專利名稱：用于寶石的評定、估價、分級的改進裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于寶石(包括無機寶石和有機寶石)及礦石(例如貓眼石、珍珠、鉆石以及礦物標(biāo)本)評定、估價和分級的裝置和方法。特別地，本發(fā)明涉及一種用于這些寶石和礦石的、包括硬件和軟件的數(shù)字分析器。盡管下文對本發(fā)明的背景技術(shù)和優(yōu)選實施方式是參考貓眼石及其他有色寶石的評定、估價和分級來進行介紹的，但是顯然對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說所描述的本發(fā)明不限于此，而是涵蓋所有寶石和礦石的更寬泛的范圍。為了便于理解，說明書中，術(shù)語"寶石"將用來表示落入本發(fā)明保護范圍內(nèi)的所有寶石和礦石。本發(fā)明還涉及用于評定、估價和分級某些同時具有多面和/或凸圓形面的寶石 (例如貓眼石、鉆石、藍寶石、紅寶石、翡翠、綠柱石和翠綠寶石)的裝置和方法。方便起見， 在說明書中這類寶石將被稱作"有色寶石"。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的貓眼石評定和估價是非常主觀的，因為其是基于人的綜合觀測因素而得出的，例如為貓眼石移動時的色彩閃爍、整體色調(diào)、顏色、亮度和形狀打分。澳大利亞貢獻了全世界95%的貓眼石，這個事實既是個福音也是個困擾。海外買家往往沒有受過評定貓眼石價值的訓(xùn)練(導(dǎo)致難以在買方和賣方之間進行談判)，他們也不能用足夠簡潔、客觀的術(shù)語來給賣方描述所需要的特殊類型的貓眼石，來讓其提供的合適的貓眼石。目前的貓眼石評定和估價的本質(zhì)給貓眼石礦主和買家之間的談判帶來困難并使交易被嚴(yán)重扭曲。在給貓眼石的價值評定等級時存在許多關(guān)鍵特性，例如·閃爍的顏色(色彩)和面積·亮度·主體色調(diào)·樣式 形狀 其他特征對于貓眼石整體寶石價值的相對重要性來說，顏色結(jié)合主體色調(diào)占40%比重，隨后是亮度和樣式，大約各占30%，其余特征比重不大。對于通過人來觀察進行客觀評價，顏色似乎是最困難的，然后是亮度，亮度更易于人工評定和量化，樣式也類似，有觀種主要類型。顏色對于人為觀察者來說難以評定主要是由于以下原因(1)各種顏色隨觀察角度不同(即俯仰、滾轉(zhuǎn)和橫擺)而變化。所有方向都要結(jié)合在顏色判斷中去考慮，由于人的感知和主觀記憶的局限性以及視覺的變化性導(dǎo)致這很困難。(2)離開現(xiàn)場就難以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)色卡來精確確定明暗，因為觀察條件非常易變。使這個問題更為復(fù)雜的是，貓眼石及其他寶石的合成或人工復(fù)制品技術(shù)越來越高，在某些情況下(例如，鉆石)，非常難于檢測是天然寶石還是合成的。檢驗寶石的真實性是另外一個問題，其可以通過采用客觀的自動化分析方法來解決。美國專利US6239867(下文被稱作該專利)公開了一種方法，提供了為鉆石評定等級的客觀的自動分析方法和圖像獲取裝置。盡管該專利還聲稱可以使用該方法和裝置來給貓眼石及其他寶石評定等級，但是該方法實際上不適于用在貓眼石和其他寶石上，甚至是鉆石。該專利公開的方法和圖像獲取裝置不允許寶石在圖像獲取期間進行俯仰、滾轉(zhuǎn)和橫移運動，以顯示該寶石的"變彩效應(yīng)"，而寶石平臺也是不可傾斜的。該專利也沒有公開在給寶石各特性評定等級前，對寶石的全部小面分別進行顏色、亮度、主體色調(diào)及其他特征的評定，而其中許多對于貓眼石尤為重要。相反，該專利公開了一種給鉆石一小塊區(qū)域取樣的方法，通過將一架相機按照可控弧度移動并將總照明數(shù)據(jù)平均到該區(qū)域來進行該鉆石的顏色評定。這樣有限的取樣不適合于貓眼石，因為取樣不會顯示貓眼石所有部分的"變彩效應(yīng)"、主體色調(diào)和亮度。特別地，該專利聲稱寶石色澤分析是通過獲得腰棱和頂面翻光面所定出的圖像像素區(qū)的彩色圖像的平均紅色、綠色和藍色值來進行的，并且對小區(qū)域的顏色取樣可以獲得可估測的精確的顏色讀數(shù)。這種工藝不適合于貓眼石評定，因為貓眼石的全部外觀都需要顏色評定。此外，該專利公開的圖像獲取裝置濾掉了在寶石和照相機之間的光線，并認為這對于顏色的分析是至關(guān)重要的。該裝置還或者在寶石與其所放置的玻璃板之間使用高粘性浸油，或者浸沒寶石，以去除反光并幫助光線透射過寶石，從而用來檢測裂紋或雜色。該專利公開的圖像獲取裝置和方法的這些特征并不適用于貓眼石，也很難適合于其他的寶石。 寶石的亮麗顏色完全依賴于其與光線的作用。寶石評定所取決的因素包括顏色、色型變化、 透明度、光澤和亮度、色散和“火花”。有色寶石被劃分成根據(jù)其原子結(jié)構(gòu)、表達該原子結(jié)構(gòu)的幾何形狀、和該結(jié)構(gòu)與物理性能之間的關(guān)系來確定的晶系。各晶系具有確定的光性特征?？梢允莀·單折射_(各向同性)其中折射光線以恒定新速率在單個新方向上行進 雙折射_(非均質(zhì)的)其中入射光線被折射并且分成以不同路徑和不同速率行進的兩道光線，該介質(zhì)具有多于一個的折射率·單軸雙折射-其中該介質(zhì)具有一個方向即光軸，兩分散光線平行于該方向時顯示的是均質(zhì)的· 二軸雙折射-其中該介質(zhì)具有兩個方向，當(dāng)兩分散光線平行于該方向時顯示是均質(zhì)的下表識別出了不同晶系的各寶石形式晶系示例光學(xué)特性立方體鉆石，石榴石，尖晶石各向同性四方晶系4告石，方柱石各向異性；單軸六方晶系翡翠，磷灰石三角晶系藍寶石，紅寶石，壁皇斜方晶系黃玉，貴橄欖石各向異性；雙軸單晶系紫鋰輝石，月長石三斜晶系曰長石有色寶石進一步地通過其化學(xué)成分和微量元素進行定義，這二者會影響所形成的顏色和包括反射和折射的光學(xué)行為，并且有色寶石還通過各種公知儀器來識別其光學(xué)性質(zhì)、比重、硬度、雜質(zhì)和顏色。這些儀器包括· 10倍手持放大鏡-用來進行寶石的常規(guī)觀測·折射計-測量穿過該寶石光線的折射率· 二色鏡-顯示雙折射寶石所存在的兩種顏色 偏光儀-確定該寶石的光學(xué)特性-雙折射或單折射的，并幫助得到該寶石的各晶軸·顯微鏡-通過連續(xù)放大分析內(nèi)部特征·比重-在水中的位移測定·查爾斯濾色鏡-允許690納米左右的暗紅波長和570納米左右的黃綠波長的傳輸，其符合翡翠的發(fā)光和吸收特性，被推薦為幫助鑒別天然翡翠和仿品例如綠玻璃、碧璽和貴橄欖石。·分光鏡-測量光譜的發(fā)射和干涉波長·紫外線燈箱-測量寶石對紫外線燈熒光和磷光的反應(yīng)。有色寶石是基于對光的折射和反射質(zhì)量來進行評定的，即顏色的飽和度和亮度， 所呈現(xiàn)的雜色，切割品質(zhì)和克拉重量；鉆石工業(yè)規(guī)定的"四C" 一顏色、切割、透明度和克拉重量(Colour，cut，clarity和carat weight)。有色寶石具有各種形狀的小面一圓形、 矩形、正方形、梨形、心形、三角形是較為普遍的(事實上現(xiàn)在任何形狀都可以通過激光切割具體形成)，可以切割打磨成凸圓形一卵形或圓形、珠?；驖L磨、雕琢及自由形成的形狀。幾乎任何顏色都能在寶石以及獲得寶石的原始未切割礦石中發(fā)現(xiàn)。一些種類顯示較寬范圍的顏色，而其他則是不變的顏色。寶石是通過對光線的選擇吸收來顯示出顏色的——即光波與電子和/或內(nèi)在顏色之間的交互作用。對于自色(本色)礦石，其顏色是一基本性質(zhì)，恒定不變且體現(xiàn)礦物特性， 該顏色由該礦石的主要化學(xué)成分決定。當(dāng)基本化學(xué)組分中存在痕量雜質(zhì)而產(chǎn)生顏色，則該礦石被稱作他色(其他的顏色)。多色性或二色性是指該礦石在平面偏振光下旋轉(zhuǎn)時明顯的顏色變化。礦石二色性或多色性的根本原因是由于對特定波長的光的吸收。對某些波長的光選擇性吸收使得透射的光顯示出顏色。這種顏色是該礦石特定的化學(xué)和晶體性質(zhì)及厚度的函數(shù)。如果該特定波長的光的吸收根據(jù)光程而不同，顯然就會有多色性現(xiàn)象。當(dāng)偏光器選擇該礦石發(fā)出的光時， 這可以在平面偏振光下觀察到。這種顏色取決于能夠看到什么光程。多色性的顏色被觀察并記錄在礦石資料中，通常用作特殊礦石的鑒別。有色寶石顯示各種程度的透明度，可以是·透明的——通過該寶石看過去的物體可清晰地顯示外形·半透明的——可部分透光，但不能穿過該寶石看到物體·不透明的——沒有光透過光澤是寶石雕琢打磨的一基本本質(zhì)特征。光澤賦予了壽命和亮度，與美感息息相關(guān)。光澤是純粹的外表面效果，取決于從該寶石表面反射光線的數(shù)量和質(zhì)量。該各種型式的光澤在下面表格中進行了描述
光澤描述示例金剛光澤堅硬且明亮鉆石破璃質(zhì)像碎破璃翡翠，紅寶石樹脂狀像樹脂一樣琥珀，貓眼石，某些榴石蠟狀仿佛覆蓋有一薄層油。能通過顯孩史的粗糙表面引起光的散射綠松石珠光平行鱗片重疊月長石絲光精細的纖維構(gòu)造石膏金屬質(zhì)金屬式的明亮外觀黃金，黃鐵礦光彩是從有色寶石表面下的反光形成的。其是由寶石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，有幾種
不同類型，如下表所示光彩描述示例虹色通常在寶石裂縫和瑕疵處觀察到的虹彩效應(yīng)石英，方解石，暈色瑪瑙拉長石，東方珍珠變色現(xiàn)象在交錯層的衍射閃光石，拉長石冰長石暈彩不同長石交錯層引起的寶石銀光光彩月長石蛋白光寶石中小顆粒的光的散射，乳狀的半透明效果普通貓眼石/貓眼石破璃變彩效應(yīng)用于描述在貴蛋白石中看到的顏色貓眼石游彩凸圓形琢石上所包含物質(zhì)的平行纖維、管或針晶所產(chǎn)生的反射石英，虎睛石，金綠寶石星彩與特定晶向?qū)R的平行纖維雜質(zhì)帶來的移動星效果紅寶石，藍寶石貴榴石，石榴石金綠寶石，透輝石砂金石閃光從片狀雜質(zhì)的鏡面反射或閃光反射星彩石英，太陽長石干擾光在有色寶石中的傳遞的雜質(zhì)會降低寶石的價值，而其他雜質(zhì)則證明了其真實性，且其他雜質(zhì)則會產(chǎn)生有益效果，例如在星彩藍寶石和紅寶石中存在的層狀金紅石針晶會帶來令人喜愛的星星效果，以顯現(xiàn)凸圓形切割剛玉(藍寶石和和紅寶石)或金綠寶石貓眼的變形。傳統(tǒng)上，在寶石實驗室中色度分級是通過人眼來進行的。例如，當(dāng)給鉆石進行色度分級時，一名寶石鑒定師會排列比色石(D至Z的顏色特性)來比較鉆石的顏色。該比色石和鉆石被放置在亞光白色臺面上。比色石按照先亮(最高級顏色)后逐漸變暗的順序排列。 然后與該比色石逐一比較鉆石的顏色，直到分級師判定其顏色為相同。當(dāng)通過人觀察者來給鉆石分級時會存在幾個問題每雙眼睛都有不同的"色覺缺陷"。這指的是每位分級師對于某種顏色都會有缺陷。此外，顏色和照明度也會影響眼睛的感知力。這導(dǎo)致在大鉆石(幾克拉)和小鉆石(幾十分)的色度分級中存在偏差，因為大部分的比色鉆石大小都在一克拉左右。最后，大的實驗室會采用兩種不同的比色石，顏色上不可避免會略有不同。因而，同一間實驗室內(nèi)的或者其分部之間的色度分級也可能會不同。曾進行過許多對寶石色度分級的報告系統(tǒng)進行標(biāo)準(zhǔn)化的嘗試。美國的寶石學(xué)會 (GIA)就提供了一種杰出的系統(tǒng)。它的報告提供了有關(guān)寶石的尺寸、克拉重量、形狀和切割的詳細信息。GIA報告還包括所進行的任何處理和美化的信息，當(dāng)然還有該寶石是天然的還是合成的。GIA報告使用標(biāo)準(zhǔn)化的"有色寶石分級系統(tǒng)"圖來示出寶石的色彩、色調(diào)、和色飽和度。寶石色度分級被分成三個量化范疇強度(飽和度)、色彩(顏色)和色調(diào)(明/ 暗)。GIA根據(jù)該寶石色圖細化并標(biāo)識出達三十一種寶石色彩。該“色彩”是材質(zhì)的實際"顏色"(藍色、綠色、紅色等等)。GIA還根據(jù)寶石色飽和度圖表來命名劃分了六種程度的飽和度，從“淺灰色”(中性灰)到“中等程度”到“鮮艷”。術(shù)語“亮度”也被用來描述寶石的色飽和度。為了描述有色寶石的明或暗，GIA系統(tǒng)根據(jù)寶石色調(diào)圖表具有九種程度的色調(diào)范圍，從“非常非常亮”到“非常非常暗”。在分級報告種給各級標(biāo)簽分配一個數(shù)值。除色彩外，這些參數(shù)中的每一個單獨來說都是相對無意義的，它們必須一起使用才能有意義地表示一個寶石的顏色品質(zhì)。這三個參數(shù)合起來提供了能夠快速準(zhǔn)確地量化寶石顏色的簡單數(shù)字代碼。美國寶石貿(mào)易協(xié)會和美國寶石學(xué)實驗室也可出具報告。然而，所有的這些報告系統(tǒng)使用的是不同的色度分級標(biāo)準(zhǔn)，因此同時考慮時會產(chǎn)生混亂。亮度與顏色品質(zhì)一同作為寶石分級的一個依據(jù)，亮度是寶石返回到眼中的閃光數(shù)量。大部分的鉆石都是100%明亮的。50%的平均亮度表示寶石返回一半的閃光。在瑞士盧塞恩市的Gubelin寶石實驗室是歐洲的先進實驗室之一，可檢驗有色寶石、奇色鉆石、無色鉆石和珍珠。他們還可以檢驗帶有任何優(yōu)化處理標(biāo)記(HTHP)的鉆石。檢驗有色寶石來獲取透明度、顏色、琢形、和優(yōu)化處理的常規(guī)參數(shù)以及產(chǎn)地。檢驗鉆石是為了獲取透明度、顏色、熒光、琢形和對稱性。通常，有色寶石的等級標(biāo)準(zhǔn)按照重要性逐級降低的順序可概括為包括如下內(nèi)容顏色·色彩·色飽和度·亮度塚形·形狀·比例·對稱性純度·雜質(zhì)分布·關(guān)于寶石種類的校驗類型·寶石的透明程度克拉重量·根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)閃光·小面的表面反射/折射-寶石移動時的"閃爍"效果亮度
·在寶石內(nèi)部反射后返回的光，由此具有經(jīng)過寶石有色材料濾光而產(chǎn)生的顏色光澤·寶石表面特征一類似于拋光精度；高光澤產(chǎn)生銳利邊緣的表面反射，而低光澤產(chǎn)生暗的或模糊邊緣表面反射色散·由白光分解成其光譜成分而引起-鉆石比其他有色寶石更具有此特性，有色寶石顯示低色散性光彩·由于寶石內(nèi)部特征而引起的"變彩效應(yīng)"

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服或?qū)嵸|(zhì)上改善現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷和問題，或至少提供一種有用的替代方式。本發(fā)明的又一目的是提供一種以客觀、相容且自動化的方式來進行寶石評定、估價和分級的裝置和方法，以允許標(biāo)準(zhǔn)化貓眼石及其他寶石的質(zhì)量分析和評級，從而增加賣方以及買方交易的信心，為其準(zhǔn)備為寶石接受或支付的價格增加可靠性。在本文中結(jié)合國際專利申請PCT/AU2008/000459中所公開的內(nèi)容作為參考。其所公開的裝置和方法也可用于實現(xiàn)本發(fā)明的目的，這對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。這也同時適用于硬件和軟件，具體為顏色校準(zhǔn)和圖像分隔及直方圖分析。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于寶石評定、估價和分級的裝置，包括支撐寶石的臺面，該臺面裝入在一不透光的殼體中，至少一個光源放置在該殼體中并用于在寶石上投射入射光，將該臺面旋轉(zhuǎn)和傾斜的裝置以改變寶石與入射光之間的方向，一數(shù)字照相機位于殼體中靠近該光源或各光源處，用以獲取基于入射光的反射和/或折射的寶石圖像，和用來校準(zhǔn)和分析圖像的信息處理裝置，其中該信息處理裝置可用指令集進行編程，以評定顏色、琢形、透明度、閃光、亮度光澤、色散和光彩中的一個或多個，其中通過將寶石嚙合在底面的固定裝置來在臺面上支撐寶石。優(yōu)選地該臺面可旋轉(zhuǎn)約360度，傾斜約90度，可以是測角儀的一部分重要的是該照相機和/或各光源被放置得盡可能靠近，以模仿人為貓眼石評級， 其中該光源或各光源盡可能與照相機軸線接近一致。優(yōu)選地，寶石的顏色評定具有一組指令集用來顏色校準(zhǔn)圖像，然后通過圖像分割和直方圖測量來分析該顏色校準(zhǔn)圖像。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的寶石評定、估價和分級裝置的立體側(cè)視圖。圖2是圖1裝置的照相機和照明配置視圖。圖3是圖1裝置的臺面旋轉(zhuǎn)和傾斜裝置的視圖。圖4圖1裝置除去殼體以顯示內(nèi)部特征的視圖。圖5是圖1中的門打開時該裝置的立體圖。圖6是圖3所示臺面裝置處于傾斜位置時的視圖。
圖7示出了使用圖1至6裝置(包括軟件)得出的、表示寶石獨特性質(zhì)的3D立方體結(jié)構(gòu)排列。圖8示出了使用圖1至6裝置(包括軟件)得出的寶石顏色的3D圖示。圖9是使用圖1至6裝置(包括軟件)得出的、匯總寶石的寶石學(xué)特征的二維直方圖。
具體實施例方式關(guān)于圖1所示的裝置10，貓眼石可放置在臺面11或測角儀12的平臺上，臺面 11可以通過該測角儀的運動而傾斜和旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。對于臺面11，貓眼石可以具有 5X5X2cm的最大尺寸。在本說明書中，傾斜角和旋轉(zhuǎn)角分別由符號φ和θ來表示。當(dāng)校準(zhǔn)電子數(shù)字照相機16和一個或多個校準(zhǔn)人工光源14(參見圖2、位于正上方時，臺面的水平位置對應(yīng)于φ = 90度的讀數(shù)。從該水平位置將臺面11向遠離該一個或多個光源14的方向傾斜，則使讀數(shù)從φ = 90度減小到0度。該裝置包括一不透光的殼體15，照相機16、光源14和測角儀12在殼體內(nèi)的相對位置如圖4所示。旋轉(zhuǎn)安裝的光源14的位置在照相機16旁邊，從而使其距臺面的距離相等，且光源14盡可能與照相機軸線接近一致(即高于肩部)。這是為了復(fù)制人工分級貓眼石時的照明條件。殼體15具有入孔門18以將貓眼石放置在臺面11的中央。該門18具有電磁鎖 19，使得其只能在安全時打開，例如當(dāng)臺面11停止任何運動時。當(dāng)打開時，臺面11不能運動。在殼體15上側(cè)和下側(cè)設(shè)置有不透光的、帶有冷卻扇的排氣孔20，用以對流冷卻該裝置。光源14與照相機16的相對側(cè)是冷卻風(fēng)扇排氣孔20a和排氣孔格柵20b。電動機控制單元21位于殼體15內(nèi)部，通過壁22來與照相機16、光源14和測角儀 12分隔開。該單元具有on/off開關(guān)M和指示燈，且包括伺服電機驅(qū)動卡、燈的觸點、安全電路和與計算機(未顯示)相連的主隔離器，在該計算機上將通過軟件來控制圖像校準(zhǔn)和圖像分析。由該電動機控制單元21驅(qū)動的軸齒輪組件23與一位開關(guān)組件一起共同控制測角儀12及其臺面11的旋轉(zhuǎn)和傾斜。在壁22上安裝有一復(fù)位感應(yīng)傳感器或開關(guān)40，在該電動機控制單元21的曲柄臂上安裝有一復(fù)位金屬栓42。該限位開關(guān)組件被定位成能安全控制或預(yù)先設(shè)定該臺面11的移動范圍界限。為了量化貓眼石的色彩特性，閃光或"變彩效應(yīng)"與主體色調(diào)這兩個特征是非常關(guān)鍵的。照相機16與臺面運動自動同步來獲取多角度的一系列圖像，以量化全視角范圍內(nèi)的閃光。可以有幾種圖像獲取的幾何結(jié)構(gòu)，例如傾斜該托住貓眼石的旋轉(zhuǎn)臺面11而同時保持照相機和光源固定，或者移動照相機和光源而同時保持旋轉(zhuǎn)臺面的傾角不變，或者二
者綜合。最初將照相機16設(shè)置在帶有該貓眼石的旋轉(zhuǎn)臺面11的正上方，其中該臺面定位成傾角90°。設(shè)置背景光，拍攝圖像以判斷該貓眼石是否為半透明的(即晶體)以及確定包含該貓眼石的圖像中的感興趣區(qū)(ROI)。
設(shè)置向前光線，從0°旋轉(zhuǎn)到360°以10°間隔拍攝36幅圖像，但是對于某些貓眼石5°間隔是更佳適合的。將臺面以10°梯級傾斜，重復(fù)拍攝該系列圖像，直到獲得該貓眼石的側(cè)視圖。一些貓眼石可能更適于采用5°間隔的傾角。盡管未示出，也可以是照相機 16而不是臺面11傾斜。通過柔性硅基吸盤17利用加在貓眼石下方的吸力來將貓眼石緊緊地保持在臺面 11上。通過用半透明材料制造該吸盤以及吸盤與真空泵之間的管件，該系統(tǒng)無論是前向還是背向視圖中都沒有遮擋該貓眼石。它可以足夠穩(wěn)固地保持住貓眼石，從而即使臺面11從 90° (頂視圖)到0° (側(cè)視圖)傾斜都不會使貓眼石掉落。這意味著該裝置的用戶或者開發(fā)者能選擇讓臺面傾斜而不是照相機傾斜。移動臺面比移動照相機影響面積小。用軟件來分析這些圖像以導(dǎo)出閃光和主體色調(diào)特征的摘要信息，并以易于理解的方式顯示測量結(jié)果。軟件控制分析的說明將在本說明書后面進行介紹。顯然本文描述的裝置和方法可以很容易地應(yīng)用于所有有色寶石的評定、估價和分級(包括鉆石、藍寶石、紅寶石和翡翠)。使用照相機16 OlImaging制造的MicroPublisher RTV 5. 0)來拍攝彩色圖像。該照相機具有IObit的動態(tài)范圍，相當(dāng)于每紅綠藍(RGB)通道具有IOM像素強度級(相當(dāng)于該照相機能區(qū)別大致總達十億種的顏色)。像素數(shù)為2560x1920。照相機所帶鏡頭為Randd 電子微透鏡。焦距為25毫米，光圈設(shè)為f/8。可以使用白熾燈泡作為光源14。白熾燈泡的灼熱絲產(chǎn)生廣譜光。因此，按照光譜的寬度，它比其他光源更接近自然光，例如光譜分布具有窄尖峰的日光燈或發(fā)光二極管 (LED)。以“發(fā)散”方式或傾斜方式應(yīng)用光源以便去除反射也是具有應(yīng)用潛力的。從貓眼石的位置看去，燈泡是直接光源，覆蓋角度大約為9. Γ。直接照明的一個缺點是從貓眼石表面有鏡面反射，也被稱為反光(glint)，其能把燈泡的強光直接反射給相機。對于發(fā)生反射的表面位置，相機傳感器過飽和而無法獲得該貓眼石的顏色和亮度信息。 因此，需要在圖像中檢出反光區(qū)域并排除以進行進一步地分析，本說明書后面會進行介紹?！N用于解釋閃光產(chǎn)生的簡單模式是假定將貓眼石內(nèi)的小平面作為小的有色鏡面。因此當(dāng)貓眼石上光線入射角與觀察角度相同時，觀察者(或照相機)就能觀察到閃光。 對于給定光源，因此閃光的觀測面積取決于光源覆蓋的立體角。該立體角越小(即光源指向性越強)，閃光的面積越小。對于較大面積光源，覆蓋了較大立體角，則會在貓眼石的較大面積上觀測到閃光。注意到閃光面積已成為評定貓眼石質(zhì)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)，那么光源的指向性應(yīng)被標(biāo)準(zhǔn)化。為了圖像獲取，各貓眼石被放置在測角儀12的臺面11中央的吸盤17上并通過吸力固定，以防止其在大傾角時從臺面滑落。對于所有貓眼石，傾角φ以10°為步長在90°范圍內(nèi)變化。該旋轉(zhuǎn)角θ也以10°為步長從0°到360°范圍內(nèi)變化。光源14的控制開關(guān)被
用來測量“變彩效應(yīng)”。正如說明書后面將要詳細介紹的，兩個不同曝光時間拍攝的圖像被合成具有延長動態(tài)范圍的一幅圖像。為此，以32毫秒的長曝光時間拍攝的圖像作為基礎(chǔ)。完全飽和的像素被替換為2ms拍攝圖像的像素。相機16獲得的擴展范圍圖像不適于計算貓眼石的顏色和亮度值。首先，光線的非均勻性需要被校正。其次，由于每個光源和相機都具有略微不同的特征，因此與設(shè)備相關(guān)的RGB圖像需要被校準(zhǔn)成與設(shè)備無關(guān)的顏色測量。這種顏色測量需要適于用可以理解的措辭來描述閃光和主體色調(diào)的顏色特性。對于所有類型的有色寶石，必須在分析其內(nèi)容之前對全部圖像進行顏色校準(zhǔn)。還必須把每張圖像含有該有色寶石的部分分割出來。對于所有有色寶石來說這些步驟大致與國際專利申請PCT/AU2008/000459中介紹的貓眼石相同，在此結(jié)合其內(nèi)容作為參考。所有有色寶石具有許多屬性或特征，其可以通過這些步驟來測量。如下所述屬性測量顏色 色彩 色飽和度 亮度與貓眼石不同，貓眼石在不同視角下顯示不同的閃光顏色，而其他的有色寶石通常在所有視角下呈現(xiàn)相同的內(nèi)部顏色。我們稱其為主體顏色，以將其與表面反射產(chǎn)生的顏色區(qū)分開來。大部分的有色寶石不是均勻的一個顏色。它們通常呈現(xiàn)兩種或更多的主體顏色。我們可以使用國際專利申請PCT/AU2008/000459中描述的直方圖重新分級過程來量化這些主體顏色。塚形·形狀·比例 對稱性對于貓眼石，寶石形狀不具有特別價值或意義。因此沒有分析貓眼石切割形狀的自動方法。對于其他的有色寶石，琢形具有相當(dāng)重要的意義，并且趨向于為幾種正式形狀之一，例如長古形、長階梯形、祖母綠形、墜形、梨形、算盤珠形、階梯形、叁重多面形、弧面形和公主方形。因此需要能自動識別琢形等級并測量與等級相關(guān)的具體形狀參數(shù)。為此，我們需要寶石的多視圖 對于底部支撐的寶石，需要寶石的俯視圖一顯示頂面形狀；從寶石片圖中，最佳匹配的橢圓形狀可以顯示出該石是圓形的還是長形的；由此，我們能確定與寶石長軸和短軸對齊的臺面旋轉(zhuǎn)角，·對于支撐頂部的寶石，需要在長軸線和短軸線處臺面旋轉(zhuǎn)角的兩側(cè)向視圖—— 示出外形的側(cè)面輪廓，及長短軸的頂面形狀。在這些視圖中的每一幅中將寶石分割出后，我們需要對琢形分類。對此有多種標(biāo)準(zhǔn)形狀匹配方法可以使用——模板匹配(使用各等級的相關(guān)模板)或者旋轉(zhuǎn)及比例恒定的形狀屬性分類，例如krnicke力矩或者傅立葉描述(使用從各級別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中得出的分類規(guī)則)。識別完琢形分類后，我們需要測量這些琢形的具體形狀參數(shù)。對此有幾種方法。最簡單的方法是為每類琢形按用戶需要設(shè)計參數(shù)測量過程。例如，對于長階梯形琢型，俯視局部圖的最小包圍矩形可以給出腰棱的長度和寬度。找出該局部長軸側(cè)面圖中最寬的點，將該長軸側(cè)面圖分成頂面區(qū)域和底面區(qū)域。這些區(qū)域的長度和寬度可得出該寶石長軸的尺寸和角度。在短軸局部側(cè)面圖中可以進行類似的過程，來給出該長階梯形琢形的其余參數(shù)和特征。其余琢形可以以類似的方式量化。透明度·雜質(zhì)分布·關(guān)于寶石種類的類型校驗·寶石的透明程度寶石的透明度可以用檢驗貓眼石是否是晶體一樣的背光查看方式進行評定。類似地，可以通過與檢驗劣質(zhì)蛋白石不透明紋理晶體相同的方式，通過閾值處理這些圖像來檢測肉眼可見的雜質(zhì)。微觀雜質(zhì)只能用單獨工具進行檢測，該工具與顯微鏡物鏡相同的效果， 能將寶石放大20倍或40倍?？死亓俊じ鶕?jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)這不是能通過視覺評定的特征。閃光·小面的表面反射/折射-寶石移動時的"閃爍"效果對于貓眼石，被稱為反光的表面反射是一種不希望有的現(xiàn)象，檢測的唯一目的是為了在測量主體色調(diào)或者閃光時進行遮擋。對于其他的有色寶石，從多個小平面產(chǎn)生的表面反射形成閃光。這能通過測量在寶石俯視圖的旋轉(zhuǎn)角變化時反光幅度的變化來進行量化。亮度·從寶石返回的光，其已在寶石內(nèi)部反射并由此具有經(jīng)過寶石有色材料濾光而產(chǎn)生的顏色其他有色寶石的亮度類似于貓眼石的閃光。我們能用和量化貓眼石閃光相同的方式來量化亮度。光澤·寶石表面特征一類似于拋光精度；高光澤產(chǎn)生銳利邊緣的表面反射，而低光澤產(chǎn)生暗的或模糊邊緣表面反射該屬性對于珍珠來說最重要。它能通過記錄表面反射或者反光的邊緣銳度進行量化。這種檢測反光的方法也與貓眼石所用的方法一樣。這會在寶石影像區(qū)內(nèi)的反光區(qū)域產(chǎn)生影像。反光影像的擴張和侵蝕兩種形式之間的差異會給包含反光邊緣的區(qū)域產(chǎn)生影像。邊緣濾器例如索貝爾(Sobel)濾波器在反光邊緣影像內(nèi)的振幅會給出邊緣銳度的測量數(shù)值，從而可測量光澤。高的邊緣濾器值(銳的邊緣)表示高光澤，低邊緣濾器值(模糊邊緣)表示低光澤。色散·由白光分解成其光譜成分而引起-鉆石比其他有色寶石更具有此特性，有色寶石顯示低色散性色散指的是寶石的一種光學(xué)性質(zhì)，由此當(dāng)寶石在光下轉(zhuǎn)動時可顯示出光譜顏色的閃爍和細節(jié)。我們看到的色散顏色不是寶石中的真實顏色，而是白光在寶石中所形成的。 當(dāng)光線從傾斜面(像棱柱或者多面體寶石)穿過透明材料時會產(chǎn)生色散。盡管術(shù)語“火花”
14在寶石學(xué)里相當(dāng)于色散，但“火花”經(jīng)常被誤用來表示亮度(返回光總量)或閃光(閃爍)， 因此在本說明書中為了清楚起見使用術(shù)語“色散”。當(dāng)然，白光由從較長(紅)到相對較短(藍和紫)波長的光譜組成。這些波長中的每一個在從空氣穿過密度更大的介質(zhì)例如寶石時會產(chǎn)生不同程度的彎折(紅光彎折程度小，藍光更大)。當(dāng)彎折光波從傾斜面(如小面)穿出時，根據(jù)彎折(或折射)程度，它們可以顯現(xiàn)出不同的光譜顏色。因此，不同種寶石顯示色散的能力大致與其寶石材料本身的和折射率有關(guān)。該性質(zhì)是各種寶石的獨特特征，可被用作識別寶石的方法。色散能用折射計測量， 本發(fā)明的裝置包括這樣的折射計裝置。色散以紅色和紫色折射率之間的差異來進行數(shù)字化表示。光彩或變彩效應(yīng)·變彩效應(yīng)是由于寶石的內(nèi)部特征形成的。其他有色寶石的光彩類似于貓眼石的“變彩效應(yīng)”。我們可以用跟量化貓眼石“變彩效應(yīng)”同樣的方式來量化光彩。當(dāng)觀察角度變化時，如果特定顏色的閃光改變位置，或者閃光的特定區(qū)域改變顏色，就發(fā)生了“變彩效應(yīng)”。不必用閃光直方圖來檢測該效應(yīng)，因為閃光直方圖不考慮閃光的空間位置。為了測量該屬性，我們需要對于一系列旋轉(zhuǎn)角和傾斜角比較不同的(比如說，兩個)光入射角拍攝的圖像。如果我們試圖比較不同臺面傾斜角度的圖像時，會出現(xiàn)寶石的幾何變形。因此，優(yōu)選比較不同臺面旋轉(zhuǎn)角的圖像，或者對于90°臺面傾斜角的不同光線入射角的圖像。不同臺面旋轉(zhuǎn)角下拍攝的圖像必須用軟件旋轉(zhuǎn)復(fù)原，以在它們能被比較之前進行對齊。如果使用不同的光線入射角，則這個步驟不是必需有的。然而，如果用不同的光線入射角，那么各單獨光源必須有其自己的顏色校準(zhǔn)文件?！白儾市?yīng)”測量必須要檢測“變彩效應(yīng)”的出現(xiàn)，即顏色的變化或位置的變化。對此存在過幾種方式。一種簡單的方法是對于一系列旋轉(zhuǎn)角(即每10度)的兩幅互相配準(zhǔn)的視圖問的絕對差取平均值。在一個旋轉(zhuǎn)角下，“差值”分數(shù)被定義為SRGB圖像的紅、綠、藍波帶的兩互相配準(zhǔn)視圖的寶石影像圖(除去反光影像)內(nèi)平均偏差的總和。如果該兩個視圖之間的閃光區(qū)域改變顏色，那么該“差異”分數(shù)可以將其檢測出來。較大的顏色變化會給出高的“差異”分數(shù)，同樣大面積的顏色改變也是如此。如果一特定的閃光區(qū)域移動位置而不是顏色變化，那么該“差異”分數(shù)還是可以檢測出來。該分數(shù)能通過除以最大“變彩效應(yīng)”的標(biāo)記寶石的“差異”分數(shù)而縮小為0到1之間的數(shù)值?；蛘?， 該分數(shù)能放大為0到100，接近0的分數(shù)表示小變彩效應(yīng)，接近100的分數(shù)表示多的變彩效應(yīng)。圖像校準(zhǔn)延長曝光時間貓眼石的亮度覆蓋很寬的動態(tài)范圍，從非常暗的主體色調(diào)到通常更亮幾個數(shù)量級的閃光區(qū)域。這種亮度范圍超過了一臺標(biāo)準(zhǔn)相機拍單張照片時的動態(tài)范圍。為了能拍攝貓眼石的全范圍亮度而不會由于過曝光或曝光不足而損失信息，需要以不同的曝光時間來拍攝兩張圖像。所選擇的相機在O到1023像素范圍內(nèi)各紅(R)、綠(G)和藍⑶通道圖像都具有IObit的動態(tài)范圍。分別在2ms和32ms的曝光時間下拍攝Istot和llmg，并合成為具有延長動態(tài)范圍的圖像Iext，如下面等式1所示。這樣給出了 0到> 10，000的亮度范圍。等式1Iext = Ilong if Ilong >= thrIshort*exposure. scaling if Ilong > = thr其中thr是900，exposure, scaling由標(biāo)準(zhǔn)柯達白卡的平均IlmgAshwt比例給出在圖7中給出一實施例，這里結(jié)合國際專利申請PCT/AU2008/000459，其中在左側(cè)示出llmg，圖像中央水平橫截面表示了閃光的最亮區(qū)域的色飽和度(即1023G&R的剪切)， 在右側(cè)，Ilrft，水平截面示出了除去閃光色飽和度的延長的動態(tài)范圍。光線校正對于單個光源，相機視圖區(qū)域的光線通常是不均勻的。光場中心趨向于更亮。為了校正這種光線非均勻性，要拍攝兩個光場圖像，分別是標(biāo)準(zhǔn)柯達白卡和柯達灰卡的Iwhite 和IgMy?？逻_白卡在整個可見光譜具有90%反射率，柯達灰卡具有18%反射率。假定相機的CXD傳感器是線性的，這些光場圖像可用于修正由Rext、Gext、和Brart通道組成的延長范圍圖像。該光線校正圖象1。 由下面等式2得到。等式2Lmax = max (mean (Rext)，mean (Gext) I mean (Bext))Icor = (Iext-Igrey) *Lmax* (90-18) /90/ (Lwhite-Lgrey) +Lmax*18/90其中Lmax是通道圖像平均的標(biāo)量最大值顏色校準(zhǔn)因為彩色相機的CCD傳感器具有不同的靈敏度，并且因為光源的光譜特性能隨時間變化，因此光線校正圖像ICQr與設(shè)備的硬件配置具體相關(guān)。換句話說，它是依賴于設(shè)備的、顏色的相對度量。將該圖像轉(zhuǎn)換為與設(shè)備無關(guān)的、顏色絕對度量被稱作顏色校準(zhǔn)。設(shè)備相關(guān)的RGB到設(shè)備無關(guān)的XYZ為了將設(shè)備相關(guān)的RGB值轉(zhuǎn)換為CIE(國際照明委員會)定義的設(shè)備無關(guān)的XYZ 值，需要一校準(zhǔn)比對色卡，例如Mimsell或者Macbeth色卡，其具有幾種顏色樣本，標(biāo)有已知設(shè)備無關(guān)的XYZ值。通過拍攝這些色卡的圖像和求出各顏色樣本的平均RGB值，能通過測量的RGB值與提供的XYZ值之間的線性回歸確定出轉(zhuǎn)換矩陣RGB2XYZ。從而使用該矩陣可將Icor圖像中的RGB值轉(zhuǎn)換為Ixyz圖像的XYZ值。設(shè)備無關(guān)的XYZ到伽馬的設(shè)備無關(guān)的sRGB盡管該設(shè)備無關(guān)的CTZ顏色測量是顏色表現(xiàn)的國際性認可標(biāo)準(zhǔn)，但它是線性的 (與人類視覺系統(tǒng)不同)并且不易被非專業(yè)人士理解，所以要將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RGB表示，被稱為sRGB。該標(biāo)準(zhǔn)的D65光源被設(shè)計成與代表家庭和辦公室視覺環(huán)境的中午日光相符合。 非線性的轉(zhuǎn)換函數(shù)(伽馬曲線)較接近人類視覺系統(tǒng)。如果使用經(jīng)sRGB校準(zhǔn)的監(jiān)視器來觀看貓眼石的sRGB圖像，則它們會基本符合在自然光下觀看的實際貓眼石外觀(D65照明條件)。所以要使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換矩陣XYZ2sRGB將Ixyz圖像轉(zhuǎn)換成sRGB校準(zhǔn)圖像，如下面等式3所示。等式權(quán)利要求
1.一種用于寶石評定、估價和分級的裝置，包括支撐寶石的臺面，該臺面裝入在一不透光的殼體中，至少一個光源放置在該殼體中并用于在寶石上投射入射光，將該臺面旋轉(zhuǎn)和傾斜的裝置以改變寶石與入射光之間的方向，數(shù)字照相機位于殼體中靠近該光源或各光源處，用以獲取基于入射光的反射和/或折射的寶石圖像，和用來校準(zhǔn)和分析圖像的信息處理裝置，其中該信息處理裝置可用指令集進行編程，以評定顏色、琢形、透明度、閃光、亮度光澤、色散和光彩中的一個或多個，其中通過將寶石嚙合在底面的固定裝置來在臺面上支撐寶石。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該固定裝置是吸盤，用來通過寶石下方的吸力來牢牢地保持住寶石。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于通過測角儀，臺面可旋轉(zhuǎn)360度，可傾斜90度。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于寶石的顏色評定具有一組指令集用來顏色校準(zhǔn)圖像，然后通過圖像分割和直方圖測量來分析該顏色校準(zhǔn)圖像。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該信息處理裝置可用另一組指令集變成，以控制相機在0°到360°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)以10°角間隔、以及在90°到0°傾斜范圍內(nèi)以10° 角間隔來拍攝一系列圖像。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該指令集可在個人計算機中用軟件編程。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該寶石是一貓眼石，且該顏色校準(zhǔn)和圖像分析用于評定該貓眼石的閃光和主體色調(diào)特征。
8.一種用信息處理裝置來進行寶石評定、估價和分級的方法，包括如下步驟(a)對數(shù)字照相機拍攝的多幅寶石圖像進行顏色校準(zhǔn)，和(b)通過分割和直方圖測量來分析該顏色校準(zhǔn)圖像。
9.一種用信息處理裝置來進行貓眼石閃光特征評定的方法，包括如下步驟(a)在多個旋轉(zhuǎn)和傾斜的觀察角度下拍攝該貓眼石的一系列數(shù)字圖像，(b)以不同曝光時間拍攝該貓眼石的兩幅數(shù)字圖像，以提供由RGB值構(gòu)成的延長范圍圖像，(c)獲得該貓眼石的雙光場圖像，以校正該延長范圍圖像，進而以設(shè)備相關(guān)的RGB值形式提供光線校正圖像，(d)用存儲的校準(zhǔn)顏色變換矩陣將該光線校正圖像的設(shè)備相關(guān)RGB值轉(zhuǎn)換成設(shè)備無關(guān)的Vil值，(e)用存儲的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換矩陣將該光線校正圖像的設(shè)備無關(guān)XYZ值轉(zhuǎn)換成sRGB值，因此提供一顏色校準(zhǔn)圖像，(f)壓縮該顏色校準(zhǔn)圖像的設(shè)備無關(guān)sRGB值，利用存儲的對照表提供一壓縮顏色校準(zhǔn)圖像，以便顯示該貓眼石的真實顏色，(g)用存儲的轉(zhuǎn)換矩陣將在步驟(e)中獲得的該顏色校準(zhǔn)圖像的設(shè)備無關(guān)sRGB值轉(zhuǎn)換成HSB值，(h)在步驟(g)中獲得的該顏色校準(zhǔn)圖像內(nèi)形成對應(yīng)于貓眼石的影像區(qū)，且在該影像區(qū)排除反光區(qū)域，(i)在該影像區(qū)內(nèi)，將該顏色校準(zhǔn)圖像的HSB值分配給具有色彩、色飽和度、亮度的多柄三維直方圖，其中各柄包含具有該HSB值子范圍的面積，(j)平均所有圖像的三維直方圖，以給出該貓眼石閃光、主體色調(diào)、非貓眼石區(qū)域的 HSB值的總直方圖，(k)從該3D直方圖選擇那些具有高S和B值的柄，以給出所有觀察角度下閃光的平均面積，(1)組合所有S柄以給出色彩和亮度的摘要直方圖，組合所有B柄來給出色彩和色飽和度的摘要直方圖，和(m)在觀察角度的一子集內(nèi)平均步驟(i)的該三維直方圖，重復(fù)步驟(k)和(1)，以給出顯示該角度子集的閃光方向性的摘要定向直方圖。
10. 一種用信息處理裝置來進行貓眼石主體色調(diào)特征評定的方法，包括如下步驟(a)拍攝和校準(zhǔn)在90°傾斜角下兩個或更多旋轉(zhuǎn)角的圖像，其中之一被用作主圖像來比較其他。(b)在包含寶石的該主旋轉(zhuǎn)圖像內(nèi)找出感興趣區(qū)，且在該區(qū)域中去除反光，通過將另一個旋轉(zhuǎn)角圖像同該主圖像對齊，來去除沒有改變旋轉(zhuǎn)的該主圖象的非貓眼石區(qū)域，(c)在該貓眼石影像區(qū)內(nèi)，以該貓眼石的10%暗區(qū)來找出主體色調(diào)區(qū)域，和(d)在這些主體色調(diào)區(qū)域內(nèi)，確定平均sRGB值并將其轉(zhuǎn)換成HSB值，再將這些值分配給柄，各包含該HSB值范圍的一個子集。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于寶石評定、估價和分級的裝置(10)，其具有支撐寶石的臺面(11)。該臺面裝入在一不透光的殼體(15)中。至少一個光源放置(14)位于該殼體中并用于在寶石上投射入射光。同樣還有將該臺面旋轉(zhuǎn)和傾斜的裝置，以改變寶石與入射光之間的方向。一數(shù)字照相機(16)位于殼體中靠近該光源或各光源處，用以獲取基于入射光的反射和/或折射的寶石圖像。該裝置還包括用來校準(zhǔn)和分析圖像的信息處理裝置。該信息處理裝置可用指令集進行編程，以評定顏色、琢形、透明度、閃光、亮度光澤、色散和光彩中的一個或多個。該寶石通過將寶石嚙合在底面的固定裝置(17)支撐在臺面上。
文檔編號G01N21/87GK102216760SQ200980145080
公開日2011年10月12日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者A·N·霍那布魯克, G·A·霍那布魯克, K·E·普瑞姆, L·比肖夫, P·B·薩頓, R·G·伊姆里, R·H·盧密斯, R·拉格斯特姆, S·N·馬芡特, V·希爾森特恩 申請人:歐珀生產(chǎn)商澳大利亞有限公司