伺服方式，逆時針旋轉(zhuǎn)。其螺旋線光道上等長分段，每段稱為一個扇區(qū)。每個扇區(qū)都存放定量數(shù)據(jù)塊，并以特定的地址標(biāo)記，其單位為“分”、“秒”、“扇區(qū)”，即1分=60秒，1秒=75扇區(qū)。光道總長度為74分，即可存放74分鐘高音質(zhì)非壓縮的音頻信號。,,CD-DA每個扇區(qū)的音頻數(shù)據(jù)分為許多稱為幀的單元，每幀共有33個字節(jié)。一幀中每個通道有6個音頻數(shù)據(jù)，有左右2個通道，每個通道的樣本值是16位的數(shù)據(jù)，共24個字節(jié)。一幀中有8個校驗字

20、節(jié)和1個“控制與顯示(C&D)”字節(jié)。錯誤的檢測和校正采用的是CIRC(cross interleave reed-solomon code)碼。,圖3.2 CD-DA幀及扇區(qū)格式,,,,,,,,,,,,1扇區(qū),1幀,同步位,合并位,,33字節(jié),EFM調(diào)制,588個通道位,CD-ROM同樣是把光軌道分為等長的扇區(qū)，使用分、秒、扇區(qū)的數(shù)據(jù)編址方法，采用常線速伺服方式。它與CD-DA的不同主要在每個扇區(qū)中數(shù)據(jù)格式的不同。 CD-

21、ROM光盤有兩種格式： Mode1和Mode2。,,Mode1格式Mode2格式,圖3.3 CD-ROM的Mode1和Mode2格式,,Mode1和Mode2格式相同之處 這兩種方式的扇區(qū)首部都是12字節(jié)的同步碼(SYNC)，其前后為“00H”而中間10個字節(jié)存放“FFH”數(shù)據(jù)。緊接著的4個字節(jié)為地址字段，或稱扇區(qū)頭(HEADER)，它采用分、秒、扇區(qū)號的制式確定地址標(biāo)號，地址字段中設(shè)置了MODE字節(jié)，指明該扇區(qū)是哪種格式,

22、,Mode1和Mode2格式不同之處用戶數(shù)據(jù)量不同。Model1為2048個字節(jié)，Mode2為2336個字節(jié)。 存儲數(shù)據(jù)的類型不同。Mode1用于存放對錯誤極為敏感的數(shù)據(jù)，如計算機(jī)程序等； 而Mode2用于存放對錯誤不太敏感的數(shù)據(jù)，如聲音、圖像、圖形等。 Mode2的數(shù)據(jù)經(jīng)過CIRC檢驗后的誤碼率為1/109，對聲音、圖像類的數(shù)據(jù)可以不必做進(jìn)一步校驗； 而要滿足計算機(jī)數(shù)據(jù)誤碼率小于1/1012的要求，則應(yīng)對Mode1的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步

23、校驗。,,Mode1中的容錯機(jī)制 用了4個字節(jié)作為錯誤檢測碼(EDC)，采用的循環(huán)冗余校驗碼CRC，只能檢測是否有錯用276個字節(jié)作為錯誤校正碼(ECC)，可以校正扇區(qū)中多個字節(jié)錯誤。通過兩級校驗，Mode1中數(shù)據(jù)誤碼率可以降到1/1012。,CD-ROM XA,它所定義格式包括與CD-I格式相同的FORM1和FORM2格式，解決了普通CD-ROM驅(qū)動器不能讀CD-I格式光盤的問題。 CD-ROM XA的數(shù)據(jù)格式(FORM

24、1，F(xiàn)ORM2),,圖3.4 CD-ROM XA FORM1和FORM2格式,,CD-ROM XA在HEADER后面增加了8個字節(jié)信息來進(jìn)一步說明扇區(qū)中用戶數(shù)據(jù)，其中存放有數(shù)據(jù)類型(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)格式形式，觸發(fā)位(記錄開始、文件結(jié)束、實時性等)，數(shù)據(jù)編碼信息(ADPCM、CLUT、DYUV等)。這樣CD-ROM XA驅(qū)動器可通過對子頭信息的識別，讀出數(shù)據(jù)區(qū)中多種媒體的信息，特別地能正確讀出CD-I中采用ADPCM壓縮的音頻數(shù)據(jù)。

25、,,CD-ROM卷和文件結(jié)構(gòu)卷和文件結(jié)構(gòu)由邏輯塊(512×2n字節(jié))和邏輯扇區(qū)(2048×2n字節(jié))、記錄、文件、卷、卷集等多級結(jié)構(gòu)定義。由于CD-ROM驅(qū)動器的平均尋道時間較長，為了能高速檢索CD-ROM光盤上文件，ISO為CD-ROM光盤的文件目錄結(jié)構(gòu)規(guī)定了路徑表,圖3.5 CD-ROM目錄結(jié)構(gòu)和路徑表,CD-I光盤的數(shù)據(jù)格式,CD-I光盤的數(shù)據(jù)格式是從CD-DA和CD-ROM光盤格式演變而來的。其扇區(qū)格式

26、與CD-ROM XA相同，它有三個區(qū)：導(dǎo)入?yún)^(qū)(Lead-in Area)，節(jié)目區(qū)(Program Area)和導(dǎo)出區(qū)(Lead-out Area)。CD盤上的信息均采用EFM記錄方式進(jìn)行記錄。由于光盤原始誤碼率較高，所以都采用能糾突發(fā)錯誤的CIRC碼。,,CD-I光盤的導(dǎo)入?yún)^(qū) 是由若干個空扇區(qū)組成的，這樣做的目的是使識別節(jié)目區(qū)變得容易。CD-I光盤可以有多到99條光道，編號為1～99。CD-I光盤的導(dǎo)出區(qū) 或者是空扇區(qū)(最后

27、一條光道是CD-I光道時)或者是無聲的幀(最后一條光道是CD-DA光道),圖3.6 CD盤結(jié)構(gòu),圖3.7 只有CD-I光道的CD-I盤結(jié)構(gòu),,,,,,,,,節(jié)目區(qū),光道1,含有CD-DA光道的CD-I光盤，第一條光道必須是CD-I光道； 且任一條CD-I光盤上的CD-DA光道必須在CD-I光道之后。一片CD-I光盤上的CD-DA光道可以有一條或多條CD-DA光道，但最多不超過98條。而一條光道的長度可以是300個扇區(qū)(相當(dāng)于4秒)和3

28、25000個扇區(qū)(相當(dāng)于最長的超級HiFi播放72分鐘)之間的數(shù)。,,,,,,,,,,圖3.8 有CD-I和CD-DA光道的CD-I盤結(jié)構(gòu),節(jié)目區(qū),光道1,光道n CD-DA(n<=99),,CD-I光盤的導(dǎo)出區(qū)或者是空扇區(qū)(最后一條光道是CD-I光道時)或者是無聲的幀(最后一條光道是CD-DA光道),CD-I盤上的所有數(shù)據(jù)都以文件形式存放，任何一個文件都可以通過盤上的路徑表取出。每個文件都有文件描述符記錄，存放于文件目錄中。

29、文件描述符記錄包含有文件名、文件號、文件大小、地址、擁有者、屬性、交叉存取因子、讀取許可權(quán)。文件分為目錄文件、實時文件和標(biāo)準(zhǔn)文件。CD-I的數(shù)據(jù)以兩種專門的數(shù)據(jù)格式FORM1和FORM2記錄。如光盤是用FORM1記錄，因為它有EDC和ECC碼，CD-I系統(tǒng)利用它們可以獲得誤碼率小于1/1013數(shù)據(jù)。,激光視盤,激光視盤也是一種只讀光盤，家用激光視盤又稱為影碟機(jī)，是獨立的視頻播放設(shè)備，與音響設(shè)備和電視機(jī)(監(jiān)視器)相連就可以播放視盤。

30、計算機(jī)可以通過外設(shè)接口與視盤播放機(jī)相連，視盤在多媒體應(yīng)用形式主要是“交互式視盤”，由計算機(jī)控制視盤的播放、視頻幀的尋址和顯示。,,視盤與前述的幾種光盤原理結(jié)構(gòu)一樣 視盤的型號 大-12英寸，小-12CM視盤有兩種信息記錄格式 常線速(CLV) 常角速(CAV),,CLV型視盤扇區(qū)長度為常數(shù)，以緊湊形式存放信息，每盤可以存放60分鐘的視頻信號。當(dāng)驅(qū)動器從內(nèi)圈到外圈讀盤時，由于內(nèi)圈和外圈

31、存放的信息量不同，所以轉(zhuǎn)速也不同。在內(nèi)圈可達(dá)到每分鐘1800轉(zhuǎn)，在外圈軌道每分鐘約600轉(zhuǎn)。,,CAV型視盤以類似于磁盤的方式劃分扇區(qū)，扇區(qū)長度從內(nèi)圈到外圈逐漸增加，每盤僅可存放30分鐘視頻信號。優(yōu)點是驅(qū)動器讀盤時，從內(nèi)圈到外圈，轉(zhuǎn)速一致，對NTSC制式，CAV視盤轉(zhuǎn)速為每分鐘1800轉(zhuǎn)，對PAL制式，CAV視盤轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn)。這種信息存放格式有利于單幀訪問、搜索、幀序列的隨機(jī)訪問等功能，適合于多媒體平臺。,Video C

32、D標(biāo)準(zhǔn),Video CD標(biāo)準(zhǔn)是目前流行的視頻光盤標(biāo)準(zhǔn)，它描述一個使用CD格式和MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視播放系統(tǒng)。Video CD定義了MPEG光道的結(jié)構(gòu)，它由MPEG-Video扇區(qū)和MPEG-Audio扇區(qū)組成。光道上的Video(電視圖像)和Audio(聲音)是按MPEG-1的規(guī)定進(jìn)行編碼。MPEG-Video扇區(qū)和MPEG-Audio扇區(qū)是交錯存放在光道上 。,圖3.9 Video CD結(jié)構(gòu),Video CD光道結(jié)構(gòu),MPE

33、G Video扇區(qū)的一般結(jié)構(gòu),MPEG Audio扇區(qū)的一般結(jié)構(gòu),4.CD-ROM光盤制作過程,(1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (2) 主盤制作 (3) 復(fù)制光盤,圖3.10 CD-ROM光盤制作過程,,3.1.4 DVD光盤,MPEG-2的視頻質(zhì)量是廣播級質(zhì)量，為解決其MPEG-2數(shù)據(jù)存儲問題，研制了DVD并于1995年完成標(biāo)準(zhǔn)化方案。 DVD盤片尺寸與CD相同，容量最高的雙層雙面盤可達(dá)17GB。單面單層DVD盤能夠存儲4.7G

34、B的數(shù)據(jù)，存儲133分鐘的MPEG-2視頻，其分辨率與現(xiàn)在電視相同，并配備Dolby AC-3/MPEG-2音頻質(zhì)量的聲音和不同語言的字幕。,表3.1 DVD系列標(biāo)準(zhǔn)與CD系列標(biāo)準(zhǔn),表3.2 DVD-Video的規(guī)格,從外觀和尺寸上看，DVD盤和CD-ROM盤沒什么差別，直徑均為120mm，厚度為1.2mm； 新的DVD播放機(jī)能夠播放已有的CD激光唱片和VCD。不同點： DVD光道之間的間距由原來的1.6μm縮小到0.74μm，

35、而記錄信息的最小凹坑凸區(qū)長度由原來的0.83μm縮小到0.4μm，這是DVD盤存儲容量提高到4.7GB的主要原因。DVD信號的調(diào)制方式和錯誤校正方法也做了相應(yīng)的修正以適合高密度的需要，它采用效率較高的8比特到16比特+(EFM PLUS)調(diào)制方式，DVD校驗系統(tǒng)采用更可靠的RS-PC(Reed Solomon Product Code)。DVD播放機(jī)也采用波長更短(由780nm減小至635/650nm)的激光源來提高聚焦激光束的精度

36、。,3.2 多媒體功能卡,包括視頻信號捕捉、壓縮、處理、播放的視頻卡，音頻卡，VGA與TV的轉(zhuǎn)換卡，圖形加速卡，光盤接口卡等。通過這些功能卡將計算機(jī)與各種外部設(shè)備相連，構(gòu)成一個制作和播出多媒體系統(tǒng)的工作環(huán)境。具有代表性的多媒體功能卡： 聲音卡、視頻卡,3.2.1 聲音卡,聲音卡或音頻卡是處理音頻信號的計算機(jī)插件，它是普通計算機(jī)向MPC升級一種重要部件。目前作為微機(jī)必備功能集成在主板上.MPC所用聲音卡由專用DSP芯片管理聲音的輸入

37、輸出和MIDI操作。音頻數(shù)據(jù)是8位或16位的PCM數(shù)據(jù)或壓縮格式ADPCM數(shù)據(jù)。,聲霸卡(Sound Blaster，SB)及其特點：(1) 立體聲或單聲道聲音采樣(ADC)和重放(DAC)；(2) 采樣速率從4KHz到44KHz程序可調(diào)；(3) 功能強大的FM音樂合成芯片(128種音色)；(4) MIDI接口和游戲桿端口；(5) CD-ROM驅(qū)動器及接口；(6) 可選擇多種聲源(麥克風(fēng)、CD唱機(jī)、線路輸入)；(7)內(nèi)帶的

38、混聲器芯片可以控制各種數(shù)字與模擬音量；(8)音箱輸出接口有功放功能。,隨SB系列卡還帶有豐富的軟件，主要是： (1)聲音編輯，錄制、播放、修改聲音； (2)文本到聲音轉(zhuǎn)換(TTS)； (3)語音識別，利用Voice Assist支持用語音控制計算機(jī)執(zhí)行Windows命令； (4)調(diào)頻電子琴，將計算機(jī)變成一臺功能齊全的電子琴； (5)樂曲文件播放，支持MIDI和CMF兩種樂曲文件； (6)軟件開發(fā)工具，

39、供二次開發(fā)使用。,音頻卡主要由下列部件組成： MIDI輸入/輸出； MIDI合成芯片； 帶有脈沖編碼調(diào)制電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換器； 壓縮芯片； 語音合成器； 語音識別電路； 音頻輸出或線輸出的輸出電路等。其結(jié)構(gòu)如書中圖3.11所示。,圖3.11 音頻卡的結(jié)構(gòu)框圖,,圖3.12 數(shù)字化聲音的獲取與處理流程,,3.2.2 視頻卡,,1. C-Cube公司視頻卡,CL550用了40多萬只

40、晶體管集成了JPEG壓縮編碼所需的DCT/逆向DCT單元、量化器、可變長編碼器等單元。壓縮率可以通過修改量化表和VLC表的內(nèi)容來改變。當(dāng)執(zhí)行JPEG的有損壓縮算法時，可按不同的圖像質(zhì)量、存儲器容量、帶寬等應(yīng)用環(huán)境來設(shè)置不同的壓縮比。壓縮比可以從8：1到100：1之間任意選擇。CL550專用芯片上還提供有數(shù)字視頻接口和直接與系統(tǒng)總線相連的接口，視頻接口支持8位灰度、RGB、CMYK及YUV數(shù)字信號的輸入和輸出。,圖3.13 CL55

41、0框圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,/,/,/,/,/,控制,地址,數(shù)據(jù),11,16,32,18,控制,地址/數(shù)據(jù),,,壓縮時的數(shù)據(jù)流方向,像素總線接口PBI,主機(jī)總線接口HBI,CL550編碼過程,圖像像素數(shù)據(jù)經(jīng)過像素總線接口(PBI)輸入到CL550處理器。數(shù)字化數(shù)值在輸入到緩沖單元塊存儲后，以獨立分量存儲。每個分量的8×8像素點陣數(shù)據(jù)首先由DCT單元處理，之后DCT系數(shù)矩陣根據(jù)用戶編程選擇的量化表，由量化單元進(jìn)

42、行量化處理。在CL550器件內(nèi)部的量化矩陣存儲區(qū)中，可同時存儲4個64字長的量化系數(shù)矩陣，分別適用于不同的彩色分量。量化后的矩陣被Z形掃描順序掃描處理，對直流系數(shù)(DC)和交流系數(shù)AC分別表示，而后再同時對DC和AC兩部分共同完成哈夫曼編碼查表處理。哈夫曼編碼的結(jié)果最終作為JPEG壓縮后的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)總線接口(HBI)，成為最終的處理結(jié)果。,CL550解碼過程,圖像解碼過程與編碼過程相反，JPEG標(biāo)準(zhǔn)格式的壓縮數(shù)據(jù)輸入到哈夫曼解

43、碼單元解碼，又返回FIFO區(qū)域等待進(jìn)行下一步處理。游程編碼解碼單元從FIFO區(qū)域中讀出解碼后的數(shù)據(jù)，生成交流系數(shù)AC值，并進(jìn)行Z形掃描生成8×8點陣格式。而生成的DC值另做處理。然后進(jìn)行逆量化和逆DCT，處理的結(jié)果輸入到輸出緩沖區(qū)中，而后像素總線接口取出這里的視頻像素數(shù)據(jù)，按照一定的視頻同步時序，輸出到像素數(shù)據(jù)總線，供顯示設(shè)備使用。,,利用其內(nèi)部的320階流水線處理結(jié)構(gòu)，將JPEG算法每一操作運算都分解安排到流水線每一階中

44、。CL550-30處理器可以工作在29.41MHz的時鐘頻率，這就使得流水線處理可以在每秒內(nèi)完成109次運算，這樣的處理速度應(yīng)用于JPEG算法時，每秒可壓縮14.7M圖像像素點。CL550-10每秒也可壓縮5M圖像像素數(shù)據(jù)，CL550-35每秒可壓縮17.5M圖像像素數(shù)據(jù),,C-Cube公司基于CL550推出靜態(tài)圖像壓縮板系列產(chǎn)品可運行基本環(huán)境包括80386 (33MHz主頻)CPU，ISA或EISA總線結(jié)構(gòu)，VGA顯示卡(8位、

45、16位或24位)，Windows3.10，4MBRAM，50MB以上硬盤。另外，這些產(chǎn)品可支持多種圖像文件格式。許多公司圍繞CL-550設(shè)計各種圖像板以滿足多媒體系統(tǒng)的應(yīng)用，如多媒體信息系統(tǒng)，圖像處理，掃描儀，數(shù)字?jǐn)z象機(jī)，電視電話，彩色傳真等,CL450,C-Cube公司推出CL450系列產(chǎn)品及CL680解碼器就是其中較好的產(chǎn)品。CL450包括RISC處理器、Huffman解碼器、DRAM控制器、視頻顯示控制器等單元，三條總線是主

46、機(jī)總線、DRAM總線、像素總線。CL450完全遵從MPEG標(biāo)準(zhǔn)，能實現(xiàn)RGB和YUV格式的相互轉(zhuǎn)換，支持NTSC和PAL制式，能完成SIF分辨率(352×240，30Hz或352×288，25Hz)的實時解碼，并支持視頻和音頻的同步，可全部或部分顯示解碼后圖像。,圖3.14 CL450解碼器框圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主機(jī)接口,視頻接口,數(shù)據(jù),控制,數(shù)據(jù),地址,控制,數(shù)據(jù),控制,控制,地址,D

47、RAM接口,,CL450通過執(zhí)行宏碼完成高層次功能。宏碼由C-Cube和硬件提供，并且把它作為產(chǎn)品一部分。在CL450完全操作之前，宏碼必須由軟件裝入CL-450中，C-Cube公司提供的源碼供用戶在其目標(biāo)系統(tǒng)中修改和編譯。應(yīng)用程序可以兩種方式操作CL450，它們是寄存器操作方式和宏命令操作方式。CL450產(chǎn)品主要面向低成本應(yīng)用，例如CD-I系統(tǒng)、視頻游戲、交互式多媒體系統(tǒng)、交互式電視等。,2. 視頻采集卡,視頻采集卡將視頻信號連續(xù)轉(zhuǎn)

48、換為計算機(jī)存儲的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，其典型產(chǎn)品如Creative公司的視霸卡，它是具有良好性能的視頻處理卡。其工作原理如下： 視頻信號源、攝像機(jī)、錄像機(jī)或激光視盤的信號首先經(jīng)A/D變換，通過多制式數(shù)字解碼器得到Y(jié)UV數(shù)據(jù)，然后由視頻窗口控制器對其進(jìn)行剪裁，改變比例后存入幀存儲器。幀存儲器的內(nèi)容在窗口控制器的控制下，與VGA同步信號或視頻編碼器的同步信號同步，再送到D/A變換器變成模擬RGB信號，同時送到數(shù)字式視頻編碼器進(jìn)行視頻編碼，最后輸出

49、到VGA監(jiān)視器及電視或錄像機(jī)。,圖3.15 視頻采集卡結(jié)構(gòu)框圖,圖3.16 窗口控制器的邏輯框圖,(1) A/D變換和數(shù)字解碼； (2) 窗口控制器；(3) 幀存儲器系統(tǒng)；(4) 數(shù)模變換和距陣變換；(5) 視頻信號和VGA信號的疊加；(6) 數(shù)字式多制式視頻信號編碼部分。,3.3 多媒體信息獲取與顯示設(shè)備,多媒體計算機(jī)必須配置必要的外部設(shè)備來完成多媒體信息獲取和顯示的功能常見有鼠標(biāo)、光筆、掃描儀、攝像機(jī)、觸摸屏、彩色顯示器

50、、打印機(jī)等設(shè)備。,3.3.1 圖像獲取設(shè)備,數(shù)字化圖像獲取設(shè)備常見的有掃描儀、數(shù)字照相機(jī)等靜態(tài)圖像獲取設(shè)備和攝像機(jī)等視頻圖像獲取設(shè)備。,1. 圖像數(shù)字化,自然景物成象后的圖像信息以照片或視頻記錄介質(zhì)的形式保存，這些圖像須數(shù)字化成計算機(jī)能處理的數(shù)字化信息，才能被多媒體計算機(jī)處理。對于照片和視頻圖像來說，不管是從圖像信息的空間分布和亮度(顏色)分布都是連續(xù)的，這些連續(xù)的信息量必須離散化，離散化的過程即數(shù)字化處理過程，它應(yīng)該包括空間位置的離

51、散和亮度電平的離散化。 步驟：采樣，量化，模數(shù)變換。,,空間采樣一幅圖像在二維方向上分成M×N個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格用一個亮度值來表示該區(qū)域亮度，這樣一幅圖像就離散化為M×N個亮度值來表示。這個過程稱為圖像的采樣，其中M×N稱為采樣的分辨率，網(wǎng)格的亮度值即為采樣值。,圖3.17 圖像的采樣,N,M,,空間采樣的分類 一維采樣用掃描方式(如傳真、掃描儀等)把二維圖像轉(zhuǎn)化為一維隨時間變化的信號。這樣得到的一維行

52、掃描信號經(jīng)采樣實現(xiàn)圖像數(shù)字化。二維采樣是目前發(fā)展的固體攝象器件采用的通用方法，它把光電轉(zhuǎn)換和采樣功能結(jié)合起來。固體攝象器件由M×N個光敏元件構(gòu)成，每個光敏元件對應(yīng)一個采樣點，M×N個光敏元件構(gòu)成M×N個采樣點。,,量化所謂量化就是把連續(xù)的亮度值分為K個區(qū)間，每個區(qū)間上對應(yīng)著一個亮度I。落于區(qū)間i中的任何亮度值都以亮度值Ii表示，共有K個不同亮度值。按照量化區(qū)間劃分方法，量化可分為均勻量化和非均勻量化。

53、,表3.3 區(qū)間與亮度對應(yīng)關(guān)系,,模數(shù)變換實現(xiàn)量化的過程稱為模數(shù)變換，這個過程一般采用PCM量化器來實現(xiàn)，PCM量化是均勻量化。非均勻量化一方面可利用PCM量化的結(jié)果，根據(jù)信號特性處理為非均勻量化的數(shù)據(jù)；另一方面也可以利用專門的非均勻量化器來實現(xiàn)。另外，還要考慮圖像數(shù)據(jù)采樣過程中產(chǎn)生的失真和噪聲，包括疊加噪聲，孔徑效應(yīng)及插入噪聲等。,2.圖像掃描儀,20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的光機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品 ?；驹硎菍⒎从硤D像特征的光

54、信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可接受的電信號 。工作過程 – CCD，光電轉(zhuǎn)換。圖像掃描儀是最常用的靜態(tài)圖像輸入設(shè)備。它往往配置大量的管理和控制掃描過程軟件及文字識別、排版、圖文數(shù)據(jù)庫等軟件，使掃描儀提供很強圖文信息獲取能力。掃描儀還提供設(shè)置掃描區(qū)域、分辨率、亮度、圖像深度等參數(shù)，掃描后圖像還可進(jìn)一步處理。,,圖像掃描儀的種類：平板式手持式滾動式,3.電視攝像機(jī),電視攝象機(jī)由攝象鏡頭管、同步信號發(fā)生電路、偏轉(zhuǎn)電路、放大電路、電源等部分組

55、成。來自被攝物體的光通過光學(xué)系統(tǒng)在攝象管的靶上形成光學(xué)圖像，這個光學(xué)圖像經(jīng)攝象管轉(zhuǎn)換成電信號，以視頻信號方式輸出被攝圖像。彩色圖像攝取重要的是分離出三基色信號，利用濾色片、分色鏡或棱鏡等把光分解成三基色 。最新產(chǎn)品不用電子管作光電轉(zhuǎn)換，用電荷耦合器件CCD等固態(tài)攝象器件，這種器件具有體積小、重量輕、省電、壽命長、可靠性高等優(yōu)點。,3.3.2 顯示設(shè)備,多媒體計算機(jī)系統(tǒng)中信息顯示的設(shè)備主要有PC機(jī)的顯示系統(tǒng)。包括兩部分：顯示器，顯示

56、適配器。 顯示適配器由寄存器、視頻存儲器和控制電路三部分組成，其中視頻存儲器包括顯示幀緩存RAM和存放BIOS的ROM。顯示適配器可以是一塊插入PC總線的擴(kuò)展卡或集成在主板上。顯示器與顯示適配器相配。主要有兩類，即多同步顯示器和平面直角顯示器 從掃描頻率角度來分，顯示器主要有固定掃描頻率與可變掃描頻率兩種。,,3.3.3 觸摸屏,觸摸屏最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)70年代，90年代隨著多媒體應(yīng)用得到成熟和推廣。 觸摸屏包括3個部分： 傳

57、感器； 控制部件； 驅(qū)動程序。觸摸屏的分類(按工作原理)： 紅外線觸摸屏 電阻式觸摸屏 電容式觸摸屏 表面聲波技術(shù) 底座式矢量壓力測力觸摸屏 等。,1.觸摸屏技術(shù)（1）紅外線觸摸屏,工作原理紅外觸摸屏有內(nèi)置式和外掛式兩種,（2）電阻式觸摸屏,電阻式觸摸屏感應(yīng)器是一塊覆蓋電阻性柵格的玻璃，再在上面蒙上一層涂有導(dǎo)電涂層并有特殊模壓凸緣的聚脂薄膜。凸緣避免其表面的涂層與玻璃的涂層接觸?？刂破飨虿Ａ?/p>

58、4角加有穩(wěn)定的5伏電壓，并讀取導(dǎo)電層的電壓值。當(dāng)屏幕被觸摸時，壓力使聚脂薄膜凹陷而碰到玻璃，導(dǎo)電層接觸?？刂破飨虿ＡУ膬蓚€鄰角加電壓，并把對面兩個角接地，于是電阻柵格使玻璃片上形成從矩形的一邊到另一邊線性變化的電壓階梯，控制器從兩個方向測出觸摸點的電壓值，從而計算出觸摸的精確位置。,（3）電容式觸摸屏,這種觸摸屏由模擬感應(yīng)器和智能雙向控制器組成。感應(yīng)器是塊透明的玻璃，表面有導(dǎo)電涂層，其上覆蓋一層保護(hù)性玻璃外層。它工作時在感應(yīng)器邊緣

59、的電極產(chǎn)生分布的電壓場，用手指或其他導(dǎo)電體觸摸導(dǎo)電涂層時，電容改變，電壓場變化，控制器檢測這些變化，從而確定觸摸的位置?？刂破靼褦?shù)字化的位置數(shù)據(jù)傳到主機(jī)，以實現(xiàn)人機(jī)的交互。電容式觸摸屏的感應(yīng)器安裝在監(jiān)視器內(nèi)部，外部與普通監(jiān)視器一樣，可靠性較高。,（4）表面聲波觸摸屏,表面聲波是應(yīng)變能僅集中在物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。SAW觸摸屏在一片玻璃的每個角上裝有兩個發(fā)射器和兩個接收器，一系列的聲波反射器被嵌進(jìn)玻璃中，沿著兩面從頂至底穿過玻璃。發(fā)射

60、器朝一個方向發(fā)射5MHz的短脈沖。當(dāng)脈沖離開一角后，就會不斷地被每個反射器反射回來一部分聲波。當(dāng)觸摸玻璃的某點就阻礙了脈沖能量通過那點反射到達(dá)接收機(jī)，于是從接收的脈沖信號中就見到一段缺口。脈沖起點至下跌點間的時間長度就確定了觸摸點的坐標(biāo)?？刂破魍ㄟ^互換兩對發(fā)射器和接收器，就可測出觸摸在X及Y方向的坐標(biāo)。,（5）矢量壓力測力觸摸屏,這種觸摸屏的原理是在CRT外面蓋上一塊四角裝有應(yīng)力計的平板玻璃。當(dāng)玻璃受到壓力時，應(yīng)力計就會出現(xiàn)電壓或電

61、阻等電氣特性的變化。壓力越重，變化值就越大。每個角記錄這些變化?？刂破髯x取每個角的記錄值，并計算觸壓位置。這種觸摸屏分辨率較低 。,2.觸摸屏的支持軟件,DOS設(shè)備驅(qū)動程序仿真程序-MOUSE仿真軟件輔助開發(fā)工具,,圖3.18 觸摸屏的支持軟件,3.4 多媒體個人計算機(jī),所謂多媒體個人機(jī)( MPC)就是具有多媒體處理功能的個人計算機(jī)。MPC配置特點： (1) 一個功能強大，速度快的CPU； (2) 大容量的存儲器空間； (

62、3) 高分辨率顯示接口與設(shè)備； (4) 可處理音響的接口與設(shè)備； (5) 可處理圖像的接口與設(shè)備； (6) 可存放大量數(shù)據(jù)的配置等。,,,MPC配置(擴(kuò)充) (1) 光盤驅(qū)動器(2) 音頻卡 (3) 視頻卡 (4) 掃描卡 (5) 打印機(jī)接口 (6) 交互控制接口 (7) 網(wǎng)絡(luò)接口 (8) 圖形加速卡,其他多媒體計算機(jī),Macintosh多媒體計算機(jī)Amiga多媒體個人計算機(jī),3.5 CD-I交互式多媒體系統(tǒng),

63、CD-I系統(tǒng)是家用交互式多媒體系統(tǒng)，它是Philips公司和Sony公司于1986年4月聯(lián)合推出的一種電視計算機(jī)或稱Smart TV系統(tǒng)。該系統(tǒng)把各種多媒體信息存放在容量為650MB的只讀光盤上，用戶可通過CD-I系統(tǒng)讀取光盤的內(nèi)容來進(jìn)行演播，光盤的數(shù)據(jù)使用CD-I格式存放。CD-I的正式商品于1991年面市，用戶可以交互式地把家用電視機(jī)和計算機(jī)相連，通過鼠標(biāo)器、操縱桿、遙控器等裝置選擇人們感興趣的視聽節(jié)目進(jìn)行播放，是一種較好多媒體

64、系統(tǒng)產(chǎn)品 。,1. CD-I基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu),CD-I基本系統(tǒng)主要有5部分構(gòu)成 ： (1) 音頻處理子系統(tǒng) (2) 視頻處理子系統(tǒng) (3) 多任務(wù)的操作系統(tǒng) (4) CD播放機(jī) (5) 微處理器、存儲器、鍵盤、定位裝置和CSD字體模塊,圖3.19 CD-I基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu),音頻處理子系統(tǒng),視頻處理子系統(tǒng),存取控制器,RAM,定位裝置,鍵盤選件,ROMCD-RTOSCSD字體,,,CD-

65、DA控制器,CD-I接口,MPU,DMA控制器,NVRAM,時鐘日歷,CD播放機(jī),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RGB視頻信號,左通道,右通道,數(shù)據(jù),控制信號,數(shù)據(jù)和控制,,,,,,,BUS,2. CD-I音頻子系統(tǒng),CD-I基本系統(tǒng)有4種標(biāo)準(zhǔn)音質(zhì)的運行方式和一種非實時的語音音質(zhì)運行方式。CD-I除繼承CD-DA超級高保真音質(zhì)運行方式外，還有A、B、C三個音質(zhì)等級的運行方式。A級相當(dāng)于Laser Vision音質(zhì)，

66、B級相當(dāng)于FM調(diào)頻廣播的音質(zhì)，C級相當(dāng)于AM調(diào)幅廣播的音質(zhì)。這4種音質(zhì)的語音為實時的語音。,表3.4 CD-I音頻方式,非實時語音音質(zhì)是文本到語音編碼轉(zhuǎn)換而成的。CD-I有兩種接口用來輔助編碼這種音頻信息，它們是上層接口和下層接口。上層接口是處理器默認(rèn)的字符集，下層接口是對8位PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行實時解碼。這兩種接口之間轉(zhuǎn)換由微處理器控制。聲音數(shù)據(jù)的解碼和控制是由CD-I音頻處理器來完成的。,,CD-I音頻處理器的組成(1) 解碼器AD

67、PCM。(2) 音頻處理單元。(3) 特技處理器及聲音輸出。(4) CD-I接口單元。(5) 音頻信號存儲器。(6) 控制器。,,圖3.20 音頻處理器子系統(tǒng),3. CD-I視頻子系統(tǒng),CD-I視頻處理子系統(tǒng)的功能是把CD-I光盤上的數(shù)字化視頻信號通過存儲和控制進(jìn)行實時解碼、顏色切換、重疊控制，經(jīng)過混合處理而產(chǎn)生RGB信號輸出。,圖3.21 CD-I視頻處理子系統(tǒng),系統(tǒng)總線,存儲體0(RAM),存取控制器,存儲體1(

68、RAM),實時解碼器0,實時解碼器1,顏色切換,重疊控制,平面重疊,像素保存,混合器,圖像影響因素,背景外部視頻,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,DYUVCLUTRL,DYUVCLUTRLRGB,RGB,RGB,,RGB,平面A,平面B,模擬,視頻壓縮與解碼原理,(1) 一維的DYUV編碼 自然圖像圖3.22 DYUV圖像編碼(2) RGB5：5：5編碼 高質(zhì)量圖形圖3.23