饲料产品智能包装系统设计与应用

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近年来，社会经济快速变革以及畜牧行业迅猛发展，使人们生活理念和消费模式发生改变[1-2]。在此背景下，宠物饲养者、专业养殖户等消费群体在选择饲料产品时也对产品外观有了更高要求[3-4]。在饲料产品销售中，良好的包装能够有效提升消费者购买欲望，刺激消费者实现二次购买，还可以完整诠释和概括饲料企业品牌文化，增强企业影响力。随着新一代信息技术迅猛发展，虚拟现实技术逐渐开始与各行各业深度交叉融合。以虚拟现实技术为主导的产品智能包装设计成为诸多研发人员提高设计效率与质量的首要选择[5-7]。虚拟现实技术早期主要应用于军事、航空、医疗等高端领域，其技术支持主要为3D几何建模[8-9]。目前，数字图像处理技术的大规模普及为虚拟现实技术应用范围扩大奠定了基础，并极大提升了我国包装设计领域研发水平。将虚拟现实技术与传统包装设计理念相结合，通过搭建包装3D模型、融入虚拟环境进行的智能化饲料产品包装设计主要有两大好处：可以在虚拟环境中呈现饲料产品的功能、外形和设计理念，使消费者感受到产品外观与质感，增强消费者临场体验感[10-11]；还可以缩减包装成本，进一步降低饲料企业经营成本。因此，文章对基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装设计与应用问题进行探究，以期在充分凸显饲料产品功能基础上，降低饲料产品包装成本、提升消费临场体验感、激活市场发展潜力，最终推动饲料企业和行业整体发展。

1系统总体设计

根据目前饲料产品包装实际特点、饲料企业与行业发展需要，将饲料产品包装设计流程与虚拟现实技术相结合，设计饲料产品智能包装系统，总体设计思路见图1。基于虚拟技术的饲料产品智能包装设计涵盖饲料产品智能包装数据系统与分布式包装研发小组两个部分。饲料产品包装数据管理系统主要为硬件装配、3D支持、控制中心提供数据支持，保证在饲料产品包装设计过程数据的精确性、完整性与统一性。整个设计核心主要分为3个环节：一是硬件装配，可通过优化整体饲料产品智能包装运行流程，提升包装效率、降低包装成本；二是控制中心，可发起或终止研发活动，增强饲料包装智能系统的统筹调配作用；三是3D支持，可提供多种3D软件研发平台与演示工具。分布式包装研发小组的主要功能是为研发人员提供设计环境支持，助力研发人员在执行层实现既定任务。考虑饲料产品智能包装设计的多层次性，在分布式包装研发小组构建过程中将研发组拆分成多个不同小组，以更好实现协同设计规划。

1.1饲料产品智能包装系统流程设计

1.1.1硬件装配流程设计

基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统硬件装配环节，主要由耙料机、出/入库皮带、后包装皮带、装车机、包装机以及散货卸货车组成。此环节首先利用光纤通信将耙料机与皮带控制系统相连接，并接入交换机，形成由以太网串联、饲料产品智能包装系统控制的耙料机控制系统。然后在原点位置接入后包装皮带与装车机，实现整体饲料产品包装流程的输送。在备用点位处接入包装机和码垛机的控制指令，散货卸货车接入行进指令和翻板指令，实现原点位与备用点位的连锁处理。若包装皮带部分出现系统故障，通过上位机控制故障部分皮带前设备，自动停止运行耙料机，减少不必要人工操作损耗。若上位机检测到包装机、码垛机与卸货车出现故障或停止运作，则自动发出故障或停止信号，连锁停止后包装皮带和包装机，保证不会出现饲料产品堆积现象。

1.1.23D支持流程设计

基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装3D支持流程首先，在虚拟现实技术支持下，饲料产品智能包装系统需要有明确的产品包装需求分析，并根据分析结果形成整体设计思路。其次，分别用平面设计软件与三维设计软件对饲料包装的平面展开图、平面装潢视觉效果与三维包装模型进行设计。再次，结合平面设计结果与包装结构设计参数，对三维模型进行贴图并渲染。最后，将结果导入3D设计平台完成饲料产品包装虚拟设计，并对其物理属性进行仿真分析。经过多轮次修改后，进入设计方案评估流程，判断所设计饲料产品虚拟包装成果是否通过设计需求测试与方案预期评估。如通过设计需求测试与方案预期评估，则进行大规模量产。

1.2饲料产品智能包装

三维模型设计三维包装数学模型设计是饲料产品智能包装从二维平面设计向三维立体图形转变的关键步骤，需从以下方面进行针对性选择。

1.2.1开发平台

选择常用的三维建模软件有3DMAX、Virtools、Pro/ENGINEER。其中，Virtools作为一款三维交互式虚拟实境编辑软件具有可视化、交互化特征[12]，操作简单、易上手，能够借助内置创作应用程序与选择性模块快速设计出包装产品，可广泛应用于3D产品领域。因此，为实现饲料产品智能包装设计效率的最大化，选择Virtools进行包装设计。但考虑到Virtools缺少三维建模功能，难以充分表达饲料产品智能包装设计理念，故在考虑兼容性因素基础上选择3DMAX配合Virtools软件进行设计。

1.2.2参数选择

因饲料产品种类存在差异，所以对包装尺寸的要求也需相应调整。通过参数选择并输入对应尺寸，能够控制包装体积、大小，确保在尺寸设计变动后，无须重新设计图纸。首先，运用可扩展3D语言（X3D）建立初步包装坯子，设置饲料产品包装的基础尺寸。其次，使用positionInterpolator节点设置，同比例放大包装坯子尺寸的三维坐标轴参数。最后，基于用户需求，确定KeyValue值与translation域，保证体板与对应坐标中心值实现更改。

1.2.33D立体成型

在设计体板时，坐标系会从组节点Transform向几何体中心转移。因此，需要在组节点Transform中置入体板shape节点，以便更好地通过center字段控制体板旋转轴方向。同时，设置饲料包装三维面板为X、Y、Z。饲料产品包装盒结构展开见图3。由图3可知，首先固定体板1的空间位置，将体板2、3沿着Y轴向右旋转90°；之后固定体板2空间位置，使体板3绕X=y+0.5x轴向右旋转90°；结束旋转后，由组节点Transform上置入体板3与体板2的shape节点，并对旋转轴进行控制。最后，以时间传感器节点设置时间轴，方向插补器操作控制体板旋转，通过编程语句按顺序折叠体板。

1.2.4平面画面绘制与贴图

在3D饲料包装成型后，设计者可通过平面画面绘制与贴图对上述模型进行装潢设计。在此过程中，所需软件主要为Photoshop。在包装结构上，使用Photoshop软件依照模型长、宽、高进行等比例设计，之后借助UVMap定位为模型贴图。

1.3饲料产品三维包装展示

在Virtools软件上百个构造块中挑选2DPicking作为预先集成的基本单元，随后通过鼠标点击，将基本单元充分与三维包装数学模型各个区域相结合，由此实现由平面视角到3D视角的整个场景展示功能。待完成模型制作与贴图后，可将该模型设置成html、JSP、PHP、ASPX等静态与动态网页格式。网页格式能够将模型网页集合成网站，以便于借助互联网打破用户与研发人员的时空限制，有效拓展相应功能。

2系统应用试验分析

目前市场中饲料产品种类较为多样[13-15]，其中使用包装盒的饲料产品多为宠物饲料，故在此以宠物饲料产品为例，设计基于虚拟现实技术的不同规模饲料产品智能包装外盒。饲料产品包装在生产、加工、销售等多种流通活动中，均可能发生挤压、碰撞，或出现因用途不清晰、功能不明确、成本高昂等引起的问题。对此，从包装设计清晰度、成本与适应性等3个方面，对宠物饲料产品的传统包装外盒与新设计外盒应用效果展开多次仿真试验对比，以此验证基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统设计成效。

2.1包装设计清晰度测评结果

为研究基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统设计清晰度，需对比本文方法新设计包装与传统包装的清晰度效果。从包装样本中，随机抽取不同规模的5组试验样本，采用参数设定不变的Epsonexpression1680平板扫描仪，对不同宠物饲料产品包装进行清晰度测评，对比结果见表1。由表1可知，5组试验样本中，宠物饲料产品传统包装的清晰度均未超过80%，最高为第1组的76.2%；基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装清晰度均超过95%，最高为第1组的99.1%。对比可知，新设计包装的清晰度明显高于传统包装，即基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统设计清晰度更好。主要原因是虚拟现实技术采用可扩展3D语言（X3D）以及positionInterpolator节点设置，设计饲料产品包装结构数据参数，消除包装坯子与饲料产品之间的尺寸差异，增加包装的贴合度和清晰度。

2.2包装设计成本测评结果

（见表2）为研究基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统设计的成本耗费情况，需对比不同产品包装规模下的设计成本。从包装样本中，随机抽取5组试验样本，采用SPSS软件对样本成本数据进行分析与对比。具体将包装成本分为人工成本、原料成本和总成本等3类，得到传统包装与新设计包装的三类成本测评结果见表2。由表2可知，5组试验样本中，宠物饲料产品传统包装的人工成本、原料成本和总成本均高于新设计包装。其中，传统包装的第5组饲料产品人工成本、原料成本和总成本最高，分别为11365元、5646元、17011元，宠物饲料产品新设计包装的第5组饲料产品人工成本、原料成本和总成本也最高，分别为9648元、3987元、13635元。对比可知，随着宠物饲料产品包装规模增大，包装设计人工成本和原料成本均不断增加，但在包装规模相同情况下，基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装设计成本明显更低。结果表明，本文方法设计的饲料产品智能包装系统可有效降低饲料产品包装的人工成本和原料成本，进而降低总体包装成本。

2.3包装设计适应性

为研究基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统适应能力，需对比不同方法设计的产品包装适应性。从包装样本中随机抽取5组试验样本，进行产品适应性测评。样本包装规模分别为2.5、8.5、12.5、16.5、20.5cm2。具体方法是：将宠物饲料产品分别放置于传统包装与新设计包装中，每组包装规模的宠物饲料产品放置量相同，均为包装规模容量的98%。在每组宠物饲料产品运输带上施加同样力度的碰撞打击，撞击速度为3m/s。观察并记录每次撞击后，宠物饲料产品传统包装与新设计包装的破损程度，利用Excel表格绘制包装破损情况对比，见图4。由图4可知，在饲料产品包装规模相同情况下，随着碰撞打击次数增多，传统包装与新设计包装的破损程度均会提高。但新设计包装的破损程度明显更低，表明基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装设计适应性更高，适应能力更强。且在碰撞打击次数达到30以上时，新设计包装的破损程度一直维持在30%左右，表明基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统能将包装破损程度控制在一定程度内，进一步验证该方法的适应性能较好。

3结论

本文结合饲料企业和行业发展需求，基于虚拟现实技术对饲料产品包装系统进行创新设计与应用研究。从系统流程设计、智能包装三维模型设计与饲料产品三维包装展示等3个方面对基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统进行总体设计，在此基础上通过多次仿真试验对比，验证基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装设计效果。本试验结果表明，本文设计的饲料产品智能包装系统可行性较高，在宠物饲料产品包装方面应用效果较好。基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统能解放劳动生产力，提高饲料产品包装清晰度、降低包装成本、提升包装适应性。但目前基于虚拟现实技术的饲料产品智能包装系统尚未大范围落地。因此，未来饲料企业可充分借助虚拟现实技术，设计更多饲料产品智能包装系统，借助该系统在降低企业包装成本的同时提高饲料产品销售量，进而提升整体经济效益。

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作者：汤瑾 单位：江西应用工程职业学院