触觉再现触摸屏产业发展研究及其对福建省电子产业影响分析

曾涛 陈文景 林繁靖 李叵 余颖淩

【摘要】本文对基于触觉再现技术的新一代触摸屏产业的技术创新路线和产业发展战略进行研究，并分析新一代触摸屏产业未来发展对福建省电子信息产业集群带来的影响，同时提出相应对策，为福建省电子信息产业的持续健康发展提供决策咨询，明确研发重点以及资源配置方向。

【关键词】触觉再现；触摸屏；电子信息产业

电子信息产业是福建省三大支柱产业之一，它每年以高于GDP增速2倍以上的速度持续增长，对福建省的经济发展作出了重要贡献。但是与国内外同行相比，福建省的电子信息企业的竞争力并不显著，特别是在产品外向度和科技含量方面还有较大差距。因此，迫切需要找准合适的发力点，在技术上更新换代，以带动其他相关产业规模化发展，使福建省电子信息产业能够尽快赶超国内同行业及世界其他地区。显示器（屏）是福建省多个产业集群的核心产品，它的研发和规模化生产在福建省电子信息产业中有着举足轻重的地位，能串联起上下游产业链，因此可以作为这个发力点。

基于触觉再现技术的新一代触摸屏由于其高技术含量、高关联度、高依赖度的特性，能有效带动显示器产业集群乃至电子信息产业的快速发展。本文对基于触觉再现技术的新一代触摸屏产业的技术创新路线和产业发展战略进行研究，并确定相应的关键技术节点，预测可能的产业发展路线，制定福建省新一代触摸屏产业技术路线图，同时分析其未来发展对福建省电子信息产业集群带来的影响，并提出相应对策。

一、触觉再现技术

从CRT 到液晶触摸屏，显示器已从单一的显示功能扩展到触摸交互功能。随着各种具备多元化功能的电子设备不断更新换代，触摸控制已成为新时代电子产品最潮流的设计方向。各种家用电器及工业设备都广泛设置有触摸控制，其中最大的触摸应用是手持式的电子设备，包括手机、平板电脑及MP4 等，另一个主要应用是车载导航系统。但值得注意的是，目前的触摸屏只有简单的定位操控功能，还不能模拟出真实的触摸感觉。下一代触觉技术（Haptics）将使操作者以震动或力等形式感知虚拟物体或远地物体的形状、硬度、表面纹理等丰富的环境信息，從而增强虚拟环境的真实感和操作者的沉浸感。它让游戏机、触摸屏设备和移动电子产品的用户体验上升到一个全新的水平。基于触觉再现技术的新一代触摸屏已成为下一代显示器（屏）的发展方向，包括微软、LD、三星、索尼、Apple、德国LOEWE 等高新技术企业正在全力研发。每次技术的革新与突破，必将带来相关产业的新一轮洗牌。

近几年来，为了增加触摸操作的沉浸感，国际上加大了对触觉再现技术（Haptics）的研究。通过触觉界面，用户不仅能看到屏幕上的物体，还能触摸和操控它们，产生更真实的沉浸感，因此触觉在交互过程中有着不可替代的作用。IBM 阿尔马登研究中心的Campbell 等人指出，触觉反馈在与视觉信息一致的情况下，对提升用户操控水平和降低错误率有帮助[1]。Oakley 等人的研究指出，选择恰当的触觉反馈策略能降低定位的错误率[2]。英属哥伦比亚大学的Levesque 等人研制了具有拨动滚轮感受功能的触摸屏[3]。美国西北大学的Colgate等开发出具有纹理再现功能的Tpad Tablet[4]。

实现纹理触觉反馈的技术手段主要有三种：一是基于几何形状重构；而是基于振动输出；三是基于改变接触面的摩擦力。第三种方法最适宜用于消费电子产品的触摸显示屏，它通过挤压气膜效应改变手指与接触表面的摩擦力，实现对纹理信息的再现[5]。

二、福建省触觉再现触摸屏产业发展技术路线图

通过对基于触觉再现技术的新一代触摸屏发展现状调查研究，采用定量和定性相结合的系统工程理论与方法，对福建省新一代显示器（触摸屏）产业的市场需求、产业目标、技术瓶颈、技术发展模式进行综合分析，指出福建省显示器（触摸屏）产业集群未来的技术发展路径和市场应用前景，明确研发重点以及资源配置方向。

1. 市场需求分析

福建省电子信息产业为我国四大电子信息产业板块之一，已经形成数字视听、计算机及外设、通信导航、软件及系统集成、集成电路、电子元器件、电子应用产品等较完整的产业体系。在电子信息产业基地建设方面，福建省已逐渐形成厦门、福州、马尾、福清四大基地。产业集群有效地结合了产业发展与区域经济的优势，能够产生集群效应，即在产业集群区域内，形成高度的既竞争又合作的产业氛围，使分工更专业化、成本更低、技术创新节奏更快，同时又解决了分工专业化与交易便利性之间的矛盾。

专注于显示器研发生产的国家（福清）显示器产业园位于福清融侨经济技术开发区内，于2005 年获国家信息产业部批准成立，是我国目前为止唯一一家显示器整机产业园，年产显示器突破2000 万台，位居世界第一。目前，显示器产业园已基本形成以冠捷、捷联为龙头，华冠光电、福强精密印制线路板、 冠茂金属制品、正茂塑胶、台龙、鑫铭电子等一批企业组成的显示器产业链，融模组、主控板、升压板、转轴、轴芯、偏转线圈、铝电解电容器、印制板等生产于一体的显示器加工配套协作体系。

良好的行业背景为新一代带触觉再现功能的触摸屏产业发展提供了必要的技术条件，其市场需求也很广泛，用于各种消费电子产品，比如手机、PAD、笔记本、游戏机、车载系统、家用电器、工业控制系统等。

2. 产业目标分析

在明确产业现状和市场需求的基础上，凝练出专家对触觉再现显示屏未来发展方向的判定，明确产业发展目标，进而从理论高度上指导发展的方向，促进产业的健康持续发展。通过统计分析，刷选出6个主要产业目标：提高经济效益、提高触摸屏人机交互性、带动电子信息产业高效发展、形成触觉再现触摸屏产业集群、健全人才培养机制、节能环保。表1利用德尔菲指数法对6个产业目标在不同时间节点上的重要性进行排序，其中Iindex为德尔菲指数统计值。统计结果表明提高触摸屏人机交互性和提高经济效益排在前两位，其次为形成触觉再现触摸屏产业集群和带动电子信息产业高效发展，最后为节能环保及健全人才培养机制。

3. 关键技术分析

专家座谈和问卷调查结果表明触觉再现触摸屏产业具有多个关键技术需要突破：电容屏技术、压电驱动器技术、信号处理技术、电池技术、集成电路技术、软件支持技术。利用德尔菲指数法对这几个关键技术在不同时间节点上的重要性进行排序，如表2所示，其中Iindex为德尔菲指数统计值。统计结果表明近期和远期排在前两位的都是压电驱动器技术和电容屏技术。

4. 研发模式及研发主体分析

在关键技术分析的基础上，进一步细分具体的研发内容或技术，通过技术调查和技术对比，分析自主研发的优劣势以及技术突破的可能性和时间节点，分别在自主研发、技术合作和技术引进三种发展模式中选择最佳方式。

另外，根据各项技术研发的难度和广度，研发的主体也不尽相同，分为企业层面、产业层面、以及政府层面。表3显示了各项研发内容或技术的研发模式及研发主体。

三、影响与对策分析

在显示器（屏）及相关产业领域，由于其高技术含量、高关联度、高依赖度的特性，产业集群的战略将无疑促进其竞争力的提高。在这种前提下，如何抢占先机，把握住技术发展方向，进一步巩固显示器（屏）的龙头地位，从而带动福建省整个电子信息产业的发展，具有很高的经济效益和社会效益。企业层面应在专业化基础上加大科研投入，完善企业内部的技术创新体系等；产业层面应对区域资源做做整合分析，为合理构造产业链做出全面规划，扶持龙头企业，通过其带动力沟通产业链，提升电子信息产业价值链中的附加值；政府层面应创造有利于产业集群发展的外部环境、引导集群内产业结构升级、提供有效的政策扶持和帮助、提供融资服务等。

四、结语

本文综合分析了触觉再现触摸屏的市场需求、产业目标、关键技术、研发模式和研发主体，为福建省显示器（屏）产业资源优化配置、业务发展模式确定提供参考依据，为福建省政府及相关科技主管部门制定产业政策、遴选重大研发项目、人才引进及扶持龙头企业提供决策依据，为福建省相关电子企业技术升级、产业转型提供信息咨询。

参考文献

[1]Campbell C S， May K W， and Maglio P P. What you feel must be what you see. Proc. of Interact1999. Edinburgh， IOS Press， PP. 383-390， 1999.

[2]Oakley I， Brewster S A， and Gray P D. Solving multi-target haptic problems in menu interaction. Extended Ab-stracts of ACM CHI 2001 （Seattle， WA）. Seattle： ACM Press， pp. 357-358， 2001.

[3]Levesque V， Oram L， and MacLean K. Exploring the design space of programmable friction for scrolling interactions. IEEE Haptics Symposium 2012， pp.23-30， Vancouver， Canada， Mar. 04-07， 2012.

[4]Mullenbach J， Shultz C， Marie Piper A， Peshkin M A， and Colgate J E. Surface haptic interactions with a TPad tablet. Proc. of the adjunct publication of the 26th annual ACM symposium on User interface software and technology - UIST '13 Adjunct， St. Andrews， Scotland， United Kingdom， ACM Press， 2013

[5]Biet M， Giraud F， and Lemaire-Semail B. Squeeze film effect for the design of an ultrasonic tactile plate. IEEE Transations on Ultrasonics， Ferroelectrics and Frequency Control， vol. 54， no. 12， pp. 2678-2688， 2007.

作者簡介

曾涛，博士，厦门大学助理教授，硕士生导师。研究方向为虚拟现实及力/触觉再现。

注：本课题由福建省软科学计划项目（编号：2015R0080）及虚拟现实技术与系统国家重点实验室开放基金（BUAA-VR-15KF-01）资助。