智能電視解決方案的關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

廖晶晶

（廣西師范大學(xué)，廣西 桂林 541004）

隨著電視產(chǎn)品領(lǐng)域的技術(shù)革新，具備多任務(wù)處理能力和可擴(kuò)展功能的智能電視逐漸在世界電視產(chǎn)品行業(yè)中嶄露頭角。在2011年和2012年CES（國際消費(fèi)電子產(chǎn)品）展會(huì)上，各大家電巨頭推出的智能電視產(chǎn)品成為焦點(diǎn)，2011年也因此被稱作電視產(chǎn)業(yè)的“智能電視元年”。相對(duì)于傳統(tǒng)的電視而言，智能電視不再是簡單的收視設(shè)備，而是在先進(jìn)的顯示技術(shù)基礎(chǔ)上，以具備優(yōu)秀用戶操控界面的操作系統(tǒng)為人機(jī)交互界面，利用具有多任務(wù)處理能力的處理器為硬件控制平臺(tái)，融入各類外圍器件，將電視轉(zhuǎn)變成能為用戶提供多種應(yīng)用功能并可通過應(yīng)用程序的更新來獲取擴(kuò)展功能的智能電子產(chǎn)品[1]。

1 智能電視發(fā)展現(xiàn)狀

由于智能電視還處于起步發(fā)展的階段，各廠商根據(jù)自己的定義和理解來進(jìn)行FPD技術(shù)、主控CPU架構(gòu)和操作系統(tǒng)的選型，使得各種智能電視產(chǎn)品之間存在嚴(yán)重的兼容性問題，加之目前各方尚無統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，用戶對(duì)于產(chǎn)品的體驗(yàn)感知成了衡量其質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。從用戶體驗(yàn)感知的角度來講，平板顯示（FPD）技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間、功耗和可視角度等內(nèi)容影響用戶視覺感知度，主控CPU架構(gòu)的選擇影響操作流暢度等用戶操作感知，而操作系統(tǒng)的類型則影響用戶應(yīng)用功能擴(kuò)展的感知度。

2 智能電視關(guān)鍵技術(shù)分析

一個(gè)完整的智能電視產(chǎn)品涉及FPD技術(shù)、系統(tǒng)主控CPU和用戶操作系統(tǒng)3種關(guān)鍵技術(shù)[2]。從FPD技術(shù)看，自2001年以來，主流FPD技術(shù)包括LCD（液晶顯示）、PDP（等離子體顯示）和OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）技術(shù)；在系統(tǒng)主控CPU方面，ARM（進(jìn)階精簡指令集機(jī)器）和MIPS（無內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器）都有許多應(yīng)用在智能電視領(lǐng)域的芯片問世，而基于x86架構(gòu)的Intel Atom處理器的智能電視產(chǎn)品相繼問世，逐漸形成ARM、MIPS和x86架構(gòu)三方爭霸的局面；而在操作系統(tǒng)方面，針對(duì)不同的主控CPU，各大家電廠商都采用不同的平臺(tái)，譬如Google TV的Android系統(tǒng)、微軟Windows TV的Windows系統(tǒng)、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(yè)自建系統(tǒng)三大類。

2.1 FPD技術(shù)

自2001年開始，F(xiàn)PD技術(shù)開始迅速發(fā)展，特別是LCD技術(shù)和PDP技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在早已全面超越傳統(tǒng)CRT技術(shù)。隨著FPD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是2010年以后，OLED技術(shù)異軍突起，形成LCD和PDP為主流，OLED為后起之秀的產(chǎn)品格局[3]。

2.1.1 LCD技術(shù)

LCD是一種非主動(dòng)發(fā)光的，通過電場來改變液晶分子排列方式或狀態(tài)來調(diào)制外界光線產(chǎn)生不同的通過情況，再經(jīng)過偏光濾器、濾色器形成畫面的顯示技術(shù)（如圖1所示）。就目前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)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(yīng)晶體管型）、LTPS TFT（低溫多晶硅薄膜場效應(yīng)晶體管型）和TFD（薄膜二極管液晶）等。

采用LCD技術(shù)的智能電視能夠獲得低功耗、高清晰度、高亮度等優(yōu)勢，但是受限于非主動(dòng)發(fā)光的原理，LCD必須采用外部光源進(jìn)行顯示，而且由于液晶態(tài)物質(zhì)的特性，響應(yīng)時(shí)間和可視角度都受到一定的限制，但是隨著LCD技術(shù)的發(fā)展，響應(yīng)時(shí)間和可視角度都在逐漸改善。

2.1.2 PDP技術(shù)

PDP技術(shù)的原理與日光燈十分類似，它的發(fā)光元件為等離子管，將以玻璃為基板的屏幕上分布的每個(gè)等離子管視作一個(gè)像素，涂有金屬氧化物的基板內(nèi)側(cè)作為電極，基板與基板之間充入氖、氙等混合惰性氣體，經(jīng)氣密性封接后形成多個(gè)放電空間。當(dāng)電極間有一定的電壓差出現(xiàn)，放電空間的惰性氣體就會(huì)發(fā)生等離子體放電的現(xiàn)象，這些等離子體放電產(chǎn)生的射線就能夠激發(fā)熒光屏發(fā)出可見光，進(jìn)而形成顯示畫面（如圖2所示）。按照工作方式的不同，PDP技術(shù)主要分為電極與氣體間用介質(zhì)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(jié)構(gòu)、更高的亮度等優(yōu)點(diǎn)，故大部分PDP廠商采用AC-PDP的結(jié)構(gòu)。

采用PDP技術(shù)的電視產(chǎn)品往往能獲得較大的可視角度、較小的響應(yīng)時(shí)間、較高的屏幕亮度、較大的可視面積，由于激發(fā)等離子體發(fā)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(shù)

OLED技術(shù)是近年來新興的一種顯示技術(shù)，它的基本原理是在外加電場的作用下，正負(fù)載流子（空穴和自由電子）被注入有機(jī)半導(dǎo)體薄膜后進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合過程中產(chǎn)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?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)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(dǎo)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(gè)OLED器件為固態(tài)結(jié)構(gòu)，有很好的抗震性能。如果在特殊材質(zhì)的基板上進(jìn)行制造，可以做成柔軟的能夠彎曲的顯示器。由于OLED主動(dòng)發(fā)光和載流子復(fù)合的顯示原理，OLED產(chǎn)品幾乎不存在可視角度的問題。響應(yīng)時(shí)間也是LCD技術(shù)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(chǎn)業(yè)化的因素，而隨著發(fā)光材料的發(fā)展，OLED的正常使用壽命已經(jīng)接近甚至超過LCD和PDP產(chǎn)品了。

2.1.4 FPD技術(shù)小結(jié)

OLED作為新興的顯示技術(shù)，已經(jīng)成為未來顯示技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。對(duì)于LCD而言，它的可視角度和響應(yīng)速度是LCD技術(shù)無法比擬的，制作工序也相對(duì)簡單得多；對(duì)于PDP來講，它的低功耗和設(shè)備體積則是兩大優(yōu)勢（見表1）。

表1 LCD/PDP/OLED技術(shù)性能比較

2.2 系統(tǒng)主控CPU

除了傳統(tǒng)電視信號(hào)的接收，智能電視一個(gè)關(guān)鍵的特征就是能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，并具備語音、體感等交互功能。目前針對(duì)智能電視系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)控制、電視信號(hào)解碼和電視接口等模塊，加上外圍設(shè)備來構(gòu)成智能電視系統(tǒng)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(tǒng)電視功能，再連接網(wǎng)絡(luò)芯片和各類外圍器件來搭建智能電視系統(tǒng)電路。無論何種方案，處理架構(gòu)基本上都是屬于ARM，MIPS或x86。

2.2.1 ARM架構(gòu)

ARM是基于32位精簡指令集（RISC）開發(fā)的CPU架構(gòu)，由于每條指令的長度相同，保證了CPU在每個(gè)時(shí)鐘周期都能夠執(zhí)行相同數(shù)量的指令，從而避免了由于指令過長而導(dǎo)致CPU“堵塞”，產(chǎn)生操作不流暢的現(xiàn)象。同時(shí)，ARM的內(nèi)存尋址技術(shù)也相對(duì)簡單，可以有效地簡化尋址問題，減少CPU的能耗。ARM架構(gòu)包含有Barrel Shifter（桶式移位寄存器）和16個(gè)GPR（通用寄存器），前者可以有效地提高數(shù)據(jù)處理的速度，但帶來了復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)，提高了芯片成本；后者則限制了ARM處理器主頻的進(jìn)一步提升。由于ARM處理器低功耗的特點(diǎn)，它被大量應(yīng)用在手持設(shè)備、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。但是由于GPR數(shù)量、指令寫入GPR前的多個(gè)操作行為以及指令預(yù)測執(zhí)行的限制，ARM處理器少有1 GHz以上的主頻，使其很難應(yīng)用在運(yùn)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(fā)展多處理器核心（Multi Processor，MP）技術(shù)，從目前看來，多內(nèi)核將會(huì)成為中央處理器的發(fā)展趨勢。

2.2.2 MIPS架構(gòu)

與ARM類似，MIPS架構(gòu)也是基于RISC開發(fā)的CPU架構(gòu)。與ARM不同的是，它作為最簡單的處理器體系結(jié)構(gòu)之一，很早就能夠提供32位和64位的架構(gòu)。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(gè)GPR，可以在減少寄存器溢出的前提下提供更強(qiáng)的性能，整個(gè)架構(gòu)主要執(zhí)行單一的操作指令，并不作大量的指令預(yù)測執(zhí)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(dá)到1 GHz甚至更高的工作頻率，從而獲得更快的數(shù)據(jù)處理速度。所以MIPS架構(gòu)的處理器通常被應(yīng)用到數(shù)字家庭、寬帶接入和無線網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)吞吐量較大、處理速度要求較高的場景。為了進(jìn)一步提升整體性能，MIPS重點(diǎn)引入多線程（Multi Thread，MT）技術(shù)。

2.2.3 x86架構(gòu)

x86架構(gòu)CPU是CISC（復(fù)雜指令集）處理器的代表，目前個(gè)人桌面電腦大部分都是x86架構(gòu)的CPU。經(jīng)過多年的發(fā)展，MP和MT技術(shù)在x86架構(gòu)上已經(jīng)非常普遍，可以提供很高的工作頻率、很快的運(yùn)算速度和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。與基于RISC處理器特點(diǎn)不同，由于x86處理器的指令復(fù)雜度高，使其解碼過程復(fù)雜，同時(shí)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(shù)都是x86架構(gòu)下開發(fā)，使得其他架構(gòu)處理器在這些軟件的兼容性方面存在嚴(yán)重的問題。比如，x86架構(gòu)的操作系統(tǒng)上正常運(yùn)行的軟件，需要重新編譯，才能移植到ARM架構(gòu)的操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

2.2.4 CPU架構(gòu)小結(jié)

作為智能電視市場的主要推動(dòng)者之一，英特爾公司逐漸開始重視嵌入式設(shè)備，并根據(jù)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(gòu)SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）產(chǎn)品；ARM架構(gòu)處理器憑借在手持設(shè)備等領(lǐng)域的優(yōu)勢，推出支持多核心的Cortex-A9處理器；作為后來者，MIPS架構(gòu)也逐漸受到青睞。3種架構(gòu)體系的比較如表2所示。

表2 ARM/MIPS/x86架構(gòu)對(duì)比

2.3 操作系統(tǒng)

智能電視區(qū)別于傳統(tǒng)電視的另一個(gè)非常重要的特征就是具備可升級(jí)的開放式操作系統(tǒng)，通過應(yīng)用程序的安裝和卸載，獲取更多擴(kuò)展功能和增值服務(wù)。那么就對(duì)智能電視產(chǎn)品的操作系統(tǒng)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(tái)開發(fā)，一個(gè)開源的類Unix系統(tǒng)，它包含應(yīng)用程序、應(yīng)用程序框架、程序庫、Android Runtime與Linux內(nèi)核等層（如圖4所示）。Linux內(nèi)核層向整個(gè)系統(tǒng)提供內(nèi)存、進(jìn)程、線程的管理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、驅(qū)動(dòng)模型等底層服務(wù)；程序庫和Android Runtime層提供類似SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、OpenGL 3D繪圖系統(tǒng)、媒體庫、LibWebCore等C++鏈接庫并使用Java編譯器進(jìn)行編譯，通過Dalvik虛擬機(jī)執(zhí)行編譯后的.dex類型的可執(zhí)行文件；應(yīng)用程序框架層則起到將應(yīng)用程序?qū)优c程序庫的幕后主架構(gòu)進(jìn)行有機(jī)銜接的作用；而應(yīng)用程序?qū)涌梢詫⒄麄€(gè)系統(tǒng)框架內(nèi)的組件進(jìn)行組合，形成高階服務(wù)，滿足使用者的期望。

由于Android系統(tǒng)開源的特性，使得它內(nèi)部各個(gè)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(shù)，使得Android系統(tǒng)可以進(jìn)行差異化的設(shè)計(jì)從而形成不同的產(chǎn)品，并且擁有大量的應(yīng)用軟件。但是Java應(yīng)用內(nèi)存消耗大、運(yùn)行速度低的特點(diǎn)，也導(dǎo)致Android系統(tǒng)對(duì)硬件要求的提高。

2.3.2 Windows

Windows是由微軟公司獨(dú)立開發(fā)的，源代碼由微軟商業(yè)所有的操作系統(tǒng)。整個(gè)Windows主要由用戶模式（User Mode）和內(nèi)核模式（Kernel Mode）兩部分構(gòu)成；大多數(shù)應(yīng)用程序的代碼都運(yùn)行在用戶模式層，通過Windows提供的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，并且無法直接訪問底層硬件；在內(nèi)核模式下，系統(tǒng)內(nèi)核代碼可以訪問幾乎所有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和底層硬件（如圖5所示）。在實(shí)際使用中，用戶模式下的應(yīng)用程序會(huì)首先調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)，操作系統(tǒng)會(huì)捕獲該應(yīng)用然后將調(diào)用線程從用戶模式切換到內(nèi)核模式完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和底層硬件的訪問，應(yīng)用程序結(jié)束后操作系統(tǒng)再將線程切換回用戶模式。

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

2.3.3 企業(yè)自建系統(tǒng)

對(duì)于智能電視操作系統(tǒng)，雖然不同企業(yè)會(huì)推出不同種類的系統(tǒng)，但是相當(dāng)一部分都屬于Andorid的深度定制，其他全新的系統(tǒng)由于支持的應(yīng)用程序太少，很難體現(xiàn)智能電視的擴(kuò)展能力。iOS是蘋果公司擁有源碼版權(quán)的，基于Darwin（達(dá)爾文）系統(tǒng)的類Unix系統(tǒng)。它由核心操作系統(tǒng)層（Core OS layer）、核心服務(wù)層（Core Services layer）、媒體層（Media layer）和可觸摸層（Cocoa Touch layer）等4層構(gòu)成（如圖6所示）。核心操作系統(tǒng)層可以直接訪問底層硬件，并完成內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)及其他任務(wù)；核心服務(wù)層設(shè)置了iOS所定制的一些服務(wù)供用戶訪問；媒體層提供各類應(yīng)用程序中使用的媒體文件、庫函數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)接口；可觸摸層則負(fù)責(zé)用戶在iOS的觸摸交互操作。

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

2.3.4 操作系統(tǒng)小結(jié)

微軟已經(jīng)推出支持ARM架構(gòu)的Windows系統(tǒng)，Android系統(tǒng)的開源特性使得其在應(yīng)用程序數(shù)量及深度定制產(chǎn)品等方面有著巨大的潛力，而iOS憑借優(yōu)異的操作體驗(yàn)和優(yōu)秀的軟件質(zhì)量具備強(qiáng)大的競爭力。3種操作系統(tǒng)功能的對(duì)比如表3所示。

表3 Android/Windows/iOS系統(tǒng)功能比較

3 總結(jié)及展望

智能電視的出現(xiàn)，標(biāo)志著電視產(chǎn)業(yè)第三次革命的到來。不難看出，傳統(tǒng)電視的定義已經(jīng)不能夠很好地詮釋智能電視的含義。智能電視已經(jīng)將傳統(tǒng)電視智能化、網(wǎng)絡(luò)化、IT化不再是傳統(tǒng)電視的簡單延伸，而是一個(gè)嶄新的事物。在平板顯示技術(shù)方面，LCD，PDP和OLED將是未來智能電視的主流技術(shù)，輔以3D顯示技術(shù)，能夠?yàn)橛脩魩硗昝赖囊曈X感受；在CPU架構(gòu)方面，x86、ARM、MIPS三大架構(gòu)形成鼎足之勢；在操作系統(tǒng)方面，Android、Windows和iOS各自具備突出的優(yōu)點(diǎn)，而企業(yè)自建系統(tǒng)還需在操作界面和應(yīng)用程序數(shù)量方面進(jìn)一步提升。

智能電視開放的本質(zhì)決定了傳統(tǒng)電視那種“一個(gè)品牌、一種技術(shù)、幾類功能”的市場方式已經(jīng)徹底過時(shí)，功能型電視時(shí)代產(chǎn)生的思想和市場策略已經(jīng)無法適應(yīng)智能電視的時(shí)代。只有積極向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、IT化轉(zhuǎn)型，才能夠在智能電視時(shí)代贏得勝利。

：

[1]吳偉.智能電視技術(shù)分析[J].電視技術(shù)，2011，35（24）：7.

[2]溫娜.智能電視技術(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].電視技術(shù)，2011，35（20）：41-42.

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

[4]黃慶敏.智能電視的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].電視技術(shù)，2011，35（20）：38-40.