專利名稱：用于寶石的評定、評估和分級的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于寶石(包括無機的和有機的寶石)和礦石，比如蛋白石、珍 珠和鉆石以及礦物標本的評定、評估和分級的設備和方法，尤其涉及一種用于所 述寶石和礦石的包含硬件和軟件的數字分析儀。
盡管本發(fā)明的背景和優(yōu)選實施例將在以下參照蛋白石的評定、評估和分級來
描述，^a^于本領域技術人員來說，顯然本發(fā)明此處詳述的目的并非局限于此， 而是廣泛應用于所有寶石和礦石。對每一個理解本說明書的人來說，在涉及所有 寶石和礦石時使用術語"寶石"都落在本發(fā)明的保護范圍之內。
背景技術：
當前蛋白石的評定和評估的做法非常主觀，人們基于人為觀察因素的結合， 比如評價在蛋白石移動時色彩的閃光，胚體色調，色彩，亮度和圖案。澳大利亞
貢獻了世界上95%的蛋白石，這既是一件幸事，也是一件禍事。外國的購買者通
常并沒有經ii^f提供的蛋白石進行評定的培訓(在買賣雙方引起艱難的談判)， 他們也不能以十分簡要客觀的術語向供應者描述出一種特定類型的蛋白石，使得 供應商能夠提供恰當的蛋白石。
大多數寶石評定使用的是倍率為10x的小型放大鏡。將寶石置于寶石鑷子中
進行觀察，翻轉寶石(使其傾斜、翻滾和偏轉)以觀察光與寶石的相互作用和內 外特征。
當前蛋白石評定和評估做法的主觀性為蛋白石的開采者和購買者在交易的 時候制造了談判困難和重大誤解。
有許多主要特征可以用于為蛋白石的價值分級，比如
.色彩(色調)和閃光區(qū)域
.亮度
.胚體色調
.圖案 .形狀
.其他特征
5根據蛋白石總體寶石價值的相對重要性，色彩和胚體色調的結合占40%的比
重，緊隨其后的是亮度和圖案，各占30%，剩余的特;f正占的比重相當小。才艮據對
人工觀察者的客觀評定的調查，色彩似乎最難，其次是亮度，看起來相對易于人
工評定和量化的是圖案，有28種主要類型。
色彩對人工觀察者來^^,于評定有如下原因
(1) 每一角度改變，即傾斜，翻滾和偏轉引起的色彩變化的貢獻。由于人的 感知和主觀記憶有限以及目力差異，所有方向被整合到色彩估計是很難的。
(2) 此外，由于觀察條件高度易變，因而4M^根據色彩參照圖精確地指定色 號。
還有一個新問題，合成蛋白石或蛋白石Ait仿品和其他寶石不斷改進，甚至 在某些情況下(比如鉆石)，4企測天然寶石和合成寶石是極端困難的。騶、汪寶石 的真實性是另 一個問題，可以通過采用客觀自動的分析方法解決。
美國專利No.6,239，867 ("專利")公開的方案提供一種客觀自動分析方法和 用于寶石分級的圖像拍4聶裝置。盡管該方案也涉及使用方法和裝置為蛋白石和其 他寶石分級，但并不適于蛋白石，對其他寶石，甚至鉆石來說也是極不合適的。 上述專利中公開的圖像拍攝裝置和方法在圖像拍攝期間不允許寶石的傾斜、翻滾 和偏轉等運動，以便顯示寶石的"色彩閃變"，因而寶石的平臺是不可傾斜的。 該專利也沒有公開對寶石表面所有部分進行色彩、亮度、胚體色調和其他特征的 評定，在針對每一特征對寶石進行分級前，這些特征中的許多對蛋白石尤其重要。 然而，該專利公開了通過可控電弧移動照相機在鉆石的狹小區(qū)域取樣，并在所述 區(qū)域均分總照度數據以評定鉆石的色彩。
由于不能顯示蛋白石所有部分的"色彩閃變"、胚體色調和亮度，如此有限 的取樣并不適用于蛋白石。特別地，該專利闡述了通過從用環(huán)帶和臺面繪制的圖 像像素區(qū)域獲取彩色圖像的平均紅綠藍(RGB)值，通過狹小區(qū)域的色彩取樣， 可以獲得更可預測和更精確的色彩讀取。這些程序并不適合蛋白石的評定，因為 蛋白石的整個面都需要色彩評定。
而且，該專利公開的圖像拍攝裝置在寶石和照相機之間濾光，這對于色彩的 分析是致命的。該裝置還在寶石和玻璃臺中心位置之間使用高粘性浸入油，或浸 入寶石以便去除反射和幫助光的傳播，盡管是該寶石是用于檢測其瑕疵和色彩 的。該專利公開的所述圖像拍攝裝置和方法的這些特征不適于蛋白石，也極不適 用于其他寶石。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服或切實改進現(xiàn)有技術的上述缺點和問題，或者至少提供 一種有用的選擇。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于以客觀自動的方式對寶石進行評定、評估 和分級的設備和方法，以使蛋白石和其他寶石質量分析和分級標準化，從而提高 買賣雙方交易的信心，也增加了價格的確定性，使得買賣雙方可以準備好接受這 個價格或為寶石支付這個^介格。
根據本發(fā)明，提供了一種用于寶石的評定、評估和分級的設備，包括用于支 撐寶石的平臺，該平臺封裝在不透光外罩中。所述外罩中至少設置一個光源， 用于投射入射光到寶石上。該設備具有旋轉和傾斜所述平臺的裝置，以便改變 寶石的方向使其朝向入射光。數字相機設置于外罩上鄰近所述光源或每一個光 源的位置，用來基于入射光的反射和/或折射拍攝寶石的圖像。該設備還具有 用于校準和分析圖l象的信息處理裝置，所述信息處理裝置運用指令系統(tǒng)為色彩 校準所述圖像編程，然后通過分割和柱狀圖測量來分析色彩校準后的圖像。
優(yōu)選的，所述平臺可以旋轉360。，傾斜90°，并且可以是測向計的一部分。 所述相機與所述光源或每一個光源盡可能接近地設置在一起，以便模擬人
工蛋白石分級，其中所述光源或每一個光源與相機的軸線盡可能接近一致。


圖1是根據本發(fā)明第一實施例用于寶石的評定、評估和分級設備的等距側視圖。
圖2是圖1所示設備的相機和照明裝置的配置視圖。
圖3是圖1所示設備的可旋轉和可傾斜的平臺的配置視圖。
圖4是圖1所示設備去除外罩后的內部特征視圖。
圖5是圖1所示設備外罩的門打開的等軸視圖。
圖6是圖3中所示配置的平臺在傾斜位的視圖。
圖7提供了用于圖像校準的蛋白石水平4黃切面的長時曝光圖像h。ngh和擴大曝 光圖像Iext的圖解比較。
圖8是用于圖傳農準的蛋白石的輸入亮度值(x軸)的線圖與輸出亮度轉換 值的對照表(LUT)。
圖9提供了用于圖f^交準的蛋白石水平橫切面的標準化圖像IsRGB和壓縮對 照表圖像IsRGBlut。
圖10示出了寶石的后照明圖4象部分(左邊)和寶石掩才莫(右邊)。
圖11示出了寶石的前照明壓縮對照表IsRGBlut圖像部分，寶石的后照明圖像(左邊)和寶石掩模(右邊)。
圖12通過前照明sHSB圖像(左邊)和寶石掩模(右邊)示出了所述sHSB 圖像IsHSB中的反光的分割。
圖13提供了兩種不同蛋白石的累加(Summary)色調和亮度柱狀圖的比較， 和所述兩種不同蛋白石的累加(Summary)色調和飽和度柱狀圖的比較，所述蛋 白石圖像以80。傾斜角拍攝。
圖14提供了圖13中使用的所述兩種蛋白石的定向色調和亮度柱狀圖。
圖15a是以優(yōu)選軟件控制的圖像校準和分析方法的邏輯流程圖，該方法用 于根據所述閃光特征進^f于寶石的評定、評估和分級。
圖15b是圖15a邏輯流程圖的延續(xù)。
圖15c是圖15a和圖15b的邏輯流程圖的進一步延續(xù)。
具體實施例方式
參照圖1所示設備10,蛋白石可以放置在平臺11或測向計12的臺架上，如 圖6所示，平臺11可以通過測向計的運動傾斜和旋轉。對于平臺11,所述蛋白石 可以有一個5x5x2cm的最大尺寸。在本說明書中，傾斜角和旋轉角分布用符號 (p和e表示。當相機16和一個或多個光源14 (見圖2)直接置于其上時，平臺的 水平面或水平位置對應(p-90。的讀數。從水平位置，傾斜平臺ll使之遠離一個 或多個光源14引起讀數從(p-90。到9 = 0°逐漸減小。
所述裝置包括一個不透光外罩15,相機16、光源14和測向計12在所述外 罩中的相對位置如圖4所示。光源14可旋轉地安裝在相機16的旁邊，以使得 它們離平臺等距，并且光源14盡可能地與相機軸線(即垂直于肩部)接近一致。 這是為了復制照明條件用于人工蛋白石分級。
所述外罩15有一個入口 18，用以將蛋白石^L入平臺ll的中心。所述入口 18有一個螺旋鎖19，該鎖只有在操作安全的時候才能打開，比如平臺11停止 任何運動。打開的時候，平臺ll將不能移動。
外罩15的頂部和側面下部設置有防光冷卻口 20用于所述設備的對流冷卻。
外罩15的剖面內設置有馬達控制單元21，該馬達控制單元21與相機16、 光源14和測向計12被墻體22隔開。所述單元21有一個開關24和指示燈，并 且包括伺服馬達驅動器卡，燈觸頭，安全電路和連接到個人計算機(未示出) 的總開關(main isolator),在個人計算機中圖像校準和圖像分析將通過軟件 控制。由馬達控制單元21驅動的軸和齒輪的組合件23控制測向計12及其平臺 11的旋轉和傾斜。為了量化蛋白石的色彩特征，這兩個閃光的特征或者"色彩閃變"和胚體 色調是十分重要的。
相機16多角度拍攝一系列圖像以便在整個視角范圍內量化所述閃光。幾個 圖像拍攝幾何結構是可能的，比如傾斜放有蛋白石的旋轉平臺11，同時保持相 機和光源不動，或移動相機和光源同時保持所述旋轉平臺的傾斜角不變，或他 們的結合。
起初，相機16直接設置在置有寶石的旋轉平臺11的上方，其中所述平臺 的傾名+角為90°。
運用后照明，拍攝一幅圖像用以確定蛋白石是否是半透明的(即晶體)，并 在所述包含蛋白石的圖像中確定感興趣區(qū)(ROI)。
運用前照明，以10。的間隔在0°到360。之間旋轉，拍攝36幅圖像，盡管以 5°的間隔可能會更適用于一些蛋白石。
這一 系列圖像不斷以平臺的10。水平的傾斜角重復直到得到蛋白石的側視 圖。有一些蛋白石更適用于5。的間隔的傾斜角。盡管沒有示出，但相機16比平 臺11更適于傾斜。
蛋白石被一個柔韌的硅基吸盤17從其下方吸住，從而牢牢放置于平臺11 上。吸盤和吸盤及真空泵的管道都是由半透明材料制成的，因而該系統(tǒng)不會遮 住所述蛋白石的前或后照明視圖。這就使蛋白石能夠足夠牢固地放置在平臺11 上，使得所述平臺11可以在90。(俯視)至0° (側視)間傾斜而不會導致蛋白 石脫落。這就意味著該設備的開發(fā)者可以選擇使用平臺傾斜而不是相機運動來 實現(xiàn)。選擇使用平臺傾斜的優(yōu)點是其幅度比通過移動相機實現(xiàn)要小。
用軟件分析所述圖像以提取所述閃光和胚體色調特征的概要并把這些測量 以易于理解的方式顯示。軟件控制分析將在說明書后面描述。
顯然，此處描述的設備和方法能夠更容易地適用于所有有色寶石(包括鉆 石，藍寶石，紅寶石，綠寶石)的評定、評估和分級。
彩色圖像可以使用相機16獲取(由Qimaging制造的Micropublisher RTV 5.0)。該相機具有10比特(bits)的動態(tài)范圍，每一紅、綠、藍(RGB)通道 對應1024像素強度水平(對應于該相機可分辨的大約10億總量)。像素值是 2560x1920。相機的鏡頭采用Randd電子樣^巨鏡頭。焦距是25mm,光圈設為^8。 光源14采用白熾燈泡。所述白熾燈泡的灼熱絲產生廣"i普光。所以，沖艮據其光 譜的寬度，白熾燈比其他光"^普分布中具有窄波尖的光源比如熒光燈或發(fā)光二極管 (LEDs)更接近于日光。光源的應用中潛在地存在"散射"或斜射，因而要去除反光。
乂人蛋白石的位置來看，所述光燈是定向光源，覆蓋約9.1。的角度。定向照明 的缺點是蛋白石的表面存在鏡面反射，也稱為反光?？梢詫⒐鉄舻牧凉庵苯臃?射到相機。對于發(fā)生反光的表面位置，相機傳感器是飽和的，并沒有獲得關于 蛋白石的色彩和亮度的信息。因而，反光區(qū)域不得不在圖像中檢測并在進一步 分析中排除，如說明書后面所述。
設想一個用于解釋閃光發(fā)生的簡單模型，所述蛋白石的小方面作為小彩色 鏡。當光入射到蛋白石上的角度與觀察角相同時，觀察者(或相機)就將觀察 到一次閃光。對于給定的光源，閃光的觀察區(qū)域決定于光源覆蓋的立體角。立 體角越小(即光源越定向)，閃光的區(qū)域越小。對于覆蓋大立體角的大區(qū)域光源， 閃光將在所述蛋白石大面積被觀察到。注意，對于要作為評定蛋白石質量的客 觀標準的閃光區(qū)i或，光源的定向必須標準化。
對于圖像獲取，每一蛋白石都被放置在測向計12的平臺11中心處的吸盤 17上，并且通過吸力保證蛋白石在所述平臺以大角度傾斜的時候不會滑落。
對所有蛋白石，傾斜角cp以10°的階在90。范圍內變換。
:旋轉角0也以10°的階在0°到360。之間變換。
如同將在說明書后面詳述的，以兩個不同的曝光時間拍攝的圖像通過擴大動 態(tài)范圍結合在一張圖上。為此，以32ms的長時曝光時間拍攝的圖像作為基準。完 全飽和的像素被以2ms拍攝的圖像的像素所代替。
運用相機16獲取的擴大范圍圖像并不適用于計算所述蛋白石的色彩和亮度 值。首先，照明不均勻需要校正。其次，由于每一光源和相機有細微的區(qū)別特征， 裝置相關的RGB圖像需要校準到色彩的與裝置無關的測量。所述色彩的測量需要 適于以人們能夠理解的方式描述閃光和胚體色調的色彩特征。 圖傳農準 擴大曝光
所述蛋白石的亮度轉換成一個非常寬的動態(tài)范圍，從胚體色調非常暗的區(qū)域 到閃光區(qū)域都是典型的亮度量級。該亮度范圍超過了標準相^L可以拍才聶在一幅單 一圖像中的動態(tài)范圍。為了拍攝到蛋白石上亮度的整個范圍而不會由于過度感光 或感光不足丟失信息，兩幅圖像以不同的曝光時間加以拍4聶。所選相機對每一紅 (R)、綠(G)和藍(B)通道圖像在O到1023范圍內都有一個10比特的動態(tài)范 圍。圖像Ish。rt和Ii。ng分別以2ms和32ms的曝光時間拍攝的，并且結合給出 一幅擴 大動態(tài)范圍的圖^象Iext,如下面等式1所示。這就給出了 0到> 10,000的亮度范圍。
10等式l
Ilong 嗦口果Ilong<thr
Ishort *曝光表 如果Ishort>=thr
其中thr為900，曝光表相對于標準柯達白卡紙以1l加g/Ish。rt均值的比給出。
圖7給出了一個例子，如圖所示，左邊，Ikmg通過從圖像中心拍攝的水平橫切
面示出了閃光的亮度區(qū)域的飽和度(即G&R在1023的削波)，右邊，Iext通過水
平橫切面示出了所述擴大的動態(tài)范圍去除閃光的飽和度。 照明校正
使用單一光源，通過相機的視野照明通常是不均勻的。照明區(qū)域的中心趨向
于更亮。為了校正所述照明不均勻，分別獲取標準柯達白卡紙和標準柯iiA卡紙
的兩個光場象Iwhite和Igrey。所述柯達白卡紙穿過可見光鐠具有卯。/。的反射比，而所
述柯達灰卡紙有18%的反射比。假設相機中的CCD傳感器是線性的，所述照明區(qū)
域圖像可以用來校正由通道Rext、 Gext、 Bext組成的所述擴大范圍圖像Iext。照明校 正圖像Ic。r通過下面所示等式2得到。
等式2
Lmax=max(mean(Rext), mean(Ge ))， mean(Bext))
Icor=(IeXt-Igrey)*Lmax*(90-l 8)/90/(Iwhite國Igrey)+Lmax承18/90 其中，Lmax是所述通道圖像均值的梯度最大值。
色彩校準
由于彩色相機中的CCD傳感器可以具有不同的靈敏度，而且光源的光語特性
能夠隨時間改變，因而照明校正圖像w對于所述裝置的硬件設置是特定的。也就
是說，它是裝置相關的、色彩的相對測量。將所述圖^f象轉換成裝置無關的、色彩 的絕對測量的處理稱作色彩校準。
從裝置特定RGB到裝置無關的XYZ
為了將裝置特定RGB值轉換到由C (國際照明委員會)定義的裝置無關的 XYZ值，我們需要已校準色彩測試卡，比如蒙賽爾卡或麥克白卡，它們具有幾種 已知裝置無關的XYZ的色彩樣品。通過拍攝所述卡的圖像，并為每種色彩樣^ 出平均RGB值，傳輸矩陣RGB2XYZ可以通過測量的RGB值和提供的XYZ值的
線性回歸加以定義。所以，所述W圖像中的RGB值可以使用該矩陣轉換成Ixyz
圖像中的XYZ值。
從裝置無關的XYZ到裝置無關的伽瑪sRGB盡管色彩的裝置無關的XYZ測量是色彩的一個國際公認的標準，但該標準是 線性的(不像人的視覺系統(tǒng))，不易被非專家理解。所以其被轉換成標準RGB表 示，稱作sRGB。該標準中D65照明被指定相當于在家和辦公室的可視條件下的 典型的中午日光。非線性轉移函數(伽瑪曲線)十分接近于人的視覺系統(tǒng)。如果 蛋白石的sRGB圖像在sRGB校準監(jiān)視器上觀察，所述sRGB圖像將十分接近于在
自然日光(D65照明條件)下觀察到的真實蛋白石的外觀。所以，所述Ixyz圖像通
過使用下面等式3所示的標準傳輸矩陣J0^2s及G^轉換到所述sRGB校準圖像。<formula>formula see original document page 12</formula>
所述sRGB標準被設計用于:;i^射物比如蛋白石的胚體色調的圖像顯示。由 于閃光是來自蛋白石內部晶體結構的鏡面反射，因而其亮度可以增加多個數量級。 沒有單一圖像能夠準確表示所述胚體色調和閃光的色彩。由于這個原因，對照表 (LUT)被用于壓縮所述閃光的動態(tài)范圍，以便胚體色調的實際視圖能夠與所述 閃光的近似表示共存。所述LUT在胚體色調的亮度范圍上被設計為線性的， 0-ByZ"A (其中5^as/2~700)，并且規(guī)定壓縮閃光亮度:^/7aA,如圖8所示。將該 LUT應用到IsRGB得到圖像IsRGBlut,,如圖9所示，其中，左邊，IsRGB指示 該明亮閃光的真實色彩，但所述胚體色調相對較暗，右邊，IsRGB給出了胚體色 調的真實表示，但由于飽和度的原因，明亮的橙色閃光區(qū)域看起來偏黃。 從sRGB到sHSB的色彩變換
色彩的RGB表示通常應用于圖像拍攝和顯示裝置，但并不設計用以描述色彩 的人工感知。因此，需要變換到陳作HSB (或HSV)的色彩的另一種表示。HSB 表示色調(Hue),飽和度(Saturation)和亮度(Brightness)(也稱作值)。色調是 色彩的波長的測量，給定的角度范圍是0°到360°。飽和度是色彩純度或附加白色 數量的測量。純色具有100%的飽和度。隨著飽和度值的逐漸減小，所述純色被 白色逐漸沖淡。所述亮度(或值)是色彩強度的測量，最明亮的色彩將達到100% 的亮度。隨著亮度值的逐漸減小，所述純色逐漸被黑色沖淡。在此處提供的擴 大曝光圖像中，最明亮的色彩Smox (100%)的表征值為3000。
由于HSB是圖像中RGB值的簡單變換，因而HSB是相對于RGB值的標準來定義的。變換sRGB值將得出相對于D65白點的標準化"sHSB"值。將AG^2/^"
變換(通過下面等式4定義)應用到所述IsRGB圖像，得出圖像IsHSB。
等式4
H= 0
如果wox=m/"
^口果mox= 6 ^口果wox= 0 其他
60。x^)/(>wax-m/"」+ 360。 60ox^-r」《mox:-m/"」+ 120。 60。x^-g)/ ox-/w'"」+ 240。 S= 0
其中，r、 g、 b分別為R、 G、 B的值，表征像素的范圍為O-l, max為r、 g、 b的最大4直，為最小l直。 通過分割和柱狀圖測量進行圖像分析
將多視角拍攝的所有圖像進行色彩校準，需要識別每一圖像包含的特定感興 趣區(qū)部分，比如寶石或反光。這個過程稱為分割。 分割
后照明圖像的寶石分割
為了減少用于前照明拍攝多幅圖像的時間，在包含蛋白石的圖像內定位感興 趣區(qū)(ROI)是有用的。所述ROI從前照明圖像中提取比從后照明圖像中提取要 容易得多，這是因為后照明圖像的背景和寶石反差很大。因而要拍攝的第一幅圖 像是平臺傾斜90。角的后照明視圖。這樣的圖像易于通過三個通道平均亮度的簡 單的閾值進行分割，如圖10所示。如此提取的ROI可以用來為所有前照明圖像 限制要拍攝和處理的圖像區(qū)域，這可以極大地減少測量每一蛋白石的時間。
至于半透明、晶體蛋白石， 一個附加閾值用以定位任何流過所述晶體的劣 質蛋白石的不透明巖脈。稍后等到確定寶石胚體色調的時候需要所述不透明區(qū) 域的掩模。
前照明圖像的寶石分割
不像后照明圖像，前照明圖像的分割由于幾方面的原因是非常有挑戰(zhàn)性的工 作。蛋白石可以比背景明亮(在比如蛋白石)，也可以比背景暗淡(比如黑色蛋白 石)。而且，才艮據所述平臺傾斜的角度，背景的光亮強度從接近白色(從頂部觀察) 變化到接近黑色(從側面觀察)。因此一個筒單的閾值不能夠用于從背景中區(qū)分蛋
13白石。此外，所述蛋白石邊緣的陰影意味著色彩均勻性和背景亮度的簡單測量不 能用于分割蛋白石。
由于在包括背景和寶石的過渡的動態(tài)范圍部分給以了更多的權重，所述分割
在壓縮對照表IsRG胸圖像上進行(見圖ll)。分割算法是一個操作序列，概述如下
將圖像變換成增強非均勻性比如所述蛋白石的邊緣的形式，色彩質地和閃光邊緣
(使用的變換是所述R, G, B通道的基于像素變化的局部最大值)；為所述圖像 設定闊值以在所述蛋白石內獲取種子(高差異)；生成根據經驗確定的到寶石種子 距離的背景種子；找到在變化圖^#度中兩個種子集合的分界線。 前照明圖〗象的M^^割
確定了蛋白石的掩模，其包含閃光的部分需要排除。通過運用閃光是明亮(高
亮度或值)和白色(低飽和度)的事實，這是易于分割的。得到所述IsHSB圖像(見
圖12)閾值5<&//對(40%)和5〉5g/W ( 1200)結果的邏輯與(AND)是非常簡 單的。
前照明圖像的胚體色調分割
如上所述，掩?；蛑话鞍资膱D像的感興趣區(qū)通過排除閃光區(qū)域來確定。 就晶體蛋白石來說，就是排除外部不透明區(qū)域，因為外部不透明區(qū)域將阻礙晶體 胚體色調的測量。在所述胚體色調的色彩特征可以被測量之前，先要確定顯示胚 體色調的區(qū)域。如果寶石表面只有蛋白石，那么所述胚體色調區(qū)域將是閃光消失 的區(qū)域，也就是說從所述視角看不到閃光。這些區(qū)域將是寶石最暗淡的部分，然 而，這個胚體色調區(qū)域的簡單定義并不是在所有情況下都有效。如果所述寶石表 面具有劣質蛋白石(沒有引起閃光的晶體結構的蛋白石)或漂礫(嵌有蛋白石的 巖石)，那么該寶石的最暗的部分^艮有理由屬于"非蛋白石"區(qū)域，而不是屬于所 述蛋白石表面的胚體色調。
為了區(qū)別寶石的蛋白石和"非蛋白石"區(qū)域，運用的是所述寶石"非蛋白石，， 區(qū)域從不同的角度觀察是一樣的這個事實。如果比較平臺旋轉角除了 90。外的圖 像，所述寶石將產生幾何失真。這就意味著必須將從不同的平臺旋轉角度(或 不同的照明角度)拍攝的圖像與90°的平臺旋轉角拍攝的圖像進行比較。以不同 平臺旋轉角度拍攝的圖像必須對齊后才能比較。如果使用不同照明角度，此步 驟并不是必須的。如果使用不同的照明角度，那個每一個獨立光源都必須有自 己的色彩校準文件的集。所述"非蛋白石"區(qū)域是在所述多幅觀察圖像中都不 改變其外觀的區(qū)域。 閃光柱狀圖測量不像胚體色調與觀察角無關，蛋白石中的閃光從每一個觀察角度看都有變化。
在設備的硬件設置中，旋轉角和傾斜角所需的10。的取樣頻率已經建立起來以保 證沒有遺漏閃光區(qū)域。這需要拍攝和分析324幅圖像以覆蓋整個觀察角度范圍， 對測量和甚至更多以表達所述測量概要的方式顯示是個挑戰(zhàn)。 寶石HSB值的3D柱狀圖
對每一幅圖像，識別排除了背景和閃光區(qū)域的寶石掩模。由于只是在一個清 傾斜角上建立起來的，因而沒有嘗試用于排除"非蛋白石"區(qū)域或胚體色調區(qū)域。 蛋白石色彩特征的概要通過繪制掩模中提供的sHSB值的柱狀圖來創(chuàng)建。每一柱狀 圖是一副落入色彩、飽和度和亮度值集合的像素數的3D陣列。有30個倉線性分 布在0。到360。的范圍，飽和度具有在0和100 /。之間的10個倉，亮度具有20個 基于片的線性分布的倉，以給出在包含胚體色調的范圍內的10-15個倉(0-5/a/W) 和包含在閃光范圍內的5-10個倉(By7oy/7-Bwox )。
如果每一倉中的像素數被寶石(包括反光區(qū)域)中的像素編號區(qū)分開，那么 所述倉值給出具有該倉的HSB值的寶石的比例。
這是色彩信息的極其簡要的概括。例如，所述蛋白石圖像可以是800x800像 素的，這需要640,000HSB值來存儲和顯示色彩信息。通過丟棄空間上下文，所述 3D柱狀圖僅需要6,000個倉(30 H binsx 10 S binsx20 B bins)來存儲這些信息。并 且，由于空間上下文被丟棄，多個觀察的柱狀圖可以加到一起以得到所述具有特 定HSB值得寶石的平均比例。
所述累加3D寶石柱狀圖(也可以參照作為3D柱狀圖，見圖15)包含用于寶 石閃光和胚體色調的倉數。這些倉數可以通過運用閃光具有高亮度S〉辨7mM 700 ) 和高飽和度5^S/a/W (50%)的知識來分離。(注意，如果所述胚體色調的飽和度 值和"非蛋白石，，區(qū)域是已知的，所述閃光亮度和飽和度閾值可以更低)。結果是 閃光HSB值得3D柱狀圖。 閃光H&B和H&S值的累加柱狀圖
所述3D閃光柱狀圖可以被存儲，但是要以易于人們理解的方式顯示是困難 的。因此，首先將所有的飽和度倉結合起來，建立起色調和亮度值的2D累加柱狀 圖("累加H&B柱狀圖")。同樣，所有的亮度倉也結^來創(chuàng)建一個色調和飽和 度的2D累加柱狀圖("累加H&S柱狀圖")。
兩個蛋白石的累加H&B柱狀圖和H&S柱狀圖，"金雅"和"暗斑"，如圖13 所示。
所述H&B柱狀圖解釋如下色調在X軸上繪制，每一柱狀圖條的高度表示該色調的區(qū)域比例；在每一條內，亮度級用來顯示屬于色調的各種不同亮度倉的區(qū) 域比例。類似地，所述H&S柱狀圖做如下解釋色調在X軸上繪制，每一柱狀圖 條的高度表示該色彩的區(qū)域比例；在每一條內，飽和度級用來顯示屬于色調的各 種不同飽和度倉的區(qū)域比例。注意，所述級不能視為信息性的，因為閃光不像飽
萄K A 且A亦乂k
注意，根據圖13中的累加H&B柱狀圖，"金雅"中單一色彩的最大區(qū)域比例 只有"暗斑，，中的大約兩倍。然而，當檢查以80度傾斜角拍攝的圖像時，很明顯 此處的"暗斑"名副其實。從上方觀察，在閃光中存在平坦斑點。此信息并不是 累加柱狀圖中的全部證據，因此，創(chuàng)建9個附加H&B柱狀圖以累加(Summarise)
此定向信息。
閃光H&B值的定向柱狀圖
所述用于"金雅"和"暗斑"的定向H&B柱狀圖如圖14所示。下面表l定 義了觀察角范圍，該范圍是每一柱狀圖的結合。
所述"暗斑"的定向柱狀圖清晰地顯示了從上方觀察時幾乎沒有閃光，但是 從頂部左邊觀察可以看到強烈的綠色閃光。相反地，所述"金雅，，的定向柱狀圖 顯示從上方觀察時其可以顯示閃光的最大區(qū)域，而且最華美(橙色、黃色和綠色 閃光)。這些定向信息對購買者在選擇蛋白石用于具有特定方向限制的裝飾時將是 非常重要的，比如垂飾和飾針，不像戒指可以輕松地從許多方向觀察到。
上面(參60。)
BC-底部中心(礎<=600) & (ra。37.5。
) II (raK=22.5。)
BR-底部右邊(礎<=60。) & (,22.5° ) & (raK=67.5。)
CR-中心右邊U7K=60。) & (raP67.5。
) & (raK=112.5。)
TR-頂部右邊(礎<=60。 ) & (raPl12,5。
) & (ra/<=157.5。)
TC-頂部中心(他<=60。) & (ra/>157.5。
) & (raf<=202.5。)
TL -頂部左邊(礎<=60。) & (raP>202.5° ) & (raf<=247.5。)
CL -中心左邊(礎<=60。 ) & (raf>247.5° ) & (raf<=292.5° )
BL-底部左邊(礎<=60。) & (raf>292.5。
) & (ra/<=337.5。)
表1-定向柱狀圖，見察角的定義，其中tilt為平臺的傾斜角，rot為平臺的旋轉角。
上述軟件控制的圖傳教準和圖像分析方法概括在圖15a至15c中。所述圖傳4交 準包括步驟(i)使蛋白石擴大曝光，(ii)照明校正，(iii)色彩校準和(iv)色彩從sRGB
16到sHSB的變換。所述圖像分析包括隨后將經過上述校準的圖像(v)分割和(vi)柱狀 圖分析，以提供蛋白石的閃光特征的客觀評定。所述圖像分析可以擴展到包括胚 體色調的測量。 胚體色調測量
為了測量胚體色調，以說明書前面所述的方式創(chuàng)建的用于寶石內的色彩、飽 和度和亮度值全范圍的3D柱狀圖倉，說明書前面所述的在圖像中找到胚體色調的 方法，都會在軟件中有所考慮，該軟件用以該范圍內計算均值或平均sRGB值， 轉換成HSB值和分配給一個3D柱狀圖倉。所述胚體色調的H、 S和B值lC^被 記錄。
總起來說，可以通過上述本發(fā)明的優(yōu)選實施例理解 .高動態(tài)范圍圖像(曝光彎曲)需要覆蓋不同蛋白石亮度的全范圍， .蛋白石的不同亮度可以使用數字相才膝觀評定，
.控制照明條件和運用恰當的校準技術，色彩范圍可以通過確定每一 色彩的色調、 飽和度和亮度值來客觀測量， .作為減少圖像中包含的大量數據的一種方法，可以實行幾個倉和可視化的方法， .胚體色調可以;故確定，和
.所述設備可以進一步用以評定、分級和評估所有寶石，包括無機寶石和礦石， 比如，或者除了蛋白石。
對本領域技術人員來說，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，對各種對設計細節(jié) 和設備結構，和上述方法的方法步驟的修改都是顯而易見的。
例如， 一個有用的圖像拍攝方法用于在固定平臺上保護寶石(以便排除寶石 的任何潛在運動)，并系統(tǒng)地移動至少一個光源和相機使得圖像拍攝順序能夠與所 需的傾在+、翻滾和偏轉移動類似。
此外，所述設備可以包括多個數字相機和固定燈，并且所有的相機可以同時 拍攝寶石的圖像，或順序地，在平臺旋轉過程中以預定義角度增加。
權利要求
1.一種用于寶石的評定、評估和分級的設備，包括用于支撐寶石的平臺，該平臺封裝在不透光外罩中，至少一個光源設置在所述外罩中，用于投射入射光到寶石上，旋轉和傾斜所述平臺的裝置，用于改變寶石的方向使其朝向入射光，數字相機，設置于外罩上鄰近所述光源或每一個光源的位置，用來基于入射光的反射和/或折射拍攝寶石的圖像，信息處理裝置，用于校準和分析圖像，所述信息處理裝置運用指令系統(tǒng)為色彩校準所述圖像編程，然后通過分割和柱狀圖測量來分析色彩校準后的圖像。
2. 如權利要求1所述的設備，其中所述平臺通過測向計的運動可以旋轉 360°,傾斜90。。
3. 如權利要求1所述的設備，其中所述平臺包括一個吸盤，用于將寶石從 其下方吸住以將其牢固4巴持住。
4. 如權利要求1所述的設備，其中所述信息處理裝置運用高級指令系統(tǒng)為 控制相機以IO。角從O。到360。旋轉和以10。角從90。到0。傾斜拍攝一系列圖像編程。
5. 如權利要求1所述的設備,其中所述指令系統(tǒng)是在個人計算機上進行編程 的軟件。
6. 如權利要求1所述的設備，，其中所述寶石是蛋白石，所述圖像色彩校準 和圖像分析用以評定所述蛋白石的閃光特征和胚體色調。
7. —種通過信息處理裝置進行寶石的評定、評估和分級的方法，包括如下步驟(a) 色彩校準通過數字相機拍攝的寶石的多幅圖像，和(b) 通過分割和柱狀圖測量分析色彩校準后的圖像。
8. —種通過信息處理裝置對寶石的閃光特征進行評定的方法，包括如下步驟(a) 以多個旋轉和傾斜的觀察角度拍攝一系列蛋白石的數字圖像，(b) 以不同的曝光時間拍攝兩幅蛋白石的數字圖像以提供一幅由RGB值構 成的擴大范圍的圖^f象，(c) 獲取所述蛋白石的兩幅光場象圖像以校正所述擴大范圍圖像和由此提供 的裝置相關RGB值形式的照明校正圖像，(d) 將所述照明校正圖像的裝置相關RGB值通過存儲的校準色彩轉換矩陣 轉換成裝置無關XYZ值，(e) 將所述照明校準圖像的裝置無關XYZ值通過存儲的標準轉換矩陣轉換 成sRGB值，并由此提供色彩校準圖像，(f) 通過存儲的對照表壓縮所述色彩校準圖像的裝置無關sRGB值以提供一 幅壓縮的色彩校準圖像，以便顯示所述蛋白石的真實色彩，(g) 通過存儲的轉換矩陣將步驟(e)中獲取的所述色彩校準圖像的裝置無關 sRGB值轉換成HSBl直，(h) 在步驟(g)中獲取的所述色彩校準圖像中創(chuàng)建對應于所述蛋白石的掩模 并在所述掩模中排除閃光區(qū)域，(i) 在掩模內，將所述色彩校準圖像的HSB值分配給具有多個色調、飽和度 和亮度倉的3D柱狀圖，其中每個倉包含具有所述HSB值范圍子集的區(qū)域，(j)為所述圖像均分所述3D柱狀圖以給出所述蛋白石的閃光、胚體色調和非 蛋白石區(qū)域的HSB值的總柱狀圖，(k)運用高S和B值從所述3D柱狀圖中選擇所述倉以給出在所有觀察角度 的閃光區(qū)域，(1)將所有S倉結^來以給出色調和亮度的累加柱狀圖和將所有B倉結合 起來以給出色調和飽和度的累加柱狀圖，和(m)通過觀察角的子集均分步驟(i)中的所述3D柱狀圖，并重復步驟(k)和(i) 以給出累加定向柱狀圖用于通過所述角度子集顯示閃光方向。
9. 一種通過信息處理裝置進行蛋白石的胚體色調特征評定的方法，包括如下 步驟(a) 以90。的傾斜角和兩個或更多旋轉角拍攝和校準圖像，其中一幅作為主 圖像和其他圖像比較，(b) 在包括寶石的主旋轉圖像中找到感興趣區(qū)并排除閃光區(qū)域，將其他旋轉 角度圖像與主圖^^f齊，排除所述主圖像中不隨旋轉改變的非蛋白石區(qū)域，(c) 在所述蛋白石掩模內，找到所述胚體色調區(qū)域作為所述蛋白石的10%的 最暗區(qū)域，和(d) 在所述胚體色調區(qū)域，確定平均sRGB值并將其轉換成HSB值，而后將 該值分配給倉，每個倉包含一個所述HSB值范圍的子集。
全文摘要
一種用于寶石的評定、評估和分級的設備，包括用于支撐寶石的平臺(11)，該平臺封裝在不透光外罩(15)中。所述外罩中至少設置一個光源(14)，用于投射入射光到寶石上。該設備具有旋轉和傾斜所述平臺的裝置，以便改變寶石的方向使其朝向入射光。數字相機(16)設置于外罩上鄰近所述光源或每一個光源的位置，用來基于入射光的反射和/或折射拍攝寶石的圖像。該設備還具有用于校準和分析圖像的信息處理裝置，所述信息處理裝置運用指令系統(tǒng)為色彩校準所述圖像編程，然后通過分割和柱狀圖測量來分析色彩校準后的圖像。
文檔編號G01N21/87GK101652654SQ200880011090
公開日2010年2月17日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權日2007年4月3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:歐珀生產商澳大利亞有限公司