智能电视解决方案的关键技术分析及应用

廖晶晶

（广西师范大学，广西 桂林 541004）

随着电视产品领域的技术革新，具备多任务处理能力和可扩展功能的智能电视逐渐在世界电视产品行业中崭露头角。在2011年和2012年CES（国际消费电子产品）展会上，各大家电巨头推出的智能电视产品成为焦点，2011年也因此被称作电视产业的“智能电视元年”。相对于传统的电视而言，智能电视不再是简单的收视设备，而是在先进的显示技术基础上，以具备优秀用户操控界面的操作系统为人机交互界面，利用具有多任务处理能力的处理器为硬件控制平台，融入各类外围器件，将电视转变成能为用户提供多种应用功能并可通过应用程序的更新来获取扩展功能的智能电子产品[1]。

1 智能电视发展现状

由于智能电视还处于起步发展的阶段，各厂商根据自己的定义和理解来进行FPD技术、主控CPU架构和操作系统的选型，使得各种智能电视产品之间存在严重的兼容性问题，加之目前各方尚无统一的产品标准，用户对于产品的体验感知成了衡量其质量的重要标准。从用户体验感知的角度来讲，平板显示（FPD）技术的响应时间、功耗和可视角度等内容影响用户视觉感知度，主控CPU架构的选择影响操作流畅度等用户操作感知，而操作系统的类型则影响用户应用功能扩展的感知度。

2 智能电视关键技术分析

一个完整的智能电视产品涉及FPD技术、系统主控CPU和用户操作系统3种关键技术[2]。从FPD技术看，自2001年以来，主流FPD技术包括LCD（液晶显示）、PDP（等离子体显示）和OLED（有机发光二极管）技术；在系统主控CPU方面，ARM（进阶精简指令集机器）和MIPS（无内部互锁流水级的微处理器）都有许多应用在智能电视领域的芯片问世，而基于x86架构的Intel Atom处理器的智能电视产品相继问世，逐渐形成ARM、MIPS和x86架构三方争霸的局面；而在操作系统方面，针对不同的主控CPU，各大家电厂商都采用不同的平台，譬如Google TV的Android系统、微软Windows TV的Windows系统、Apple TV的iOS和三星Bada等，但是大体上分为Android、Windows和以iOS为代表的企业自建系统三大类。

2.1 FPD技术

自2001年开始，FPD技术开始迅速发展，特别是LCD技术和PDP技术的发展，现在早已全面超越传统CRT技术。随着FPD技术的进一步发展，特别是2010年以后，OLED技术异军突起，形成LCD和PDP为主流，OLED为后起之秀的产品格局[3]。

2.1.1 LCD技术

LCD是一种非主动发光的，通过电场来改变液晶分子排列方式或状态来调制外界光线产生不同的通过情况，再经过偏光滤器、滤色器形成画面的显示技术（如图1所示）。就目前产业现状而言，主要可以划分为TN（扭曲向列型）、STN（超扭曲向列型）、a-Si TFT（非晶薄膜场效应晶体管型）、LTPS TFT（低温多晶硅薄膜场效应晶体管型）和TFD（薄膜二极管液晶）等。

采用LCD技术的智能电视能够获得低功耗、高清晰度、高亮度等优势，但是受限于非主动发光的原理，LCD必须采用外部光源进行显示，而且由于液晶态物质的特性，响应时间和可视角度都受到一定的限制，但是随着LCD技术的发展，响应时间和可视角度都在逐渐改善。

2.1.2 PDP技术

PDP技术的原理与日光灯十分类似，它的发光元件为等离子管，将以玻璃为基板的屏幕上分布的每个等离子管视作一个像素，涂有金属氧化物的基板内侧作为电极，基板与基板之间充入氖、氙等混合惰性气体，经气密性封接后形成多个放电空间。当电极间有一定的电压差出现，放电空间的惰性气体就会发生等离子体放电的现象，这些等离子体放电产生的射线就能够激发荧光屏发出可见光，进而形成显示画面（如图2所示）。按照工作方式的不同，PDP技术主要分为电极与气体间用介质层隔离的交流型（AC-PDP）和电极与气体直接接触的直流型（DC-PDP）。相比DC-PDP而言，AC-PDP具有更简单的结构、更高的亮度等优点，故大部分PDP厂商采用AC-PDP的结构。

采用PDP技术的电视产品往往能获得较大的可视角度、较小的响应时间、较高的屏幕亮度、较大的可视面积，由于激发等离子体发光的原理，PDP在功耗、制作成本等方面存在较大的提升空间。

2.1.3 OLED技术

OLED技术是近年来新兴的一种显示技术，它的基本原理是在外加电场的作用下，正负载流子（空穴和自由电子）被注入有机半导体薄膜后进行复合，复合过程中产生的能量就分别以光能和热能的形式消散，再利用材料的能阶差，就能够将能量转换成光能，从而完成显示的功能（如图3所示）。

OLED采用的是半导体薄膜器件，它的厚度和重量可以做到非常小，仅为LCD屏幕的1/3。整个OLED器件为固态结构，有很好的抗震性能。如果在特殊材质的基板上进行制造，可以做成柔软的能够弯曲的显示器。由于OLED主动发光和载流子复合的显示原理，OLED产品几乎不存在可视角度的问题。响应时间也是LCD技术的千分之一，并且具备良好的温度特性。但是OLED的使用寿命成为制约其产业化的因素，而随着发光材料的发展，OLED的正常使用寿命已经接近甚至超过LCD和PDP产品了。

2.1.4 FPD技术小结

OLED作为新兴的显示技术，已经成为未来显示技术发展的一大趋势。对于LCD而言，它的可视角度和响应速度是LCD技术无法比拟的，制作工序也相对简单得多；对于PDP来讲，它的低功耗和设备体积则是两大优势（见表1）。

表1 LCD/PDP/OLED技术性能比较

2.2 系统主控CPU

除了传统电视信号的接收，智能电视一个关键的特征就是能够实现网络功能，并具备语音、体感等交互功能。目前针对智能电视系统的需求，主要有两类解决方案[4]：一类是单芯片解决方案，即单块芯片里面集成中央处理器、网络控制、电视信号解码和电视接口等模块，加上外围设备来构成智能电视系统电路；另一类是双芯片解决方案，即一块中央处理器加上电视芯片完成传统电视功能，再连接网络芯片和各类外围器件来搭建智能电视系统电路。无论何种方案，处理架构基本上都是属于ARM，MIPS或x86。

2.2.1 ARM架构

ARM是基于32位精简指令集（RISC）开发的CPU架构，由于每条指令的长度相同，保证了CPU在每个时钟周期都能够执行相同数量的指令，从而避免了由于指令过长而导致CPU“堵塞”，产生操作不流畅的现象。同时，ARM的内存寻址技术也相对简单，可以有效地简化寻址问题，减少CPU的能耗。ARM架构包含有Barrel Shifter（桶式移位寄存器）和16个GPR（通用寄存器），前者可以有效地提高数据处理的速度，但带来了复杂的硬件结构，提高了芯片成本；后者则限制了ARM处理器主频的进一步提升。由于ARM处理器低功耗的特点，它被大量应用在手持设备、消费类电子等领域。但是由于GPR数量、指令写入GPR前的多个操作行为以及指令预测执行的限制，ARM处理器少有1 GHz以上的主频，使其很难应用在运算速度要求较高的场景。为了提高处理器的整体性能，ARM一直致力于发展多处理器核心（Multi Processor，MP）技术，从目前看来，多内核将会成为中央处理器的发展趋势。

2.2.2 MIPS架构

与ARM类似，MIPS架构也是基于RISC开发的CPU架构。与ARM不同的是，它作为最简单的处理器体系结构之一，很早就能够提供32位和64位的架构。在同类的解决方案中，MIPS能够提供比ARM更高的性能、更低的功耗和更小的芯片面积。它包含32个GPR，可以在减少寄存器溢出的前提下提供更强的性能，整个架构主要执行单一的操作指令，并不作大量的指令预测执行，并采用了比ARM更加简单的寻址方式，使得MIPS处理器能轻松达到1 GHz甚至更高的工作频率，从而获得更快的数据处理速度。所以MIPS架构的处理器通常被应用到数字家庭、宽带接入和无线网络等数据吞吐量较大、处理速度要求较高的场景。为了进一步提升整体性能，MIPS重点引入多线程（Multi Thread，MT）技术。

2.2.3 x86架构

x86架构CPU是CISC（复杂指令集）处理器的代表，目前个人桌面电脑大部分都是x86架构的CPU。经过多年的发展，MP和MT技术在x86架构上已经非常普遍，可以提供很高的工作频率、很快的运算速度和强大的数据处理能力。与基于RISC处理器特点不同，由于x86处理器的指令复杂度高，使其解码过程复杂，同时带来芯片面积增大、成本上升、功耗增加等一系列问题。目前用户熟知的各种软件绝大多数都是x86架构下开发，使得其他架构处理器在这些软件的兼容性方面存在严重的问题。比如，x86架构的操作系统上正常运行的软件，需要重新编译，才能移植到ARM架构的操作系统上运行。

2.2.4 CPU架构小结

作为智能电视市场的主要推动者之一，英特尔公司逐渐开始重视嵌入式设备，并根据市场需要推出可为智能电视提供视频和图形处理能力的低功耗x86架构SoC（系统级芯片）产品；ARM架构处理器凭借在手持设备等领域的优势，推出支持多核心的Cortex-A9处理器；作为后来者，MIPS架构也逐渐受到青睐。3种架构体系的比较如表2所示。

表2 ARM/MIPS/x86架构对比

2.3 操作系统

智能电视区别于传统电视的另一个非常重要的特征就是具备可升级的开放式操作系统，通过应用程序的安装和卸载，获取更多扩展功能和增值服务。那么就对智能电视产品的操作系统的开放性提出了较高要求。

2.3.1 Android

Android是Google公司基于Linux平台开发，一个开源的类Unix系统，它包含应用程序、应用程序框架、程序库、Android Runtime与Linux内核等层（如图4所示）。Linux内核层向整个系统提供内存、进程、线程的管理和网络协议栈、驱动模型等底层服务；程序库和Android Runtime层提供类似SQLite数据库系统、OpenGL 3D绘图系统、媒体库、LibWebCore等C++链接库并使用Java编译器进行编译，通过Dalvik虚拟机执行编译后的.dex类型的可执行文件；应用程序框架层则起到将应用程序层与程序库的幕后主架构进行有机衔接的作用；而应用程序层可以将整个系统框架内的组件进行组合，形成高阶服务，满足使用者的期望。

由于Android系统开源的特性，使得它内部各个层次间的接口能够很清楚地被了解，加之采用了成熟的、存在大量可重用代码的Java技术，使得Android系统可以进行差异化的设计从而形成不同的产品，并且拥有大量的应用软件。但是Java应用内存消耗大、运行速度低的特点，也导致Android系统对硬件要求的提高。

2.3.2 Windows

Windows是由微软公司独立开发的，源代码由微软商业所有的操作系统。整个Windows主要由用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）两部分构成；大多数应用程序的代码都运行在用户模式层，通过Windows提供的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）函数对系统数据进行访问，并且无法直接访问底层硬件；在内核模式下，系统内核代码可以访问几乎所有的系统数据和底层硬件（如图5所示）。在实际使用中，用户模式下的应用程序会首先调用系统服务，操作系统会捕获该应用然后将调用线程从用户模式切换到内核模式完成对系统数据和底层硬件的访问，应用程序结束后操作系统再将线程切换回用户模式。

虽然Windows操作系统未完全开源，但是能够提供API库函数的支持，加之它早已成为桌面电脑的首选操作系统，所以Windows拥有大量的用户。在智能电视的应用程序扩展能力方面，Windows有着先天的优势。

2.3.3 企业自建系统

对于智能电视操作系统，虽然不同企业会推出不同种类的系统，但是相当一部分都属于Andorid的深度定制，其他全新的系统由于支持的应用程序太少，很难体现智能电视的扩展能力。iOS是苹果公司拥有源码版权的，基于Darwin（达尔文）系统的类Unix系统。它由核心操作系统层（Core OS layer）、核心服务层（Core Services layer）、媒体层（Media layer）和可触摸层（Cocoa Touch layer）等4层构成（如图6所示）。核心操作系统层可以直接访问底层硬件，并完成内存管理、文件系统及其他任务；核心服务层设置了iOS所定制的一些服务供用户访问；媒体层提供各类应用程序中使用的媒体文件、库函数及标准接口；可触摸层则负责用户在iOS的触摸交互操作。

由于过度封闭的系统架构，使得应用程序软件仅能通过苹果公司的审核才能正常发布，保证了软件的安全性和优异的操作体验，但是苹果公司应用程序下载分成的商业模式，也促使大量优秀的应用程序上线销售。

2.3.4 操作系统小结

微软已经推出支持ARM架构的Windows系统，Android系统的开源特性使得其在应用程序数量及深度定制产品等方面有着巨大的潜力，而iOS凭借优异的操作体验和优秀的软件质量具备强大的竞争力。3种操作系统功能的对比如表3所示。

表3 Android/Windows/iOS系统功能比较

3 总结及展望

智能电视的出现，标志着电视产业第三次革命的到来。不难看出，传统电视的定义已经不能够很好地诠释智能电视的含义。智能电视已经将传统电视智能化、网络化、IT化不再是传统电视的简单延伸，而是一个崭新的事物。在平板显示技术方面，LCD，PDP和OLED将是未来智能电视的主流技术，辅以3D显示技术，能够为用户带来完美的视觉感受；在CPU架构方面，x86、ARM、MIPS三大架构形成鼎足之势；在操作系统方面，Android、Windows和iOS各自具备突出的优点，而企业自建系统还需在操作界面和应用程序数量方面进一步提升。

智能电视开放的本质决定了传统电视那种“一个品牌、一种技术、几类功能”的市场方式已经彻底过时，功能型电视时代产生的思想和市场策略已经无法适应智能电视的时代。只有积极向智能化、网络化、IT化转型，才能够在智能电视时代赢得胜利。

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[1]吴伟.智能电视技术分析[J].电视技术，2011，35（24）：7.

[2]温娜.智能电视技术与评价标准探讨[J].电视技术，2011，35（20）：41-42.

[3]郑圣德.LCD/PDP/OLED的综合比较[J].电子工艺技术，2005（5）:304-307.

[4]黄庆敏.智能电视的系统设计方案[J].电视技术，2011，35（20）：38-40.