吳倩倩
1. 蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,蘇州 215000 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院,武漢 430000
鉆石的切工和光學(xué)效果研究已經(jīng)有幾百年的歷史。從1919 年馬歇爾?托爾可夫斯基的二維光線追蹤研究開(kāi)始,鉆石的光學(xué)效果研究進(jìn)入一個(gè)精確數(shù)學(xué)運(yùn)算的新里程碑[1]。隨后,大量寶石專家和機(jī)構(gòu)都陸續(xù)開(kāi)展了鉆石的二維計(jì)算和三維仿真模擬研究,以確定最佳切磨比例。其中,三維仿真研究以美國(guó)寶石學(xué)院(Gemological Institute of America,簡(jiǎn)稱GIA)[2-3]、美國(guó)寶石協(xié)會(huì)(American Gem Society,簡(jiǎn)稱AGS)[4]和Cut group(以O(shè)ctoNus 公司、莫斯科國(guó)立大學(xué)寶石學(xué)中心等機(jī)構(gòu)組成的切工研究組)的仿真研究[5]為代表,國(guó)內(nèi)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院的石斌博士也開(kāi)發(fā)了仿真模擬軟件[6]。由于仿真模擬在反映鉆石實(shí)際光學(xué)效果上有不可避免的局限性,在2006 年GIA頒布的分級(jí)體系中,主要依據(jù)人眼觀察大量鉆石,得出不同切工參數(shù)鉆石的光學(xué)效果規(guī)律,以此來(lái)制定切工分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],以鉆石的臺(tái)寬比、冠角、亭角、星刻面比例、下腰刻面比例等參數(shù)的組合作為最主要的參考依據(jù)。
一般認(rèn)為,一粒鉆石切工越好,它所呈現(xiàn)的光學(xué)效果也會(huì)越好。鉆石的光學(xué)效果主要可分為亮度、火彩和閃爍。英國(guó)寶石協(xié)會(huì)[8]、陳鐘惠[9]、袁心強(qiáng)[10]、GIA[11]、AGS[4]、Cut Group[12]等機(jī)構(gòu)或個(gè)人都對(duì)鉆石的亮度、火彩、閃爍進(jìn)行了定義。各機(jī)構(gòu)的定義比較接近。本文以袁心強(qiáng)的定義為主:鉆石的亮度是指鉆石表面和內(nèi)部反射出的白光量;火彩是指鉆石反射的色光;閃爍是指鉆石或光源移動(dòng)、或觀察者角度變化時(shí),刻面對(duì)光源的反射或發(fā)生明暗交替變化的現(xiàn)象。除亮度、火彩、閃爍之外,有些機(jī)構(gòu)將反映鉆石光學(xué)圖形幾何規(guī)律方面的特性也納入到了對(duì)鉆石光學(xué)效果的考量中。例如以色列的Sarine 公司將光對(duì)稱性納入到了對(duì)鉆石的光學(xué)效果的評(píng)定中[13],AGS 和Cut group 將對(duì)比度納入到了對(duì)鉆石光學(xué)效果的考慮中[4, 12]。
為了便于觀測(cè)鉆石的光學(xué)效果,并和切工質(zhì)量相互佐證,近四十年來(lái),日本、美國(guó)、俄羅斯、以色列、中國(guó)等國(guó)家都開(kāi)發(fā)研制了相應(yīng)的設(shè)備。除了大眾熟知的鉆石八箭八心觀察儀之外,近些年國(guó)際上比較有代表性的設(shè)備有Sarine 公司的鉆石光性能測(cè)量?jī)x和Gemex 公司的環(huán)形光源鉆石分析設(shè)備。國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院劉萍萍博士研制的鉆石光學(xué)效果定量分析儀器。這些設(shè)備根據(jù)發(fā)展階段,可以分為三大類:其一是早期發(fā)明的為觀察鉆石特殊圖案的裝置,光源結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單;其二是能更大程度體現(xiàn)鉆石火彩和閃爍的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的觀察設(shè)備;其三是可定量分析鉆石亮度、火彩、閃爍等光學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)備。
鉆石是具有最高市場(chǎng)占有率的珠寶消費(fèi)品,對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和珠寶行業(yè)的發(fā)展有著重大意義。鉆石光學(xué)效果測(cè)試技術(shù)的提升有助于提高鉆石分級(jí)水平,促進(jìn)鉆石加工工藝水平提升,提升國(guó)家在國(guó)際珠寶科技領(lǐng)域的地位。本文將對(duì)這一重要技術(shù)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行介紹,希望給珠寶領(lǐng)域技術(shù)人員以及珠寶行業(yè)相關(guān)人員一些指導(dǎo)和啟發(fā)。
借助儀器直接觀察鉆石光學(xué)效果的觀念起源于日本寶石學(xué)家Kazumi Okuda 發(fā)明的彩色反射器。上世紀(jì)80 年代,Okuda 發(fā)明的光學(xué)紅圈小放大鏡是第一批用來(lái)觀察鉆石小面切磨精度的工具之一[14]。隨后,Okuda 與日本鉆石商兼研究員Tsuyoshi Shigetomi 在1984 年開(kāi)發(fā)了鉆石觀察工具FireScope,其下方是發(fā)散的白色光源,目鏡部分為粉紅色擋板[15]。觀察者根據(jù)鉆石表面呈現(xiàn)紅色部分的顏色深淺及分布面積,判斷鉆石的亮度情況,紅色部分表示出射光線較強(qiáng)區(qū)域,白色部分是從亭部漏光的區(qū)域,如圖1 所示。
圖1 FireScope觀察儀和鉆石圖像[14]Fig.1 FireScope viewer and captured diamond image
日本專家Kinsaku Yamashita 于1990 年獲得了八箭八心觀察儀專利[16]。目前市場(chǎng)上流行的八箭八心切工鏡底端有一個(gè)黑色的放置鉆石的底座、中部是一個(gè)藍(lán)色的塑料圓柱,圓柱的另一端為放大鏡,裝置的最上端為一個(gè)白色的觀察鏡。當(dāng)觀察八箭八心鉆石的冠部時(shí),鉆石呈現(xiàn)八箭;當(dāng)觀察鉆石亭部時(shí),鉆石呈現(xiàn)八心,如圖2 所示。
圖2 八箭八心鉆石切工鏡(圖片來(lái)自[14],經(jīng)重繪)Fig.2 Hearts&Arrows viewer
隨后,一些專家在Okuda 的原理基礎(chǔ)上,發(fā)明了類似的可供觀察鉆石圖案的彩色儀器。澳大利亞的Garry Holloway 于2001 年發(fā)明了Ideal Scope 觀察儀[17],相比較FireScope, Ideal Scope 圍繞鉆石冠部的粉紅色覆蓋區(qū)域面積更大,如圖3 所示。同時(shí),Garry Holloway 在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套HCA 切割質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)[18]。
圖3 Ideal Scope鉆石切工鏡和采集圖像[17]Fig.3 Ideal Scope viewer and captured diamond image
AGS(美國(guó)寶石協(xié)會(huì))在2008 年研制了紅綠藍(lán)三色的ASET 裝置[19],其中藍(lán)色光線照射角度為90°-75°,紅色光線照射角度為75°-45°,綠色光線照射角度為45°-0°。ASET 裝置下的鉆石圖像在細(xì)節(jié)上更加清晰,更有利于對(duì)鉆石的觀察和對(duì)鉆石切工的評(píng)估,如圖4 所示。
圖4 ASET鉆石切工鏡和鉆石圖像[4]Fig.4 ASET viewer and captured diamond image
這類儀器的共同點(diǎn)是都借助角度寬泛的彩色環(huán)形光源顯示出鉆石的光線返回、光線泄漏和對(duì)稱性等情況。然而,在這些儀器下評(píng)估鉆石的切工需要憑借一定的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí),儀器僅能對(duì)鉆石的亮度進(jìn)行半定量到定量分析,無(wú)法直觀全面得體現(xiàn)出鉆石的火彩和閃爍情況。
為最佳展現(xiàn)鉆石的火彩和閃爍效果,一些公司開(kāi)始研制使用LED 燈等復(fù)雜光源觀察鉆石光學(xué)效果的設(shè)備,例如美國(guó)的MartinD.Haske 于2004 年發(fā)明了鉆石火彩儀[20],儀器內(nèi)部隨機(jī)放置多個(gè)小燈泡作為觀察光源,下方樣品臺(tái)為可供旋轉(zhuǎn)鉆石的裝置,用戶可以在寶石成像設(shè)備中觀察到鉆石的火彩圖像。
南京通靈珠寶股份有限公司的沈東軍在2012 年發(fā)明了一種火彩觀察儀[21],其采用跑馬燈芯片帶動(dòng)LED燈光源間歇閃亮的方式,形成光源旋轉(zhuǎn)變化的效果,光源顏色多樣,更加完美誘發(fā)出鉆石的火彩。2016 年,賀仟泰發(fā)明了一種鉆石火彩演示儀[22],有兩大組照明燈:每個(gè)大組在每個(gè)圓環(huán)的兩大組相間45 度各有4盞形成十字燈組的照明燈,每盞照明燈都可以各自調(diào)整方位,能夠?qū)︺@石火彩的觀賞提供最佳效果。
Cut group 在2013 年發(fā)表的文章中介紹了一種Vibox 鉆石觀察儀器[12],如圖5 所示,ViBox 使用暖白色LED 點(diǎn)光源作為照明光源,鉆石樣品臺(tái)和攝像頭均可多角度旋轉(zhuǎn)。ViBox 視頻系統(tǒng)使專家和購(gòu)買者能夠進(jìn)行數(shù)千次高度可重復(fù)的鉆石觀測(cè),創(chuàng)建大量肉眼評(píng)估數(shù)值以生成“切工優(yōu)劣地圖”。同時(shí),Cut group 介紹了鉆石光學(xué)效果評(píng)估需要考慮到人眼的對(duì)比度、錯(cuò)覺(jué)、雙目差異等生理因素,主張純粹用肉眼評(píng)估鉆石的光學(xué)效果。
圖5 Vibox系統(tǒng)外觀和所攝鉆石圖像[12]Fig.5 Vibox system and captured diamond image
這部分觀察儀器不僅能展現(xiàn)出鉆石的亮光圖案,還能生動(dòng)得展現(xiàn)出鉆石的火彩和閃爍,更能吸引鉆石消費(fèi)者的購(gòu)買欲。由于光源不均勻或鉆石旋轉(zhuǎn)角度大,儀器很難對(duì)鉆石的亮度、火彩和閃爍實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確和可重復(fù)的定量分析,而僅靠肉眼觀察來(lái)評(píng)判所有鉆石的光學(xué)效果優(yōu)劣具有一定主觀性。
目前,可定量分析鉆石光學(xué)效果的設(shè)備主要有戴比爾斯公司(De Beers Centenary AG)的“IRIS火光觀測(cè)儀”、美國(guó)捷邁克斯公司(Gemex)的BrillianceScope 以及以色列尚靈公司(Sarine)的Diamond Integrator。國(guó)內(nèi)有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院劉萍萍博士研制的鉆石光學(xué)效果測(cè)試儀和作者研制的鉆石身份鑒定儀。
戴比爾斯百年公司于2011 年研發(fā)了一種由多個(gè)點(diǎn)光源繞鉆石傾斜旋轉(zhuǎn)的觀察裝置[23]“IRIS 火光觀測(cè)儀”,裝置結(jié)構(gòu)如圖6 所示,該裝置上方為采集圖像的攝像頭,下方為由多個(gè)LED 燈珠圍繞組成的多圈環(huán)形光源,光源下方放置勻光板,攝像裝置和環(huán)形光源裝置的中心同軸。下方為鉆石樣品臺(tái)面朝上放置,鉆石的中心法線和攝像頭的中心軸存在一定的夾角。通過(guò)攝像頭采集多張鉆石樣品圖像并在計(jì)算機(jī)中計(jì)算分析鉆石的光學(xué)效果。記錄并分析圖樣閃光的平均紅色,綠色和藍(lán)色值(RGB 值)以及多張圖樣閃光的變化,從而對(duì)鉆石的明亮度進(jìn)行分析[24]。
圖6 戴比爾斯鉆石光學(xué)效果定量分析裝置和拍攝鉆石圖像[23]Fig.6 De Beers diamond optical effect quantitative analysis device and captured diamond image
2012 年,美國(guó)捷邁克斯公司研制的Brilliance Scope 使用360°升降的窄環(huán)形光源來(lái)改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋謩e照射到鉆石上并采集多張鉆石圖片[25]。按圖中白色區(qū)域的百分比計(jì)算亮度,彩色區(qū)域的百分比計(jì)算火彩,像素點(diǎn)的亮暗變化計(jì)算閃爍,將計(jì)算結(jié)果分為四個(gè)級(jí)別Low、Medium、High、Very High 并以證書(shū)的形式展示給消費(fèi)者,儀器外觀和所攝圖像如圖7 所示[26]。
圖7 Brilliance Scope儀器外觀和拍攝鉆石圖片[26]Fig.7 Brilliance Scope device and captured diamond image
2012 年,以色列尚靈公司發(fā)明了分析鉆石光性能的裝置Diamond Integrator[27],如圖8 所示。鉆石臺(tái)面朝下置于透明玻璃光學(xué)平臺(tái)上,樣品臺(tái)位于裝置上部的中心,樣品臺(tái)周圍為一圈發(fā)光源(使用隔板阻止光源從側(cè)面射入鉆石),平臺(tái)下方為一個(gè)中心有孔的半球體,半球體由四組或八組大小相同的白色和黑色扇形體(或鋸齒狀圖形)相間組成。半球形與鉆石樣品的中心軸重合并繞中心軸旋轉(zhuǎn),光源發(fā)出的光通過(guò)內(nèi)半球體反射進(jìn)入鉆石冠部。半球體孔下為一傾斜鏡面,通過(guò)鏡面展現(xiàn)鉆石圖像,然后攝像裝置采集鉆石圖像,計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到鉆石的亮度、火彩、閃爍、對(duì)稱性級(jí)別。對(duì)采集所有圖像進(jìn)行合成,鉆石的亮度值為合成圖像的平均灰度值;火彩被分為靜態(tài)火彩和動(dòng)態(tài)火彩,靜態(tài)火彩通過(guò)計(jì)算所有圖像顏色的總和得到,動(dòng)態(tài)火彩通過(guò)計(jì)算像素色彩變化的差值得到,將靜態(tài)火彩和動(dòng)態(tài)火彩按比例系數(shù)相加,即為火彩值;計(jì)算每一像素灰度值的變化得出對(duì)比度數(shù)值,結(jié)合動(dòng)態(tài)火彩和靜態(tài)火彩值,綜合得到鉆石的閃耀度;將合成圖像以45°角為遞進(jìn)單位,平均分成八份,系統(tǒng)計(jì)算每個(gè)單元的實(shí)際灰度和該組的平均值之間的差值,對(duì)這些差值求和,即為光對(duì)稱性數(shù)值[13]。
圖8 Diamond Integrator設(shè)備結(jié)構(gòu)圖[13]Fig.8 Diamond Integrator equipment structure drawing
中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院的劉萍萍博士在2014年研制了環(huán)形光源鉆石光學(xué)效果分析設(shè)備[28]。其特點(diǎn)是:樣品臺(tái)中心、環(huán)形光源中心、攝像頭中心三者同軸,光源平面由6 圈小LED 燈均勻排列成同心圓,LED 燈上覆有一個(gè)均勻的散光板,六圈光源由六個(gè)開(kāi)關(guān)單獨(dú)控制,以便采集多張圖片。圖9為儀器的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖、環(huán)形光源設(shè)備圖以及所攝鉆石圖像。將采集到的鉆石圖像像素點(diǎn)的RGB 值轉(zhuǎn)換為YUV 色度空間值,累加所有像素點(diǎn)的Y 值用以表征鉆石的亮度[29]。將圖像像素點(diǎn)的RGB 值轉(zhuǎn)換為HSI 色度空間值,將色彩飽和度S ≥25%,明亮度I ≥20%的點(diǎn)判定為彩色點(diǎn),累加所有彩色點(diǎn)的明亮度I 值用以表征鉆石的火彩[30]。運(yùn)用CIE1976 Lab 色度空間比較相鄰兩張鉆石圖像之間對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的色差值,累計(jì)所有像素點(diǎn)的色差值用以表征鉆石的閃爍[31]。
圖9 鉆石光學(xué)效果觀察儀示意圖、光源圖和采集圖像[30]Fig.9 Diamond optical effect viewer diagram, light source diagram and captured image
作者在2018 年研制了鉆石身份鑒定儀(專利號(hào)ZL2017 10985819.1)[32],并發(fā)明了鉆石身份鑒定方法(專利號(hào)ZL 201710985126.2)[33]。該儀器不但可以對(duì)鉆石的光學(xué)效果進(jìn)行定量分析,還能對(duì)鉆石實(shí)現(xiàn)倆倆區(qū)分。鉆石身份鑒定儀使用高精度的窄環(huán)形光源,光源、鉆石和攝像頭的中心軸在一條直線上,光源通過(guò)垂直上下移動(dòng)提供不同入射角,攝像頭采集每個(gè)設(shè)定入射角度下的圖像,從而獲得鉆石的圖像系列[32]。光源入射角從9°到34°逐漸增大,每粒鉆石共采集五百多張圖像,并形成連貫的播放視頻,視頻二維碼在圖10 中顯示(讀者可使用微信或優(yōu)酷掃描)。將圖像像素點(diǎn)的RGB 值轉(zhuǎn)換成YUV 值,使用Y 值直接對(duì)亮度進(jìn)行量化;將RGB 值轉(zhuǎn)換成HSV(色相、飽和度、明度)值,通過(guò)對(duì)數(shù)值的二次運(yùn)算并結(jié)合機(jī)器視覺(jué)的邊緣算子弱化白色亮區(qū)周圍的彩色邊緣,得到符合人眼觀察結(jié)果的火彩值;使用簡(jiǎn)易色差公式計(jì)算相鄰兩張圖片同一位置像素點(diǎn)的色差值,累加的所有色差值即為鉆石的閃爍值。每粒鉆石的圖像系列都能形成亮度、火彩、閃爍曲線。鉆石的亮度和火彩值分別為亮度、火彩曲線的平均值,閃爍值為對(duì)閃爍曲線大于平均值的數(shù)據(jù)求取二次平均,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石光學(xué)效果的定量分析。對(duì)比兩粒鉆石曲線的相關(guān)系數(shù),設(shè)定判定閾值,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石的指紋識(shí)別[33]。
圖10 鉆石身份鑒定儀結(jié)構(gòu)圖和一粒鉆石的亮度曲線[34]Fig.10 Diamond identification machine structure diagram and a diamond brightness curve
為了對(duì)鉆石切工參數(shù)和光學(xué)效果的關(guān)系進(jìn)行探究,作者選取了GIA 證書(shū)上冠角、亭角、臺(tái)寬比、下腰面、星刻面、對(duì)稱性級(jí)別、色級(jí)、凈度級(jí)別等4C 參數(shù)完全一致的5 粒鉆石,經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn):5 粒鉆石的亮度值最大相對(duì)誤差可達(dá)到17%,而同一粒鉆石重復(fù)測(cè)試十次,亮度值相對(duì)誤差小于1%[34]。這說(shuō)明即使是4C 分級(jí)參數(shù)完全一樣的鉆石,亮度都不一定能達(dá)到一致或者接近。這是由于分級(jí)精度等諸多因素造成的。
本文總結(jié)了近四十年來(lái)鉆石光學(xué)效果觀察儀器的研究成果,主要包括三個(gè)發(fā)展階段:一是以Fire Scope 和八箭八心為代表的寶石切工鏡,其借助角度寬泛的彩色環(huán)形光源展現(xiàn)鉆石的亮光和圖案美;二是以Vibox 觀察儀為代表的鉆石火彩儀,其借助LED燈充分展現(xiàn)了鉆石的火彩和閃爍美;三是以戴比爾斯、Sarine 公司為代表研制的科學(xué)分析鉆石光學(xué)效果的設(shè)備,其使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)所采集圖像進(jìn)行數(shù)字化分析,從而對(duì)鉆石的亮度、火彩、閃爍等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確量化。
現(xiàn)有4C 分級(jí)主要是通過(guò)多組切工比例參數(shù)來(lái)表征鉆石的明亮度。而作者通過(guò)所研制的鉆石身份鑒定儀測(cè)試得出:五粒同樣切工參數(shù)的鉆石,亮度值最大相差達(dá)到17%,而同一粒鉆石多次重復(fù)測(cè)試的亮度值相差僅小于1%,這和鉆石的分級(jí)精度有一定關(guān)系?,F(xiàn)有切工比例的精確度是冠角在0.5°,亭角在0.2°,臺(tái)寬比1°,星刻面和下腰刻面5%,這種精度可能還不夠細(xì)致。
根據(jù)光線照射在鉆石刻面上所遵循的反射與折射定律,一條入射光會(huì)在鉆石的各個(gè)刻面上發(fā)生反射與折射,在鉆石中來(lái)回傳播,從冠部折射出鉆石的光線形成明亮度,這是一系列刻面綜合作用產(chǎn)生的集合效果。所以,任意一個(gè)刻面由于切磨失誤造成的空間位置的誤差,都會(huì)造成照射到這一刻面上的所有光線偏離正確的傳播方向,并可能在后續(xù)的傳播中進(jìn)一步的放大這一偏差,造成光線傳播方向發(fā)生明顯的變化,影響到整體的明亮度。要想用切工參數(shù)與明亮度嚴(yán)格的對(duì)應(yīng),顯然必須建立更為細(xì)致的參數(shù)體系和更高的度量精度才有可能實(shí)現(xiàn)。
作者認(rèn)為,相比于從4C 的角度間接對(duì)鉆石光學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià),直接進(jìn)行鉆石的光學(xué)測(cè)量,更加直觀、迅速,可成為代替肉眼的高準(zhǔn)確性測(cè)量方式。所以,更美麗生動(dòng)的觀察設(shè)備和更科學(xué)準(zhǔn)確的分析方法是鉆石光學(xué)效果這一領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái),在大數(shù)據(jù)和人工智能的技術(shù)背景下,全球鉆石科技行業(yè)會(huì)不斷向前發(fā)展,打破傳統(tǒng)的鉆石鑒定模式,使鉆石分級(jí)領(lǐng)域的技術(shù)成果惠及于民。