Zapisywanie i przechowywanie danych multimedialnych Opracował: dr inż. Piotr Suchomski
Wprowadzenie Dane multimedialne wymagają nośników danych, które powinny odznaczać się: dużą pojemnością, szybkim transferem danych, mobilnością, możliwością zabezpieczenia praw autorskich.
Zapis/odczyt magnetyczny Podstawą zapisu magnetycznego jest materiał ferromagnetyczny. W materiale takim tworzą się obszary (domeny), w których magnetyczne cząsteczki są uporządkowane. Domeny posiadają dwa bieguny. Kierunki ułożenia pola magnetycznego domen są przypadkowe. Proces zapisywania informacji polega na wymuszeniu zmian kierunków cząsteczek tak aby wypadkowe pole magnetyczne osiągnęło pożądany poziom. Powstaje pewien nieprzypadkowy układ pól magnetycznych.
Zapis/odczyt magnetyczny Proces zapisu magnetycznego bazuje na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, które polega na wytwarzaniu zmiennego pola magnetycznego na skutek zmiany pola elektrycznego. Zmienny sygnał elektryczny płynie przez głowicę cewka nawinięta na rdzeń ferromagnetyczny. Głowica wytwarza zmienne pole magnetyczne, które porządkuje domeny magnetyczne, znajdujące się na nośniku magnetycznym.
Zapis/odczyt magnetyczny Najczęściej spotykane nośniki magnetyczne: taśmy, dyskietki, dyski twarde. W przypadku multimediów taśmy są mało wygodnym nośnikiem ze względu na liniowy dostęp (konieczność przewijania). Zapis analogowy na taśmie jest bezużyteczny dla multimediów (zbyt duże zakłocenia i szumy). Dyskietki mają zbyt małe pojemności.
Dysk twardy We wnętrzu hermetycznej obudowy znajdują się talerze umieszczone współosiowo blisko siebie. Talerze wykonane są najczęściej z aluminium, posiadają wypolerowaną powierzchnię pokrytą cienką warstwą materiału magnetycznego. Między talerzami poruszają się na ramionach głowice zapisujące i odczytujące.
Dysk twardy Cechy dysku twardego: Swobodny dostęp do danych (czas wyszukiwania rzędu 10 ms), Szybki transfer danych, rzędu kilkudziesięciu MB na sekundę. Buforowanie danych (min. 2 MB), Prędkość obrotowa (4200 10000 obrotów na sekundę).
Twardy dysk standardy interfejsów ATA (IDE, EIDE) interfejs systemowy PC zaprojektowany w 1983 roku do komunikacji z twardymi dyskami. Transmisja równoległa. SATA (serial ATA) następca ATA, transmisja szeregowa, maksymalna szybkość transmisji rzędu 150-600 MB/s.
Twardy dysk standardy interfejsów SCSI (Small Computer Systems Interface) równoległa magistrala danych służąca głównie do łączenia urządzeń pamięci masowych. Każde urządzenie jest równorzędne i ma swój jednoznaczny identyfikator. Stosowane głównie w profesjonalnych komputerach (serwery, stacje robocze). Pozwala podłączyć wiele urządzeń do jednego komputera, lub urządzenie do kilku komputerów, możliwości pracy dysków bez obciążania komputera. Szybkość zależna od standardu od 5MB/s do 320 MB/s.
Twardy dysk standardy interfejsów USB 2.0 uniwersalna magistrala szeregowa, pozwala łączyć ze sobą urządzenia zewnętrzne, transfer rzędu 50 MB/s. USB 3.0 transfer rzędu 400 MB/s. FireWire (IEEE 1394) magistrala szeregowa szczególnie dedykowana do transmisji multimediów. Transfer podstawowy rzędu 40 MB/s, rozszerzona wersja FireWire 800 80 MB/s, Interfejs głównie kojarzony z techniką wideo.
Twardy dysk konfiguracje macierzowe RAID (Redundant Array of Independent Discs) Zwiększenie niezawodności (odporność na awarie), Zwiększenie transferu danych. RAID 0 połączenie kilku jednakowych dysków w jeden dysk logiczny o pojemności równej sumie pojemności dysków składowych. Znaczne zwiększenie pojemności i transferu, brak zabezpieczń przed awarią. Stosowane do dużych plików multimedialnych.
Twardy dysk konfiguracje macierzowe RAID 1 (mirroring) połączenie dwóch lub więcej jednakowych dysków. Pojemność pojedynczego dysku. Odporność na awarię N- 1 dysków. Możliwość zwiększenia szybkości odczytu, wolniejszy zapis. Szczególnie przydatne w serwerach. RAID 2 połączenie kilku jednakowych dysków, na dodatkowych dyskach zapisywanie kodów (kodowanie Haminga), możliwość odtworzenia danych nawet gdy jeden z dysków zostanie uszkodzony. Znaczne ograniczenie szybkości. Pojemność to suma pojemności dysków z danymi.
Twardy dysk konfiguracje macierzowe RAID 5 łączenie 3 lub więcej dysków. Łączna pojemność wynosi N-1 pojemności dysków składowych. Sumy kontrolne dzielone są na N części i każda część zapisywana jest na innym dysku. Odporność na awarię 1 dysku. Możliwość odbudowy macierzy po wymianie uszkodzonego dysku. Spowolniony zapis z powodu obliczania sum kontrolnych.
Twardy dysk konfiguracje macierzowe Poziom RAID N = liczba dysków Dostępna przestrzeń Odporność na awarię RAID 0 2+ N 0 RAID 1 2+ 1 N - 1 RAID 2 3+ N - log N 1 RAID 3 3+ N - 1 1 RAID 5 3+ N - 1 1 RAID 6 3+ N - 2 min. 2 RAID 1+0 4 + M * 2 N min. 1 RAID 0+1 4 + M * 2 N 1
Zapis/odczyt optyczny Technika zapisu/odczytu optycznego zależy od technologii laserów. W technologii zapisu i odczytu optycznego wykorzystuje się takie zjawiska jak dyfrakcja, interferencja i polaryzacja światła.
Zapis/odczyt optyczny
Płyta CD Compact Disc poliwęglanowy krążek o średnicy 12 cm, który został stworzony z myślą zastąpienia płyty winylowej. Uznany jako standard w 1983 roku.
Płyta CD Cyfrowa informacja reprezentowana jest przez mikroskopijne wgłębienia, zwane pitami (brak wgłębienia land).
Kolorowe książeczki (Rainbow Books) Czerwona Księga (Red Book) Specyfikuje fizyczne parametry płyty CD Specyfikuje kodowania PCM dla audio Określa odchylenia i wielkość bloku błędu Określa system modulacji i korekcję błędów CD-Text (1996) Żółta Księga (Yellow Book) Wprowadza rozszerzenie płyt CD do przechowywania danych CD-ROM (Compact Disc Read only memory). Specyfikacja ISO 9660. Pomarańczowa Księga (Orange Book) CD-R CD-RW Zapis wielosesyjny
Kolorowe książeczki (Rainbow Books) Biała Księga (White Book) Zawiera specyfikację Video-CD (VCD) Aktualizacja do Super-VCD (1998) Mixed-Mode Niebieska Księga (Blue Book) CD-Extra CD+G Beżowa Księga (Beige Book) Photo-CD Zielona Księga (Green Book) CD-I (CD-Interactive) Purpurowa Księga Szkarłatna Księga SACD
Płyta CD-Audio Cyfrowy zapis optyczny, Kodowanie PCM, Rozdzielczość bitowa 16 bitów na próbkę, Częstotliwość próbkowania 44,1 khz (44100 próbki na sekundę), 2 kanały audio (stereo), Dynamika (stosunek sygnału do szumu) >90 db.
Płyta CD-Audio Typowe pojemności to: 650 MB (74 min) i 700 MB (80 min), Samodzielne przygotowanie płyty CD Audio (proces masteringu przygotowanie płyty wzorcowej): Przygotowanie plików audio, Ustawienie kolejności utworów, indeksy itp. Nagrywanie w trybie DISC-AT-ONCE, z prędkości nie większą niż 8x, Możliwość wykorzystania opcji CD- TEXT
Płyta CD-ROM z danymi Przygotowanie płyty CD z danymi: Przygotowanie danych do zapisu, Wybór systemu plików np. Joilet (do 64 znaków, polskie znaki, zgodność z DOS em), Format dysku Mode 2, W przypadku mniejszych porcji danych można wykorzystać zapis wielosesyjny (każda sesja zabiera 15 MB),
Płyta CD-ROM z danymi Jeśli płyta ma zostać automatycznie uruchomiona po włożeniu do napędu musi zawierać w katalogu głównym plik konfiguracyjny, w przypadku systemu MS Windows autorun.inf [Autorun] open=setup.exe icon=setup.exe,0 label=nazwa [Autorun] shellexecute="prezentacja.pps" icon=ikonka.ico label=prezentacja
VCD Płyta VideoCD Kodowanie (kompresja) MPEG-1, Do 80 minut filmu na płycie CD (700MB), Obraz: 352x288, 25 fps, 1150 kbit/s Dźwięk: 224 kbit/s, stereo, 44,1 khz, Jakość porównywalna z VHS, Odtwarzanie zarówno w PC jak i stacjonarne odtwarzacze, Brak dodatkowych danych korekcyjnych, Zlecana prędkość zapisu max. 8x.
SVCD Płyta Super VideoCD Kodowanie (kompresja) MPEG-2, Do 60 minut filmu na płycie CD (700MB), Obraz: 480x576 (480x480), 25 fps, 1500-2500 kbit/s Dźwięk: MPEG (również 5.1), 44,1 khz, Jakość porównywalna z DVD, Możliwość dodawania włączanych napisów, Czasem problemy z odtwarzaniem, Zlecana prędkość zapisu max. 8x.
DVD (Digital Versatile Disc) DVD rozpoczęło swą karierę w 1994 roku jako dwa konkurujące ze sobą systemy: Super Disc (SD) [Matsushita/Toshiba/Warner] Multimedia CD (MMCD) [Philips/Sony] XII.1994 zgoda na tworzenie wspólnego standardu DVD VIII.1995 specyfikacje: DVD-ROM i DVD-Video v1.0 X.1995 uzgodnienia zabezpieczeń przed kopiowaniem XI.1996 pierwszy sprzedany odtwarzacz DVD-Video (Japonia) X.1997 utworzenie DVD-Forum (120 członków, teraz ok. 220 ) II.1998 specyfikacja DVD-Video v1.1 i DVD-ROM v1.01 VII.1998 specyfikacja DVD-Audio v0.9 XI.1998 specyfikacja DVD-R i DVD-RAM v1.9 IV.1999 specyfikacja DVD-Audio v1.0
DVD DVD CD Średnica zewnętrzna 12 cm 12 cm Grubość 1,2 mm 1,2 mm Długość fali światła lasera 650 nm 780 nm Odstęp między ścieżkami 0,74 m 1,6 m Minimalna długość pitu 0,4 m 0,83 m Nominalna przepływność (1x) Liniowa prędkość odczytu (1x) 1108 kbit/s 153,6 kbit/s 4,0 m/s 1,2 m/s
DVD CD DVD
DVD - pojemność Oznaczenie Pojemność Ilość warstw Ilość stron DVD-5 4,7 GB 1 1 DVD-9 8,54 GB 2 1 DVD-10 9,4 GB 1 2 Komentarz DVD-18 17,08 GB 2 2 Trudna w produkcji DVD-R 4,7/9,4 GB 1 1/2 Zapisywalna DVD-RAM 2,6/5,2 GB 1 1/2 Wielokrotnie zapisywalna DVD-RW 4,7/9,4 GB 1 1/2 Wielokrotnie zapisywalna
DVD-5 Najprostsza z rodziny DVD płyta pojedyncza warstwa odbijająca, odczytywana z jednej strony dysku. Dysk dla zapewnienie znormalizowanej grubości 1,2mm posiada dwie warstwy podłoża, umożliwia to stworzenie nadruku na niewykorzystywanej stronie nie tylko klasycznie przez nadruk na powierzchni dysku, ale też przez odpowiednie ukształtowanie drugiej warstwy metalicznej nie przenoszącej informacji.
DVD-9 Stosowanie dwóch warstw po jednej stronie dysku wymusza wydłużenie o 10% wszystkich nagrywanych śladów dla ułatwienia odczytu danych. Odczyt z jednej strony dysku umożliwia stosowanie zwykłych nadruków na powierzchni dysku.
DVD-10 Odczyt danych z obu stron dysku uniemożliwia stosowanie nadruków na powierzchni dysku, stąd tworzenie etykiet jest utrudnione. Spora część czytników DVD wymaga przekładania płyty na drugą stronę. Pojemność tej płyty jest dwukrotnie większa niż płyty DVD-5.
DVD-18 Najtrudniejsza w produkcji płyta dwustronna i dwuwarstwowa.
Zapisywalne płyty DVD DVD-R/RW Ścieżka prowadząca zawiera informacje pozwalające na synchronizację tylko prędkości obrotowej płyty, Na czystej płycie nagrane są pre-pity dzielące ścieżkę prowadzącą na krótsze fragmenty i pozwalające na adresowanie tylko całych bloków, Ok. 1000 cykli zapisu dla płyty RW, Największa kompatybilność z komputerowymi napędami DVD i stacjonarnymi nagrywarkami/odtwarzaczami.
Zapisywalne płyty DVD DVD+R/RW Ścieżki prowadzące zawiera informacje pozwalające zarówno na synchronizację prędkości obrotowej płyty jak i zaadresowanie dowolnego sektora na jeszcze pustej płycie. Ok. 1000 cykli zapisu płyty RW Ze względu na znacznie mniejszą ilość odbijanego światła płyt te nie są kompatybilne ze starszymi odtwarzaczami DVD.
Zapisywalne płyty DVD DVD-RAM Płyty wielokrotnego zapisu (nie mylić z RW), Liczba cykli zapisu ponad 100 tys. Możliwość jednoczesnego zapisywania danych i odczytywania innych danych, Krótki czas dostępu do danych, Niestety posiadają odmienną strukturę logiczną danych i różne rozmieszczenie danych co na ogół uniemożliwia kompatybilność z innymi napędami.
DVD-Video ok. 133 minuty filmu w standardzie MPEG-2, z dźwiękiem dookólnym (DVD-5 4,7 GB), Format obrazu: 4:3 lub 16:9, Do 8 wersji językowych (ścieżka lektora), Do 32 wersji językowych napisów, Przyjazny dla użytkownika graficzny interfejs w postaci menu sterującego, Do 9 ujęć tej samej sceny (9 kamer), Cyfrowe i analogowe zabezpieczenia przed kopiowaniem, Blokada rodzicielska.
DVD-Video Rodzaj danych Strumienie danych na płycie DVD-Video Ilość strumieni Maksymalny transfer Opis Obraz 1 9,08Mb/s MPEG-1 lub MPEG-2, zarówno film jak i nieruchome obrazy Dźwięk do 8 6,144Mb/s Kilka formatów dźwięku, zarówno stereo jak i surround Podpisy do 32 3,36Mb/s Obrazy nieruchome kodowane z głębią 2 bity/pixel, nakładane na właściwy obraz. Sterowanie 1 Interakcja z użytkownikiem
DVD-Video Formaty obrazu wideo PAL/Secam (25 klatek/sek) NTSC (24/30 klatek/sek) MPEG-1 MPEG-2 352x576 352x288 352x480 352x240 CBR 720x576 704x576 352x576 352x288 720x480 704x480 352x480 352x240 VBR lub CBR Dźwięk (wymagany/[dodatkowy]) LPCM/MPEG1/MPEG2/AC3 [LPCM/AC3/inne] LPCM/AC3 [LPCM/AC3/MPEG/inne]
algorytm kompresji DVD-Video Kodowanie dźwięku na DVD-Video liniowy PCM dolby digital (AC3) MPEG-1 MPEG-2 DTS częstotliwość próbkowania 48/96 khz 48 khz 48 khz 48 khz 48/96 khz kodowanie 16/20/24 bity kompresja kompresja kompresja kompresja maksymalna przepływność 6,144 Mb/s 448 kb/s 384 kb/s 912 kb/s 1536 kb/s max. liczba kanałów 8 5.1 2 7.1 6.1
Struktura plików DVD-Video Format plików UDF (Universal Disc Format), Ze względu na potrzebe zachowania kompatybilność ze starszymi wersjami MS Windows stosowany jest system plików ISO9660. Struktur katalogów na płycie DVD-Video: Video_TS - filmy, Audio_TS dźwięk w przypadku płyty DVD- Audio. Other dodatkowe pliki nie objęte specyfikacją. Pliki:.vob zawierają obraz, dźwięk i napisy,,ifo (.bup) zawierają informacje sterujące odtwarzaczem (początki scen itp.)
Przygotowanie DVD-Video Authoring całościowy proces przygotowania materiału filmowego wraz z dźwiękiem i interaktywnym menu.
DVD-Video Regiony Region 1 USA, Kanada Region 2 Europa, bliski wschód, Południowa Afryka, Japonia Region 3 Południowo-wschodnia Azja, Taiwan Region 4 Ameryka środkowa i południowa, Meksyk, Australia, Nowa Zelandia Region 5 Rosja, większość krajów Afryki, Indie, Pakistan Region 6 Chiny
Kompatybilność Dysk Napęd CD-ROM CD-R CD-RW DVD-ROM DVD-RAM DVD-R DVD+RW DVD-ROM TAK Zal TAK TAK Zal TAK Zal DVD-R TAK TAK Zal TAK Nie TAK Nie DVD-RAM TAK TAK TAK TAK TAK TAK Nie DVD+RW TAK TAK TAK TAK Nie TAK TAK Zal. zależne od urządzenia
DVD-Audio Dźwięk zapisywany jest w postaci nieskompresowanej (liniowy PCM) lub skompresowany bezstratnie algorytmem MLP (Meridian Lossless Packing), Na płycie można umieścić maksymalnie 9 albumów, każdy album może zawierać 99 ścieżek dwiękowych, każda ścieżka może być oznaczona za pomocą maksymalnie 99 indeksów, Uzupełnieniem muzyki może być grafika, film oraz tekst, Płyta DVD-Audio może zawierać wydzieloną część wstandardzie DVD-Video.
DVD-Audio Kodowanie dźwięku Algorytm kompresji Liniowy PCM MLP Częstotliwość próbkowania 44,1 /48 /88,2 / 96 / 176,4 / 192 khz kodowanie 16 / 20 / 24 bity kompresja Maksymalna przepływność Maksymalna liczba kanałów 9,6 Mb/s 6 dla f <= 96 khz Powyżej 2 kanały
Super Audio CD (SACD) Format konkurencyjny do DVD-Audio zaproponowany przez firmy Sony i Philips Trzy rodzaje płyt: Jednowarstwowa o dużej gęstości zapisu (HD High Density) i pojemności 4,7 GB, Dwuwarstwowa z dwiema warstwami HD i pojemności 8,5 GB, Hybrydowa, dwie warstwy, jedna HD o pojemności 4,7 GB a druga konwencjonalna CD o pojemności 780 MB.
Super Audio CD (SACD) Sygnał próbkowany jest z częstotliwością 2,822 MHz i rozdzielczością 1 bitu (konwersja A/C odbywa się w przetworniku typu Sigma-Delta). Pasmo przenoszenia do 100 khz. Liczba kanałów: 2-6, Kodowanie DSD (Direct Sream Digital), Dynamika rzędu 120 db. Technika zapisu gwarantuje wysoką jakość nagrania. Zabezpieczenie przed kopiowaniem: PSP (Pit Signal Processing) wykorzystujące widzialne (tekst, grafika) lub niewidzialne znaki wodne (matryca mikroskopijnych pitów)
Standardy HD DVD i Blu-ray Dwa niekompatybilne ze sobą standardy umożliwiają na typowej płycie o średnicy 12 cm zapisać dane 15-30 GB, Nadają się do rejestracji audycji i filmów w HDTV (1920x1080, przepływność rzędu 30 Mbit/s), Pierwsze napędy w nowych standardach spodziewane są w pierwszym kwartale 2006 roku.
Standard HD DVD Toshiba, NEC, Memory-Tech założyły organizację ADSRA (Advanced Optical Storage Research Alliance), obecnie znane pod nazwą HD DVD Promotion Group, 62 członków (m.in. Intel, Microsoft, Canon, Fujifilm), Standard popierają New Line Cinema, Universal Picture, Niskie koszty produkcji (możliwość przystosowania obecnych lini produkcyjnych DVD), Możliwość tworzenia płyt hybrydowych (warstwa DVD i HD), Mniej skomplikowane zabezpieczenia i mniejsza pojemność niż w standardzie Blu-ray.
Standard Blu-ray Blu-ray Disc Association konsorcjum założone przez Sony, Philips, Matsushita, Hitachi, LG Electronics, Konsorcjum zrzesza ponad 150 firm, Stanadard popierany przez takie wytwórnie jak: Sony Pictures, 20th Century Fox, MGM, Walt Disney Pictures, Lion Gate Home Entertainment, Universal Music Group, Kosztowna produkcja, Zaawansowane mechanimy zabezpieczenia danych przed kopiowaniem, Duża pojemność płyt.
Porównanie standardów długość fali lasera Blu-Ray HD-DVD DVD 405 nm (niebiesko-fioletowy laser) 650 nm (czerwony laser) apertura numeryczna 0,85 0,65 0,6 pojemność (jedna warstwa / dwie warstwy) 25/50 GB 15/30GB 4,7/8,5GB kodeki audio maksymalna przepływność kodeki wideo stratne bezstratne MPEG-4 AVC (H.264)/VC-1/MPEG-2 MPEG-1/MPEG- 2 Dolby Digital do 640kbit/s do 504kbit/s do 448kbit/s DTS do 1,5Mbit/s do 1,5Mbit/s do 1,5Mbit/s Dolby Digital Plus DTS-HD High Resolution do 1,7Mbit/s do 3Mbit/s - do 6Mbit/s do 3Mbit/s - LPCM + + + Dolby TrueHD + + DTS-HD Master Audio + + dane 53,95Mbit/s 36,55Mbit/s 11,08Mbit/s audio+video 48,0Mbit/s 30,24Mbit/s 10,08Mbit/s video 40,0Mbit/s 29,4Mbit/s 9,8Mbit/s
Porównanie formatów
Porównanie formatów
Zabezpieczenia przed kopiowaniem DVD CSS (Content Scrambling System), HD DVD AACS (Advanced Access Content System), Dźwiękowy znak wodny, Blu-ray AACS, DTCP (Digital Tranmission Content Protection), HDCP (High Bandwith Digital Control Protection), RKB (Renewal Key Block) BD+.
Zabezpieczenia Advaced Access Content System polega na szyfrowaniu danych na płycie rozwinięta wersja znanego z DVD CSS-a złamane kilka tygodni po pojawieniu się formatu na rynku BD+ oprogramowanie po stronie odtwarzacza kontrolujące legalność płyty przyczynił się do zwycięstwa formatu nad HD-DVD BD-ROM Mark cyfrowy znak wodny znajdować się ma tylko na tłoczonych nośnikach (filmy, muzyka i gry)
Zabezpieczenia High-bandwidth Digital Content Protection HDCP mechanizm pozwalającym na kontrolę przesyłania dźwięku i obrazu w formie danych cyfrowych poprzez interfejsy DVI (Digital Visual Interface) oraz HDMI (High Definition Multimedia Interface). maksymalna rozdzielczość przy braku HDCP: 950x540p kodowanie regionalne podział świata na trzy obszary