自从20世纪中期的红宝石激光器问世以来，激光技术的应用已经开始渗透到很多领域。在20世纪70年代初美国RCA和荷兰飞利浦公司联合开发了激光盘系统LD（Laser Disc），从此开创了以激光为手段、以光盘为存储介质的信息记录先河。此后在20世纪80年代初由日本索尼公司和荷兰飞利浦共同开发的 CD 光盘机又开创了数字化记录方式的新篇章。到目前为止数字光盘已从原来的CD、CD-ROM、CD-I发展到现在的CD-R、CD-RW、MO、VCD、DVD等。有人曾高度评价了光盘诞生的意义，认为其不亚于纸张的发明对人类的贡献。
1. 激光盘的盘片结构
激光盘主要由保护层、反射层、刻槽和聚碳酸酯衬垫组成，如图2.14所示。光盘上的铝反射层是用来反射激光光束的，其上的保护层主要用来保护铝层不被磨损。激光盘片上轧有许多用来表示二进制数据的坑，其宽度为0.5 μm，最短为0.83 μm，深度为0.11 μm，相邻轨迹之间的距离为1.6 μm。
图2.14 激光盘结构原理
光盘外径为120 mm，重量为14～18 g。光盘分为三个区：导入区、导出区和数据记录区，如图2.15所示。
图2.15 CD盘结构
光盘光道的结构和磁盘磁道的结构不同，它不是同心环光道，而是螺旋形光道，其长度大约为5 km。光盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，即光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的，通常用CLV表示。由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记录密度（bit/inch）可以做到一致，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存储容量，但存储特性变得较差，控制也较复杂。
2. 光盘数据的写入与读出
普通光盘的记录原理是采用在盘片上压制凹坑的方式，利用凹坑的边缘来记录“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分记录“0”，从而通过光学读出头对不同的反射光束的拾取来读出数据的。
普通光盘与磁盘、磁光盘和相变光盘不同，它只能读取数据，而不能由光盘驱动器写入数据。因此人们又称它为只读光盘。
普通光盘上的数据是用模具冲压而成的，而模具是用原版盘制成的。在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，对涂有感光胶的玻璃盘进行“刻录”。在刻录过程中曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑，反之就保持原样。然后在带有凹坑的玻璃盘表面上镀上一层金属，用这种盘去制作母盘，用母盘去制作模具，再用模具去轧制盘片。大量的数据就这样“写入”了光盘。
由于光盘的数据读取是非接触式的，因此一张光盘的使用寿命要远大于普通软盘。
3. 数字光盘格式标准
光盘格式包含逻辑格式和物理格式。逻辑格式实际上就是文件格式，它规定如何把文件组织到光盘上，以及指定文件在光盘上的物理位置，包括文件的目录结构、文件大小以及所需盘片数目等；物理格式则规定数据如何放在光盘上，这些数据包括物理扇区的地址、数据的类型、数据块的大小、错误检测和纠错码等。
光盘格式标准文件记载了许多光盘格式，这些标准文件包括红皮书、黄皮书、ISO 9660、绿皮书、橙皮书、白皮书等，而且还在不断推出新的标准文件。
（1）红皮书（RedBook，激光唱盘标准）。红皮书是CD-DA（CompactDisc-DigitalAudio）的标准，也就是所谓激光唱盘标准。这个标准是所有后继光盘的最基本的标准，所有其他的光盘格式标准都是在这个标准的基础上制定的。
在CD-DA中，存储声音数据的最基本单元是帧（Frame），它的结构如表2.5所示。
表2.5 帧结构
CD盘上的98帧组成一个扇区（Sector），光道上1个扇区有3 234 B。它们的关系为：3234 B＝2 352 B（声音数据）＋2×392 B（EDC/ECC字节）＋98 B（控制字节）。
其中，EDC/ECC是Error Detection Code /Error Correction Code的缩写，即错误检测码/错误修正码。EDC/ECC的结构如表2.6所示。
表2.6 EDC/ECC的结构
CD机每秒读75个扇区。CD盘上的光道（Track）有两类，一类是物理光道，是一条不间断的螺旋线，只有一条；另一类是逻辑光道，每一条CD-DA的逻辑光道由多个扇区组成，扇区的数目可多可少，因此光道长度也可长可短，通常一个曲目组织成一条光道。
CD-DA中每帧有一个控制字节，98帧组成8个子通道，分别命名为P、Q、R、S、T、U、V、和W子通道，一条光道上所有扇区的子通道组成CD-DA的P、Q、…、W通道，98个控制字节组成的8个子通道的结构如表2.7所示。
表2.7 CD-DA的P～W子通道的结构
98个字节的b8组成P通道，98个字节的b7组成Q通道，依此类推。通道P含有一个标志，它用来告诉CD播放机光道上的声音数据从什么地方开始；通道Q包含有运行时间信息，CD播放机使用这个通道中的时间信息来显示播放音乐节目的时间。Q通道的98 bit的数据排列如表2.8所示。
表2.8 Q通道的98 bit数据结构
Q通道的98 bit数据的含义如下：
2 bit：同步位。
4 bit：控制标志，定义这条光道上的数据类型。
4 bit：说明后面72 bit数据的标志。
72 bit：Q通道的数据。在盘的导入区（Lead In）含有盘的内容表（TOC）；在其余的盘区含有当前的播放时间。
16 bit：CRC纠错码用于错误检测。
（2）黄皮书（Yellow Book，CD-ROM标准）。黄皮书是CD-ROM（Compact Disc-Read Only Memory）的标准，它在红皮书的基础上增加了两种类型的光道，再加上红皮书的CD-DA光道，CD-ROM共有3种类型的光道。
CD-DA光道，用于存储声音数据。
CD-ROM Mode 1，用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，用于存储压缩的声音数据、静态图像或视频图像数据。
在该标准中对红皮书中2 352 B的用户数据作了重新定义，解决了把CD用作计算机存储器存在的两个问题：一是计算机的寻址问题；另一个是误码率问题，CD-ROM标准使用了一部分用户数据当作错误校正码，称为第3层错误检测和错误校正，使CD-ROM盘的误码率进一步下降。
CD-ROM Mode 1中的2 352 B的数据结构如表2.9所示。
表2.9 CD-ROM Mode 1的数据结构
CD-ROM 的扇区地址是用计时系统中的分、秒，以及“分秒”（1/75 s）来表示的。CD-ROM用户数据区的地址结构如表2.10所示。
表2.10 CD-ROM用户数据区的地址结构
CD-ROM Mode 2中的2 352 B数据结构如表2.11所示。
表2.11 CD-ROM Mode 2的数据结构
CD-ROM Mode 2与CD-ROM Mode 1相比，存储的用户数据多14%，但是由于没有第3层错误检测和错误修正码，因此用户数据的误码率比CD-ROM Mode 1中的误码率要高。在CD-ROM Mode 2的扇区地址中，方式（Mode）字节值为02。
CD-ROM光盘可以包含CD-DA光道和CD-ROM Mode光道，这种方式称为混合方式。一般这种盘的第一条光道是CD-ROM Mode 1光道，其余的光道是CD-DA光道。这种盘上的CD-DA光道可以在普通CD播放机上播放。
（3）黄皮书的扩充（CD-ROM/XA标准）。CD的第3个标准叫做CD-ROM/XA（CD-ROM Extended Architecture）标准。它是黄皮书的扩充，这个标准定义了一种新型光道：CD-ROM/XA光道。连同前面红皮书和黄皮书定义的，共有4种光道：CD-DA、CD-ROM Mode 1、CD-ROM Mode 2和CD-ROM Mode 2/XA，该光道用于存放计算机数据、压缩的声音数据、静态图像或视频图像数据。
CD-ROM/XA对CD-ROM Mode 2作了扩充，定义了两种新的扇区方式。
CD-ROM Mode 2/XA Form 1：用于存储计算机数据。
CD -ROM Mode 2/XA Form 2：用于存储压缩的声音、静态图像或视频图像数据。
因此CD-ROM/XA允许把多媒体信息中的计算机数据、声音、静态图像或视频图像数据放在同一条光道上，计算机数据按Form 1的格式存放，声音、静态图像或视频图像按Form 2的格式存放。
CD-ROM Mode 2/XA Form 1中的2 352个数据字节结构如表2.12所示。
表2.12 CD-ROM Mode 2/XA Form 1的数据结构
CD-ROM Mode 2/XA Form 2中的2 352个数据字节结构如表2.13所示。
表2.13 CD-ROM Mode 2/XA Form 2的数据结构
（4）ISO 9660（CD-ROM文件标准）。由于计算机的操作系统有多种，因此其文件格式也各不相同，这必然带来文件的不兼容问题。例如，MS-DOS文件结构与 HFS（Hierarchical File System）文件就互不兼容。由于CD-ROM标准并没有制定文件标准，因此国际标准化组织制定了一个名为ISO 9660的标准。这个标准既不是MS-DOS的文件结构标准，也不是HFS的文件结构标准，只是一个描述计算机用的CD-ROM文件结构标准。
计算机要能够读ISO 9660文件结构的盘，就必须要设计一个能支持该标准的代码转换软件，Microsoft公司为读CD-ROM盘上的ISO 9660文件而开发的程序叫做MSCDEX，它需要和 CD-ROM 驱动器所带的设备驱动程序联合使用，MS-DOS 操作系统才能读CD-ROM盘上的ISO 9660文件。MSCDEX程序的主要功能是把ISO 9660文件结构转变成MS-DOS能识别文件结构。同样，其他的操作系统也需要开发类似于MSCDEX的软件，并且同样要与CD-ROM驱动器带的设备驱动程序联合工作，才能读ISO 9660盘上的文件。
（5）橙皮书（Orange Book，可刻录CD盘标准）。橙皮书是一种可刻录光盘标准，它允许用户把自己创作的多媒体文件记录到盘上，可刻录CD盘分成以下两类：
MO（Magnetic Optical）盘，这是一种采用磁记录原理利用激光读/写数据的盘，称为磁光盘。盘上的数据可以由用户擦写。
CD-R（Compact Disk-Recordable）盘，用户可以把自己的数据写到盘上，但是不能把写入的数据抹掉。
为此，橙皮书标准分成两部分：Part1和Part2，前者描述MO，后者描述CD-R。
Part1标准描述MO盘上的两个区，这两个区如下：
可选预刻录区（Optional Pre-Mastered Area），这个区域的信息是按照红皮书、黄皮书标准预先刻制在盘上的，是一个只读区域。
用户可重写的记录区（Recordable User Area），普通的CD播放机不能读这个区域的数据，这是因为CD盘与磁光盘采用的记录原理不同。
Part2标准定义可写一次性的CD-R盘。这种盘是一种预制光道的空白盘，用户把多媒体文件写到盘上之后，就把TOC（内容表）写到盘上，在写入TOC之前，这种盘只能在刻录机上读；在TOC写入之后，这种盘就可以在普通的光驱上读取。
（6）白皮书（White Book，Video-CD标准）。白皮书描述的是一个使用CD格式和MPEG标准的数字视频播放系统。Video-CD标准有完整的文件系统，它的结构遵照ISO 9660的文件结构，因此VCD节目能够在CD-ROM/XA和VCD播放机上播放。
Video-CD定义了MPEG光道的结构，它由MPEG视频扇区和MPEG音频扇区组成，光道上的音频和视频图像是按照MPEG标准ISO 11172的规定进行编码的，音频扇区和视频扇区交错保存在光道上。
视频扇区的一般格式如表2.14所示。
表2.14 视频扇区的格式
音频扇区的一般格式如表2.15所示。
表2.15 音频扇区的格式
4.VCD
（1）VCD的版本。目前VCD光盘品种繁多，令人目不暇接，并出现了不同版本的光碟。目前市面上使用的VCD碟片共有3种版本，分别是Ver1.0、Ver1.1和Ver2.0版本。
早期的Ver1.0版本为卡拉OK碟片专用，因当时没有VCD这个名称，故称为卡拉OK CD。后由日本JVC公司提出，并逐渐实用化，此时将OK CD改称为Ver1.0版本。Ver1.0版本可储存歌曲名称及其他卡拉OK资料，是专为卡拉OK而设计的。
Ver1.1版本是第一个VCD标准《VideoCD Version1.1》。Ver1.1版本是在Ver1.0版本基础上改造的，其应用范围比Ver1.0版本扩展了许多，在性能方面也有大的改进，尤其是其压缩技术更先进了，图像分辨格式、扇区划分和信号封包形式的标准化及记录格式化，更适于图像的播放。
VideoCD Version2.0版本与Ver1.0和Ver1.1版本的主要区别在于：Ver2.0版本具有交互式的菜单选择功能及控制高清晰度静止画面功能。
菜单选择功能可把光盘中的内容分成若干段，并将名称显示在屏幕上，用户可按节目名称直接选取其中任一画面或任一首歌曲。
高清晰度静止画面是指在播放静止画面时，画面分辨率比动态提高4倍。不同版本有一定的兼容性，如用Ver1.0版本的VCD光盘机可以播放Ver2.0版本的光盘，而用Ver2.0的机器也可以播放Ver1.0的光盘，其结果都只能是Ver1.0标准的效果。
（2）VCD盘的构成。VCD Ver1.1版本是采用分轨制存放节目信息的，从导入区以后，便按顺序排列轨道1、轨道2、…，最多不大于轨道99，如表2.16所示。除第一轨道存放系统文件以外，其余每一轨道存放一个节目，在节目中可以是MPEG-1音频、视频或仅有MPEG压缩音频，也可以是CD-DA音频（无压缩）。
表2.16 VCD Ver1.1分轨制结构
在VCD Ver2.0版本中，采用的是分轨与分段相结合的结构，在分段区中，是以150个扇区定义为一段，即一段可存放2 s节目，一个节目的段数不限，但不可超过1 980段，各个节目间的排列可能是不连续的，每个节目必须是从段首开始存放。
分段区放在轨道1的末尾，如分段区较长，轨道2可向后移。在VCD Ver2.0版本中，可存放以下3种类型的素材：MPEG-1音频、视频节目或仅有MPEG压缩音频；CD-DA音频节目；MPEG静止压缩图像。
其中CD-DA只能存放在分轨区，而MPEG静止压缩图像（一般为节目菜单）只能存放在分段区，表2.17说明了分段区与分轨区的部分区别。
表2.17 分段区与分轨区的区别
（3）VCD Ver2.0目录结构。VCD Ver2.0版本的光盘一般具有如图2.16所示的目录结构。
图2.16 光盘目录结构
白皮书中规定，所有系统文件必须存放在固定的位置，所以在VCD系统文件子目录中， INFO.VCD文件存放在光盘的00 min 04 s 00扇区，ENTRIES.VCD文件存放在光盘的00 min 04 s 01扇区，LOT.VCD文件存放于00 min 04 s 02扇区到00 min 04 s 33扇区，共占用了32个扇区；PSD.VCD 文件存放于光盘的 00 min 04 s 34 扇区到 00 min 07 s 64 扇区。其中ENTRIES.VCD存放了各轨道的入口地址。而PSD.VCD和LOT.VCD则存放了菜单中各项相关的地址表和偏移量表。
在轨道子目录（MPEGAV）中，依次列出了各轨道中所存储的节目数据文件。其中标有01的为第2轨中所存储的节目数据文件，标有02的为第3轨中所存储的节目数据文件，依此类推，节目的轨道最多不能大于第99轨。
分段区子目录中列出的是在分段区中存储的各节目的数据文件，但各文件名的序号可能是不连续的，这是因为文件名中所标的4位序列号，就是该文件起始数据所在的段号，或称段地址。由于一个节目所需的段数可能不止一段，而每个节目所需的段数也可能不同，所以一般各文件的序列号是不连续的。只有当每个节目的数据量仅需一段的存储空间时，各文件中所标的序列号才是连续的。
在分段区中存放的一般是节目的版权声明以及播放菜单所需的静止图像。CD-I、KARAOK、CDDA子目录都是可选的，这要看盘中的节目安排如何，例如，在盘中没有安排CDDA音频节目，则该子目录可以不存在，或为空子目录。
在EXT子目录中则存放着一些与ISO 9660标准相对应的、适于在PC机中播放光盘的系统文件。
5.DVD
DVD（Digital Video Disc）是一种高密度数字视频光盘，是为了适应MPGE-2视频数据存放而设计的。因此它的容量要远大于VCD，单面单层DVD盘片能够存储4.7 GB的数据，单面双层盘片的容量为8.5 GB。一张单面单层DVD盘片可存储133 min的MPEG-2视频节目，其分辨率与SDTV相同，并配备DolbyAC-3/MPEG-2Audio质量的声音和不同语言的字幕。
DVD的特点是存储容量大，最高可达到17 GB。一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM（650 MB），而DVD盘的尺寸与CD相同。DVD所包含的软、硬件都具有向下兼容的特性。
（1）DVD的规格。DVD-Video的规格如表2.18所示。DVD盘上的视频都采用MPEG-2的视频标准。NTSC的声音采用Dolby AC-3标准，MPEG-2Audio作为选用；PAL和SECAM的声音采用MPEG-2Audio标准，Dolby AC-3作为选用。
表2.18 视频图像规格
（2）DVD光盘结构。DVD光盘与普通光盘十分相似，两者直径相同，厚度相同，都具有极为明亮光泽的表面。但实际上DVD光盘的容量比普通CD光盘的容量大得多，一张单面单层DVD光盘的容量大约是一张CD光盘的7倍。而且两者的结构也有较大差别：DVD上的数据轨道仅相距0.74 μm，凹坑和非坑面长度最短为0.4～0.44 μm（取决于光盘类型）。
与VCD不同，DVD由两层0.6 mm厚的衬底结合在一起，在一片标准的“单层”DVD中，一层衬底带有数据层，另一层则为空白。
DVD光盘可采用双层光盘的结构，因此DVD光盘的结构有单面单层、单面双层、双面单层和双面双层4种类型，如图2.17所示。
图2.17 DVD的各种盘结构
（3）影视DVD的区域编码。软件制造商为了防止非法复制，保护电影的版权，推出了DVD区代码的规定，密码内容将由专门机构管理。地区编码协议采用区域标识码系统，该区域码系统把全球分成6个发行区域，如表2.19所示。
表2.19 影视DVD地区编码
这一区域编码系统在实施时，将DVD盘片和DVD播放机同时分区。每一种DVD播放机只能播放该区的DVD片（全域编码除外）。因此购买DVD播放机和DVD盘片时均要分清区域。
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