王 強 劉紅利

杭州電子科技大學

人文藝術(shù)與數(shù)字媒體學院

浙江 杭州 310018

0 引言

目前，中國社會正處于從高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的進程中。包裝產(chǎn)品是一種創(chuàng)造美好生活的重要媒介。新材料、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用，實現(xiàn)了包裝產(chǎn)品的技術(shù)集成與智能應(yīng)用；信息化技術(shù)的融合，實現(xiàn)了包裝產(chǎn)品從傳統(tǒng)單一的“辨識判讀”向多元的“功能構(gòu)建”的創(chuàng)新；新理念、新方法的應(yīng)用，實現(xiàn)了包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法的變革[1]。從現(xiàn)代包裝產(chǎn)業(yè)鏈的視角來看，包裝產(chǎn)品質(zhì)量涵蓋了包裝產(chǎn)品從需求創(chuàng)造、產(chǎn)品設(shè)計、包裝印刷、包裝功能拓展、包裝安全、可循環(huán)利用以及交互體驗等各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量。適合現(xiàn)代包裝產(chǎn)業(yè)需求的數(shù)字化包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法，已經(jīng)成為包裝制造轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵問題和研究熱點。

本文在研究國內(nèi)外學者和研發(fā)機構(gòu)對包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法的基礎(chǔ)上，面向未來包裝產(chǎn)品智能制造和數(shù)字化評價的需求，從理論、技術(shù)及應(yīng)用3個層面，解析包裝產(chǎn)業(yè)鏈所集成的技術(shù)領(lǐng)域和制造環(huán)節(jié)中包裝產(chǎn)品質(zhì)量的屬性及特征；從不同技術(shù)和應(yīng)用視角，探討包裝產(chǎn)品質(zhì)量的評價指標，并提出一種適合現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價的新思路和新方法。

1 現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價指標體系構(gòu)建

現(xiàn)代包裝產(chǎn)品是利用增材制造技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)，來實現(xiàn)對產(chǎn)品的保護、美化、識別和交互體驗的物質(zhì)形態(tài)?，F(xiàn)代包裝產(chǎn)品涉及包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、包裝印刷技術(shù)、包裝信息交互技術(shù)、包裝材料循環(huán)利用技術(shù)和包裝安全技術(shù)等多個領(lǐng)域[2]。從包裝技術(shù)視角來看，現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量可以分為印刷質(zhì)量、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、交互體驗質(zhì)量、應(yīng)用安全質(zhì)量以及可循環(huán)利用質(zhì)量5個一級指標和17個包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價二級指標。其中，屬性指標按照包裝產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量屬性及其應(yīng)用需求的原則來設(shè)定；評價參數(shù)指標按照包裝產(chǎn)品質(zhì)量主流評價方法中主客觀評價參數(shù)頻度的原則來選擇。常用包裝產(chǎn)品的質(zhì)量評價層級指標體系如圖1所示。

圖1 包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價指標體系Fig.1 The evaluation indicator system of packaging product quality

1.1 包裝印刷的質(zhì)量評價指標

包裝外觀是用戶對包裝產(chǎn)品及其質(zhì)量最直觀的判斷和評價。包裝外觀包括印刷外觀和形態(tài)外觀。印刷外觀是包裝產(chǎn)品視覺美感、品牌價值和消費購買欲的驅(qū)動源；形態(tài)外觀是結(jié)構(gòu)設(shè)計與印刷技術(shù)工藝的綜合表達[3]。因此，印刷質(zhì)量是決定包裝產(chǎn)品價值的核心要素，印刷質(zhì)量的評價要素是包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價的核心內(nèi)容。

包裝印刷質(zhì)量是指在專門設(shè)計的三維空間結(jié)構(gòu)上，利用膠印、凹印、凸印/柔印、網(wǎng)印、數(shù)字印刷等印刷技術(shù)以及印刷技術(shù)組合，通過技術(shù)、工藝、材料以及增材制造方式，定制、批量化復制或制造產(chǎn)品的綜合質(zhì)量要素表達。包裝印刷質(zhì)量包括以信息識別或內(nèi)容閱讀為目標的“內(nèi)容表達”質(zhì)量和以特定功能（防偽、交互）為目標的“功能實現(xiàn)”質(zhì)量[4]。“內(nèi)容表達”更關(guān)注以信息辨識與創(chuàng)意傳播為中心的精神感知層面；“功能實現(xiàn)”是通過二維碼、隱藏信息、復合RFID標簽或嵌入芯片等多種方式，拓展包裝與各信息系統(tǒng)進行識別、數(shù)據(jù)交換以及交互體驗的功能，更關(guān)注以產(chǎn)品制造與應(yīng)用體驗為中心的物質(zhì)應(yīng)用層面[5]。包裝印刷的質(zhì)量指標主要有幾何形變、圖文再現(xiàn)、表面特性和功能特性。

1.2 包裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量評價指標

產(chǎn)品在展示、運輸和營銷過程中，需要通過專門設(shè)計的包裝結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)使產(chǎn)品免受損害、減少損耗、增加用戶體驗的包裝功能。從包裝技術(shù)視角來看，包裝結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)需要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字設(shè)計技術(shù)以及信息通訊交換技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品保護功能的包裝需求，在產(chǎn)品外觀質(zhì)量要求的約束下，數(shù)字化地定義產(chǎn)品包裝的材料屬性、結(jié)構(gòu)屬性、印刷屬性、表面整飾屬性及成型加工屬性，采用真實實驗測試與虛擬仿真測試相結(jié)合的方式，對包裝與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)適配特性進行設(shè)計，得到最小物料消耗和最低材料成本下的高可靠包裝結(jié)構(gòu)。包裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量指標主要有結(jié)構(gòu)強度、基材強度、復合強度和成型特性。

1.3 包裝交互體驗的質(zhì)量評價指標

隨著5G的普及，以及云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)和人工智能在社會各個領(lǐng)域應(yīng)用的深入，萬物互聯(lián)與交互體驗正成為產(chǎn)品價值創(chuàng)造的核心要素。包裝作為產(chǎn)品全生命周期管理各個環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵信息載體，與產(chǎn)品制造、倉儲、物流、營銷和增值等各個環(huán)節(jié)的信息交換、產(chǎn)品管理和用戶體驗密切關(guān)聯(lián)。包裝對產(chǎn)品品牌價值的提升、用戶喜好度的增強以及用戶產(chǎn)品體驗黏性的增加，起著十分重要的作用。交互體驗質(zhì)量決定了產(chǎn)品的市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展空間，決定了包裝產(chǎn)品與用戶之間信息交換的方式和用戶虛擬體驗的滿足度。交互體驗的質(zhì)量指標主要有網(wǎng)絡(luò)兼容性、信息識別率和交互體驗感。

1.4 包裝應(yīng)用安全的質(zhì)量評價指標

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，包裝應(yīng)用安全成為產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵要素，特別是在與大眾生活關(guān)系緊密的食品、藥品、日化用品和兒童用品方面。包裝應(yīng)用安全質(zhì)量涉及的材料有：包裝基材、印刷與整飾的增材、多基材復合的黏合材料等?；呐c包裝物的成分遷移，對人體與環(huán)境安全具有一定的應(yīng)用約束和使用限定。包裝應(yīng)用安全的質(zhì)量評價指標主要包括有害物揮發(fā)、有害物遷移和有害物殘留。

1.5 包裝可循環(huán)利用的質(zhì)量評價指標

近年來，國家將構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟體系、提高資源綜合利用效率作為社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。踐行低碳綠色的工作與生活方式正成為社會發(fā)展的潮流。有關(guān)資料表明，全國的快遞包裹每年約為400億件，其中包裝箱和包裝袋高達100億件以上。提高廢棄包裝物的再利用，建立循環(huán)經(jīng)濟體系迫在眉睫。包裝產(chǎn)品的可循環(huán)利用，主要有以包裝產(chǎn)品循環(huán)利用與包裝材料可循環(huán)為特征的包裝可循環(huán)利用，以及通過優(yōu)化包裝設(shè)計，將包裝產(chǎn)品廢棄物改造再用的包裝再利用等兩條途徑?？裳h(huán)利用的質(zhì)量評價指標主要有包裝循環(huán)利用、包裝再造利用和包裝基材再利用。

2 包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法及算法模型

在包裝智能工廠和包裝企業(yè)智能化的轉(zhuǎn)型推動下，包裝產(chǎn)業(yè)鏈從設(shè)計、印制、應(yīng)用到市場的質(zhì)量評價數(shù)字化，開始顛覆與變革包裝制造的技術(shù)、工藝、生產(chǎn)流程及其運行管理。從圖1中包裝產(chǎn)品的質(zhì)量評價指標可知，針對包裝印刷產(chǎn)品中可定性感知類的主觀評價指標和可定量測量類的客觀評價指標，建立定性和定量相結(jié)合的包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價模型，是包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法優(yōu)化的關(guān)鍵。根據(jù)包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價的需求和包裝產(chǎn)品質(zhì)量指標的特征，特別是包裝印刷智能制造的發(fā)展趨勢，本文提出如下3種質(zhì)量評價方法及算法模型。

2.1 包裝產(chǎn)品質(zhì)量主觀評價方法及算法模型

針對包裝產(chǎn)品是一種基于設(shè)計創(chuàng)意來美化、保護和服務(wù)產(chǎn)品的物質(zhì)載體的本質(zhì)，以人的感知為中心，在約束包裝產(chǎn)品特性、評價者特性和觀察條件的前提下，采用合理與客觀結(jié)合的“專家經(jīng)驗+視覺效果+多尺度分析”的包裝產(chǎn)品質(zhì)量主觀評價方法，篩選5級質(zhì)量尺度評分或5級妨礙尺度的尺度評分法，根據(jù)視覺感知直接確定包裝質(zhì)量的好壞，并按照絕對“全優(yōu)度尺度”或 相對“群優(yōu)度尺度”來建立主觀評價的算法模型。

在包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價中，對于包裝產(chǎn)品中難以分辨的特征紋理、像質(zhì)退化和斑點、折痕、裂痕、污漬等成像損傷[6]，采用基于多維標度技術(shù)，通過兩個樣本元素之間可感覺差量的幾何距離的算法模型（如公式1），合理反映樣本之間的質(zhì)量關(guān)聯(lián)及其質(zhì)量水平。確定模型參數(shù)后，通過標準偏差來判定評判者意見的一致性或合理性。

式中：dij為樣本i和j之間差異的幾何距離；

xim、xjm分別為樣本i、j沿第m維坐標軸的坐標。

2.2 包裝產(chǎn)品質(zhì)量客觀評價方法及算法模型

在保持與人的主觀感受一致的前提下，針對包裝產(chǎn)品評價指標體系中，諸多全面、客觀的存在，可測量及可重復的客觀評價指標[7]，采用一個或多個度量指標或參數(shù)來建立包裝質(zhì)量評價方法及其算法模型，通過自動計算的結(jié)果來評價包裝質(zhì)量的優(yōu)劣。這種方法具有與人和環(huán)境因素無關(guān)，結(jié)果穩(wěn)定、一致的客觀評價優(yōu)勢，但是也存在無法完全反映人的主觀認知特性的不足。在進行包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價時，包裝產(chǎn)品質(zhì)量圖文再現(xiàn)指標中的保真度可以采用式（2）所示的均方根誤差（root mean square error，RMSE）和式（3）所示的信噪比（signal to noise ratio，SNR）來準確表達。

式（2）～（3）中：x、y為不同維度的度量指標或參數(shù)；

M、N分別為指標x、y的樣本容量；

f(x, y)為根據(jù)x、y指標得到的實際測量結(jié)果值。

圖文再現(xiàn)的清晰度可根據(jù)包裝產(chǎn)品圖文特征，分別采用點銳度圖像清晰度計算公式（式（4））、信息熵（式（5））及高階信息熵[8]（式（6））來準確表達。

式中：P為圖像清晰度的計算結(jié)果；

m、n分別為圖像像素的行數(shù)和列數(shù)；

df為灰度變化幅值；

dx為像素元間的距離增量；

式中：H為信息熵的結(jié)果；

L為圖像灰度級的最大值；

pi為圖像中灰度級為i的像素的概率。

式中：HN為每個符號的N-1階信息熵；

N為相繼符號的個數(shù)；

M為新符號的個數(shù)；

2.3 包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評價方法及算法模型

包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評價是以客觀評價手段為基礎(chǔ)，對照主觀評價的各種因素，共同構(gòu)建質(zhì)量綜合評價的標準和方法。綜合評價方法的目標是通過適當評測模式將主觀心理感知與客觀數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，使主客觀評價結(jié)果更切合實際應(yīng)用，保持人與機器結(jié)果之間的效果一致，從而形成更科學、更標準的評價方法[9]。

包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評價方法的重點是在包裝產(chǎn)品制造原理的基礎(chǔ)上，以印刷復制理論、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、交互體驗為主線，滿足面向包裝產(chǎn)品未來發(fā)展應(yīng)用安全需求和可循環(huán)利用需求。通過對包裝產(chǎn)品及其質(zhì)量的解構(gòu)，從定性分析來宏觀評價包裝產(chǎn)品質(zhì)量屬性，從定量分析來微觀解析包裝產(chǎn)品質(zhì)量的各種質(zhì)量特性，使得主客觀評價的計算數(shù)據(jù)和行業(yè)權(quán)威專家意見一致，形成基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量確認與綜合評價，為未來基于人眼視覺的包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價滿足實際工業(yè)應(yīng)用要求奠定基礎(chǔ)。

通常，包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評價方法的具體流程如圖2所示。綜合評價可分為3個步驟：

圖2 綜合評價的流程框圖Fig.2 Comprehensive evaluation flow-chart

第一步是參數(shù)檢測與計算，即針對17個質(zhì)量評價指標，分別采用相關(guān)測試儀器和主觀評分尺度，將質(zhì)量指標的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，求得綜合質(zhì)量評價所需的各評價項目的值，例如圖文再現(xiàn)中的色差[10]和網(wǎng)點形狀系數(shù)，幾何形變中的尺寸偏差以及位置偏差，結(jié)構(gòu)強度中的空間利用率和物料利用率等。

第二步是建立評分權(quán)重機制和評分表，將第一步所得各評價指標的測量值進行歸一化處理，形成0～10范圍內(nèi)的評價分。根據(jù)各個質(zhì)量評價指標的評分和包裝產(chǎn)品質(zhì)量特征，篩選合適的辦法計算出各指標的權(quán)重。

第三步是根據(jù)第二步獲得的各個評價指標的權(quán)重和歸一化后的評分數(shù)據(jù)，然后按照公式（7）計算包裝產(chǎn)品質(zhì)量的評價得分，依此對包裝產(chǎn)品質(zhì)量進行綜合評價。本研究設(shè)定的包裝產(chǎn)品質(zhì)量指標評定如表1所示。

表1 包裝產(chǎn)品質(zhì)量指標評定表Table 1 The assessment table of packaging product quality specification

2.4 3種包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法比較

對上述3種包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價方法的比較可知，主觀評價方法對評價者的專業(yè)素質(zhì)要求很高，評價結(jié)果的一致性易受評價場景因素的影響；該方法適合具體的小場景評價和多專家團隊的大場景評價?？陀^評價方法對測量儀器的精度以及數(shù)據(jù)采集的準確性要求較高；該方法適合以定量指標為主體的包裝質(zhì)量評價，例如產(chǎn)品的色差等。綜合評價方法是將人眼視覺的主觀評價和定量數(shù)據(jù)采集的客觀評價相結(jié)合的方法，是一種以標準主導下的新型評價方法。該評價方法是在國際國內(nèi)相關(guān)標準的約束下進行，能使主客觀評價結(jié)果保持一致。

3 結(jié)語

現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價是一個復雜的心理物理學過程，涉及包裝產(chǎn)品的印刷質(zhì)量、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、交互體驗質(zhì)量、應(yīng)用安全質(zhì)量和可循環(huán)利用質(zhì)量等5個一級指標和17個二級指標。本文通過理論分析和實驗研究，系統(tǒng)解構(gòu)了現(xiàn)代包裝產(chǎn)品的質(zhì)量評價指標及參數(shù)，提出了主觀質(zhì)量評價、客觀質(zhì)量評價和綜合質(zhì)量評價3種質(zhì)量評價方法，建立了典型指標的質(zhì)量評價算法模型。這既為包裝產(chǎn)品質(zhì)量評價提供了方法，又為包裝產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化與工藝改善提供了參考方向。