現(xiàn)代包裝產(chǎn)品的質量評價方法

王 強 劉紅利

杭州電子科技大學

人文藝術與數(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)展轉向高質量發(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、新技術和新工藝的應用，實現(xiàn)了包裝產(chǎn)品的技術集成與智能應用；信息化技術的融合，實現(xiàn)了包裝產(chǎn)品從傳統(tǒng)單一的“辨識判讀”向多元的“功能構建”的創(chuàng)新；新理念、新方法的應用，實現(xiàn)了包裝產(chǎn)品質量評價方法的變革[1]。從現(xiàn)代包裝產(chǎn)業(yè)鏈的視角來看，包裝產(chǎn)品質量涵蓋了包裝產(chǎn)品從需求創(chuàng)造、產(chǎn)品設計、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)品質量評價方法，已經(jīng)成為包裝制造轉型升級的關鍵問題和研究熱點。

本文在研究國內外學者和研發(fā)機構對包裝產(chǎn)品質量評價方法的基礎上，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、技術及應用3個層面，解析包裝產(chǎn)業(yè)鏈所集成的技術領域和制造環(huán)節(jié)中包裝產(chǎn)品質量的屬性及特征；從不同技術和應用視角，探討包裝產(chǎn)品質量的評價指標，并提出一種適合現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質量評價的新思路和新方法。

1 現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質量評價指標體系構建

現(xiàn)代包裝產(chǎn)品是利用增材制造技術和數(shù)字信息技術，來實現(xiàn)對產(chǎn)品的保護、美化、識別和交互體驗的物質形態(tài)。現(xiàn)代包裝產(chǎn)品涉及包裝結構設計技術、包裝印刷技術、包裝信息交互技術、包裝材料循環(huán)利用技術和包裝安全技術等多個領域[2]。從包裝技術視角來看，現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質量可以分為印刷質量、結構質量、交互體驗質量、應用安全質量以及可循環(huán)利用質量5個一級指標和17個包裝產(chǎn)品質量評價二級指標。其中，屬性指標按照包裝產(chǎn)品關鍵質量屬性及其應用需求的原則來設定；評價參數(shù)指標按照包裝產(chǎn)品質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)品的質量評價層級指標體系如圖1所示。

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

1.1 包裝印刷的質量評價指標

包裝外觀是用戶對包裝產(chǎn)品及其質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動源；形態(tài)外觀是結構設計與印刷技術工藝的綜合表達[3]。因此，印刷質量是決定包裝產(chǎn)品價值的核心要素，印刷質量的評價要素是包裝產(chǎn)品質量評價的核心內容。

包裝印刷質量是指在專門設計的三維空間結構上，利用膠印、凹印、凸印/柔印、網(wǎng)印、數(shù)字印刷等印刷技術以及印刷技術組合，通過技術、工藝、材料以及增材制造方式，定制、批量化復制或制造產(chǎn)品的綜合質量要素表達。包裝印刷質量包括以信息識別或內容閱讀為目標的“內容表達”質量和以特定功能（防偽、交互）為目標的“功能實現(xiàn)”質量[4]。“內容表達”更關注以信息辨識與創(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，更關注以產(chǎn)品制造與應用體驗為中心的物質應用層面[5]。包裝印刷的質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 包裝結構的質量評價指標

產(chǎn)品在展示、運輸和營銷過程中，需要通過專門設計的包裝結構來實現(xiàn)使產(chǎn)品免受損害、減少損耗、增加用戶體驗的包裝功能。從包裝技術視角來看，包裝結構的實現(xiàn)需要利用互聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)字設計技術以及信息通訊交換技術。根據(jù)產(chǎn)品保護功能的包裝需求，在產(chǎn)品外觀質量要求的約束下，數(shù)字化地定義產(chǎn)品包裝的材料屬性、結構屬性、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合的方式，對包裝與產(chǎn)品的結構適配特性進行設計，得到最小物料消耗和最低材料成本下的高可靠包裝結構。包裝結構的質量指標主要有結構強度、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域應用的深入，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。交互體驗的質量指標主要有網(wǎng)絡兼容性、信息識別率和交互體驗感。

1.4 包裝應用安全的質量評價指標

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，包裝應用安全成為產(chǎn)品質量的關鍵要素，特別是在與大眾生活關系緊密的食品、藥品、日化用品和兒童用品方面。包裝應用安全質量涉及的材料有：包裝基材、印刷與整飾的增材、多基材復合的黏合材料等。基材與包裝物的成分遷移，對人體與環(huán)境安全具有一定的應用約束和使用限定。包裝應用安全的質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)利用的質量評價指標

近年來，國家將構建綠色低碳循環(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。可循環(huán)利用的質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)智能化的轉型推動下，包裝產(chǎn)業(yè)鏈從設計、印制、應用到市場的質量評價數(shù)字化，開始顛覆與變革包裝制造的技術、工藝、生產(chǎn)流程及其運行管理。從圖1中包裝產(chǎn)品的質量評價指標可知，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合的包裝產(chǎn)品質量評價模型，是包裝產(chǎn)品質量評價方法優(yōu)化的關鍵。根據(jù)包裝產(chǎn)品質量評價的需求和包裝產(chǎn)品質量指標的特征，特別是包裝印刷智能制造的發(fā)展趨勢，本文提出如下3種質量評價方法及算法模型。

2.1 包裝產(chǎn)品質量主觀評價方法及算法模型

針對包裝產(chǎn)品是一種基于設計創(chuàng)意來美化、保護和服務產(chǎn)品的物質載體的本質，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，采用合理與客觀結合的“專家經(jīng)驗+視覺效果+多尺度分析”的包裝產(chǎn)品質量主觀評價方法，篩選5級質量尺度評分或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)品質量評價中，對于包裝產(chǎn)品中難以分辨的特征紋理、像質退化和斑點、折痕、裂痕、污漬等成像損傷[6]，采用基于多維標度技術，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量關聯(lián)及其質量水平。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)來建立包裝質量評價方法及其算法模型，通過自動計算的結果來評價包裝質量的優(yōu)劣。這種方法具有與人和環(huán)境因素無關，結果穩(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)品質量評價時，包裝產(chǎn)品質量圖文再現(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)品質量綜合評價方法及算法模型

包裝產(chǎn)品質量綜合評價是以客觀評價手段為基礎，對照主觀評價的各種因素，共同構建質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)分析相結合，使主客觀評價結果更切合實際應用，保持人與機器結果之間的效果一致，從而形成更科學、更標準的評價方法[9]。

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

通常，包裝產(chǎn)品質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個質量評價指標，分別采用相關測試儀器和主觀評分尺度，將質量指標的各種參數(shù)轉換為數(shù)據(jù)，求得綜合質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，結構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范圍內的評價分。根據(jù)各個質量評價指標的評分和包裝產(chǎn)品質量特征，篩選合適的辦法計算出各指標的權重。

第三步是根據(jù)第二步獲得的各個評價指標的權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)品質量的評價得分，依此對包裝產(chǎn)品質量進行綜合評價。本研究設定的包裝產(chǎn)品質量指標評定如表1所示。

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

2.4 3種包裝產(chǎn)品質量評價方法比較

對上述3種包裝產(chǎn)品質量評價方法的比較可知，主觀評價方法對評價者的專業(yè)素質要求很高，評價結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。客觀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相關標準的約束下進行，能使主客觀評價結果保持一致。

3 結語

現(xiàn)代包裝產(chǎn)品質量評價是一個復雜的心理物理學過程，涉及包裝產(chǎn)品的印刷質量、結構質量、交互體驗質量、應用安全質量和可循環(huán)利用質量等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)解構了現(xiàn)代包裝產(chǎn)品的質量評價指標及參數(shù)，提出了主觀質量評價、客觀質量評價和綜合質量評價3種質量評價方法，建立了典型指標的質量評價算法模型。這既為包裝產(chǎn)品質量評價提供了方法，又為包裝產(chǎn)品質量優(yōu)化與工藝改善提供了參考方向。