专利名称：用于宝石的评定、估价、分级的改进装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于宝石(包括无机宝石和有机宝石)及矿石(例如猫眼石、珍珠、钻石以及矿物标本)评定、估价和分级的装置和方法。特别地，本发明涉及一种用于这些宝石和矿石的、包括硬件和软件的数字分析器。尽管下文对本发明的背景技术和优选实施方式是参考猫眼石及其他有色宝石的评定、估价和分级来进行介绍的，但是显然对于所属领域的技术人员来说所描述的本发明不限于此，而是涵盖所有宝石和矿石的更宽泛的范围。为了便于理解，说明书中，术语"宝石"将用来表示落入本发明保护范围内的所有宝石和矿石。本发明还涉及用于评定、估价和分级某些同时具有多面和/或凸圆形面的宝石 (例如猫眼石、钻石、蓝宝石、红宝石、翡翠、绿柱石和翠绿宝石)的装置和方法。方便起见， 在说明书中这类宝石将被称作"有色宝石"。
背景技术：
当前的猫眼石评定和估价是非常主观的，因为其是基于人的综合观测因素而得出的，例如为猫眼石移动时的色彩闪烁、整体色调、颜色、亮度和形状打分。澳大利亚贡献了全世界95%的猫眼石，这个事实既是个福音也是个困扰。海外买家往往没有受过评定猫眼石价值的训练(导致难以在买方和卖方之间进行谈判)，他们也不能用足够简洁、客观的术语来给卖方描述所需要的特殊类型的猫眼石，来让其提供的合适的猫眼石。目前的猫眼石评定和估价的本质给猫眼石矿主和买家之间的谈判带来困难并使交易被严重扭曲。在给猫眼石的价值评定等级时存在许多关键特性，例如·闪烁的颜色(色彩)和面积·亮度·主体色调·样式 形状 其他特征对于猫眼石整体宝石价值的相对重要性来说，颜色结合主体色调占40%比重，随后是亮度和样式，大约各占30%，其余特征比重不大。对于通过人来观察进行客观评价，颜色似乎是最困难的，然后是亮度，亮度更易于人工评定和量化，样式也类似，有观种主要类型。颜色对于人为观察者来说难以评定主要是由于以下原因(1)各种颜色随观察角度不同(即俯仰、滚转和横摆)而变化。所有方向都要结合在颜色判断中去考虑，由于人的感知和主观记忆的局限性以及视觉的变化性导致这很困难。(2)离开现场就难以根据标准色卡来精确确定明暗，因为观察条件非常易变。使这个问题更为复杂的是，猫眼石及其他宝石的合成或人工复制品技术越来越高，在某些情况下(例如，钻石)，非常难于检测是天然宝石还是合成的。检验宝石的真实性是另外一个问题，其可以通过采用客观的自动化分析方法来解决。美国专利US6239867(下文被称作该专利)公开了一种方法，提供了为钻石评定等级的客观的自动分析方法和图像获取装置。尽管该专利还声称可以使用该方法和装置来给猫眼石及其他宝石评定等级，但是该方法实际上不适于用在猫眼石和其他宝石上，甚至是钻石。该专利公开的方法和图像获取装置不允许宝石在图像获取期间进行俯仰、滚转和横移运动，以显示该宝石的"变彩效应"，而宝石平台也是不可倾斜的。该专利也没有公开在给宝石各特性评定等级前，对宝石的全部小面分别进行颜色、亮度、主体色调及其他特征的评定，而其中许多对于猫眼石尤为重要。相反，该专利公开了一种给钻石一小块区域取样的方法，通过将一架相机按照可控弧度移动并将总照明数据平均到该区域来进行该钻石的颜色评定。这样有限的取样不适合于猫眼石，因为取样不会显示猫眼石所有部分的"变彩效应"、主体色调和亮度。特别地，该专利声称宝石色泽分析是通过获得腰棱和顶面翻光面所定出的图像像素区的彩色图像的平均红色、绿色和蓝色值来进行的，并且对小区域的颜色取样可以获得可估测的精确的颜色读数。这种工艺不适合于猫眼石评定，因为猫眼石的全部外观都需要颜色评定。此外，该专利公开的图像获取装置滤掉了在宝石和照相机之间的光线，并认为这对于颜色的分析是至关重要的。该装置还或者在宝石与其所放置的玻璃板之间使用高粘性浸油，或者浸没宝石，以去除反光并帮助光线透射过宝石，从而用来检测裂纹或杂色。该专利公开的图像获取装置和方法的这些特征并不适用于猫眼石，也很难适合于其他的宝石。 宝石的亮丽颜色完全依赖于其与光线的作用。宝石评定所取决的因素包括颜色、色型变化、 透明度、光泽和亮度、色散和“火花”。有色宝石被划分成根据其原子结构、表达该原子结构的几何形状、和该结构与物理性能之间的关系来确定的晶系。各晶系具有确定的光性特征。可以是_·单折射_(各向同性)其中折射光线以恒定新速率在单个新方向上行进 双折射_(非均质的)其中入射光线被折射并且分成以不同路径和不同速率行进的两道光线，该介质具有多于一个的折射率·单轴双折射-其中该介质具有一个方向即光轴，两分散光线平行于该方向时显示的是均质的· 二轴双折射-其中该介质具有两个方向，当两分散光线平行于该方向时显示是均质的下表识别出了不同晶系的各宝石形式晶系示例光学特性立方体钻石，石榴石，尖晶石各向同性四方晶系4告石，方柱石各向异性；单轴六方晶系翡翠，磷灰石三角晶系蓝宝石，红宝石，壁皇斜方晶系黄玉，贵橄榄石各向异性；双轴单晶系紫锂辉石，月长石三斜晶系曰长石有色宝石进一步地通过其化学成分和微量元素进行定义，这二者会影响所形成的颜色和包括反射和折射的光学行为，并且有色宝石还通过各种公知仪器来识别其光学性质、比重、硬度、杂质和颜色。这些仪器包括· 10倍手持放大镜-用来进行宝石的常规观测·折射计-测量穿过该宝石光线的折射率· 二色镜-显示双折射宝石所存在的两种颜色 偏光仪-确定该宝石的光学特性-双折射或单折射的，并帮助得到该宝石的各晶轴·显微镜-通过连续放大分析内部特征·比重-在水中的位移测定·查尔斯滤色镜-允许690纳米左右的暗红波长和570纳米左右的黄绿波长的传输，其符合翡翠的发光和吸收特性，被推荐为帮助鉴别天然翡翠和仿品例如绿玻璃、碧玺和贵橄榄石。·分光镜-测量光谱的发射和干涉波长·紫外线灯箱-测量宝石对紫外线灯荧光和磷光的反应。有色宝石是基于对光的折射和反射质量来进行评定的，即颜色的饱和度和亮度， 所呈现的杂色，切割品质和克拉重量；钻石工业规定的"四C" 一颜色、切割、透明度和克拉重量(Colour，cut，clarity和carat weight)。有色宝石具有各种形状的小面一圆形、 矩形、正方形、梨形、心形、三角形是较为普遍的(事实上现在任何形状都可以通过激光切割具体形成)，可以切割打磨成凸圆形一卵形或圆形、珠粒或滚磨、雕琢及自由形成的形状。几乎任何颜色都能在宝石以及获得宝石的原始未切割矿石中发现。一些种类显示较宽范围的颜色，而其他则是不变的颜色。宝石是通过对光线的选择吸收来显示出颜色的——即光波与电子和/或内在颜色之间的交互作用。对于自色(本色)矿石，其颜色是一基本性质，恒定不变且体现矿物特性， 该颜色由该矿石的主要化学成分决定。当基本化学组分中存在痕量杂质而产生颜色，则该矿石被称作他色(其他的颜色)。多色性或二色性是指该矿石在平面偏振光下旋转时明显的颜色变化。矿石二色性或多色性的根本原因是由于对特定波长的光的吸收。对某些波长的光选择性吸收使得透射的光显示出颜色。这种颜色是该矿石特定的化学和晶体性质及厚度的函数。如果该特定波长的光的吸收根据光程而不同，显然就会有多色性现象。当偏光器选择该矿石发出的光时， 这可以在平面偏振光下观察到。这种颜色取决于能够看到什么光程。多色性的颜色被观察并记录在矿石资料中，通常用作特殊矿石的鉴别。有色宝石显示各种程度的透明度，可以是·透明的——通过该宝石看过去的物体可清晰地显示外形·半透明的——可部分透光，但不能穿过该宝石看到物体·不透明的——没有光透过光泽是宝石雕琢打磨的一基本本质特征。光泽赋予了寿命和亮度，与美感息息相关。光泽是纯粹的外表面效果，取决于从该宝石表面反射光线的数量和质量。该各种型式的光泽在下面表格中进行了描述
光泽描述示例金刚光泽坚硬且明亮钻石破璃质像碎破璃翡翠，红宝石树脂状像树脂一样琥珀，猫眼石，某些榴石蜡状仿佛覆盖有一薄层油。能通过显孩史的粗糙表面引起光的散射绿松石珠光平行鳞片重叠月长石丝光精细的纤维构造石膏金属质金属式的明亮外观黄金，黄铁矿光彩是从有色宝石表面下的反光形成的。其是由宝石的内部结构产生的，有几种
不同类型，如下表所示光彩描述示例虹色通常在宝石裂缝和瑕疵处观察到的虹彩效应石英，方解石，晕色玛瑙拉长石，东方珍珠变色现象在交错层的衍射闪光石，拉长石冰长石晕彩不同长石交错层引起的宝石银光光彩月长石蛋白光宝石中小颗粒的光的散射，乳状的半透明效果普通猫眼石/猫眼石破璃变彩效应用于描述在贵蛋白石中看到的颜色猫眼石游彩凸圆形琢石上所包含物质的平行纤维、管或针晶所产生的反射石英，虎睛石，金绿宝石星彩与特定晶向对齐的平行纤维杂质带来的移动星效果红宝石，蓝宝石贵榴石，石榴石金绿宝石，透辉石砂金石闪光从片状杂质的镜面反射或闪光反射星彩石英，太阳长石干扰光在有色宝石中的传递的杂质会降低宝石的价值，而其他杂质则证明了其真实性，且其他杂质则会产生有益效果，例如在星彩蓝宝石和红宝石中存在的层状金红石针晶会带来令人喜爱的星星效果，以显现凸圆形切割刚玉(蓝宝石和和红宝石)或金绿宝石猫眼的变形。传统上，在宝石实验室中色度分级是通过人眼来进行的。例如，当给钻石进行色度分级时，一名宝石鉴定师会排列比色石(D至Z的颜色特性)来比较钻石的颜色。该比色石和钻石被放置在亚光白色台面上。比色石按照先亮(最高级颜色)后逐渐变暗的顺序排列。 然后与该比色石逐一比较钻石的颜色，直到分级师判定其颜色为相同。当通过人观察者来给钻石分级时会存在几个问题每双眼睛都有不同的"色觉缺陷"。这指的是每位分级师对于某种颜色都会有缺陷。此外，颜色和照明度也会影响眼睛的感知力。这导致在大钻石(几克拉)和小钻石(几十分)的色度分级中存在偏差，因为大部分的比色钻石大小都在一克拉左右。最后，大的实验室会采用两种不同的比色石，颜色上不可避免会略有不同。因而，同一间实验室内的或者其分部之间的色度分级也可能会不同。曾进行过许多对宝石色度分级的报告系统进行标准化的尝试。美国的宝石学会 (GIA)就提供了一种杰出的系统。它的报告提供了有关宝石的尺寸、克拉重量、形状和切割的详细信息。GIA报告还包括所进行的任何处理和美化的信息，当然还有该宝石是天然的还是合成的。GIA报告使用标准化的"有色宝石分级系统"图来示出宝石的色彩、色调、和色饱和度。宝石色度分级被分成三个量化范畴强度(饱和度)、色彩(颜色)和色调(明/ 暗)。GIA根据该宝石色图细化并标识出达三十一种宝石色彩。该“色彩”是材质的实际"颜色"(蓝色、绿色、红色等等)。GIA还根据宝石色饱和度图表来命名划分了六种程度的饱和度，从“浅灰色”(中性灰)到“中等程度”到“鲜艳”。术语“亮度”也被用来描述宝石的色饱和度。为了描述有色宝石的明或暗，GIA系统根据宝石色调图表具有九种程度的色调范围，从“非常非常亮”到“非常非常暗”。在分级报告种给各级标签分配一个数值。除色彩外，这些参数中的每一个单独来说都是相对无意义的，它们必须一起使用才能有意义地表示一个宝石的颜色品质。这三个参数合起来提供了能够快速准确地量化宝石颜色的简单数字代码。美国宝石贸易协会和美国宝石学实验室也可出具报告。然而，所有的这些报告系统使用的是不同的色度分级标准，因此同时考虑时会产生混乱。亮度与颜色品质一同作为宝石分级的一个依据，亮度是宝石返回到眼中的闪光数量。大部分的钻石都是100%明亮的。50%的平均亮度表示宝石返回一半的闪光。在瑞士卢塞恩市的Gubelin宝石实验室是欧洲的先进实验室之一，可检验有色宝石、奇色钻石、无色钻石和珍珠。他们还可以检验带有任何优化处理标记(HTHP)的钻石。检验有色宝石来获取透明度、颜色、琢形、和优化处理的常规参数以及产地。检验钻石是为了获取透明度、颜色、荧光、琢形和对称性。通常，有色宝石的等级标准按照重要性逐级降低的顺序可概括为包括如下内容颜色·色彩·色饱和度·亮度塚形·形状·比例·对称性纯度·杂质分布·关于宝石种类的校验类型·宝石的透明程度克拉重量·根据行业标准闪光·小面的表面反射/折射-宝石移动时的"闪烁"效果亮度
·在宝石内部反射后返回的光，由此具有经过宝石有色材料滤光而产生的颜色光泽·宝石表面特征一类似于抛光精度；高光泽产生锐利边缘的表面反射，而低光泽产生暗的或模糊边缘表面反射色散·由白光分解成其光谱成分而引起-钻石比其他有色宝石更具有此特性，有色宝石显示低色散性光彩·由于宝石内部特征而引起的"变彩效应"

发明内容
本发明的目的是克服或实质上改善现有技术的上述缺陷和问题，或至少提供一种有用的替代方式。本发明的又一目的是提供一种以客观、相容且自动化的方式来进行宝石评定、估价和分级的装置和方法，以允许标准化猫眼石及其他宝石的质量分析和评级，从而增加卖方以及买方交易的信心，为其准备为宝石接受或支付的价格增加可靠性。在本文中结合国际专利申请PCT/AU2008/000459中所公开的内容作为参考。其所公开的装置和方法也可用于实现本发明的目的，这对于所属领域的技术人员来说是显而易见的。这也同时适用于硬件和软件，具体为颜色校准和图像分隔及直方图分析。根据本发明，提供了一种用于宝石评定、估价和分级的装置，包括支撑宝石的台面，该台面装入在一不透光的壳体中，至少一个光源放置在该壳体中并用于在宝石上投射入射光，将该台面旋转和倾斜的装置以改变宝石与入射光之间的方向，一数字照相机位于壳体中靠近该光源或各光源处，用以获取基于入射光的反射和/或折射的宝石图像，和用来校准和分析图像的信息处理装置，其中该信息处理装置可用指令集进行编程，以评定颜色、琢形、透明度、闪光、亮度光泽、色散和光彩中的一个或多个，其中通过将宝石啮合在底面的固定装置来在台面上支撑宝石。优选地该台面可旋转约360度，倾斜约90度，可以是测角仪的一部分重要的是该照相机和/或各光源被放置得尽可能靠近，以模仿人为猫眼石评级， 其中该光源或各光源尽可能与照相机轴线接近一致。优选地，宝石的颜色评定具有一组指令集用来颜色校准图像，然后通过图像分割和直方图测量来分析该颜色校准图像。


图1是根据本发明第一实施例的宝石评定、估价和分级装置的立体侧视图。图2是图1装置的照相机和照明配置视图。图3是图1装置的台面旋转和倾斜装置的视图。图4图1装置除去壳体以显示内部特征的视图。图5是图1中的门打开时该装置的立体图。图6是图3所示台面装置处于倾斜位置时的视图。
图7示出了使用图1至6装置(包括软件)得出的、表示宝石独特性质的3D立方体结构排列。图8示出了使用图1至6装置(包括软件)得出的宝石颜色的3D图示。图9是使用图1至6装置(包括软件)得出的、汇总宝石的宝石学特征的二维直方图。
具体实施例方式关于图1所示的装置10，猫眼石可放置在台面11或测角仪12的平台上，台面 11可以通过该测角仪的运动而倾斜和旋转，如图6所示。对于台面11，猫眼石可以具有 5X5X2cm的最大尺寸。在本说明书中，倾斜角和旋转角分别由符号φ和θ来表示。当校准电子数字照相机16和一个或多个校准人工光源14(参见图2、位于正上方时，台面的水平位置对应于φ = 90度的读数。从该水平位置将台面11向远离该一个或多个光源14的方向倾斜，则使读数从φ = 90度减小到0度。该装置包括一不透光的壳体15，照相机16、光源14和测角仪12在壳体内的相对位置如图4所示。旋转安装的光源14的位置在照相机16旁边，从而使其距台面的距离相等，且光源14尽可能与照相机轴线接近一致(即高于肩部)。这是为了复制人工分级猫眼石时的照明条件。壳体15具有入孔门18以将猫眼石放置在台面11的中央。该门18具有电磁锁 19，使得其只能在安全时打开，例如当台面11停止任何运动时。当打开时，台面11不能运动。在壳体15上侧和下侧设置有不透光的、带有冷却扇的排气孔20，用以对流冷却该装置。光源14与照相机16的相对侧是冷却风扇排气孔20a和排气孔格栅20b。电动机控制单元21位于壳体15内部，通过壁22来与照相机16、光源14和测角仪 12分隔开。该单元具有on/off开关M和指示灯，且包括伺服电机驱动卡、灯的触点、安全电路和与计算机(未显示)相连的主隔离器，在该计算机上将通过软件来控制图像校准和图像分析。由该电动机控制单元21驱动的轴齿轮组件23与一位开关组件一起共同控制测角仪12及其台面11的旋转和倾斜。在壁22上安装有一复位感应传感器或开关40，在该电动机控制单元21的曲柄臂上安装有一复位金属栓42。该限位开关组件被定位成能安全控制或预先设定该台面11的移动范围界限。为了量化猫眼石的色彩特性，闪光或"变彩效应"与主体色调这两个特征是非常关键的。照相机16与台面运动自动同步来获取多角度的一系列图像，以量化全视角范围内的闪光。可以有几种图像获取的几何结构，例如倾斜该托住猫眼石的旋转台面11而同时保持照相机和光源固定，或者移动照相机和光源而同时保持旋转台面的倾角不变，或者二
者综合。最初将照相机16设置在带有该猫眼石的旋转台面11的正上方，其中该台面定位成倾角90°。设置背景光，拍摄图像以判断该猫眼石是否为半透明的(即晶体)以及确定包含该猫眼石的图像中的感兴趣区(ROI)。
设置向前光线，从0°旋转到360°以10°间隔拍摄36幅图像，但是对于某些猫眼石5°间隔是更佳适合的。将台面以10°梯级倾斜，重复拍摄该系列图像，直到获得该猫眼石的侧视图。一些猫眼石可能更适于采用5°间隔的倾角。尽管未示出，也可以是照相机 16而不是台面11倾斜。通过柔性硅基吸盘17利用加在猫眼石下方的吸力来将猫眼石紧紧地保持在台面 11上。通过用半透明材料制造该吸盘以及吸盘与真空泵之间的管件，该系统无论是前向还是背向视图中都没有遮挡该猫眼石。它可以足够稳固地保持住猫眼石，从而即使台面11从 90° (顶视图)到0° (侧视图)倾斜都不会使猫眼石掉落。这意味着该装置的用户或者开发者能选择让台面倾斜而不是照相机倾斜。移动台面比移动照相机影响面积小。用软件来分析这些图像以导出闪光和主体色调特征的摘要信息，并以易于理解的方式显示测量结果。软件控制分析的说明将在本说明书后面进行介绍。显然本文描述的装置和方法可以很容易地应用于所有有色宝石的评定、估价和分级(包括钻石、蓝宝石、红宝石和翡翠)。使用照相机16 OlImaging制造的MicroPublisher RTV 5. 0)来拍摄彩色图像。该照相机具有IObit的动态范围，相当于每红绿蓝(RGB)通道具有IOM像素强度级(相当于该照相机能区别大致总达十亿种的颜色)。像素数为2560x1920。照相机所带镜头为Randd 电子微透镜。焦距为25毫米，光圈设为f/8。可以使用白炽灯泡作为光源14。白炽灯泡的灼热丝产生广谱光。因此，按照光谱的宽度，它比其他光源更接近自然光，例如光谱分布具有窄尖峰的日光灯或发光二极管 (LED)。以“发散”方式或倾斜方式应用光源以便去除反射也是具有应用潜力的。从猫眼石的位置看去，灯泡是直接光源，覆盖角度大约为9. Γ。直接照明的一个缺点是从猫眼石表面有镜面反射，也被称为反光(glint)，其能把灯泡的强光直接反射给相机。对于发生反射的表面位置，相机传感器过饱和而无法获得该猫眼石的颜色和亮度信息。 因此，需要在图像中检出反光区域并排除以进行进一步地分析，本说明书后面会进行介绍。—种用于解释闪光产生的简单模式是假定将猫眼石内的小平面作为小的有色镜面。因此当猫眼石上光线入射角与观察角度相同时，观察者(或照相机)就能观察到闪光。 对于给定光源，因此闪光的观测面积取决于光源覆盖的立体角。该立体角越小(即光源指向性越强)，闪光的面积越小。对于较大面积光源，覆盖了较大立体角，则会在猫眼石的较大面积上观测到闪光。注意到闪光面积已成为评定猫眼石质量的客观标准，那么光源的指向性应被标准化。为了图像获取，各猫眼石被放置在测角仪12的台面11中央的吸盘17上并通过吸力固定，以防止其在大倾角时从台面滑落。对于所有猫眼石，倾角φ以10°为步长在90°范围内变化。该旋转角θ也以10°为步长从0°到360°范围内变化。光源14的控制开关被
用来测量“变彩效应”。正如说明书后面将要详细介绍的，两个不同曝光时间拍摄的图像被合成具有延长动态范围的一幅图像。为此，以32毫秒的长曝光时间拍摄的图像作为基础。完全饱和的像素被替换为2ms拍摄图像的像素。相机16获得的扩展范围图像不适于计算猫眼石的颜色和亮度值。首先，光线的非均勻性需要被校正。其次，由于每个光源和相机都具有略微不同的特征，因此与设备相关的RGB图像需要被校准成与设备无关的颜色测量。这种颜色测量需要适于用可以理解的措辞来描述闪光和主体色调的颜色特性。对于所有类型的有色宝石，必须在分析其内容之前对全部图像进行颜色校准。还必须把每张图像含有该有色宝石的部分分割出来。对于所有有色宝石来说这些步骤大致与国际专利申请PCT/AU2008/000459中介绍的猫眼石相同，在此结合其内容作为参考。所有有色宝石具有许多属性或特征，其可以通过这些步骤来测量。如下所述属性测量颜色 色彩 色饱和度 亮度与猫眼石不同，猫眼石在不同视角下显示不同的闪光颜色，而其他的有色宝石通常在所有视角下呈现相同的内部颜色。我们称其为主体颜色，以将其与表面反射产生的颜色区分开来。大部分的有色宝石不是均勻的一个颜色。它们通常呈现两种或更多的主体颜色。我们可以使用国际专利申请PCT/AU2008/000459中描述的直方图重新分级过程来量化这些主体颜色。塚形·形状·比例 对称性对于猫眼石，宝石形状不具有特别价值或意义。因此没有分析猫眼石切割形状的自动方法。对于其他的有色宝石，琢形具有相当重要的意义，并且趋向于为几种正式形状之一，例如长古形、长阶梯形、祖母绿形、坠形、梨形、算盘珠形、阶梯形、叁重多面形、弧面形和公主方形。因此需要能自动识别琢形等级并测量与等级相关的具体形状参数。为此，我们需要宝石的多视图 对于底部支撑的宝石，需要宝石的俯视图一显示顶面形状；从宝石片图中，最佳匹配的椭圆形状可以显示出该石是圆形的还是长形的；由此，我们能确定与宝石长轴和短轴对齐的台面旋转角，·对于支撑顶部的宝石，需要在长轴线和短轴线处台面旋转角的两侧向视图—— 示出外形的侧面轮廓，及长短轴的顶面形状。在这些视图中的每一幅中将宝石分割出后，我们需要对琢形分类。对此有多种标准形状匹配方法可以使用——模板匹配(使用各等级的相关模板)或者旋转及比例恒定的形状属性分类，例如krnicke力矩或者傅立叶描述(使用从各级别的训练数据中得出的分类规则)。识别完琢形分类后，我们需要测量这些琢形的具体形状参数。对此有几种方法。最简单的方法是为每类琢形按用户需要设计参数测量过程。例如，对于长阶梯形琢型，俯视局部图的最小包围矩形可以给出腰棱的长度和宽度。找出该局部长轴侧面图中最宽的点，将该长轴侧面图分成顶面区域和底面区域。这些区域的长度和宽度可得出该宝石长轴的尺寸和角度。在短轴局部侧面图中可以进行类似的过程，来给出该长阶梯形琢形的其余参数和特征。其余琢形可以以类似的方式量化。透明度·杂质分布·关于宝石种类的类型校验·宝石的透明程度宝石的透明度可以用检验猫眼石是否是晶体一样的背光查看方式进行评定。类似地，可以通过与检验劣质蛋白石不透明纹理晶体相同的方式，通过阈值处理这些图像来检测肉眼可见的杂质。微观杂质只能用单独工具进行检测，该工具与显微镜物镜相同的效果， 能将宝石放大20倍或40倍。克拉重量·根据行业标准这不是能通过视觉评定的特征。闪光·小面的表面反射/折射-宝石移动时的"闪烁"效果对于猫眼石，被称为反光的表面反射是一种不希望有的现象，检测的唯一目的是为了在测量主体色调或者闪光时进行遮挡。对于其他的有色宝石，从多个小平面产生的表面反射形成闪光。这能通过测量在宝石俯视图的旋转角变化时反光幅度的变化来进行量化。亮度·从宝石返回的光，其已在宝石内部反射并由此具有经过宝石有色材料滤光而产生的颜色其他有色宝石的亮度类似于猫眼石的闪光。我们能用和量化猫眼石闪光相同的方式来量化亮度。光泽·宝石表面特征一类似于抛光精度；高光泽产生锐利边缘的表面反射，而低光泽产生暗的或模糊边缘表面反射该属性对于珍珠来说最重要。它能通过记录表面反射或者反光的边缘锐度进行量化。这种检测反光的方法也与猫眼石所用的方法一样。这会在宝石影像区内的反光区域产生影像。反光影像的扩张和侵蚀两种形式之间的差异会给包含反光边缘的区域产生影像。边缘滤器例如索贝尔(Sobel)滤波器在反光边缘影像内的振幅会给出边缘锐度的测量数值，从而可测量光泽。高的边缘滤器值(锐的边缘)表示高光泽，低边缘滤器值(模糊边缘)表示低光泽。色散·由白光分解成其光谱成分而引起-钻石比其他有色宝石更具有此特性，有色宝石显示低色散性色散指的是宝石的一种光学性质，由此当宝石在光下转动时可显示出光谱颜色的闪烁和细节。我们看到的色散颜色不是宝石中的真实颜色，而是白光在宝石中所形成的。 当光线从倾斜面(像棱柱或者多面体宝石)穿过透明材料时会产生色散。尽管术语“火花”
14在宝石学里相当于色散，但“火花”经常被误用来表示亮度(返回光总量)或闪光(闪烁)， 因此在本说明书中为了清楚起见使用术语“色散”。当然，白光由从较长(红)到相对较短(蓝和紫)波长的光谱组成。这些波长中的每一个在从空气穿过密度更大的介质例如宝石时会产生不同程度的弯折(红光弯折程度小，蓝光更大)。当弯折光波从倾斜面(如小面)穿出时，根据弯折(或折射)程度，它们可以显现出不同的光谱颜色。因此，不同种宝石显示色散的能力大致与其宝石材料本身的和折射率有关。该性质是各种宝石的独特特征，可被用作识别宝石的方法。色散能用折射计测量， 本发明的装置包括这样的折射计装置。色散以红色和紫色折射率之间的差异来进行数字化表示。光彩或变彩效应·变彩效应是由于宝石的内部特征形成的。其他有色宝石的光彩类似于猫眼石的“变彩效应”。我们可以用跟量化猫眼石“变彩效应”同样的方式来量化光彩。当观察角度变化时，如果特定颜色的闪光改变位置，或者闪光的特定区域改变颜色，就发生了“变彩效应”。不必用闪光直方图来检测该效应，因为闪光直方图不考虑闪光的空间位置。为了测量该属性，我们需要对于一系列旋转角和倾斜角比较不同的(比如说，两个)光入射角拍摄的图像。如果我们试图比较不同台面倾斜角度的图像时，会出现宝石的几何变形。因此，优选比较不同台面旋转角的图像，或者对于90°台面倾斜角的不同光线入射角的图像。不同台面旋转角下拍摄的图像必须用软件旋转复原，以在它们能被比较之前进行对齐。如果使用不同的光线入射角，则这个步骤不是必需有的。然而，如果用不同的光线入射角，那么各单独光源必须有其自己的颜色校准文件。“变彩效应”测量必须要检测“变彩效应”的出现，即颜色的变化或位置的变化。对此存在过几种方式。一种简单的方法是对于一系列旋转角(即每10度)的两幅互相配准的视图问的绝对差取平均值。在一个旋转角下，“差值”分数被定义为SRGB图像的红、绿、蓝波带的两互相配准视图的宝石影像图(除去反光影像)内平均偏差的总和。如果该两个视图之间的闪光区域改变颜色，那么该“差异”分数可以将其检测出来。较大的颜色变化会给出高的“差异”分数，同样大面积的颜色改变也是如此。如果一特定的闪光区域移动位置而不是颜色变化，那么该“差异”分数还是可以检测出来。该分数能通过除以最大“变彩效应”的标记宝石的“差异”分数而缩小为0到1之间的数值。或者， 该分数能放大为0到100，接近0的分数表示小变彩效应，接近100的分数表示多的变彩效应。图像校准延长曝光时间猫眼石的亮度覆盖很宽的动态范围，从非常暗的主体色调到通常更亮几个数量级的闪光区域。这种亮度范围超过了一台标准相机拍单张照片时的动态范围。为了能拍摄猫眼石的全范围亮度而不会由于过曝光或曝光不足而损失信息，需要以不同的曝光时间来拍摄两张图像。所选择的相机在O到1023像素范围内各红(R)、绿(G)和蓝⑶通道图像都具有IObit的动态范围。分别在2ms和32ms的曝光时间下拍摄Istot和llmg，并合成为具有延长动态范围的图像Iext，如下面等式1所示。这样给出了 0到> 10，000的亮度范围。等式1Iext = Ilong if Ilong >= thrIshort*exposure. scaling if Ilong > = thr其中thr是900，exposure, scaling由标准柯达白卡的平均IlmgAshwt比例给出在图7中给出一实施例，这里结合国际专利申请PCT/AU2008/000459，其中在左侧示出llmg，图像中央水平横截面表示了闪光的最亮区域的色饱和度(即1023G&R的剪切)， 在右侧，Ilrft，水平截面示出了除去闪光色饱和度的延长的动态范围。光线校正对于单个光源，相机视图区域的光线通常是不均勻的。光场中心趋向于更亮。为了校正这种光线非均勻性，要拍摄两个光场图像，分别是标准柯达白卡和柯达灰卡的Iwhite 和IgMy。柯达白卡在整个可见光谱具有90%反射率，柯达灰卡具有18%反射率。假定相机的CXD传感器是线性的，这些光场图像可用于修正由Rext、Gext、和Brart通道组成的延长范围图像。该光线校正图象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是通道图像平均的标量最大值颜色校准因为彩色相机的CCD传感器具有不同的灵敏度，并且因为光源的光谱特性能随时间变化，因此光线校正图像ICQr与设备的硬件配置具体相关。换句话说，它是依赖于设备的、颜色的相对度量。将该图像转换为与设备无关的、颜色绝对度量被称作颜色校准。设备相关的RGB到设备无关的XYZ为了将设备相关的RGB值转换为CIE(国际照明委员会)定义的设备无关的XYZ 值，需要一校准比对色卡，例如Mimsell或者Macbeth色卡，其具有几种颜色样本，标有已知设备无关的XYZ值。通过拍摄这些色卡的图像和求出各颜色样本的平均RGB值，能通过测量的RGB值与提供的XYZ值之间的线性回归确定出转换矩阵RGB2XYZ。从而使用该矩阵可将Icor图像中的RGB值转换为Ixyz图像的XYZ值。设备无关的XYZ到伽马的设备无关的sRGB尽管该设备无关的CTZ颜色测量是颜色表现的国际性认可标准，但它是线性的 (与人类视觉系统不同)并且不易被非专业人士理解，所以要将其转换为标准RGB表示，被称为sRGB。该标准的D65光源被设计成与代表家庭和办公室视觉环境的中午日光相符合。 非线性的转换函数(伽马曲线)较接近人类视觉系统。如果使用经sRGB校准的监视器来观看猫眼石的sRGB图像，则它们会基本符合在自然光下观看的实际猫眼石外观(D65照明条件)。所以要使用标准转换矩阵XYZ2sRGB将Ixyz图像转换成sRGB校准图像，如下面等式3所示。等式权利要求
1.一种用于宝石评定、估价和分级的装置，包括支撑宝石的台面，该台面装入在一不透光的壳体中，至少一个光源放置在该壳体中并用于在宝石上投射入射光，将该台面旋转和倾斜的装置以改变宝石与入射光之间的方向，数字照相机位于壳体中靠近该光源或各光源处，用以获取基于入射光的反射和/或折射的宝石图像，和用来校准和分析图像的信息处理装置，其中该信息处理装置可用指令集进行编程，以评定颜色、琢形、透明度、闪光、亮度光泽、色散和光彩中的一个或多个，其中通过将宝石啮合在底面的固定装置来在台面上支撑宝石。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于该固定装置是吸盘，用来通过宝石下方的吸力来牢牢地保持住宝石。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于通过测角仪，台面可旋转360度，可倾斜90度。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于宝石的颜色评定具有一组指令集用来颜色校准图像，然后通过图像分割和直方图测量来分析该颜色校准图像。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于该信息处理装置可用另一组指令集变成，以控制相机在0°到360°旋转范围内以10°角间隔、以及在90°到0°倾斜范围内以10° 角间隔来拍摄一系列图像。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于该指令集可在个人计算机中用软件编程。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于该宝石是一猫眼石，且该颜色校准和图像分析用于评定该猫眼石的闪光和主体色调特征。
8.一种用信息处理装置来进行宝石评定、估价和分级的方法，包括如下步骤(a)对数字照相机拍摄的多幅宝石图像进行颜色校准，和(b)通过分割和直方图测量来分析该颜色校准图像。
9.一种用信息处理装置来进行猫眼石闪光特征评定的方法，包括如下步骤(a)在多个旋转和倾斜的观察角度下拍摄该猫眼石的一系列数字图像，(b)以不同曝光时间拍摄该猫眼石的两幅数字图像，以提供由RGB值构成的延长范围图像，(c)获得该猫眼石的双光场图像，以校正该延长范围图像，进而以设备相关的RGB值形式提供光线校正图像，(d)用存储的校准颜色变换矩阵将该光线校正图像的设备相关RGB值转换成设备无关的Vil值，(e)用存储的标准转换矩阵将该光线校正图像的设备无关XYZ值转换成sRGB值，因此提供一颜色校准图像，(f)压缩该颜色校准图像的设备无关sRGB值，利用存储的对照表提供一压缩颜色校准图像，以便显示该猫眼石的真实颜色，(g)用存储的转换矩阵将在步骤(e)中获得的该颜色校准图像的设备无关sRGB值转换成HSB值，(h)在步骤(g)中获得的该颜色校准图像内形成对应于猫眼石的影像区，且在该影像区排除反光区域，(i)在该影像区内，将该颜色校准图像的HSB值分配给具有色彩、色饱和度、亮度的多柄三维直方图，其中各柄包含具有该HSB值子范围的面积，(j)平均所有图像的三维直方图，以给出该猫眼石闪光、主体色调、非猫眼石区域的 HSB值的总直方图，(k)从该3D直方图选择那些具有高S和B值的柄，以给出所有观察角度下闪光的平均面积，(1)组合所有S柄以给出色彩和亮度的摘要直方图，组合所有B柄来给出色彩和色饱和度的摘要直方图，和(m)在观察角度的一子集内平均步骤(i)的该三维直方图，重复步骤(k)和(1)，以给出显示该角度子集的闪光方向性的摘要定向直方图。
10. 一种用信息处理装置来进行猫眼石主体色调特征评定的方法，包括如下步骤(a)拍摄和校准在90°倾斜角下两个或更多旋转角的图像，其中之一被用作主图像来比较其他。(b)在包含宝石的该主旋转图像内找出感兴趣区，且在该区域中去除反光，通过将另一个旋转角图像同该主图像对齐，来去除没有改变旋转的该主图象的非猫眼石区域，(c)在该猫眼石影像区内，以该猫眼石的10%暗区来找出主体色调区域，和(d)在这些主体色调区域内，确定平均sRGB值并将其转换成HSB值，再将这些值分配给柄，各包含该HSB值范围的一个子集。
全文摘要
根据本发明，提供了一种用于宝石评定、估价和分级的装置(10)，其具有支撑宝石的台面(11)。该台面装入在一不透光的壳体(15)中。至少一个光源放置(14)位于该壳体中并用于在宝石上投射入射光。同样还有将该台面旋转和倾斜的装置，以改变宝石与入射光之间的方向。一数字照相机(16)位于壳体中靠近该光源或各光源处，用以获取基于入射光的反射和/或折射的宝石图像。该装置还包括用来校准和分析图像的信息处理装置。该信息处理装置可用指令集进行编程，以评定颜色、琢形、透明度、闪光、亮度光泽、色散和光彩中的一个或多个。该宝石通过将宝石啮合在底面的固定装置(17)支撑在台面上。
文档编号G01N21/87GK102216760SQ200980145080
公开日2011年10月12日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者A·N·霍那布鲁克, G·A·霍那布鲁克, K·E·普瑞姆, L·比肖夫, P·B·萨顿, R·G·伊姆里, R·H·卢密斯, R·拉格斯特姆, S·N·马芡特, V·希尔森特恩 申请人:欧珀生产商澳大利亚有限公司