王 強(qiáng) 劉紅利

杭州電子科技大學(xué)

人文藝術(shù)與數(shù)字媒體學(xué)院

浙江 杭州 310018

0 引言

目前，中國(guó)社會(huì)正處于從高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了包裝產(chǎn)品從傳統(tǒng)單一的“辨識(shí)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(shí)現(xiàn)了包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的變革[1]。從現(xiàn)代包裝產(chǎn)業(yè)鏈的視角來(lái)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(jì)、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(yàn)等各個(gè)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(píng)價(jià)方法，已經(jīng)成為包裝制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵問(wèn)題和研究熱點(diǎn)。

本文在研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，面向未來(lái)包裝產(chǎn)品智能制造和數(shù)字化評(píng)價(jià)的需求，從理論、技術(shù)及應(yīng)用3個(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)，并提出一種適合現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)的新思路和新方法。

1 現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)、美化、識(shí)別和交互體驗(yàn)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(jì)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(gè)領(lǐng)域[2]。從包裝技術(shù)視角來(lái)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(yàn)質(zhì)量、應(yīng)用安全質(zhì)量以及可循環(huán)利用質(zhì)量5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)。其中，屬性指標(biāo)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(lái)設(shè)定；評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)按照包裝產(chǎn)品質(zhì)量主流評(píng)價(jià)方法中主客觀評(píng)價(jià)參數(shù)頻度的原則來(lái)選擇。常用包裝產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)層級(jí)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 The evaluation indicator system of packaging product quality

1.1 包裝印刷的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

包裝外觀是用戶對(duì)包裝產(chǎn)品及其質(zhì)量最直觀的判斷和評(píng)價(jià)。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(jué)美感、品牌價(jià)值和消費(fèi)購(gòu)買欲的驅(qū)動(dòng)源；形態(tài)外觀是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與印刷技術(shù)工藝的綜合表達(dá)[3]。因此，印刷質(zhì)量是決定包裝產(chǎn)品價(jià)值的核心要素，印刷質(zhì)量的評(píng)價(jià)要素是包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容。

包裝印刷質(zhì)量是指在專門設(shè)計(jì)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(guò)技術(shù)、工藝、材料以及增材制造方式，定制、批量化復(fù)制或制造產(chǎn)品的綜合質(zhì)量要素表達(dá)。包裝印刷質(zhì)量包括以信息識(shí)別或內(nèi)容閱讀為目標(biāo)的“內(nèi)容表達(dá)”質(zhì)量和以特定功能（防偽、交互）為目標(biāo)的“功能實(shí)現(xiàn)”質(zhì)量[4]。“內(nèi)容表達(dá)”更關(guān)注以信息辨識(shí)與創(chuàng)意傳播為中心的精神感知層面；“功能實(shí)現(xiàn)”是通過(guò)二維碼、隱藏信息、復(fù)合RFID標(biāo)簽或嵌入芯片等多種方式，拓展包裝與各信息系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別、數(shù)據(jù)交換以及交互體驗(yàn)的功能，更關(guān)注以產(chǎn)品制造與應(yīng)用體驗(yàn)為中心的物質(zhì)應(yīng)用層面[5]。包裝印刷的質(zhì)量指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)

產(chǎn)品在展示、運(yùn)輸和營(yíng)銷過(guò)程中，需要通過(guò)專門設(shè)計(jì)的包裝結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)使產(chǎn)品免受損害、減少損耗、增加用戶體驗(yàn)的包裝功能。從包裝技術(shù)視角來(lái)看，包裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)以及信息通訊交換技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品保護(hù)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(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與虛擬仿真測(cè)試相結(jié)合的方式，對(duì)包裝與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)適配特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(biāo)主要有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、基材強(qiáng)度、復(fù)合強(qiáng)度和成型特性。

1.3 包裝交互體驗(yàn)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

隨著5G的普及，以及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)和人工智能在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的深入，萬(wàn)物互聯(lián)與交互體驗(yàn)正成為產(chǎn)品價(jià)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(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵信息載體，與產(chǎn)品制造、倉(cāng)儲(chǔ)、物流、營(yíng)銷和增值等各個(gè)環(huán)節(jié)的信息交換、產(chǎn)品管理和用戶體驗(yàn)密切關(guān)聯(lián)。包裝對(duì)產(chǎn)品品牌價(jià)值的提升、用戶喜好度的增強(qiáng)以及用戶產(chǎn)品體驗(yàn)黏性的增加，起著十分重要的作用。交互體驗(yàn)質(zhì)量決定了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)的滿足度。交互體驗(yàn)的質(zhì)量指標(biāo)主要有網(wǎng)絡(luò)兼容性、信息識(shí)別率和交互體驗(yàn)感。

1.4 包裝應(yīng)用安全的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(fù)合的黏合材料等?；呐c包裝物的成分遷移，對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)

近年來(lái)，國(guó)家將構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系、提高資源綜合利用效率作為社會(huì)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(huì)發(fā)展的潮流。有關(guān)資料表明，全國(guó)的快遞包裹每年約為400億件，其中包裝箱和包裝袋高達(dá)100億件以上。提高廢棄包裝物的再利用，建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(guò)優(yōu)化包裝設(shè)計(jì)，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(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)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(dòng)下，包裝產(chǎn)業(yè)鏈從設(shè)計(jì)、印制、應(yīng)用到市場(chǎng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)字化，開(kāi)始顛覆與變革包裝制造的技術(shù)、工藝、生產(chǎn)流程及其運(yùn)行管理。從圖1中包裝產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，針對(duì)包裝印刷產(chǎn)品中可定性感知類的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)和可定量測(cè)量類的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立定性和定量相結(jié)合的包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，是包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法優(yōu)化的關(guān)鍵。根據(jù)包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)的需求和包裝產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的特征，特別是包裝印刷智能制造的發(fā)展趨勢(shì)，本文提出如下3種質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及算法模型。

2.1 包裝產(chǎn)品質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法及算法模型

針對(duì)包裝產(chǎn)品是一種基于設(shè)計(jì)創(chuàng)意來(lái)美化、保護(hù)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(píng)價(jià)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(yàn)+視覺(jué)效果+多尺度分析”的包裝產(chǎn)品質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法，篩選5級(jí)質(zhì)量尺度評(píng)分或5級(jí)妨礙尺度的尺度評(píng)分法，根據(jù)視覺(jué)感知直接確定包裝質(zhì)量的好壞，并按照絕對(duì)“全優(yōu)度尺度”或 相對(duì)“群優(yōu)度尺度”來(lái)建立主觀評(píng)價(jià)的算法模型。

在包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)中，對(duì)于包裝產(chǎn)品中難以分辨的特征紋理、像質(zhì)退化和斑點(diǎn)、折痕、裂痕、污漬等成像損傷[6]，采用基于多維標(biāo)度技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)樣本元素之間可感覺(jué)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)判定評(píng)判者意見(jiàn)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(biāo)軸的坐標(biāo)。

2.2 包裝產(chǎn)品質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)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(duì)包裝產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，諸多全面、客觀的存在，可測(cè)量及可重復(fù)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]，采用一個(gè)或多個(gè)度量指標(biāo)或參數(shù)來(lái)建立包裝質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及其算法模型，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)包裝質(zhì)量的優(yōu)劣。這種方法具有與人和環(huán)境因素?zé)o關(guān)，結(jié)果穩(wěn)定、一致的客觀評(píng)價(jià)優(yōu)勢(shì)，但是也存在無(wú)法完全反映人的主觀認(rèn)知特性的不足。在進(jìn)行包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，包裝產(chǎn)品質(zhì)量圖文再現(xiàn)指標(biāo)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(lái)準(zhǔn)確表達(dá)。

式（2）～（3）中：x、y為不同維度的度量指標(biāo)或參數(shù)；

M、N分別為指標(biāo)x、y的樣本容量；

f(x, y)為根據(jù)x、y指標(biāo)得到的實(shí)際測(cè)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(diǎn)銳度圖像清晰度計(jì)算公式（式（4））、信息熵（式（5））及高階信息熵[8]（式（6））來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)。

式中：P為圖像清晰度的計(jì)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(jí)的最大值；

pi為圖像中灰度級(jí)為i的像素的概率。

式中：HN為每個(gè)符號(hào)的N-1階信息熵；

N為相繼符號(hào)的個(gè)數(shù)；

M為新符號(hào)的個(gè)數(shù)；

2.3 包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法及算法模型

包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)是以客觀評(píng)價(jià)手段為基礎(chǔ)，對(duì)照主觀評(píng)價(jià)的各種因素，共同構(gòu)建質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和方法。綜合評(píng)價(jià)方法的目標(biāo)是通過(guò)適當(dāng)評(píng)測(cè)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(píng)價(jià)結(jié)果更切合實(shí)際應(yīng)用，保持人與機(jī)器結(jié)果之間的效果一致，從而形成更科學(xué)、更標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法[9]。

包裝產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法的重點(diǎn)是在包裝產(chǎn)品制造原理的基礎(chǔ)上，以印刷復(fù)制理論、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交互體驗(yàn)為主線，滿足面向包裝產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展應(yīng)用安全需求和可循環(huán)利用需求。通過(guò)對(duì)包裝產(chǎn)品及其質(zhì)量的解構(gòu)，從定性分析來(lái)宏觀評(píng)價(jià)包裝產(chǎn)品質(zhì)量屬性，從定量分析來(lái)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(píng)價(jià)的計(jì)算數(shù)據(jù)和行業(yè)權(quán)威專家意見(jiàn)一致，形成基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量確認(rèn)與綜合評(píng)價(jià)，為未來(lái)基于人眼視覺(jué)的包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)滿足實(shí)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(píng)價(jià)方法的具體流程如圖2所示。綜合評(píng)價(jià)可分為3個(gè)步驟：

圖2 綜合評(píng)價(jià)的流程框圖Fig.2 Comprehensive evaluation flow-chart

第一步是參數(shù)檢測(cè)與計(jì)算，即針對(duì)17個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別采用相關(guān)測(cè)試儀器和主觀評(píng)分尺度，將質(zhì)量指標(biāo)的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，求得綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)所需的各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的值，例如圖文再現(xiàn)中的色差[10]和網(wǎng)點(diǎn)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(qiáng)度中的空間利用率和物料利用率等。

第二步是建立評(píng)分權(quán)重機(jī)制和評(píng)分表，將第一步所得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)量值進(jìn)行歸一化處理，形成0～10范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)分。根據(jù)各個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分和包裝產(chǎn)品質(zhì)量特征，篩選合適的辦法計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重。

第三步是根據(jù)第二步獲得的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和歸一化后的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，然后按照公式（7）計(jì)算包裝產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)得分，依此對(duì)包裝產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本研究設(shè)定的包裝產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)評(píng)定如表1所示。

表1 包裝產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)評(píng)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(píng)價(jià)方法比較

對(duì)上述3種包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的比較可知，主觀評(píng)價(jià)方法對(duì)評(píng)價(jià)者的專業(yè)素質(zhì)要求很高，評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性易受評(píng)價(jià)場(chǎng)景因素的影響；該方法適合具體的小場(chǎng)景評(píng)價(jià)和多專家團(tuán)隊(duì)的大場(chǎng)景評(píng)價(jià)?？陀^評(píng)價(jià)方法對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性要求較高；該方法適合以定量指標(biāo)為主體的包裝質(zhì)量評(píng)價(jià)，例如產(chǎn)品的色差等。綜合評(píng)價(jià)方法是將人眼視覺(jué)的主觀評(píng)價(jià)和定量數(shù)據(jù)采集的客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，是一種以標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)下的新型評(píng)價(jià)方法。該評(píng)價(jià)方法是在國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的約束下進(jìn)行，能使主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果保持一致。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的心理物理學(xué)過(guò)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(yàn)質(zhì)量、應(yīng)用安全質(zhì)量和可循環(huán)利用質(zhì)量等5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)。本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)解構(gòu)了現(xiàn)代包裝產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及參數(shù)，提出了主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)、客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)和綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)3種質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，建立了典型指標(biāo)的質(zhì)量評(píng)價(jià)算法模型。這既為包裝產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了方法，又為包裝產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)化與工藝改善提供了參考方向。