脸谱法在卷烟风格特征中的应用

武 怡，杨乾栩，王 猛，唐 杰，王 坚，张 伟，朱保昆

云南中烟工业有限责任公司，昆明市五华区红锦路367 号 650231

在产品研发与维护中，形成了有关嗅香特征、香气特征、舒适性特征、口味等用于描述卷烟风味的专有名词和评分规则[1-2]。卷烟风格特征是卷烟特点的重要表现，不同品牌、规格的卷烟都有自己的风格特征。现阶段，卷烟风格特征表征主要以感官评价为主，按照中式卷烟风格感官评价方法，需要对卷烟烤烟烟香、清香、果香等15 个香气/香韵指标和香气、喉部干燥、丰富性等12 个品质指标进行评价和描述，然而采用指标和数据来表达卷烟的感官特征在一定程度上存在着不够直观、不易直接分析规律的缺点。将多维数据用平面图形表示，可以反映出多变量数据的内部特征与规律性[3]。20 世纪70 年代以来，多维数据图形化的方法有轮廓图、雷达图、星座图、树形图、脸谱图、Andrews plot、多维标度法等[4-6]。

脸谱图又称切诺夫脸（Chernoff Face）[7]，是最复杂的肖像符号图，它可以从脸的面部表情来表达数据之间的特点，已广泛应用于花茶等级评价[8]、无关基因剔除[9]和环境污染评价[10]等领域。当面对错综复杂的信息时，人脑会自动过滤掉那些无用的信息，察觉到一些非常细微，甚至难于测量的变化，继而对其做出判断[11-12]。当区别的图像为脸谱时，面部微表情会给观察者留下深刻的印象，可以根据表情对数据进行判别。基于中式卷烟感官评价指标的多样性、脸谱图对多维数据可视化展示能力及人脑对脸谱的记忆优势，提出了采用脸谱图方法对中式卷烟香气风格和品质特征评价数据进行可视化展示，并结合多维标度法，将脸谱图进行分类和区分，旨在实现对中式卷烟感官评价结果的直接、形象、生动表达。

1 方法

1.1 脸谱法

脸谱法采用17 个指标代表面部特征，在Matlab 中17 个面部特征指标分别为：脸的大小、上下半脸相对长度、上半脸椭圆离心率、下半脸椭圆离心率、两眼之间的宽度、眼睛的垂直位置、眼睛的高度、眼睛的宽度、眼睛的角度、眉毛的垂直位置，眉毛宽度、眉毛角度、瞳孔的方向、鼻子的长度、嘴巴的垂直位置、嘴巴形状、嘴巴长度[7，13]。图1 是典型的Chernoff 脸谱示意图。

在Matlab 中17 个面部特征相当于17 个变量，采用脸谱法对多维数据分析时，将多维数据前17个变量分别与面部特征17 个变量对应。少于17个变量时，取实际变量数分析，多于17 个变量时，只能取前17 个变量进行分析。

图1 Chernoff 脸谱示意图Fig.1 Schematic diagram of Chernoff Faces

1.2 脸谱面部特征与卷烟风格特征对应关系

在中式卷烟风格感官评价方法中，将整个卷烟的风格特征划分为香气风格和品质特征两个大类。本研究中主要对香气风格和品质特征进行分析，这两项分别由15 个香气风格指标和12 个品质特征指标构成。经过多轮次的实践，按照Chernoff脸谱的构图方法，分别确定香气风格指标和品质特征指标与脸部特征的对应关系，见表1。

表1 卷烟香气风格指标、品质特征指标与脸部特征映射表Tab.1 Mapping table between cigarette flavor style indexes，quality characters and facial features

1.3 卷烟风格特征的脸谱识别方法

采用Matlab 软件构建卷烟风格特征脸谱识别方法，主要包括以下几步骤：

（1）获取感官评价数据：卷烟感官评价的评价员采用YC/T 497—2014《卷烟中式卷烟风格感官评价方法》对N 个卷烟样品的香气风格或品质特征进行评价。

（2）将N 个卷烟样品的香气风格或品质特征的卷烟感官评价数据读入Matlab 软件，根据卷烟香气风格或品质特征与脸部特征映射表的先后顺序（表1）对原特征顺序进行调整，根据脸部特征映射表调整特征顺序后，得到数据矩阵X（N×p），其中N 代表样品，p 代表香气风格或品质特征指标的感官评价值。

采用如下归一化变换对数据进行预处理：

（3）对预处理后的数据X*调用Matlab 函数glyphplot 绘制卷烟样品脸谱图，glyphplot 的输入参数“standardize”取值“off”。

（4）利用多维标度法，作卷烟样品的多维标度法二维投影脸谱图，根据脸谱图的距离远近关系对样品进行分类。

（5）比较观察各类样品的脸谱图，分析各类脸谱的显著特征，并根据脸部特征映射表，对各类样品的香气风格或品质特征进行直观判断。

1.4 脸谱法应用

将脸谱法分别应用于中式卷烟、云产卷烟的香气风格和品质特征剖析，考察其实际应用效果。

（1）脸谱法用于中式卷烟香气风格的可视化表达：选取芙蓉王（硬）、黄鹤楼（软雅韵）、黄金叶（软大金圆）、双喜（盛世）、苏烟（软金砂）、中华（软）、中南海（蓝色风尚）、黄山（新制皖烟）、利群（红长嘴）、白沙（和天下）10 个不同品牌、不同类型卷烟作为中式卷烟代表性样品，运用YC/T 497—2014《卷烟中式卷烟风格感官评价方法》对样品香气风格和品质特征进行评价。

（2）脸谱法用于云产卷烟香气风格的可视化表达：选取云烟（软大重九）、云烟（印象）、云烟（软珍品）、云烟（紫）、云烟（软紫）、玉溪（庄园）、玉溪（境界）、玉溪（软）、红塔山（经典100）、红塔山（软经典）等10 个云产卷烟典型代表，采用YC/T 497—2014《卷烟中式卷烟风格感官评价方法》对样品香气风格和品质特征进行评价。

2 结果与讨论

2.1 脸谱法用于中式卷烟香气风格的可视化表达

根据中式卷烟代表性样品香气风格和品质特征感官评价结果数据，采用脸谱识别方法，可得到相应的多维标度香气风格脸谱图（图2）。

图2 中式卷烟典型卷烟样品香气风格脸谱多维标度图Fig.2 Multidimensional scaling Chernoff Faces of flavor styles of typical Chinese-style cigarette

从图2 中可以看出，中南海（蓝色风尚）的脸谱明显小于其他规格、且嘴巴垂直位置靠上，对照脸部特征映射表，可以看出其烤烟烟香明显弱于其他规格、但晾晒烟烟香强于其他规格，使得其在多维标度图中距离其他样品较远，从脸谱图直接可以看出中南海（蓝色风尚）与其他规格卷烟香气风格差异极其明显。为了更好地描述其他卷烟样品的香气风格，剔除中南海（蓝色风尚），对其他样品重新绘制了香气风格脸谱多维标度图，见图3。

由图3 可知，黄山（新制皖烟）距离其他卷烟规格较远，其脸谱图的上半脸椭圆离心率较大、眼睛的高度较高，表明甜香、烘焙香突出；双喜（盛世）的脸谱图中两眼之间的宽度较大、下半脸椭圆离心率大，表明辛香、果香突出；苏烟（软金沙）和黄金叶（软大金圆）的脸谱图中眼睛的宽度较大、眉毛突出，表明青滋香突出；白沙（和天下）和芙蓉王（硬）的脸谱图较为接近，在脸谱图中表现出脸大、上半脸椭圆离心率较大，表明其烤烟烟香、甜香较为明显；中华（软）的脸谱图中上下半脸相对长度较长、下半脸和上半脸椭圆离心率较大、两眼之间的宽度较大，表明清香、甜香、果香、辛香较为明显。

2.2 脸谱法用于中式卷烟品质特征的可视化表达

根据感官评价数据，采用卷烟脸谱识别方法，可得到相应的品质特征脸谱多维标度图（图4）。

由图4 可知，中华（软）和白沙（和天下）的品质特征与其他规格有着明显的区别，脸谱图表现为脸大、下半脸椭圆离心率较大、眼至脸中心的垂直距离较大、眼睛高度较高、上半脸椭圆离心率较大、上下半脸相对长度较长，表明其香气量、丰富性好，烟气细腻、柔和、圆润，刺激性、干燥感等舒适性指标表现较好。

2.3 脸谱法用于云产卷烟香气风格的可视化表达

根据云产卷烟代表性样品香气风格感官评价结果数据，采用卷烟脸谱识别方法，可得到相应的香气风格脸谱图（图5）。

图3 除去中南海（蓝色风尚）后其他卷烟样品香气风格脸谱多维标度图Fig.3 Multidimensional scaling Chernoff Faces of flavor styles of typical Chinese-style cigarette brands excluding Zhongnanhai (Blue Fashion)

图4 中式卷烟典型卷烟样品品质特征脸谱多维标度图Fig.4 Multidimensional scaling Chernoff Faces of quality characters of typical Chinese-style cigarette brands

由图5 可知，玉溪、红塔山品牌的卷烟产品在多维标度图中位于坐标图的上方，云烟品牌的卷烟产品位于坐标图的下方，说明云烟品牌和玉溪、红塔山品牌的香气风格有一定差别。云烟品牌上半脸的离心率总体要大一些，说明甜香更明显；玉溪、红塔山品牌，上下半脸的相对长度相对于云烟品牌要长一些，说明清香更明显一些。从眼至脸中心的垂直距离来看，云烟（软大重九）、云烟（印象）、云烟（软珍品）能够感受到花香香韵。

2.4 脸谱法用于云产卷烟品质特征的可视化表达

根据云产卷烟代表性样品品质特征感官评价结果数据，采用卷烟脸谱识别方法，可得到相应的品质特征脸谱多维标度图（图6）。

由图6 可知，云烟（软大重九）、云烟（印象）、玉溪（境界）和玉溪（庄园）的脸谱存在着脸较大、上下半脸椭圆离心率较大、两眼之间的宽度较大、眼睛至脸中心的垂直距离较大等方面的共同特点，说明这几个产品香气较为丰富、喉部刺激和干燥偏小，丰富性较好，其品质特征总体较优。

图5 云产卷烟代表产品香气风格脸谱多维标度图Fig.5 Multidimensional scaling Chernoff Faces of flavor styles of representative cigarette brands from Yunnan

图6 云烟品牌代表性卷烟产品品质特征脸谱多维标度图Fig.6 Multidimensional scaling Chernoff Faces of quality characters of representative cigarette brands from Yunnan

3 结论

利用脸谱图中的17 个面部特征分别对应中式卷烟风格感官评价方法中的风格特征指标和品质特征指标，将部分卷烟的感官评价数据进行分析，得到了不同卷烟的脸谱图，并在多维标度图中进行表达。脸谱的面部特征可以形象、直观、准确地将卷烟感官评价数据进行可视化表达与展示，脸谱在多维标度图中所处的相对位置代表了不同卷烟风格特征差异的大小。观察脸谱图面部特征，可以直观对比不同卷烟在风格特征和品质特征指标方面的差异，识别出某一卷烟的典型特征。在产品研发维护过程中，可以通过识别脸谱图以掌握不同卷烟在风格和品质特征方面的优点，也可以利用脸谱图对比各阶段产品与设定研发目标在各项风格特征指标上的差异，有利于提升产品研发和维护的效率及便捷性。