數(shù)字化便攜式寶石鑒定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

李文龍

摘要：本文在眾多的寶石評價(jià)指標(biāo)體系中挑選出四級晶體結(jié)構(gòu)、10個(gè)等級透明度和純凈度、16級寶石的重量、10級莫氏硬度等四個(gè)維度鑒定標(biāo)準(zhǔn)，并在寶石鑒定云服務(wù)器設(shè)置數(shù)據(jù)庫設(shè)置四維度標(biāo)準(zhǔn)對比庫，設(shè)計(jì)了光學(xué)檢測單元及硬度自動檢測單元，并通過主控制單元將其結(jié)合起來形成玻璃金屬制成容器。玩家將寶石放置玻璃金屬制成容器后，在智能手機(jī)上玩家APP上可實(shí)時(shí)分享鑒定過程寶石分類及總等級結(jié)果。

關(guān)鍵詞：莫氏硬度;晶體結(jié)構(gòu);光學(xué)檢測;自動檢測

中圖分類號：P575

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672 -9129（2018）12 -0205 -03

1 背景技術(shù)

隨著世界的經(jīng)濟(jì)的增長，人們對一些貴重的石頭的需求越來越多，比如鉆石，紅寶石，藍(lán)寶石，祖母綠等一些貴重寶石;還有一些中檔寶石，比如尖晶石，石榴子石，電氣石等;還有一些低檔寶石水晶等。在少部分國家有機(jī)寶石例如珍珠珊瑚等也在國際舞臺上大放光彩。但是世界上仍需要各種國際檢驗(yàn)寶石的實(shí)驗(yàn)室來確定寶石的價(jià)值和寶石的特性（比如中國，NCTC，GIC等證書;在世界上，GIA，古柏林等），在世界上，寶石的地位已經(jīng)鞏固，隨著西式婚禮佩戴寶石這種形式越來越受國人推崇，寶石在中國的地位蒸蒸日上。

本文主要研究市面流通中的寶石，以稀有寶石之外的寶石為研究對象，劃分為貴重寶石、中檔寶石、普通寶石。寶石玩家通過晶體結(jié)構(gòu)、顏色，耐久度、稀有性，眼看、手摸、工具觸照多途徑獲得對寶石的評估。晶體結(jié)構(gòu)包括八面體、六方柱、六方雙錐、十二面體、四角三八面體、基本的幾何構(gòu)型;[1]寶石也具有不同的顏色、透明度和純凈度、光澤、特殊的光學(xué)效應(yīng);耐久度包括莫氏硬度、耐酸耐堿的性、抗極熱抗極壓性、彈性限度;其中稀有性是寶石地基本特征之一。消費(fèi)者及普通玩家不可能具備如此豐富的鑒定知識，面對價(jià)值千元萬元幾十萬元寶石，在購買或出讓過程中，會有比較長鑒定時(shí)間，如果去大型機(jī)構(gòu)大實(shí)驗(yàn)室鑒定過程冗長并并且費(fèi)用不低。[2]如何從眾多寶石特征中挑選出主要特征，設(shè)計(jì)一套高效的，經(jīng)濟(jì)的，便攜的，數(shù)字化的，直觀的裝置，讓寶石處于買賣鑒定裝置中自動進(jìn)行掃描，并自動生成相關(guān)寶石價(jià)值數(shù)據(jù)，供買賣雙方參考，基于這種在線模式形成一套數(shù)字化便攜式寶石價(jià)值鑒定系統(tǒng)，是本文的研究主題與內(nèi)容。

2 系統(tǒng)框架

一種數(shù)字化便攜式寶石鑒定系統(tǒng)，在如圖l所示的系統(tǒng)框架下實(shí)現(xiàn)的;該系統(tǒng)框架包括三大部分：

第一部分：寶石鑒定云服務(wù)器由四維度數(shù)據(jù)庫表及對比評估模塊組成;數(shù)據(jù)庫配置摩氏硬度10級、重量16級、純凈度和透明度共占10級、晶體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)占4級。

第二部分：通過硬度自動檢測單元自動檢測莫氏硬度及重量，通過光學(xué)檢測單元自動檢測晶體結(jié)構(gòu)、透明度和純凈度;通過主控制單元操控寶石檢測工具移動路徑及采集檢測階段結(jié)果并上傳至寶石鑒定云服務(wù)器;

第三部分：玩家APP，為智能手機(jī)應(yīng)用功能?？蓪?shí)時(shí)分享鑒定過程顯示寶石分類及總等級結(jié)果。

3 具體實(shí)施技術(shù)措施

3.1 四個(gè)維度分級參照體系設(shè)置。四個(gè)不同的維度分為不同的等級。等級越高代表寶石越好。

（1）寶石的晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度

第四級：雙晶，寶石雙晶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且一般很罕見，故在這個(gè)維度里，將雙晶放在最高的等級，如尖晶石接觸雙晶（左），鈉長石聚片雙晶（右）

第三級：高級晶族單形，例如四面體，三角三四面體，四角三四面體，五角三四面體，六四面體，八面體，三角三八面體，四角三八面體，五角三八面體，六八面體，立方體，四六面體，菱形十二面體，五角十二面體，偏方復(fù)十二面體。（例圖從左至右為八面體，四面體）

第二級：中級晶族單形：四方柱（左圖），復(fù)四方柱，三方柱，復(fù)三方柱，六方柱，復(fù)六方柱，四方單錐，復(fù)四方單錐，三方單錐，復(fù)三方單錐，六方單錐，復(fù)六方單錐，四方雙錐，復(fù)四方雙錐，三方雙錐（右圖），復(fù)三方雙錐，六方雙椎，復(fù)六方雙椎，四方偏方面體，三方偏方面體，六方偏方面體，四方偏三角面體，復(fù)三方偏三角面體，四方四面體，菱面體。 第一級：低級晶族單形，單面（左圖），平行雙面，雙面，斜方柱，斜方四面體，斜方單錐（右圖），斜方雙錐等。

（2）透明度和純凈度。該維度共分為10個(gè)等級

LC級別（第10級）：鏡下無瑕疵，10倍放大鏡下內(nèi)外均無瑕疵

VVS1級別（第9級）：10倍放大鏡下具有極微小的瑕疵，極難觀察

VVS2級別（第8級）：10倍放大鏡下具有極微小的瑕疵，很難觀察

VS1級別（第7級）：10倍放大鏡下具細(xì)小的瑕疵，難以觀察

V52級別（第6級）：10倍放大鏡下具細(xì)小的瑕疵，比較容易觀察

SI1級別（第5級）：10倍放大鏡下具用明顯的瑕疵，鏡下容易觀察

SI2級別（第4級）：10倍放大鏡下具用明顯的瑕疵，很容易觀察

Pl級別（第3級）：從表面觀察，肉眼可見瑕疵

P2級別（第2級）：從表面觀察，肉眼容易見瑕疵

P3級別（第1級）：從表面觀察，肉眼非常容易見瑕疵

（3）寶石的重量。以克拉數(shù)為單位，設(shè)16級

第十六級：91ct-lOOct之間寶石，兩端均含

第十五級：81ct-90ct之間寶石，兩端均含

第十四級：71ct-80ct之間寶石，兩端均含

第十三級：61ct-70ct之間寶石，兩端均含

第十二級：51ct-60ct之間寶石，兩端均含

第十一級：41ct-50ct之間寶石，兩端均含

第十級：31ct-40ct之間寶石，兩端均含

第九級：21ct-30ct之間寶石，兩端均含

第八級：11ct-20ct之間寶石，兩端均含

第七級：3ct-lOct之間寶石，左端不含，右端含

第六級：2.5ct-3ct之間寶石，左端不含，右端含

第五級：2ct-2.5ct之間寶石，左端不含，右端含

第四級：1.5ct-2ct之間寶石，左端不含，右端含

第三級：1ct-l.5ct之間寶石，左端不含，右端含

第二級：0.5ct-1ct之間寶石，左端不含，右端含

第一級：0ct-0.5ct之間寶石，左端不含，右端含

（4）寶石的硬度分級

第十級：摩氏硬度為10，例如金剛石，其化學(xué)組成為C

第九級：摩氏硬度為9，例如剛玉，其化學(xué)組成為Al2 03

第八級：摩氏硬度為8，例如托帕石，其化學(xué)組成為Al2SiO4（F，OH）2

第七級：摩氏硬度為7，例如石英，其化學(xué)組成為Si02

第六級：摩氏硬度為6，例如正長石，其化學(xué)組成為KAISi3 08

第五級：摩氏硬度為5，例如磷灰石，其化學(xué)組成為Cas（ P04）3（F，OH.Cl）

第四級：摩氏硬度為4，例如螢石，其化學(xué)組成為CaF2

第三級：摩氏硬度為3，例如方解石，其化學(xué)組成為CaC03

第二級：摩氏硬度為2，例如石膏，其化學(xué)組成為CaS04·2H20

第一級：摩氏硬度為1，例如為滑石，其化學(xué)組成為Mg3[Si4 O10]（OH）2

確定礦物或?qū)毷挠捕葧r(shí)，應(yīng)該遵循先軟后硬的順序，以使寶石表面留下盡可能少的痕跡。應(yīng)該使用硬度筆進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2四個(gè)維度加權(quán)組成形成總價(jià)值

對寶石等級共分為40級

其中摩氏硬度共占10級，即占有25%

其中重量共占16級，即占有40%

其中純凈度和透明度共占10級，即共占有25%

其中晶體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)共占4級，即共占有10%

利用數(shù)學(xué)加權(quán)平均數(shù)對寶石進(jìn)行分級。保證多次鑒賞后，寶石的分級不會出現(xiàn)非常大的變化。

3.3 硬度自動檢測單元。硬度自動檢測單元為寶石的力學(xué)性質(zhì)檢測。

該裝置組成圖如下

如圖2所示，硬度自動檢測單元箭頭代表的為硬度分別為1～ 10的硬度筆，上箭頭代表的是寶石所固定的位置，三角形代表一個(gè)穩(wěn)定的三角形平臺，中間的為圓形轉(zhuǎn)盤，方便在進(jìn)行鑒賞的時(shí)候，可以進(jìn)行觀察，避免在進(jìn)行硬度檢驗(yàn)的時(shí)候，看不到實(shí)物，為珍貴寶石提供了安全性。兩個(gè)三角形的位置代表指示燈，左邊為綠燈，右邊為紅燈，綠燈代表的在該硬度下，該硬度筆滿足條件，紅燈代表在該硬度筆下超過了該寶石的最大硬度范圍，即刻切斷電源。同時(shí)在寶石固定位置配置重力傳感器，上傳本寶石重量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)對圓形轉(zhuǎn)盤進(jìn)行平面投影圖如下圖所示

使用三槽位使其穩(wěn)定的固定在圓形卡槽中，其卡槽的支持力為圓周運(yùn)動提供向心力，防止在檢測的過程中掉落使其損害。硬度自動檢測單元原理及其操作過程：接通電源，將寶石放人圓形卡槽內(nèi)，圓盤開始以以一定的角速度轉(zhuǎn)動，lOs后，將硬度為l的硬度筆轉(zhuǎn)至硬度筆圓盤的中央，Ss后放下，若綠燈亮，則將硬度為1的數(shù)據(jù)傳至寶石鑒定云服務(wù)器，lOs后，進(jìn)行第二次檢測，將硬度為2的硬度筆轉(zhuǎn)至硬度筆圓盤中央，5s后，進(jìn)行第二次檢測，隨后將硬度為2的硬度筆放下，若綠燈亮，則將硬度為2的數(shù)據(jù)傳至寶石鑒定云服務(wù)器，進(jìn)行第N次檢測后（N<11，N為正整數(shù)），紅燈亮，則迅速將硬度筆彈起，避免外力過大導(dǎo)致寶石破損。然后將（N-1）次的數(shù)據(jù)傳至寶石鑒定云服務(wù)器，進(jìn)行資料的匯總。

3.4 光學(xué)檢測單元。光學(xué)檢測單元光學(xué)器件配置為：

十倍放大鏡（專業(yè)珠寶鑒定的10倍放大鏡）;

燈光（黃光，白光，365 nm紫外燈，395 nm紫外燈）四種光源可以進(jìn)行變換

其中，十倍放大鏡型號TRIPLET 10X - 21MM，具有數(shù)字輸出接口;

燈光型號CLowicsR JY - 88，

光學(xué)檢測單元示意圖如下：

其中，三角形為燈光，園形為10倍放大鏡。

光學(xué)檢測單元是整個(gè)裝置由玻璃金屬制成，整個(gè)裝置是雙開門的形式，可以完全展現(xiàn)光學(xué)檢測單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)。光學(xué)檢測單元配有4個(gè)燈光（光強(qiáng)可以調(diào)控），四個(gè)燈光分別位于長方體模型的面心上（非開門面與其對面），4盞燈既可以保證有充足的光源，寶石位于長方體體心之上，8個(gè)十倍放大鏡可以沿著箭頭方向移動，8個(gè)放大鏡可以從不同角度鑒賞寶石，滿足三百六十度全方位觀察寶石的純凈程度與寶石的包裹體類型，十倍放大鏡。

3.5 主控制單元。依據(jù)上述原理，可將光學(xué)檢測單元及硬度自動檢測單元可制作在同一個(gè)玻璃金屬制成容器內(nèi)，主控制單元位于該玻璃金屬制成容器底部。主控制單元為嵌入式控制器，輸入輸出端口操控硬度筆及10倍放大鏡沿指定路徑運(yùn)動，同時(shí)主控制單元串行數(shù)據(jù)接口與10倍放大鏡數(shù)據(jù)端口連接，主控制單元通過4C無線網(wǎng)絡(luò)接口與寶石鑒定云服務(wù)器數(shù)據(jù)連接。

3.6 寶石鑒定云服務(wù)器四維度標(biāo)準(zhǔn)對比分析模塊。本文主要研究內(nèi)容為設(shè)計(jì)光學(xué)檢測單元及硬度自動檢測單元，然而需在寶石鑒定云服務(wù)器設(shè)置數(shù)據(jù)庫并對不斷充實(shí)優(yōu)化四維度標(biāo)準(zhǔn)對比模塊。主要是建立如文中3.1所示的寶石顏色，潔凈程度，寶石的晶體結(jié)構(gòu)及硬度等級對比標(biāo)準(zhǔn)庫;可主控制單元采集光學(xué)檢測單元及硬度自動檢測單元原始數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)比對，形成等級評定。

3.7 玩家APP。玩家將寶石放置玻璃金屬制成容器后，打開智能手機(jī)上玩家APP，可實(shí)時(shí)分享鑒定過程等級結(jié)果。依次是摩氏硬度10級、重量16級、純凈度和透明度共占10級、晶體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)占4級，及加權(quán)平均后總值寶石等級40級。不再需玩家拿傳統(tǒng)工具觸照，僅僅是共同把寶石放置玻璃金屬制成容器后固定處，由本系統(tǒng)自動檢測并顯示寶石分類及總等級。

4 本系統(tǒng)積極意義與改進(jìn)

在人民群眾生活日益提升的今天，寶石能帶來不同人的物質(zhì)文明與精神享受。在消費(fèi)者及普通玩家不具備豐富的寶石鑒定知識狀態(tài)下，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由光學(xué)檢測單元、硬度自動檢測單元、主控制單元組成的玻璃金屬制成容器，是一套高效的，經(jīng)濟(jì)的，便攜的，數(shù)字化的，直觀的裝置，讓寶石該處于玻璃金屬制成容器自動進(jìn)行掃描，形成寶石價(jià)值供買賣雙方參考。[3]該玻璃金屬制成容器可在短時(shí)間得到具有一定權(quán)威的評判，目前可支持四維度的寶石鑒賞儀，未來還將加入更多維度，比如特殊光學(xué)性質(zhì)，光澤，其稀有程度等多方位的鑒賞，不停的修改四維度標(biāo)準(zhǔn)，變成完整的n維度的寶石鑒賞。

參考文獻(xiàn)：

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