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近年來，社會經濟快速變革以及畜牧行業迅猛發展，使人們生活理念和消費模式發生改變[1-2]。在此背景下，寵物飼養者、專業養殖戶等消費群體在選擇飼料產品時也對產品外觀有了更高要求[3-4]。在飼料產品銷售中，良好的包裝能夠有效提升消費者購買欲望，刺激消費者實現二次購買，還可以完整詮釋和概括飼料企業品牌文化，增強企業影響力。隨著新一代信息技術迅猛發展，虛擬現實技術逐漸開始與各行各業深度交叉融合。以虛擬現實技術為主導的產品智能包裝設計成為諸多研發人員提高設計效率與質量的首要選擇[5-7]。虛擬現實技術早期主要應用于軍事、航空、醫療等高端領域，其技術支持主要為3D幾何建模[8-9]。目前，數字圖像處理技術的大規模普及為虛擬現實技術應用范圍擴大奠定了基礎，并極大提升了我國包裝設計領域研發水平。將虛擬現實技術與傳統包裝設計理念相結合，通過搭建包裝3D模型、融入虛擬環境進行的智能化飼料產品包裝設計主要有兩大好處：可以在虛擬環境中呈現飼料產品的功能、外形和設計理念，使消費者感受到產品外觀與質感，增強消費者臨場體驗感[10-11]；還可以縮減包裝成本，進一步降低飼料企業經營成本。因此，文章對基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝設計與應用問題進行探究，以期在充分凸顯飼料產品功能基礎上，降低飼料產品包裝成本、提升消費臨場體驗感、激活市場發展潛力，最終推動飼料企業和行業整體發展。

1系統總體設計

根據目前飼料產品包裝實際特點、飼料企業與行業發展需要，將飼料產品包裝設計流程與虛擬現實技術相結合，設計飼料產品智能包裝系統，總體設計思路見圖1。基于虛擬技術的飼料產品智能包裝設計涵蓋飼料產品智能包裝數據系統與分布式包裝研發小組兩個部分。飼料產品包裝數據管理系統主要為硬件裝配、3D支持、控制中心提供數據支持，保證在飼料產品包裝設計過程數據的精確性、完整性與統一性。整個設計核心主要分為3個環節：一是硬件裝配，可通過優化整體飼料產品智能包裝運行流程，提升包裝效率、降低包裝成本；二是控制中心，可發起或終止研發活動，增強飼料包裝智能系統的統籌調配作用；三是3D支持，可提供多種3D軟件研發平臺與演示工具。分布式包裝研發小組的主要功能是為研發人員提供設計環境支持，助力研發人員在執行層實現既定任務。考慮飼料產品智能包裝設計的多層次性，在分布式包裝研發小組構建過程中將研發組拆分成多個不同小組，以更好實現協同設計規劃。

1.1飼料產品智能包裝系統流程設計

1.1.1硬件裝配流程設計

基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統硬件裝配環節，主要由耙料機、出/入庫皮帶、后包裝皮帶、裝車機、包裝機以及散貨卸貨車組成。此環節首先利用光纖通信將耙料機與皮帶控制系統相連接，并接入交換機，形成由以太網串聯、飼料產品智能包裝系統控制的耙料機控制系統。然后在原點位置接入后包裝皮帶與裝車機，實現整體飼料產品包裝流程的輸送。在備用點位處接入包裝機和碼垛機的控制指令，散貨卸貨車接入行進指令和翻板指令，實現原點位與備用點位的連鎖處理。若包裝皮帶部分出現系統故障，通過上位機控制故障部分皮帶前設備，自動停止運行耙料機，減少不必要人工操作損耗。若上位機檢測到包裝機、碼垛機與卸貨車出現故障或停止運作，則自動發出故障或停止信號，連鎖停止后包裝皮帶和包裝機，保證不會出現飼料產品堆積現象。

1.1.23D支持流程設計

基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝3D支持流程首先，在虛擬現實技術支持下，飼料產品智能包裝系統需要有明確的產品包裝需求分析，并根據分析結果形成整體設計思路。其次，分別用平面設計軟件與三維設計軟件對飼料包裝的平面展開圖、平面裝潢視覺效果與三維包裝模型進行設計。再次，結合平面設計結果與包裝結構設計參數，對三維模型進行貼圖并渲染。最后，將結果導入3D設計平臺完成飼料產品包裝虛擬設計，并對其物理屬性進行仿真分析。經過多輪次修改后，進入設計方案評估流程，判斷所設計飼料產品虛擬包裝成果是否通過設計需求測試與方案預期評估。如通過設計需求測試與方案預期評估，則進行大規模量產。

1.2飼料產品智能包裝

三維模型設計三維包裝數學模型設計是飼料產品智能包裝從二維平面設計向三維立體圖形轉變的關鍵步驟，需從以下方面進行針對性選擇。

1.2.1開發平臺

選擇常用的三維建模軟件有3DMAX、Virtools、Pro/ENGINEER。其中，Virtools作為一款三維交互式虛擬實境編輯軟件具有可視化、交互化特征[12]，操作簡單、易上手，能夠借助內置創作應用程序與選擇性模塊快速設計出包裝產品，可廣泛應用于3D產品領域。因此，為實現飼料產品智能包裝設計效率的最大化，選擇Virtools進行包裝設計。但考慮到Virtools缺少三維建模功能，難以充分表達飼料產品智能包裝設計理念，故在考慮兼容性因素基礎上選擇3DMAX配合Virtools軟件進行設計。

1.2.2參數選擇

因飼料產品種類存在差異，所以對包裝尺寸的要求也需相應調整。通過參數選擇并輸入對應尺寸，能夠控制包裝體積、大小，確保在尺寸設計變動后，無須重新設計圖紙。首先，運用可擴展3D語言（X3D）建立初步包裝坯子，設置飼料產品包裝的基礎尺寸。其次，使用positionInterpolator節點設置，同比例放大包裝坯子尺寸的三維坐標軸參數。最后，基于用戶需求，確定KeyValue值與translation域，保證體板與對應坐標中心值實現更改。

1.2.33D立體成型

在設計體板時，坐標系會從組節點Transform向幾何體中心轉移。因此，需要在組節點Transform中置入體板shape節點，以便更好地通過center字段控制體板旋轉軸方向。同時，設置飼料包裝三維面板為X、Y、Z。飼料產品包裝盒結構展開見圖3。由圖3可知，首先固定體板1的空間位置，將體板2、3沿著Y軸向右旋轉90°；之后固定體板2空間位置，使體板3繞X=y+0.5x軸向右旋轉90°；結束旋轉后，由組節點Transform上置入體板3與體板2的shape節點，并對旋轉軸進行控制。最后，以時間傳感器節點設置時間軸，方向插補器操作控制體板旋轉，通過編程語句按順序折疊體板。

1.2.4平面畫面繪制與貼圖

在3D飼料包裝成型后，設計者可通過平面畫面繪制與貼圖對上述模型進行裝潢設計。在此過程中，所需軟件主要為Photoshop。在包裝結構上，使用Photoshop軟件依照模型長、寬、高進行等比例設計，之后借助UVMap定位為模型貼圖。

1.3飼料產品三維包裝展示

在Virtools軟件上百個構造塊中挑選2DPicking作為預先集成的基本單元，隨后通過鼠標點擊，將基本單元充分與三維包裝數學模型各個區域相結合，由此實現由平面視角到3D視角的整個場景展示功能。待完成模型制作與貼圖后，可將該模型設置成html、JSP、PHP、ASPX等靜態與動態網頁格式。網頁格式能夠將模型網頁集合成網站，以便于借助互聯網打破用戶與研發人員的時空限制，有效拓展相應功能。

2系統應用試驗分析

目前市場中飼料產品種類較為多樣[13-15]，其中使用包裝盒的飼料產品多為寵物飼料，故在此以寵物飼料產品為例，設計基于虛擬現實技術的不同規模飼料產品智能包裝外盒。飼料產品包裝在生產、加工、銷售等多種流通活動中，均可能發生擠壓、碰撞，或出現因用途不清晰、功能不明確、成本高昂等引起的問題。對此，從包裝設計清晰度、成本與適應性等3個方面，對寵物飼料產品的傳統包裝外盒與新設計外盒應用效果展開多次仿真試驗對比，以此驗證基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統設計成效。

2.1包裝設計清晰度測評結果

為研究基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統設計清晰度，需對比本文方法新設計包裝與傳統包裝的清晰度效果。從包裝樣本中，隨機抽取不同規模的5組試驗樣本，采用參數設定不變的Epsonexpression1680平板掃描儀，對不同寵物飼料產品包裝進行清晰度測評，對比結果見表1。由表1可知，5組試驗樣本中，寵物飼料產品傳統包裝的清晰度均未超過80%，最高為第1組的76.2%；基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝清晰度均超過95%，最高為第1組的99.1%。對比可知，新設計包裝的清晰度明顯高于傳統包裝，即基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統設計清晰度更好。主要原因是虛擬現實技術采用可擴展3D語言（X3D）以及positionInterpolator節點設置，設計飼料產品包裝結構數據參數，消除包裝坯子與飼料產品之間的尺寸差異，增加包裝的貼合度和清晰度。

2.2包裝設計成本測評結果

（見表2）為研究基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統設計的成本耗費情況，需對比不同產品包裝規模下的設計成本。從包裝樣本中，隨機抽取5組試驗樣本，采用SPSS軟件對樣本成本數據進行分析與對比。具體將包裝成本分為人工成本、原料成本和總成本等3類，得到傳統包裝與新設計包裝的三類成本測評結果見表2。由表2可知，5組試驗樣本中，寵物飼料產品傳統包裝的人工成本、原料成本和總成本均高于新設計包裝。其中，傳統包裝的第5組飼料產品人工成本、原料成本和總成本最高，分別為11365元、5646元、17011元，寵物飼料產品新設計包裝的第5組飼料產品人工成本、原料成本和總成本也最高，分別為9648元、3987元、13635元。對比可知，隨著寵物飼料產品包裝規模增大，包裝設計人工成本和原料成本均不斷增加，但在包裝規模相同情況下，基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝設計成本明顯更低。結果表明，本文方法設計的飼料產品智能包裝系統可有效降低飼料產品包裝的人工成本和原料成本，進而降低總體包裝成本。

2.3包裝設計適應性

為研究基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統適應能力，需對比不同方法設計的產品包裝適應性。從包裝樣本中隨機抽取5組試驗樣本，進行產品適應性測評。樣本包裝規模分別為2.5、8.5、12.5、16.5、20.5cm2。具體方法是：將寵物飼料產品分別放置于傳統包裝與新設計包裝中，每組包裝規模的寵物飼料產品放置量相同，均為包裝規模容量的98%。在每組寵物飼料產品運輸帶上施加同樣力度的碰撞打擊，撞擊速度為3m/s。觀察并記錄每次撞擊后，寵物飼料產品傳統包裝與新設計包裝的破損程度，利用Excel表格繪制包裝破損情況對比，見圖4。由圖4可知，在飼料產品包裝規模相同情況下，隨著碰撞打擊次數增多，傳統包裝與新設計包裝的破損程度均會提高。但新設計包裝的破損程度明顯更低，表明基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝設計適應性更高，適應能力更強。且在碰撞打擊次數達到30以上時，新設計包裝的破損程度一直維持在30%左右，表明基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統能將包裝破損程度控制在一定程度內，進一步驗證該方法的適應性能較好。

3結論

本文結合飼料企業和行業發展需求，基于虛擬現實技術對飼料產品包裝系統進行創新設計與應用研究。從系統流程設計、智能包裝三維模型設計與飼料產品三維包裝展示等3個方面對基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統進行總體設計，在此基礎上通過多次仿真試驗對比，驗證基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝設計效果。本試驗結果表明，本文設計的飼料產品智能包裝系統可行性較高，在寵物飼料產品包裝方面應用效果較好。基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統能解放勞動生產力，提高飼料產品包裝清晰度、降低包裝成本、提升包裝適應性。但目前基于虛擬現實技術的飼料產品智能包裝系統尚未大范圍落地。因此，未來飼料企業可充分借助虛擬現實技術，設計更多飼料產品智能包裝系統，借助該系統在降低企業包裝成本的同時提高飼料產品銷售量，進而提升整體經濟效益。

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作者：湯瑾 單位：江西應用工程職業學院