觸覺再現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究及其對福建省電子產(chǎn)業(yè)影響分析

曾濤 陳文景 林繁靖 李叵 余穎淩

【摘要】本文對基于觸覺再現(xiàn)技術(shù)的新一代觸摸屏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新路線和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略進行研究，并分析新一代觸摸屏產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展對福建省電子信息產(chǎn)業(yè)集群帶來的影響，同時提出相應對策，為福建省電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供決策咨詢，明確研發(fā)重點以及資源配置方向。

【關(guān)鍵詞】觸覺再現(xiàn)；觸摸屏；電子信息產(chǎn)業(yè)

電子信息產(chǎn)業(yè)是福建省三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，它每年以高于GDP增速2倍以上的速度持續(xù)增長，對福建省的經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。但是與國內(nèi)外同行相比，福建省的電子信息企業(yè)的競爭力并不顯著，特別是在產(chǎn)品外向度和科技含量方面還有較大差距。因此，迫切需要找準合適的發(fā)力點，在技術(shù)上更新?lián)Q代，以帶動其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，使福建省電子信息產(chǎn)業(yè)能夠盡快趕超國內(nèi)同行業(yè)及世界其他地區(qū)。顯示器（屏）是福建省多個產(chǎn)業(yè)集群的核心產(chǎn)品，它的研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)在福建省電子信息產(chǎn)業(yè)中有著舉足輕重的地位，能串聯(lián)起上下游產(chǎn)業(yè)鏈，因此可以作為這個發(fā)力點。

基于觸覺再現(xiàn)技術(shù)的新一代觸摸屏由于其高技術(shù)含量、高關(guān)聯(lián)度、高依賴度的特性，能有效帶動顯示器產(chǎn)業(yè)集群乃至電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。本文對基于觸覺再現(xiàn)技術(shù)的新一代觸摸屏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新路線和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略進行研究，并確定相應的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點，預測可能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線，制定福建省新一代觸摸屏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，同時分析其未來發(fā)展對福建省電子信息產(chǎn)業(yè)集群帶來的影響，并提出相應對策。

一、觸覺再現(xiàn)技術(shù)

從CRT 到液晶觸摸屏，顯示器已從單一的顯示功能擴展到觸摸交互功能。隨著各種具備多元化功能的電子設(shè)備不斷更新?lián)Q代，觸摸控制已成為新時代電子產(chǎn)品最潮流的設(shè)計方向。各種家用電器及工業(yè)設(shè)備都廣泛設(shè)置有觸摸控制，其中最大的觸摸應用是手持式的電子設(shè)備，包括手機、平板電腦及MP4 等，另一個主要應用是車載導航系統(tǒng)。但值得注意的是，目前的觸摸屏只有簡單的定位操控功能，還不能模擬出真實的觸摸感覺。下一代觸覺技術(shù)（Haptics）將使操作者以震動或力等形式感知虛擬物體或遠地物體的形狀、硬度、表面紋理等豐富的環(huán)境信息，從而增強虛擬環(huán)境的真實感和操作者的沉浸感。它讓游戲機、觸摸屏設(shè)備和移動電子產(chǎn)品的用戶體驗上升到一個全新的水平?；谟|覺再現(xiàn)技術(shù)的新一代觸摸屏已成為下一代顯示器（屏）的發(fā)展方向，包括微軟、LD、三星、索尼、Apple、德國LOEWE 等高新技術(shù)企業(yè)正在全力研發(fā)。每次技術(shù)的革新與突破，必將帶來相關(guān)產(chǎn)業(yè)的新一輪洗牌。

近幾年來，為了增加觸摸操作的沉浸感，國際上加大了對觸覺再現(xiàn)技術(shù)（Haptics）的研究。通過觸覺界面，用戶不僅能看到屏幕上的物體，還能觸摸和操控它們，產(chǎn)生更真實的沉浸感，因此觸覺在交互過程中有著不可替代的作用。IBM 阿爾馬登研究中心的Campbell 等人指出，觸覺反饋在與視覺信息一致的情況下，對提升用戶操控水平和降低錯誤率有幫助[1]。Oakley 等人的研究指出，選擇恰當?shù)挠|覺反饋策略能降低定位的錯誤率[2]。英屬哥倫比亞大學的Levesque 等人研制了具有撥動滾輪感受功能的觸摸屏[3]。美國西北大學的Colgate等開發(fā)出具有紋理再現(xiàn)功能的Tpad Tablet[4]。

實現(xiàn)紋理觸覺反饋的技術(shù)手段主要有三種：一是基于幾何形狀重構(gòu)；而是基于振動輸出；三是基于改變接觸面的摩擦力。第三種方法最適宜用于消費電子產(chǎn)品的觸摸顯示屏，它通過擠壓氣膜效應改變手指與接觸表面的摩擦力，實現(xiàn)對紋理信息的再現(xiàn)[5]。

二、福建省觸覺再現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖

通過對基于觸覺再現(xiàn)技術(shù)的新一代觸摸屏發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查研究，采用定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論與方法，對福建省新一代顯示器（觸摸屏）產(chǎn)業(yè)的市場需求、產(chǎn)業(yè)目標、技術(shù)瓶頸、技術(shù)發(fā)展模式進行綜合分析，指出福建省顯示器（觸摸屏）產(chǎn)業(yè)集群未來的技術(shù)發(fā)展路徑和市場應用前景，明確研發(fā)重點以及資源配置方向。

1. 市場需求分析

福建省電子信息產(chǎn)業(yè)為我國四大電子信息產(chǎn)業(yè)板塊之一，已經(jīng)形成數(shù)字視聽、計算機及外設(shè)、通信導航、軟件及系統(tǒng)集成、集成電路、電子元器件、電子應用產(chǎn)品等較完整的產(chǎn)業(yè)體系。在電子信息產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)方面，福建省已逐漸形成廈門、福州、馬尾、福清四大基地。產(chǎn)業(yè)集群有效地結(jié)合了產(chǎn)業(yè)發(fā)展與區(qū)域經(jīng)濟的優(yōu)勢，能夠產(chǎn)生集群效應，即在產(chǎn)業(yè)集群區(qū)域內(nèi)，形成高度的既競爭又合作的產(chǎn)業(yè)氛圍，使分工更專業(yè)化、成本更低、技術(shù)創(chuàng)新節(jié)奏更快，同時又解決了分工專業(yè)化與交易便利性之間的矛盾。

專注于顯示器研發(fā)生產(chǎn)的國家（福清）顯示器產(chǎn)業(yè)園位于福清融僑經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，于2005 年獲國家信息產(chǎn)業(yè)部批準成立，是我國目前為止唯一一家顯示器整機產(chǎn)業(yè)園，年產(chǎn)顯示器突破2000 萬臺，位居世界第一。目前，顯示器產(chǎn)業(yè)園已基本形成以冠捷、捷聯(lián)為龍頭，華冠光電、福強精密印制線路板、 冠茂金屬制品、正茂塑膠、臺龍、鑫銘電子等一批企業(yè)組成的顯示器產(chǎn)業(yè)鏈，融模組、主控板、升壓板、轉(zhuǎn)軸、軸芯、偏轉(zhuǎn)線圈、鋁電解電容器、印制板等生產(chǎn)于一體的顯示器加工配套協(xié)作體系。

良好的行業(yè)背景為新一代帶觸覺再現(xiàn)功能的觸摸屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了必要的技術(shù)條件，其市場需求也很廣泛，用于各種消費電子產(chǎn)品，比如手機、PAD、筆記本、游戲機、車載系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)控制系統(tǒng)等。

2. 產(chǎn)業(yè)目標分析

在明確產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和市場需求的基礎(chǔ)上，凝練出專家對觸覺再現(xiàn)顯示屏未來發(fā)展方向的判定，明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標，進而從理論高度上指導發(fā)展的方向，促進產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。通過統(tǒng)計分析，刷選出6個主要產(chǎn)業(yè)目標：提高經(jīng)濟效益、提高觸摸屏人機交互性、帶動電子信息產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展、形成觸覺再現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)業(yè)集群、健全人才培養(yǎng)機制、節(jié)能環(huán)保。表1利用德爾菲指數(shù)法對6個產(chǎn)業(yè)目標在不同時間節(jié)點上的重要性進行排序，其中Iindex為德爾菲指數(shù)統(tǒng)計值。統(tǒng)計結(jié)果表明提高觸摸屏人機交互性和提高經(jīng)濟效益排在前兩位，其次為形成觸覺再現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)業(yè)集群和帶動電子信息產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展，最后為節(jié)能環(huán)保及健全人才培養(yǎng)機制。

3. 關(guān)鍵技術(shù)分析

專家座談和問卷調(diào)查結(jié)果表明觸覺再現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)業(yè)具有多個關(guān)鍵技術(shù)需要突破：電容屏技術(shù)、壓電驅(qū)動器技術(shù)、信號處理技術(shù)、電池技術(shù)、集成電路技術(shù)、軟件支持技術(shù)。利用德爾菲指數(shù)法對這幾個關(guān)鍵技術(shù)在不同時間節(jié)點上的重要性進行排序，如表2所示，其中Iindex為德爾菲指數(shù)統(tǒng)計值。統(tǒng)計結(jié)果表明近期和遠期排在前兩位的都是壓電驅(qū)動器技術(shù)和電容屏技術(shù)。

4. 研發(fā)模式及研發(fā)主體分析

在關(guān)鍵技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，進一步細分具體的研發(fā)內(nèi)容或技術(shù)，通過技術(shù)調(diào)查和技術(shù)對比，分析自主研發(fā)的優(yōu)劣勢以及技術(shù)突破的可能性和時間節(jié)點，分別在自主研發(fā)、技術(shù)合作和技術(shù)引進三種發(fā)展模式中選擇最佳方式。

另外，根據(jù)各項技術(shù)研發(fā)的難度和廣度，研發(fā)的主體也不盡相同，分為企業(yè)層面、產(chǎn)業(yè)層面、以及政府層面。表3顯示了各項研發(fā)內(nèi)容或技術(shù)的研發(fā)模式及研發(fā)主體。

三、影響與對策分析

在顯示器（屏）及相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，由于其高技術(shù)含量、高關(guān)聯(lián)度、高依賴度的特性，產(chǎn)業(yè)集群的戰(zhàn)略將無疑促進其競爭力的提高。在這種前提下，如何搶占先機，把握住技術(shù)發(fā)展方向，進一步鞏固顯示器（屏）的龍頭地位，從而帶動福建省整個電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。企業(yè)層面應在專業(yè)化基礎(chǔ)上加大科研投入，完善企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)創(chuàng)新體系等；產(chǎn)業(yè)層面應對區(qū)域資源做做整合分析，為合理構(gòu)造產(chǎn)業(yè)鏈做出全面規(guī)劃，扶持龍頭企業(yè)，通過其帶動力溝通產(chǎn)業(yè)鏈，提升電子信息產(chǎn)業(yè)價值鏈中的附加值；政府層面應創(chuàng)造有利于產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的外部環(huán)境、引導集群內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、提供有效的政策扶持和幫助、提供融資服務(wù)等。

四、結(jié)語

本文綜合分析了觸覺再現(xiàn)觸摸屏的市場需求、產(chǎn)業(yè)目標、關(guān)鍵技術(shù)、研發(fā)模式和研發(fā)主體，為福建省顯示器（屏）產(chǎn)業(yè)資源優(yōu)化配置、業(yè)務(wù)發(fā)展模式確定提供參考依據(jù)，為福建省政府及相關(guān)科技主管部門制定產(chǎn)業(yè)政策、遴選重大研發(fā)項目、人才引進及扶持龍頭企業(yè)提供決策依據(jù)，為福建省相關(guān)電子企業(yè)技術(shù)升級、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供信息咨詢。

參考文獻

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[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

曾濤，博士，廈門大學助理教授，碩士生導師。研究方向為虛擬現(xiàn)實及力/觸覺再現(xiàn)。

注：本課題由福建省軟科學計劃項目（編號：2015R0080）及虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金（BUAA-VR-15KF-01）資助。