智能電視解決方案的關鍵技術分析及應用

廖晶晶

（廣西師范大學，廣西 桂林 541004）

隨著電視產品領域的技術革新，具備多任務處理能力和可擴展功能的智能電視逐漸在世界電視產品行業中嶄露頭角。在2011年和2012年CES（國際消費電子產品）展會上，各大家電巨頭推出的智能電視產品成為焦點，2011年也因此被稱作電視產業的“智能電視元年”。相對于傳統的電視而言，智能電視不再是簡單的收視設備，而是在先進的顯示技術基礎上，以具備優秀用戶操控界面的操作系統為人機交互界面，利用具有多任務處理能力的處理器為硬件控制平臺，融入各類外圍器件，將電視轉變成能為用戶提供多種應用功能并可通過應用程序的更新來獲取擴展功能的智能電子產品[1]。

1 智能電視發展現狀

由于智能電視還處于起步發展的階段，各廠商根據自己的定義和理解來進行FPD技術、主控CPU架構和操作系統的選型，使得各種智能電視產品之間存在嚴重的兼容性問題，加之目前各方尚無統一的產品標準，用戶對于產品的體驗感知成了衡量其質量的重要標準。從用戶體驗感知的角度來講，平板顯示（FPD）技術的響應時間、功耗和可視角度等內容影響用戶視覺感知度，主控CPU架構的選擇影響操作流暢度等用戶操作感知，而操作系統的類型則影響用戶應用功能擴展的感知度。

2 智能電視關鍵技術分析

一個完整的智能電視產品涉及FPD技術、系統主控CPU和用戶操作系統3種關鍵技術[2]。從FPD技術看，自2001年以來，主流FPD技術包括LCD（液晶顯示）、PDP（等離子體顯示）和OLED（有機發光二極管）技術；在系統主控CPU方面，ARM（進階精簡指令集機器）和MIPS（無內部互鎖流水級的微處理器）都有許多應用在智能電視領域的芯片問世，而基于x86架構的Intel Atom處理器的智能電視產品相繼問世，逐漸形成ARM、MIPS和x86架構三方爭霸的局面；而在操作系統方面，針對不同的主控CPU，各大家電廠商都采用不同的平臺，譬如Google TV的Android系統、微軟Windows TV的Windows系統、Apple TV的iOS和三星Bada等，但是大體上分為Android、Windows和以iOS為代表的企業自建系統三大類。

2.1 FPD技術

自2001年開始，FPD技術開始迅速發展，特別是LCD技術和PDP技術的發展，現在早已全面超越傳統CRT技術。隨著FPD技術的進一步發展，特別是2010年以后，OLED技術異軍突起，形成LCD和PDP為主流，OLED為后起之秀的產品格局[3]。

2.1.1 LCD技術

LCD是一種非主動發光的，通過電場來改變液晶分子排列方式或狀態來調制外界光線產生不同的通過情況，再經過偏光濾器、濾色器形成畫面的顯示技術（如圖1所示）。就目前產業現狀而言，主要可以劃分為TN（扭曲向列型）、STN（超扭曲向列型）、a-Si TFT（非晶薄膜場效應晶體管型）、LTPS TFT（低溫多晶硅薄膜場效應晶體管型）和TFD（薄膜二極管液晶）等。

采用LCD技術的智能電視能夠獲得低功耗、高清晰度、高亮度等優勢，但是受限于非主動發光的原理，LCD必須采用外部光源進行顯示，而且由于液晶態物質的特性，響應時間和可視角度都受到一定的限制，但是隨著LCD技術的發展，響應時間和可視角度都在逐漸改善。

2.1.2 PDP技術

PDP技術的原理與日光燈十分類似，它的發光元件為等離子管，將以玻璃為基板的屏幕上分布的每個等離子管視作一個像素，涂有金屬氧化物的基板內側作為電極，基板與基板之間充入氖、氙等混合惰性氣體，經氣密性封接后形成多個放電空間。當電極間有一定的電壓差出現，放電空間的惰性氣體就會發生等離子體放電的現象，這些等離子體放電產生的射線就能夠激發熒光屏發出可見光，進而形成顯示畫面（如圖2所示）。按照工作方式的不同，PDP技術主要分為電極與氣體間用介質層隔離的交流型（AC-PDP）和電極與氣體直接接觸的直流型（DC-PDP）。相比DC-PDP而言，AC-PDP具有更簡單的結構、更高的亮度等優點，故大部分PDP廠商采用AC-PDP的結構。

采用PDP技術的電視產品往往能獲得較大的可視角度、較小的響應時間、較高的屏幕亮度、較大的可視面積，由于激發等離子體發光的原理，PDP在功耗、制作成本等方面存在較大的提升空間。

2.1.3 OLED技術

OLED技術是近年來新興的一種顯示技術，它的基本原理是在外加電場的作用下，正負載流子（空穴和自由電子）被注入有機半導體薄膜后進行復合，復合過程中產生的能量就分別以光能和熱能的形式消散，再利用材料的能階差，就能夠將能量轉換成光能，從而完成顯示的功能（如圖3所示）。

OLED采用的是半導體薄膜器件，它的厚度和重量可以做到非常小，僅為LCD屏幕的1/3。整個OLED器件為固態結構，有很好的抗震性能。如果在特殊材質的基板上進行制造，可以做成柔軟的能夠彎曲的顯示器。由于OLED主動發光和載流子復合的顯示原理，OLED產品幾乎不存在可視角度的問題。響應時間也是LCD技術的千分之一，并且具備良好的溫度特性。但是OLED的使用壽命成為制約其產業化的因素，而隨著發光材料的發展，OLED的正常使用壽命已經接近甚至超過LCD和PDP產品了。

2.1.4 FPD技術小結

OLED作為新興的顯示技術，已經成為未來顯示技術發展的一大趨勢。對于LCD而言，它的可視角度和響應速度是LCD技術無法比擬的，制作工序也相對簡單得多；對于PDP來講，它的低功耗和設備體積則是兩大優勢（見表1）。

表1 LCD/PDP/OLED技術性能比較

2.2 系統主控CPU

除了傳統電視信號的接收，智能電視一個關鍵的特征就是能夠實現網絡功能，并具備語音、體感等交互功能。目前針對智能電視系統的需求，主要有兩類解決方案[4]：一類是單芯片解決方案，即單塊芯片里面集成中央處理器、網絡控制、電視信號解碼和電視接口等模塊，加上外圍設備來構成智能電視系統電路；另一類是雙芯片解決方案，即一塊中央處理器加上電視芯片完成傳統電視功能，再連接網絡芯片和各類外圍器件來搭建智能電視系統電路。無論何種方案，處理架構基本上都是屬于ARM，MIPS或x86。

2.2.1 ARM架構

ARM是基于32位精簡指令集（RISC）開發的CPU架構，由于每條指令的長度相同，保證了CPU在每個時鐘周期都能夠執行相同數量的指令，從而避免了由于指令過長而導致CPU“堵塞”，產生操作不流暢的現象。同時，ARM的內存尋址技術也相對簡單，可以有效地簡化尋址問題，減少CPU的能耗。ARM架構包含有Barrel Shifter（桶式移位寄存器）和16個GPR（通用寄存器），前者可以有效地提高數據處理的速度，但帶來了復雜的硬件結構，提高了芯片成本；后者則限制了ARM處理器主頻的進一步提升。由于ARM處理器低功耗的特點，它被大量應用在手持設備、消費類電子等領域。但是由于GPR數量、指令寫入GPR前的多個操作行為以及指令預測執行的限制，ARM處理器少有1 GHz以上的主頻，使其很難應用在運算速度要求較高的場景。為了提高處理器的整體性能，ARM一直致力于發展多處理器核心（Multi Processor，MP）技術，從目前看來，多內核將會成為中央處理器的發展趨勢。

2.2.2 MIPS架構

與ARM類似，MIPS架構也是基于RISC開發的CPU架構。與ARM不同的是，它作為最簡單的處理器體系結構之一，很早就能夠提供32位和64位的架構。在同類的解決方案中，MIPS能夠提供比ARM更高的性能、更低的功耗和更小的芯片面積。它包含32個GPR，可以在減少寄存器溢出的前提下提供更強的性能，整個架構主要執行單一的操作指令，并不作大量的指令預測執行，并采用了比ARM更加簡單的尋址方式，使得MIPS處理器能輕松達到1 GHz甚至更高的工作頻率，從而獲得更快的數據處理速度。所以MIPS架構的處理器通常被應用到數字家庭、寬帶接入和無線網絡等數據吞吐量較大、處理速度要求較高的場景。為了進一步提升整體性能，MIPS重點引入多線程（Multi Thread，MT）技術。

2.2.3 x86架構

x86架構CPU是CISC（復雜指令集）處理器的代表，目前個人桌面電腦大部分都是x86架構的CPU。經過多年的發展，MP和MT技術在x86架構上已經非常普遍，可以提供很高的工作頻率、很快的運算速度和強大的數據處理能力。與基于RISC處理器特點不同，由于x86處理器的指令復雜度高，使其解碼過程復雜，同時帶來芯片面積增大、成本上升、功耗增加等一系列問題。目前用戶熟知的各種軟件絕大多數都是x86架構下開發，使得其他架構處理器在這些軟件的兼容性方面存在嚴重的問題。比如，x86架構的操作系統上正常運行的軟件，需要重新編譯，才能移植到ARM架構的操作系統上運行。

2.2.4 CPU架構小結

作為智能電視市場的主要推動者之一，英特爾公司逐漸開始重視嵌入式設備，并根據市場需要推出可為智能電視提供視頻和圖形處理能力的低功耗x86架構SoC（系統級芯片）產品；ARM架構處理器憑借在手持設備等領域的優勢，推出支持多核心的Cortex-A9處理器；作為后來者，MIPS架構也逐漸受到青睞。3種架構體系的比較如表2所示。

表2 ARM/MIPS/x86架構對比

2.3 操作系統

智能電視區別于傳統電視的另一個非常重要的特征就是具備可升級的開放式操作系統，通過應用程序的安裝和卸載，獲取更多擴展功能和增值服務。那么就對智能電視產品的操作系統的開放性提出了較高要求。

2.3.1 Android

Android是Google公司基于Linux平臺開發，一個開源的類Unix系統，它包含應用程序、應用程序框架、程序庫、Android Runtime與Linux內核等層（如圖4所示）。Linux內核層向整個系統提供內存、進程、線程的管理和網絡協議棧、驅動模型等底層服務；程序庫和Android Runtime層提供類似SQLite數據庫系統、OpenGL 3D繪圖系統、媒體庫、LibWebCore等C++鏈接庫并使用Java編譯器進行編譯，通過Dalvik虛擬機執行編譯后的.dex類型的可執行文件；應用程序框架層則起到將應用程序層與程序庫的幕后主架構進行有機銜接的作用；而應用程序層可以將整個系統框架內的組件進行組合，形成高階服務，滿足使用者的期望。

由于Android系統開源的特性，使得它內部各個層次間的接口能夠很清楚地被了解，加之采用了成熟的、存在大量可重用代碼的Java技術，使得Android系統可以進行差異化的設計從而形成不同的產品，并且擁有大量的應用軟件。但是Java應用內存消耗大、運行速度低的特點，也導致Android系統對硬件要求的提高。

2.3.2 Windows

Windows是由微軟公司獨立開發的，源代碼由微軟商業所有的操作系統。整個Windows主要由用戶模式（User Mode）和內核模式（Kernel Mode）兩部分構成；大多數應用程序的代碼都運行在用戶模式層，通過Windows提供的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數對系統數據進行訪問，并且無法直接訪問底層硬件；在內核模式下，系統內核代碼可以訪問幾乎所有的系統數據和底層硬件（如圖5所示）。在實際使用中，用戶模式下的應用程序會首先調用系統服務，操作系統會捕獲該應用然后將調用線程從用戶模式切換到內核模式完成對系統數據和底層硬件的訪問，應用程序結束后操作系統再將線程切換回用戶模式。

雖然Windows操作系統未完全開源，但是能夠提供API庫函數的支持，加之它早已成為桌面電腦的首選操作系統，所以Windows擁有大量的用戶。在智能電視的應用程序擴展能力方面，Windows有著先天的優勢。

2.3.3 企業自建系統

對于智能電視操作系統，雖然不同企業會推出不同種類的系統，但是相當一部分都屬于Andorid的深度定制，其他全新的系統由于支持的應用程序太少，很難體現智能電視的擴展能力。iOS是蘋果公司擁有源碼版權的，基于Darwin（達爾文）系統的類Unix系統。它由核心操作系統層（Core OS layer）、核心服務層（Core Services layer）、媒體層（Media layer）和可觸摸層（Cocoa Touch layer）等4層構成（如圖6所示）。核心操作系統層可以直接訪問底層硬件，并完成內存管理、文件系統及其他任務；核心服務層設置了iOS所定制的一些服務供用戶訪問；媒體層提供各類應用程序中使用的媒體文件、庫函數及標準接口；可觸摸層則負責用戶在iOS的觸摸交互操作。

由于過度封閉的系統架構，使得應用程序軟件僅能通過蘋果公司的審核才能正常發布，保證了軟件的安全性和優異的操作體驗，但是蘋果公司應用程序下載分成的商業模式，也促使大量優秀的應用程序上線銷售。

2.3.4 操作系統小結

微軟已經推出支持ARM架構的Windows系統，Android系統的開源特性使得其在應用程序數量及深度定制產品等方面有著巨大的潛力，而iOS憑借優異的操作體驗和優秀的軟件質量具備強大的競爭力。3種操作系統功能的對比如表3所示。

表3 Android/Windows/iOS系統功能比較

3 總結及展望

智能電視的出現，標志著電視產業第三次革命的到來。不難看出，傳統電視的定義已經不能夠很好地詮釋智能電視的含義。智能電視已經將傳統電視智能化、網絡化、IT化不再是傳統電視的簡單延伸，而是一個嶄新的事物。在平板顯示技術方面，LCD，PDP和OLED將是未來智能電視的主流技術，輔以3D顯示技術，能夠為用戶帶來完美的視覺感受；在CPU架構方面，x86、ARM、MIPS三大架構形成鼎足之勢；在操作系統方面，Android、Windows和iOS各自具備突出的優點，而企業自建系統還需在操作界面和應用程序數量方面進一步提升。

智能電視開放的本質決定了傳統電視那種“一個品牌、一種技術、幾類功能”的市場方式已經徹底過時，功能型電視時代產生的思想和市場策略已經無法適應智能電視的時代。只有積極向智能化、網絡化、IT化轉型，才能夠在智能電視時代贏得勝利。

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[1]吳偉.智能電視技術分析[J].電視技術，2011，35（24）：7.

[2]溫娜.智能電視技術與評價標準探討[J].電視技術，2011，35（20）：41-42.

[3]鄭圣德.LCD/PDP/OLED的綜合比較[J].電子工藝技術，2005（5）:304-307.

[4]黃慶敏.智能電視的系統設計方案[J].電視技術，2011，35（20）：38-40.