CN101652654A - 用于宝石的评定、评估和分级的设备和方法 - Google Patents

用于宝石的评定、评估和分级的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于宝石的评定、评估和分级的设备，包括用于支撑宝石的平台(11)，该平台封装在不透光外罩(15)中。所述外罩中至少设置一个光源(14)，用于投射入射光到宝石上。该设备具有旋转和倾斜所述平台的装置，以便改变宝石的方向使其朝向入射光。数字相机(16)设置于外罩上邻近所述光源或每一个光源的位置，用来基于入射光的反射和/或折射拍摄宝石的图像。该设备还具有用于校准和分析图像的信息处理装置，所述信息处理装置运用指令系统为色彩校准所述图像编程，然后通过分割和柱状图测量来分析色彩校准后的图像。

Description

用于宝石的评定、评估和分级的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于宝石(包括无机的和有机的宝石)和矿石，比如蛋白石、珍珠和钻石以及矿物标本的评定、评估和分级的设备和方法，尤其涉及一种用于所述宝石和矿石的包含硬件和软件的数字分析仪。
尽管本发明的背景和优选实施例将在以下参照蛋白石的评定、评估和分级来描述，但对于本领域技术人员来说，显然本发明此处详述的目的并非局限于此，而是广泛应用于所有宝石和矿石。对每一个理解本说明书的人来说，在涉及所有宝石和矿石时使用术语“宝石”都落在本发明的保护范围之内。
背景技术
当前蛋白石的评定和评估的做法非常主观，人们基于人为观察因素的结合，比如评价在蛋白石移动时色彩的闪光，胚体色调，色彩，亮度和图案。澳大利亚贡献了世界上95％的蛋白石，这既是一件幸事，也是一件祸事。外国的购买者通常并没有经过对提供的蛋白石进行评定的培训(在买卖双方引起艰难的谈判)，他们也不能以十分简要客观的术语向供应者描述出一种特定类型的蛋白石，使得供应商能够提供恰当的蛋白石。
大多数宝石评定使用的是倍率为10×的小型放大镜。将宝石置于宝石镊子中进行观察，翻转宝石(使其倾斜、翻滚和偏转)以观察光与宝石的相互作用和内外特征。
当前蛋白石评定和评估做法的主观性为蛋白石的开采者和购买者在交易的时候制造了谈判困难和重大误解。
有许多主要特征可以用于为蛋白石的价值分级，比如：
·色彩(色调)和闪光区域
·亮度
·胚体色调
·图案
·形状
·其他特征
根据蛋白石总体宝石价值的相对重要性，色彩和胚体色调的结合占40％的比重，紧随其后的是亮度和图案，各占30％，剩余的特征占的比重相当小。根据对人工观察者的客观评定的调查，色彩似乎最难，其次是亮度，看起来相对易于人工评定和量化的是图案，有28种主要类型。
色彩对人工观察者来说难于评定有如下原因：
(1)每一角度改变，即倾斜，翻滚和偏转引起的色彩变化的贡献。由于人的感知和主观记忆有限以及目力差异，所有方向被整合到色彩估计是很难的。
(2)此外，由于观察条件高度易变，因而很难根据色彩参照图精确地指定色号。
还有一个新问题，合成蛋白石或蛋白石人造仿品和其他宝石不断改进，甚至在某些情况下(比如钻石)，检测天然宝石和合成宝石是极端困难的。验证宝石的真实性是另一个问题，可以通过采用客观自动的分析方法解决。
美国专利No.6,239,867(“专利”)公开的方案提供一种客观自动分析方法和用于宝石分级的图像拍摄装置。尽管该方案也涉及使用方法和装置为蛋白石和其他宝石分级，但并不适于蛋白石，对其他宝石，甚至钻石来说也是极不合适的。上述专利中公开的图像拍摄装置和方法在图像拍摄期间不允许宝石的倾斜、翻滚和偏转等运动，以便显示宝石的“色彩闪变”，因而宝石的平台是不可倾斜的。该专利也没有公开对宝石表面所有部分进行色彩、亮度、胚体色调和其他特征的评定，在针对每一特征对宝石进行分级前，这些特征中的许多对蛋白石尤其重要。然而，该专利公开了通过可控电弧移动照相机在钻石的狭小区域取样，并在所述区域均分总照度数据以评定钻石的色彩。
由于不能显示蛋白石所有部分的“色彩闪变”、胚体色调和亮度，如此有限的取样并不适用于蛋白石。特别地，该专利阐述了通过从用环带和台面绘制的图像像素区域获取彩色图像的平均红绿蓝(RGB)值，通过狭小区域的色彩取样，可以获得更可预测和更精确的色彩读取。这些程序并不适合蛋白石的评定，因为蛋白石的整个面都需要色彩评定。
而且，该专利公开的图像拍摄装置在宝石和照相机之间滤光，这对于色彩的分析是致命的。该装置还在宝石和玻璃台中心位置之间使用高粘性浸入油，或浸入宝石以便去除反射和帮助光的传播，尽管是该宝石是用于检测其瑕疵和色彩的。该专利公开的所述图像拍摄装置和方法的这些特征不适于蛋白石，也极不适用于其他宝石。
发明内容
本发明的目的是克服或切实改进现有技术的上述缺点和问题，或者至少提供一种有用的选择。
本发明的另一目的是提供一种用于以客观自动的方式对宝石进行评定、评估和分级的设备和方法，以使蛋白石和其他宝石质量分析和分级标准化，从而提高买卖双方交易的信心，也增加了价格的确定性，使得买卖双方可以准备好接受这个价格或为宝石支付这个价格。
根据本发明，提供了一种用于宝石的评定、评估和分级的设备，包括用于支撑宝石的平台，该平台封装在不透光外罩中。所述外罩中至少设置一个光源，用于投射入射光到宝石上。该设备具有旋转和倾斜所述平台的装置，以便改变宝石的方向使其朝向入射光。数字相机设置于外罩上邻近所述光源或每一个光源的位置，用来基于入射光的反射和/或折射拍摄宝石的图像。该设备还具有用于校准和分析图像的信息处理装置，所述信息处理装置运用指令系统为色彩校准所述图像编程，然后通过分割和柱状图测量来分析色彩校准后的图像。
优选的，所述平台可以旋转360°，倾斜90°，并且可以是测向计的一部分。
所述相机与所述光源或每一个光源尽可能接近地设置在一起，以便模拟人工蛋白石分级，其中所述光源或每一个光源与相机的轴线尽可能接近一致。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例用于宝石的评定、评估和分级设备的等距侧视图。
图2是图1所示设备的相机和照明装置的配置视图。
图3是图1所示设备的可旋转和可倾斜的平台的配置视图。
图4是图1所示设备去除外罩后的内部特征视图。
图5是图1所示设备外罩的门打开的等轴视图。
图6是图3中所示配置的平台在倾斜位的视图。
图7提供了用于图像校准的蛋白石水平横切面的长时曝光图像Ilongh和扩大曝光图像Iext的图解比较。
图8是用于图像校准的蛋白石的输入亮度值(x轴)的线图与输出亮度转换值的对照表(LUT)。
图9提供了用于图像校准的蛋白石水平横切面的标准化图像IsRGB和压缩对照表图像IsRGBlut。
图10示出了宝石的后照明图像部分(左边)和宝石掩模(右边)。
图11示出了宝石的前照明压缩对照表IsRGBlut图像部分，宝石的后照明图像(左边)和宝石掩模(右边)。
图12通过前照明sHSB图像(左边)和宝石掩模(右边)示出了所述sHSB图像IsHSB中的反光的分割。
图13提供了两种不同蛋白石的累加(Summary)色调和亮度柱状图的比较，和所述两种不同蛋白石的累加(Summary)色调和饱和度柱状图的比较，所述蛋白石图像以80°倾斜角拍摄。
图14提供了图13中使用的所述两种蛋白石的定向色调和亮度柱状图。
图15a是以优选软件控制的图像校准和分析方法的逻辑流程图，该方法用于根据所述闪光特征进行宝石的评定、评估和分级。
图15b是图15a逻辑流程图的延续。
图15c是图15a和图15b的逻辑流程图的进一步延续。
具体实施方式
参照图1所示设备10，蛋白石可以放置在平台11或测向计12的台架上，如图6所示，平台11可以通过测向计的运动倾斜和旋转。对于平台11，所述蛋白石可以有一个5×5×2cm的最大尺寸。在本说明书中，倾斜角和旋转角分布用符号
Figure A20088001109000081
和θ表示。当相机16和一个或多个光源14(见图2)直接置于其上时，平台的水平面或水平位置对应
Figure A20088001109000082
的读数。从水平位置，倾斜平台11使之远离一个或多个光源14引起读数从
Figure A20088001109000083
到
Figure A20088001109000084
逐渐减小。
所述装置包括一个不透光外罩15，相机16、光源14和测向计12在所述外罩中的相对位置如图4所示。光源14可旋转地安装在相机16的旁边，以使得它们离平台等距，并且光源14尽可能地与相机轴线(即垂直于肩部)接近一致。这是为了复制照明条件用于人工蛋白石分级。
所述外罩15有一个入口18，用以将蛋白石放入平台11的中心。所述入口18有一个螺旋锁19，该锁只有在操作安全的时候才能打开，比如平台11停止任何运动。打开的时候，平台11将不能移动。
外罩15的顶部和侧面下部设置有防光冷却口20用于所述设备的对流冷却。
外罩15的剖面内设置有马达控制单元21，该马达控制单元21与相机16、光源14和测向计12被墙体22隔开。所述单元21有一个开关24和指示灯，并且包括伺服马达驱动器卡，灯触头，安全电路和连接到个人计算机(未示出)的总开关(main isolator)，在个人计算机中图像校准和图像分析将通过软件控制。由马达控制单元21驱动的轴和齿轮的组合件23控制测向计12及其平台11的旋转和倾斜。
为了量化蛋白石的色彩特征，这两个闪光的特征或者“色彩闪变”和胚体色调是十分重要的。
相机16多角度拍摄一系列图像以便在整个视角范围内量化所述闪光。几个图像拍摄几何结构是可能的，比如倾斜放有蛋白石的旋转平台11，同时保持相机和光源不动，或移动相机和光源同时保持所述旋转平台的倾斜角不变，或他们的结合。
起初，相机16直接设置在置有宝石的旋转平台11的上方，其中所述平台的倾斜角为90°。
运用后照明，拍摄一幅图像用以确定蛋白石是否是半透明的(即晶体)，并在所述包含蛋白石的图像中确定感兴趣区(ROI)。
运用前照明，以10°的间隔在0°到360°之间旋转，拍摄36幅图像，尽管以5°的间隔可能会更适用于一些蛋白石。
这一系列图像不断以平台的10°水平的倾斜角重复直到得到蛋白石的侧视图。有一些蛋白石更适用于5°的间隔的倾斜角。尽管没有示出，但相机16比平台11更适于倾斜。
蛋白石被一个柔韧的硅基吸盘17从其下方吸住，从而牢牢放置于平台11上。吸盘和吸盘及真空泵的管道都是由半透明材料制成的，因而该系统不会遮住所述蛋白石的前或后照明视图。这就使蛋白石能够足够牢固地放置在平台11上，使得所述平台11可以在90°(俯视)至0°(侧视)间倾斜而不会导致蛋白石脱落。这就意味着该设备的开发者可以选择使用平台倾斜而不是相机运动来实现。选择使用平台倾斜的优点是其幅度比通过移动相机实现要小。
用软件分析所述图像以提取所述闪光和胚体色调特征的概要并把这些测量以易于理解的方式显示。软件控制分析将在说明书后面描述。
显然，此处描述的设备和方法能够更容易地适用于所有有色宝石(包括钻石，蓝宝石，红宝石，绿宝石)的评定、评估和分级。
彩色图像可以使用相机16获取(由Qimaging制造的Micropublisher RTV5.0)。该相机具有l0比特(bits)的动态范围，每一红、绿、蓝(RGB)通道对应1024像素强度水平(对应于该相机可分辨的大约10亿总量)。像素值是2560×1920。相机的镜头采用Randd电子微距镜头。焦距是25mm，光圈设为f/8。
光源14采用白炽灯泡。所述白炽灯泡的灼热丝产生广谱光。所以，根据其光谱的宽度，白炽灯比其他光谱分布中具有窄波尖的光源比如荧光灯或发光二极管(LEDs)更接近于日光。光源的应用中潜在地存在“散射”或斜射，因而要去除反光。
从蛋白石的位置来看，所述光灯是定向光源，覆盖约9.1°的角度。定向照明的缺点是蛋白石的表面存在镜面反射，也称为反光。可以将光灯的亮光直接反射到相机。对于发生反光的表面位置，相机传感器是饱和的，并没有获得关于蛋白石的色彩和亮度的信息。因而，反光区域不得不在图像中检测并在进一步分析中排除，如说明书后面所述。
设想一个用于解释闪光发生的简单模型，所述蛋白石的小方面作为小彩色镜。当光入射到蛋白石上的角度与观察角相同时，观察者(或相机)就将观察到一次闪光。对于给定的光源，闪光的观察区域决定于光源覆盖的立体角。立体角越小(即光源越定向)，闪光的区域越小。对于覆盖大立体角的大区域光源，闪光将在所述蛋白石大面积被观察到。注意，对于要作为评定蛋白石质量的客观标准的闪光区域，光源的定向必须标准化。
对于图像获取，每一蛋白石都被放置在测向计12的平台11中心处的吸盘17上，并且通过吸力保证蛋白石在所述平台以大角度倾斜的时候不会滑落。
对所有蛋白石，倾斜角
Figure A20088001109000101
以10°的阶在90°范围内变换。
旋转角θ也以10°的阶在0°到360°之间变换。
如同将在说明书后面详述的，以两个不同的曝光时间拍摄的图像通过扩大动态范围结合在一张图上。为此，以32ms的长时曝光时间拍摄的图像作为基准。完全饱和的像素被以2ms拍摄的图像的像素所代替。
运用相机16获取的扩大范围图像并不适用于计算所述蛋白石的色彩和亮度值。首先，照明不均匀需要校正。其次，由于每一光源和相机有细微的区别特征，装置相关的RGB图像需要校准到色彩的与装置无关的测量。所述色彩的测量需要适于以人们能够理解的方式描述闪光和胚体色调的色彩特征。
图像校准
扩大曝光
所述蛋白石的亮度转换成一个非常宽的动态范围，从胚体色调非常暗的区域到闪光区域都是典型的亮度量级。该亮度范围超过了标准相机可以拍摄在一幅单一图像中的动态范围。为了拍摄到蛋白石上亮度的整个范围而不会由于过度感光或感光不足丢失信息，两幅图像以不同的曝光时间加以拍摄。所选相机对每一红(R)、绿(G)和蓝(B)通道图像在0到1023范围内都有一个10比特的动态范围。图像Ishort和Ilong分别以2ms和32ms的曝光时间拍摄的，并且结合给出一幅扩大动态范围的图像Iext，如下面等式1所示。这就给出了0到＞10,000的亮度范围。
等式1
Figure A20088001109000111
其中thr为900，曝光表相对于标准柯达白卡纸以Ilong/Ishort均值的比给出。
图7给出了一个例子，如图所示，左边，Ilong通过从图像中心拍摄的水平横切面示出了闪光的亮度区域的饱和度(即G&R在1023的削波)，右边，Iext通过水平横切面示出了所述扩大的动态范围去除闪光的饱和度。
照明校正
使用单一光源，通过相机的视野照明通常是不均匀的。照明区域的中心趋向于更亮。为了校正所述照明不均匀，分别获取标准柯达白卡纸和标准柯达灰卡纸的两个光场象Iwhite和Igrey。所述柯达白卡纸穿过可见光谱具有90％的反射比，而所述柯达灰卡纸有18％的反射比。假设相机中的CCD传感器是线性的，所述照明区域图像可以用来校正由通道Rext、Gext、Bext组成的所述扩大范围图像Iext。照明校正图像Icor通过下面所示等式2得到。
等式2
Lmax＝max(mean(Rext)，mean(Gext))，mean(Bext))
Icor＝(Iext-Igrey)*Lmax*(90-18)/90/(Iwhite-Igrey)+Lmax*18/90
其中，Lmax是所述通道图像均值的梯度最大值。
色彩校准
由于彩色相机中的CCD传感器可以具有不同的灵敏度，而且光源的光谱特性能够随时间改变，因而照明校正图像Icor对于所述装置的硬件设置是特定的。也就是说，它是装置相关的、色彩的相对测量。将所述图像转换成装置无关的、色彩的绝对测量的处理称作色彩校准。
从装置特定RGB到装置无关的XYZ
为了将装置特定RGB值转换到由CIE(国际照明委员会)定义的装置无关的XYZ值，我们需要已校准色彩测试卡，比如蒙赛尔卡或麦克白卡，它们具有几种已知装置无关的XYZ的色彩样品。通过拍摄所述卡的图像，并为每种色彩样本提出平均RGB值，传输矩阵RGB2XYZ可以通过测量的RGB值和提供的XYZ值的线性回归加以定义。所以，所述Icor图像中的RGB值可以使用该矩阵转换成Ixyz图像中的XYZ值。
从装置无关的XYZ到装置无关的伽玛sRGB
尽管色彩的装置无关的XYZ测量是色彩的一个国际公认的标准，但该标准是线性的(不像人的视觉系统)，不易被非专家理解。所以其被转换成标准RGB表示，称作sRGB。该标准中D65照明被指定相当于在家和办公室的可视条件下的典型的中午日光。非线性转移函数(伽玛曲线)十分接近于人的视觉系统。如果蛋白石的sRGB图像在sRGB校准监视器上观察，所述sRGB图像将十分接近于在自然日光(D65照明条件)下观察到的真实蛋白石的外观。所以，所述Ixyz图像通过使用下面等式3所示的标准传输矩阵XYZ2sRGB转换到所述sRGB校准图像。
等式3
                 X           Y           Z
            R    3.240479    -1.537150   -0.498535
XYZ2sRGB＝  G    -0.969256   1.875992    0.041556
            B    0.055648    -0.204043   1.057311
从伽玛sRGB到非线性对照表sRGBlut
所述sRGB标准被设计用于漫反射物比如蛋白石的胚体色调的图像显示。由于闪光是来自蛋白石内部晶体结构的镜面反射，因而其亮度可以增加多个数量级。没有单一图像能够准确表示所述胚体色调和闪光的色彩。由于这个原因，对照表(LUT)被用于压缩所述闪光的动态范围，以便胚体色调的实际视图能够与所述闪光的近似表示共存。所述LUT在胚体色调的亮度范围上被设计为线性的，0-Bflash(其中Bflash～700)，并且规定压缩闪光亮度＞Bflash，如图8所示。将该LUT应用到IsRGB得到图像IsRGBlut，，如图9所示，其中，左边，IsRGB指示该明亮闪光的真实色彩，但所述胚体色调相对较暗，右边，IsRGB给出了胚体色调的真实表示，但由于饱和度的原因，明亮的橙色闪光区域看起来偏黄。
从sRGB到sHSB的色彩变换
色彩的RGB表示通常应用于图像拍摄和显示装置，但并不设计用以描述色彩的人工感知。因此，需要变换到陈作HSB(或HSV)的色彩的另一种表示。HSB表示色调(Hue)，饱和度(Saturation)和亮度(Brightness)(也称作值)。色调是色彩的波长的测量，给定的角度范围是0°到360°。饱和度是色彩纯度或附加白色数量的测量。纯色具有100％的饱和度。随着饱和度值的逐渐减小，所述纯色被白色逐渐冲淡。所述亮度(或值)是色彩强度的测量，最明亮的色彩将达到100％的亮度。随着亮度值的逐渐减小，所述纯色逐渐被黑色冲淡。在此处提供的扩大曝光图像中，最明亮的色彩Bmax(100％)的表征值为3000。
由于HSB是图像中RGB值的简单变换，因而HSB是相对于RGB值的标准来定义的。变换sRGB值将得出相对于D65白点的标准化“sHSB”值。将RGB2HSB变换(通过下面等式4定义)应用到所述IsRGB图像，得出图像IsHSB。
等式4
H＝0                           如果max＝min
60°×(g-b)/(max-min)+0°      如果max＝r&g＞＝b
60°×(g-b)/(max-min)+360°    如果max＝r&g＜b
60°×(b-r)/(max-min)+120°    如果max＝g
60°×(r-g)/(max-min)+240°    如果max＝b
S＝0                           如果max＝0
1-min/max                      其他
B＝max*Bmax
其中，r、g、b分别为R、G、B的值，表征像素的范围为0-1，max为r、g、b的最大值，min为最小值。
通过分割和柱状图测量进行图像分析
将多视角拍摄的所有图像进行色彩校准，需要识别每一图像包含的特定感兴趣区部分，比如宝石或反光。这个过程称为分割。
分割
后照明图像的宝石分割
为了减少用于前照明拍摄多幅图像的时间，在包含蛋白石的图像内定位感兴趣区(ROI)是有用的。所述ROI从前照明图像中提取比从后照明图像中提取要容易得多，这是因为后照明图像的背景和宝石反差很大。因而要拍摄的第一幅图像是平台倾斜90°角的后照明视图。这样的图像易于通过三个通道平均亮度的简单的阈值进行分割，如图10所示。如此提取的ROI可以用来为所有前照明图像限制要拍摄和处理的图像区域，这可以极大地减少测量每一蛋白石的时间。
至于半透明、晶体蛋白石，一个附加阈值用以定位任何流过所述晶体的劣质蛋白石的不透明岩脉。稍后等到确定宝石胚体色调的时候需要所述不透明区域的掩模。
前照明图像的宝石分割
不像后照明图像，前照明图像的分割由于几方面的原因是非常有挑战性的工作。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，根据所述平台倾斜的角度，背景的光亮强度从接近白色(从顶部观察)变化到接近黑色(从侧面观察)。因此一个简单的阈值不能够用于从背景中区分蛋白石。此外，所述蛋白石边缘的阴影意味着色彩均匀性和背景亮度的简单测量不能用于分割蛋白石。
由于在包括背景和宝石的过渡的动态范围部分给以了更多的权重，所述分割在压缩对照表IsRGBlut图像上进行(见图11)。分割算法是一个操作序列，概述如下：将图像变换成增强非均匀性比如所述蛋白石的边缘的形式，色彩质地和闪光边缘(使用的变换是所述R，G，B通道的基于像素变化的局部最大值)；为所述图像设定阈值以在所述蛋白石内获取种子(高差异)；生成根据经验确定的到宝石种子距离的背景种子；找到在变化图像梯度中两个种子集合的分界线。
前照明图像的反光分割
确定了蛋白石的掩模，其包含闪光的部分需要排除。通过运用闪光是明亮(高亮度或值)和白色(低饱和度)的事实，这是易于分割的。得到所述IsHSB图像(见图12)阈值S＜Sglint(40％)和B＞Bglint(1200)结果的逻辑与(AND)是非常简单的。
前照明图像的胚体色调分割
如上所述，掩模或只包含蛋白石的图像的感兴趣区通过排除闪光区域来确定。就晶体蛋白石来说，就是排除外部不透明区域，因为外部不透明区域将阻碍晶体胚体色调的测量。在所述胚体色调的色彩特征可以被测量之前，先要确定显示胚体色调的区域。如果宝石表面只有蛋白石，那么所述胚体色调区域将是闪光消失的区域，也就是说从所述视角看不到闪光。这些区域将是宝石最暗淡的部分，然而，这个胚体色调区域的简单定义并不是在所有情况下都有效。如果所述宝石表面具有劣质蛋白石(没有引起闪光的晶体结构的蛋白石)或漂砾(嵌有蛋白石的岩石)，那么该宝石的最暗的部分很有理由属于“非蛋白石”区域，而不是属于所述蛋白石表面的胚体色调。
为了区别宝石的蛋白石和“非蛋白石”区域，运用的是所述宝石“非蛋白石”区域从不同的角度观察是一样的这个事实。如果比较平台旋转角除了90°外的图像，所述宝石将产生几何失真。这就意味着必须将从不同的平台旋转角度(或不同的照明角度)拍摄的图像与90°的平台旋转角拍摄的图像进行比较。以不同平台旋转角度拍摄的图像必须对齐后才能比较。如果使用不同照明角度，此步骤并不是必须的。如果使用不同的照明角度，那个每一个独立光源都必须有自己的色彩校准文件的集。所述“非蛋白石”区域是在所述多幅观察图像中都不改变其外观的区域。
闪光柱状图测量
不像胚体色调与观察角无关，蛋白石中的闪光从每一个观察角度看都有变化。在设备的硬件设置中，旋转角和倾斜角所需的10°的取样频率已经建立起来以保证没有遗漏闪光区域。这需要拍摄和分析324幅图像以覆盖整个观察角度范围，对测量和甚至更多以表达所述测量概要的方式显示是个挑战。
宝石HSB值的3D柱状图
对每一幅图像，识别排除了背景和闪光区域的宝石掩模。由于只是在一个清倾斜角上建立起来的，因而没有尝试用于排除“非蛋白石”区域或胚体色调区域。蛋白石色彩特征的概要通过绘制掩模中提供的sHSB值的柱状图来创建。每一柱状图是一副落入色彩、饱和度和亮度值集合的像素数的3D阵列。有30个仓线性分布在0°到360°的范围，饱和度具有在0和100％之间的10个仓，亮度具有20个基于片的线性分布的仓，以给出在包含胚体色调的范围内的10-15个仓(0-Bfalsh)和包含在闪光范围内的5-10个仓(Bflash-Bmax)。
如果每一仓中的像素数被宝石(包括反光区域)中的像素编号区分开，那么所述仓值给出具有该仓的HSB值的宝石的比例。
这是色彩信息的极其简要的概括。例如，所述蛋白石图像可以是800×800像素的，这需要640,000HSB值来存储和显示色彩信息。通过丢弃空间上下文，所述3D柱状图仅需要6,000个仓(30Hbins×10Sbins×20Bbins)来存储这些信息。并且，由于空间上下文被丢弃，多个观察的柱状图可以加到一起以得到所述具有特定HSB值得宝石的平均比例。
所述累加3D宝石柱状图(也可以参照作为3D柱状图，见图15)包含用于宝石闪光和胚体色调的仓数。这些仓数可以通过运用闪光具有高亮度B＞Bflash(700)和高饱和度S＞Sfalsh(50％)的知识来分离。(注意，如果所述胚体色调的饱和度值和“非蛋白石”区域是已知的，所述闪光亮度和饱和度阈值可以更低)。结果是闪光HSB值得3D柱状图。
闪光H&B和H&S值的累加柱状图
所述3D闪光柱状图可以被存储，但是要以易于人们理解的方式显示是困难的。因此，首先将所有的饱和度仓结合起来，建立起色调和亮度值的2D累加柱状图(“累加H&B柱状图”)。同样，所有的亮度仓也结合起来创建一个色调和饱和度的2D累加柱状图(“累加H&S柱状图”)。
两个蛋白石的累加H&B柱状图和H&S柱状图，“金雅”和“暗斑”，如图13所示。
所述H&B柱状图解释如下：色调在X轴上绘制，每一柱状图条的高度表示该色调的区域比例；在每一条内，亮度级用来显示属于色调的各种不同亮度仓的区域比例。类似地，所述H&S柱状图做如下解释：色调在X轴上绘制，每一柱状图条的高度表示该色彩的区域比例；在每一条内，饱和度级用来显示属于色调的各种不同饱和度仓的区域比例。注意，所述级不能视为信息性的，因为闪光不像饱和度那样非常易于变化。
注意，根据图13中的累加H&B柱状图，“金雅”中单一色彩的最大区域比例只有“暗斑”中的大约两倍。然而，当检查以80度倾斜角拍摄的图像时，很明显此处的“暗斑”名副其实。从上方观察，在闪光中存在平坦斑点。此信息并不是累加柱状图中的全部证据，因此，创建9个附加H&B柱状图以累加(Summarise)此定向信息。
闪光H&B值的定向柱状图
所述用于“金雅”和“暗斑”的定向H&B柱状图如图14所示。下面表1定义了观察角范围，该范围是每一柱状图的结合。
所述“暗斑”的定向柱状图清晰地显示了从上方观察时几乎没有闪光，但是从顶部左边观察可以看到强烈的绿色闪光。相反地，所述“金雅”的定向柱状图显示从上方观察时其可以显示闪光的最大区域，而且最华美(橙色、黄色和绿色闪光)。这些定向信息对购买者在选择蛋白石用于具有特定方向限制的装饰时将是非常重要的，比如垂饰和饰针，不像戒指可以轻松地从许多方向观察到。
  上面 (tilt＞60°)
  BC-底部中心 (tilt＜＝60°)&(rot337.5°)||(rot＜＝22.5°)
  BR-底部右边 (tilt＜＝60°)&(rot＞22.5°)&(rot＜＝67.5°)
  CR-中心右边 (tilt＜＝60°)&(rot＞67.5°)&(rot＜＝112.5°)
  TR-顶部右边 (tilt＜＝60°)&(rot＞112.5°)&(tot＜＝157.5°)
  TC-顶部中心 (tilt＜＝60°)&(rot＞157.5°)&(rot＜＝202.5°)
  TL-顶部左边 (tilt＜＝60°)&(rot＞202.5°)&(rot＜＝247.5°)
  CL-中心左边 (tilt＜＝60°)&(rot＞247.5°)&(rot＜＝292.5°)
  BL-底部左边 (tilt＜＝60°)&(rot＞292.5°)&(rot＜＝337.5°)
表1-定向柱状图观察角的定义，其中tilt为平台的倾斜角，rot为平台的旋转角。
上述软件控制的图像校准和图像分析方法概括在图15a至15c中。所述图像校准包括步骤：(i)使蛋白石扩大曝光，(ii)照明校正，(iii)色彩校准和(iv)色彩从sRGB到sHSB的变换。所述图像分析包括随后将经过上述校准的图像(v)分割和(vi)柱状图分析，以提供蛋白石的闪光特征的客观评定。所述图像分析可以扩展到包括胚体色调的测量。
胚体色调测量
为了测量胚体色调，以说明书前面所述的方式创建的用于宝石内的色彩、饱和度和亮度值全范围的3D柱状图仓，说明书前面所述的在图像中找到胚体色调的方法，都会在软件中有所考虑，该软件用以该范围内计算均值或平均sRGB值，转换成HSB值和分配给一个3D柱状图仓。所述胚体色调的H、S和B值随后被记录。
总起来说，可以通过上述本发明的优选实施例理解：
·高动态范围图像(曝光弯曲)需要覆盖不同蛋白石亮度的全范围，
·蛋白石的不同亮度可以使用数字相机客观评定，
·控制照明条件和运用恰当的校准技术，色彩范围可以通过确定每一色彩的色调、饱和度和亮度值来客观测量，
·作为减少图像中包含的大量数据的一种方法，可以实行几个仓和可视化的方法，
·胚体色调可以被确定，和
·所述设备可以进一步用以评定、分级和评估所有宝石，包括无机宝石和矿石，比如，或者除了蛋白石。
对本领域技术人员来说，在不脱离本发明范围的情况下，对各种对设计细节和设备结构，和上述方法的方法步骤的修改都是显而易见的。
例如，一个有用的图像拍摄方法用于在固定平台上保护宝石(以便排除宝石的任何潜在运动)，并系统地移动至少一个光源和相机使得图像拍摄顺序能够与所需的倾斜、翻滚和偏转移动类似。
此外，所述设备可以包括多个数字相机和固定灯，并且所有的相机可以同时拍摄宝石的图像，或顺序地，在平台旋转过程中以预定义角度增加。

Claims (9)

1.一种用于宝石的评定、评估和分级的设备，包括用于支撑宝石的平台，该平台封装在不透光外罩中，至少一个光源设置在所述外罩中，用于投射入射光到宝石上，旋转和倾斜所述平台的装置，用于改变宝石的方向使其朝向入射光，数字相机，设置于外罩上邻近所述光源或每一个光源的位置，用来基于入射光的反射和/或折射拍摄宝石的图像，信息处理装置，用于校准和分析图像，所述信息处理装置运用指令系统为色彩校准所述图像编程，然后通过分割和柱状图测量来分析色彩校准后的图像。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述平台通过测向计的运动可以旋转360°，倾斜90°。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述平台包括一个吸盘，用于将宝石从其下方吸住以将其牢固把持住。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述信息处理装置运用高级指令系统为控制相机以10°角从0°到360°旋转和以10°角从90°到0°倾斜拍摄一系列图像编程。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述指令系统是在个人计算机上进行编程的软件。
6.如权利要求1所述的设备，，其中所述宝石是蛋白石，所述图像色彩校准和图像分析用以评定所述蛋白石的闪光特征和胚体色调。
7.一种通过信息处理装置进行宝石的评定、评估和分级的方法，包括如下步骤：
(a)色彩校准通过数字相机拍摄的宝石的多幅图像，和
(b)通过分割和柱状图测量分析色彩校准后的图像。
8.一种通过信息处理装置对宝石的闪光特征进行评定的方法，包括如下步骤：
(a)以多个旋转和倾斜的观察角度拍摄一系列蛋白石的数字图像，
(b)以不同的曝光时间拍摄两幅蛋白石的数字图像以提供一幅由RGB值构成的扩大范围的图像，
(c)获取所述蛋白石的两幅光场象图像以校正所述扩大范围图像和由此提供的装置相关RGB值形式的照明校正图像，
(d)将所述照明校正图像的装置相关RGB值通过存储的校准色彩转换矩阵转换成装置无关XYZ值，
(e)将所述照明校准图像的装置无关XYZ值通过存储的标准转换矩阵转换成sRGB值，并由此提供色彩校准图像，
(f)通过存储的对照表压缩所述色彩校准图像的装置无关sRGB值以提供一幅压缩的色彩校准图像，以便显示所述蛋白石的真实色彩，
(g)通过存储的转换矩阵将步骤(e)中获取的所述色彩校准图像的装置无关sRGB值转换成HSB值，
(h)在步骤(g)中获取的所述色彩校准图像中创建对应于所述蛋白石的掩模并在所述掩模中排除闪光区域，
(i)在掩模内，将所述色彩校准图像的HSB值分配给具有多个色调、饱和度和亮度仓的3D柱状图，其中每个仓包含具有所述HSB值范围子集的区域，
(j)为所述图像均分所述3D柱状图以给出所述蛋白石的闪光、胚体色调和非蛋白石区域的HSB值的总柱状图，
(k)运用高S和B值从所述3D柱状图中选择所述仓以给出在所有观察角度的闪光区域，
(l)将所有S仓结合起来以给出色调和亮度的累加柱状图和将所有B仓结合起来以给出色调和饱和度的累加柱状图，和
(m)通过观察角的子集均分步骤(i)中的所述3D柱状图，并重复步骤(k)和(i)以给出累加定向柱状图用于通过所述角度子集显示闪光方向。
9.一种通过信息处理装置进行蛋白石的胚体色调特征评定的方法，包括如下步骤：
(a)以90°的倾斜角和两个或更多旋转角拍摄和校准图像，其中一幅作为主图像和其他图像比较，
(b)在包括宝石的主旋转图像中找到感兴趣区并排除闪光区域，将其他旋转角度图像与主图像对齐，排除所述主图像中不随旋转改变的非蛋白石区域，
(c)在所述蛋白石掩模内，找到所述胚体色调区域作为所述蛋白石的10％的最暗区域，和
(d)在所述胚体色调区域，确定平均sRGB值并将其转换成HSB值，而后将该值分配给仓，每个仓包含一个所述HSB值范围的子集。
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