Εφαρµογές Πολυµέσων Θεωρία VII

Εφαρµογές Πολυµέσων Θεωρία VII Αποθηκευτικά Μέσα Χ. Αλεξανδράκη 1

Ταξινόµηση Μέσων Αποθήκευσης Πληροφορία Αναλογική Ψηφιακή Μηχανικά Μαγνητικά Οπτικά Μαγνητικά Οπτικά Μαγνητο-οπτικά Βινύλιο reel-to-reel LaserDisc Ταινίες CD MiniDisk VHS ADAT DVD DAT ίσκοι Hard disk Floppy Disk 2

Τύποι Μνήµης Υπολογιστή 1. Primary και Secondary 2. Volatile και Non-volatile 3. Read-Only, WORM, Read-Write 4. Random-Access και Sequential-Access 5. Block-Access ή File-Access 6. Ηµιαγωγών (RAM), Μαγνητική, Οπτική, Μαγνητοοπτική 3

Ψηφιακά Συστήµατα Τα πρώτα ψηφιακά συστήµατα για τον ήχο ήταν συστήµατα χωρίς συµπίεση. Τη στιγµήαυτήέχουµε στη διάθεσή µας δύο τεχνικές αποθήκευσης ψηφιακού σήµατος χωρίς συµπίεση. Την LPCM (CD-DA, DAT, DVD-A) και τη DSD (SACD). 4

Μαγνητική ταινία VHS, DAT, ADAT, Reel-to-Reel Επικάλυψη µαγνητικού υλικού επάνω σε λεπτή πλαστική ταινία Κατά την εγγραφή: Η µαγνητική συµπεριφορά της ταινίας διαµορφώνεται καθώς αυτή περνά από µια µαγνητική κεφαλή Κατά την αναπαραγωγή: Η µαγνητική συµπεριφορά της µαγνητικής κεφαλής διαµορφώνεται καθώς περνά πάνω της η µαγνητική ταινία 5

VHS Εµφανίστηκε το 1976 από τη JVC και έγινε πρότυπο το 1980, επικρατώντας των ανταγωνιστικών format: Betamax, Sony Video 2000, Philips Παραλλαγές S-VHS, αναλογικό πρότυπο, βελτιωµένη έκδοση του VHS D-VHS, για ψηφιακό VIDEO C-VHS, για χρήση σε camcorders 6

DAT DAT, ή R-DAT, Sony 1987 Ασυµπίεστο format LPCM µε: Γραµµική Παλµοκωδική ιαµόρφωση (LPCM) στα: 32kHz µε 12bits ή 32, 44.1, 48kHz µε 16bits Περιλαµβάνει κώδικες start-oftrack, end-of-tack και skip-section που επιτρέπει γρήγορη εύρεση και indexing Υποστηρίζει stereo, ενώ το R- DAT έχει δυνατότητα ηχογράφησης 4-channel στα 32kHz 120min stereo, µήκος ταινίας 60m Σειριακή πρόσβαση δεδοµένων Αρχικά σχεδιάστηκε για ήχο, άλλα µέσω ενός προτύπου του ISO χρησιµοποιείται πλέον και για αποθήκευση δεδοµένων και κυρίως για backup Ανάλογα το επιλεγόµενο πρότυπο (DDS1-5) η χωρητικότητα της κυµαίνεται από 2-36GB ασυµπίεστων δεδοµένων Standard Uncompressed Compressed DDS1 2 GB 4 GB DDS2 4 GB 8 GB DDS3 12 GB 24 GB DDS4 20 GB 40 GB DDS5 36 GB 72 GB 7

ADAT Alesis Digital Audio Tape, 1990 8-track digital audio recording, επιτρέπει συγχρονισµό µε 16 ADAT recorders σε αλυσίδα για εγγραφή περισσοτέρων καναλιών Για επαγγελµατική χρήση σε στούντιο αν και σταδιακά αντικαθίσταται από DAW Χρησιµοποιεί S-VHS format (1/2-inch tape) Η µεταφορά ψηφιακών δεδοµένων µεταξύ διαφορετικών µονάδων, επιτυγχάνεται µε το πρότυπο Lightpipe της Alesis το οποίο χρησιµοποιεί οπτική ίνα 8

Μαγνητικοί ίσκοι Floppy-disk, Hard-disk Χρησιµοποιούν ηλεκτροµαγνητικές πλάκες για την αποθήκευση δεδοµένων 9

Floppy-disk Στρογγυλό, λεπτό και ευλύγιστο µαγνητικό µέσο Τρεις µορφές 8-inch 8-inch 256kB IBM, 1973 5¼-inch 360kB IBM, ~1978 3½-inch 1.44ΜΒ IBM, Sony, 1988 (HD format) HD (3½-inch) format 512 bytes/sector 10 sectors/track 80 tracks/πλευρά 2 πλευρές = 1,474,560 bytes 5¼-inch floppy disk; παρόµοια είναι και η δισκέτα 8-inch 3½-inch floppy disk 10

Συστοιχίες RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) Χρήση πολλών δίσκων ίδιου µεγέθους προκειµένου να επιτευχθεί µεγαλύτερη συνολική µνήµη και ταχύτερος χρόνος προσπέλασης σε εφαρµογές όπου αυτό απαιτείται Ο τρόπος µε τον οποίο συνδέονται αυτοί οι δίσκοι µπορεί να βασίζεται είτε σε υλικό είτε λογισµικό, και επιλέγεται µε βάση: τις επιδόσεις και το κόστος του συστήµατος και τη διαθεσιµότητα των δεδοµένων. Υπάρχουν 7 επίπεδα συστηµάτων RAID (RAID-0 έως RAID-6), που διαφέρουν ως προς την κατανοµή δεδοµένων και τη διόρθωση σφαλµάτων Σε ορισµένες περιπτώσεις επιλέγεται και συνδυασµός επιπέδων ανάλογα µε τις απαιτήσεις κόστους ασφάλειας και διαθεσιµότητας Το ενδιαφέρον για την τεχνολογία των δίσκων RAID, όσον αφορά στα πολυµέσα, επικεντρώνεται στην υλοποίηση εξυπηρετητών εφαρµογών πολυµέσων, όπως το videoon-demand 11

RAID levels RAID 0: Βελτιστοποιεί την ταχύτητα. εν υπάρχει πλεονασµός (data redundancy). Είναι κατάλληλο για εφαρµογές που απαιτούν υψηλές επιδόσεις και µικρή ασφάλεια. (Τουλάχιστον 2 δίσκοι) RAID 1: Κρατείται ένα αντίγραφο των δεδοµένων σε διαφορετικό δίσκο. Η ταχύτητα ανάγνωσης βελτιώνεται, γιατί ο ελεγκτής επιλέγει το πλησιέστερο στα δεδοµένα δίσκο. Η εγγραφή είναι σαφώς πιο αργή, γιατί τα δεδοµένα εγγράφονται δύο φορές. Ο πλεονασµός το κάνει ιδανικό για δίσκους συστήµατος ή για αποθήκευση σηµαντικών δεδοµένων. RAID 0+1: Συνδυάζει τις τεχνικές βελτιστοποίησης της ταχύτητας του RAID 0 µε τον πλεονασµό του RAID 1. RAID 3: Βελτιώνει την ταχύτητα (transfer rate) του συστήµατος. Τα δεδοµένα εγγράφονται σε τµήµατα (chunks) µικρότερα από το µέσο ζητούµενο µέγεθος. Τα chunks διανέµονται σε όλους τους δίσκους. Μια αίτηση εξυπηρέτησης, κατά µέσο όρο, θα ζητήσει περισσότερα από ένα chunks, οπότε η εξυπηρέτηση µπορεί να γίνει από πολλούς δίσκους που λειτουργούν παράλληλα. Άρα µε αυτήν τη µέθοδο τα δεδοµένα µεταδίδονται πιο γρήγορα. RAID 5: Τα chunks έχουν µεγαλύτερο µέγεθος από το µέσο ζητούµενο. Κατά συνέπεια, µια αίτηση εξυπηρέτησης µπορεί να ικανοποιηθεί από έναν µόνο δίσκο, γεγονός που επιτρέπει την παράλληλη εξυπηρέτηση και άλλων αιτήσεων από τους άλλους δίσκους. Μεγιστοποιείται δηλαδή ο ρυθµός εξυπηρέτησης των πελατών. RAID 6: Η ταχύτητα του είναι παρόµοια µε αυτή του RAID 5. Η ταχύτητα εγγραφής είναι λίγο χειρότερη, αλλά µπορεί να αντέξει σφάλµατα δύο δίσκων. 12

Οπτικά Μέσα Πολύ δηµοφιλή για συστήµατα πολυµέσων λόγω: Μεγάλης χωρητικότητας Τυχαία προσπέλαση σε δεδοµένα Μικρό κόστος ανά ΜΒ Μεγάλη διάρκεια ζωής Μικρό µέγεθος και µεταφερσιµότητα (portability) 13

Σταθερή Γωνιακή Ταχύτητα (CAV) Σταθερή Γραµµική Ταχύτητα (CLV) U = ω x r CAV: Η ταχύτητα περιστροφής δεν εξαρτάται από τη θέση της κεφαλής ανάγνωσης (LaserDisk) CLV: Όταν η κεφαλή ανάγνωσης είναι προς τα έξω η ταχύτητα περιστροφής µειώνεται (LaserDisk και CD) µεταβλητή γωνιακή ταχύτητα και σταθερή γραµµική (CLV-Constant Linear Velocity) έχουν τα CD-ROM Τα συστήµατα CAV, δεν εκµεταλλεύονται τη διαφορά στην περίµετρο του δίσκου (=> µειωµένη χωρητικότητα), εντούτοις µπορούν να υποστηρίζουν χαρακτηριστικά όπως frame freeze, slow motion και reverse χωρίς τη χρήση memory buffer 14

Αρχή λειτουργίας οπτικών συστηµάτων (1/2) CD: 12cm διάµετρος, 12mm πάχος ίσκος χαραγµένος µε κοιλάδες (pits) και νησίδες (lands), σε πλαστικό υλικό µε επικάλυψη αλουµινίου (ανακλαστικό υλικό) Κατά την ανάγνωση: ίοδος laser εκπέµπει υπέρυθρη ακτίνα (780nm) Η ακτίνα ανακλάται από το αλουµίνιο Οι διαφορές στην ανάκλαση του φωτός από κοιλάδες και νησίδες ανιχνεύονται από φακό πάνω από την κεφαλή ανάγνωσης Η µετάβαση από κοιλάδα σε νησίδα ή το αντίθετο ερµηνεύεται σαν 1 ενώ η απουσία µετάβασης ερµηνεύεται σαν 0 15

Αρχή λειτουργίας οπτικών συστηµάτων (2/2) 16

CD Το πλέον διαδεδοµένο ψηφιακό µέσο είναι το Compact Disc H πρώτη µορφή του µέσου εµφανίστηκε από τις Philips Sony το 1980 Τo εξελικτικό βήµα είναι η δυνατότητα εγγραφής και επανεγγραφής (1987). Οι CD-R και CD-RW δίσκοι µοιάζουν µετοcd-da ωστόσο τα επιστρώµατα που χρησιµοποιούν είναι εντελώς διαφορετικά. Χρησιµοποιούν την θερµότητα την οποία αναπτύσσει η κεφαλή εγγραφής του CD Recorder για να αποθηκεύσουν τα ψηφιακά σήµατα (ενώ, αντίθετα, η παραγωγή των CD-DA είναι φωτοχηµική). 17

CD Πρότυπα Red Book CD-DA Ασυµπίεστος LPCM ήχος Transfer rate 150kB/sec Yellow Book - CD-ROM & CD-ROM XA Mode 1-computer data, Mode 2 συµπιεσµένος ήχος και VIDEO ISO 9660 standard: ιεραρχική δοµή αρχειοθέτησης µέχρι 8 επίπεδα Υποστήριξη πολλαπλών ταχυτήτων (1 40) x (150kB/s) Green Book CD-i Philips 1991 Music, Graphics, Text, Animation, Video, και κυρίως games Έχει δικό του player, δεν χρειάζεται υπολογιστής, µπορεί κατευθείαν να συνδεθεί µε την τηλεόραση Orange Book CD-R, CD-RW µε δυνατότητα multisession recording Ο λόγος που οδήγησε στην ιδέα του Photo-CD ήταν η αποθήκευση ακίνητων φωτογραφικών εικόνων σε διάφορα επίπεδα ανάλυσης στο δίσκο. Η πρόσβαση στις εικόνες είναι δυνατή από ένα µεγάλο αριθµόπλατφόρµων συµπεριλαµβανοµένων των Photo-CD players, των CD-I των CD-i players και των υπολογιστών που είναι εφοδιασµένοι µε CD-ROM XA drives Μια καθοριστική διαφορά ανάµεσα στο Photo-CD και τα προηγούµενα CD formats είναι ότι ο δίσκος είναι εγγράψιµος µια µόνο φορά White Book Περιγράφει τη λειτουργία του συνδυασµού ψηφιακού βίντεο (FMV - Full Motion Video) και ήχου στο CD. Είναι βασικά ένα "κινηµατογραφικό" µέσο όπου είναι δυνατόν να γραφτούν 74 λεπτά συµπιεσµένης κινούµενης εικόνας Video σε ένα δίσκο CD. Οι εικόνες πάνω στον δίσκο εγγράφονται σύµφωνα µε τους κανόνες κωδικοποίησης του πρότυπου MPEG 1. Blue Book Περιγράφει τον δίσκο CD µεγάλης χωρητικότητας και δηµιουργήθηκε αρχικά για να υποστηρίξει ένα νέο στάνταρ διανοµής κινηµατογραφικών ταινιών µε κωδικοποίηση MPEG 2. 18 Συµβατότητα της νέας συσκευής που θα παίζει δίσκους DVD προς τα πίσω θα µπορεί δηλαδή να διαβάζει οποιοδήποτε CD (Audio CD, Video CD, CD-ROM)

Λογότυπα Προτύπων CD 19

Λογισµικό Εγγραφής CD Τα µεγαλύτερα προβλήµατα κατά την εγγραφή ενός δίσκου CD, δεν προέρχονται από τις συσκευές εγγραφής όπως θα περίµενε κανείς αλλά από το λογισµικό υποστήριξης της εγγραφής. Οι βασικότερες ιδιαιτερότητες είναι ότι τα δεδοµένα γράφονται και δεν ξεγράφονται και ένας δίσκος θεωρείται πλήρης µόνο αν περιλαµβάνει τον πίνακα περιεχοµένων που είναι παρόµοιος µε το FAT των σκληρών δίσκων. Ο πίνακας περιεχοµένων όµως είναι πάντα η τελευταία εγγραφή στο δίσκο CD και γίνεται µε την διαδικασία finalisation. Όλα τα προγράµµατα επιτρέπουν την εγγραφή δίσκων CD-Audio και CD- ROM, από εκεί και πέρα όµως, υπάρχουν σηµαντικές διαφορές στα υποστηριζόµενα πρότυπα. ιαφορετικές αποδόσεις CD-R ανάλογα µε το λογισµικό. 20

MiniDisk (MD) Πρόκειται για µαγνητο-οπτικό µέσο έσµη φωτός laser προσκρούει στη µία πλευρά του δίσκου σε κάποια θερµοκρασία κάνοντάς το να δέχεται επίδραση µαγνητικού πεδίου. Στην άλλη πλευρά µία µαγνητική κεφαλή πολώνει τη θερµαινόµενη περιοχή, όπου Ν αντιστοιχεί σε 0 και S σε 1 Αποθήκευση ήχου, Sony 1992 MD Data, για δεδοµένα, Sony 1993, αλλά δεν χρησιµοποιήθηκε ευρέως Premastered ή recordable (µέχρι 1000 επανεγγραφές) Υπάρχει σε 60-, 74- και 80-min χωρητικότητα Χρησιµοποιεί το ATRAC format για συµπίεση Adaptive TRansform Acoustic Coding (εκµεταλλευόµενο ψυχοακουστικά φαινόµενα) Ο ATRAC3 codec επιτρέπει MDLP, δηλαδή ένα format µε πάνω από 2h καλής ποιότητας στερεοφωνικό ήχο Το βασικότερο πλεονέκτηµα του έναντι του CD είναι το γεγονός ότι δεν διακόπτεται η αναπαραγωγή του ήχου όταν µετακινηθεί ή χτυπηθεί ο player, κι αυτό γιατί: Χρησιµοποιεί memory-buffer όπου διαβάζονται τα δεδοµένα πριν σταλούν στον DAC. Έτσι εάν µετακινηθεί ο player η δέσµη laser έχει χρόνο να επανατοποθετηθεί στη θέση της χωρίς διακοπή του playback Χρησιµοποιεί User Table of Contents, όπου ο χρήστης µπορεί να ονοµατίζει, να προσθέτει και να αφαιρεί tracks, S 21

DVD (1/3) Ένα DVD µπορεί να περιέχει: DVD-Video (video και ήχος) DVD-Audio (ήχος υψηλής πιστότητας) DVD-Data (δεδοµένα) Τα αντίστοιχα πρότυπα είναι: DVD-ROM (read only) DVD+R/RW (R=Recordable once, RW = ReWritable) DVD-R/RW (R=Recordable once, RW = ReWritable) DVD-RAM (random access rewritable) Τα + και - υποδηλώνουν διαφορετικά πρότυπα, τα οποία είναι εξίσου δηµοφιλή, ενώ η συµβατότητα των players και recorders δεν είναι εγγυηµένη 22

DVD (2/3) Ένα DVD µπορεί να έχει µία ή δύο πλευρές όπου κάθε πλευρά µπορεί να έχει ένα ή δύο στρώµατα (layers) Οι πλευρές και τα στρώµατα καθορίζουν τη χωρητικότητα ως εξής: DVD-5: single sided, single layer, 4.7GB DVD-9: single sided, double layer, 8.5GB DVD-10: double sided, single layer on both sides, 9.4GB DVD-14: double sided, double layer on one side, single layer on other, 13.2GB DVD-18: double sided, double layer on both sides, 18.8GB Μπορεί εύκολα κανείς να διακρίνει σε ποια κατηγορία ανήκει το DVD, κοιτάζοντας πόσες πλευρές έχει και τι χρώµα έχει κάθε πλευρά Οι διπλού στρώµατος πλευρές έχουν χρυσαφί χρώµα ενώ οι µονού στρώµατος ασηµί όπως το CD 23

DVD (3/3) 24

DVD Layers Η χωρητικότητα δίσκων διπλού στρώµατος είναι µικρότερη από τη διπλάσια της χωρητικότητας µονού στρώµατος Αύξηση µήκους κοιλάδας από 0.4 σε 0.44µm και στα δύο στρώµατα Επίσης και η ταχύτητα σάρωσης είναι ελαφρώς µεγαλύτερη ( 3.84 m/s, αντί 3.49) 25

ιαφορές CD και DVD Μικρότερα κοιλώµατα (0,4 µm αντί για 0,8µµ) Στενότερο σπειροειδές (0,74 µm ανάµεσα στις τροχιές αντί για 1,6) Κόκκινο laser µε µικρότερο µήκος κύµατος (650nm αντί για 780nm - πορτοκαλί) Μεγαλύτερη χωρητικότητα κατά 7 φορές Μεγαλύτερη ταχύτητα διαµεταγωγής 1,4 ΜΒ/sec αντί για 150 KB/sec στο 1x Υποστήριξη δύο πλευρών, και δύο στρωµάτων ανά πλευρά 26

Χαρακτηριστικά DVD-video 2 ώρες υψηλής ποιότητας Video (πάνω από 8 ώρες για double-sided double-layered Υποστήριξη widescreen signaling και σε SDTV Παρόλαυτα το DVD δεν είναι πλήρως συµβατό µε HDTV Έως 32 tracks για υπότιτλους ή καραόκε Έως 9 γωνίες λήψης (επιλογή από το χρήστη) Μενού και άλλα interactive χαρακτηριστικά (π.χ. games, quizzes) Πολυγλωσσικά metadata Άµεση πρόσβαση σε δεδοµένα chapter search to title, track, chapter time code 27

DVD Video και Aspect Ratio Οτρόπος παρουσίασης σε οθόνη επιλέγεται από τον παραγωγό, ενώ οι DVD players επιλέγουν διάφορους τρόπους για την απόδοση VIDEO Full frame (4:3 video για 4:3 οθόνη) Η 16:9 τηλεόραση είτε µεγαλώνει το video είτε προσθέτει µαύρες µπάρες Letter box (16:9 video για 4:3 οθόνη) µαύρες µπάρες Pan and Scan (16:9 video για 4:3 οθόνη) Οριζόντια µετακίνηση του καρέ σε ένα οπτικό παράθυρο πλάτους 75% του αρχικού, ως προς το κέντρο ενδιαφέροντος που κωδικοποιείται µέσα στο video stream Widescreen (16:9 video για 16:9 οθόνη) Σε οθόνη 4:3 το καρέ συµπιέζεται, άθλιο 28

Επερχόµενα Ανταγωνιστικά Πρότυπα Blue-ray Disc Ξεκίνησε το 2003 από τη Sony Πλέον υποστηρίζεται από µία κοινοπραξία των: Philips, Matsushita, Sony, Samsung, LG, Thomson, Pioneer, Hitachi, Sharp, Mitsubishi Ίδιο µέγεθος µε CD και DVD Χρησιµοποιεί µπλε laser πολύ µικρότερου µήκους κύµατος (405nm) από CD/DVD και ως εκ τούτου το σπειροειδές του δίσκου είναι πολύ µικρότερο Άρα έχει πολύ µεγαλύτερη χωρητικότητα (25GB) 2 ώρες HDTV Advanced Optical Disc (AOD) Ξεκίνησε το 2003 από την Toshiba και τη NEC, ως ανταγωνιστικό του Blue-ray Παρόµοιο µε Blue-Ray Laser 405nm αλλά χωρητικότητα έως 15GB Το εξωτερικό υπόστρωµα έχει πάχος 0.6mm (DVD) και όχι 0.1µµ (Blue-ray) Υποστηρίζεται ότι το µειονέκτηµα ως προς τη χωρητικότητα έχει σαν αντίποδα τη χρήση καλύτερων video codecs (Windows Media 9 ή Η.264) 29