寶石唯一性鑒定的研究綜述

吳倩倩,袁心強(qiáng)

(1.蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215000;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院,湖北 武漢 430000)

0 引言

目前寶石或鉆石在流通過程中,主要使用出具的紙質(zhì)鑒定證書作為依據(jù)。但紙質(zhì)鑒定證書容易遺失,甚至被仿冒,所以在流通過程中可信度不高。對(duì)價(jià)值高、體積小、外觀近似的寶石(尤其是鉆石)如果不能進(jìn)行科學(xué)的身份辨識(shí),會(huì)導(dǎo)致一些寶石被魚目混珠,或說不清來源,阻礙珠寶行業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前比較流行的鉆石身份證明方法是在鉆石的腰圍上用激光刻寫一組編碼或在鉆石臺(tái)面上刻印記,由于腰碼和印記也比較容易被仿冒,所以珠寶行業(yè)萌發(fā)了一些利用寶石自身的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征對(duì)寶石實(shí)現(xiàn)唯一性鑒定的技術(shù)及方法。本文將對(duì)寶石唯一性鑒定這一技術(shù)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行論述,以期給繁榮的寶石市場一點(diǎn)啟發(fā)。

1 寶石唯一性證明的方法

1.1 比對(duì)鉆石分級(jí)證書

鉆石經(jīng)常都配有一張分級(jí)證書,比較權(quán)威的證書有GIA、NGTC、HRD、IGI證書等。證書上記錄有鉆石的相關(guān)信息,例如鉆石的色級(jí)、凈度、切工參數(shù)、克拉質(zhì)量等。用戶可以通過官網(wǎng)輸入證書編號(hào)、確認(rèn)鉆石腰碼、核對(duì)鉆石凈度瑕疵圖、確認(rèn)重量、比色卡對(duì)比顏色、確認(rèn)熒光、測量尺寸、切工比例儀測切工等方式確認(rèn)鉆石是否為套證鉆石。

1.2 鉆石激光刻字識(shí)別

鉆石腰碼是用鉆石激光雕刻機(jī)在鉆石腰棱上雕刻的字母+數(shù)字編碼。像身份證號(hào)碼一樣,每顆鉆石的腰碼都是不同的。鉆石刻字加工對(duì)設(shè)備的要求非常高,傳統(tǒng)的刻字方法速度慢,容易損壞鉆石,刻出來的字體容易出現(xiàn)歪斜不清晰等現(xiàn)象;用激光刻字設(shè)備在鉆石上刻出的字體規(guī)整、清晰,不傾斜,不隱藏,只要不打磨腰棱,無論經(jīng)過多久時(shí)間,腰碼都不會(huì)變淺或者消失[1]。所以,腰碼可以作為識(shí)別寶石身份的手段。美國寶石學(xué)院(GIA)近兩年研制的Match iD儀器采用專有的人工智能技術(shù),捕捉鉆石的腰碼圖像,并關(guān)聯(lián)鉆石云中儲(chǔ)存報(bào)告,在App中直接顯示給消費(fèi)者[2]。并且,GIA宣布將于2025年實(shí)現(xiàn)全部紙質(zhì)證書數(shù)字化。

一句經(jīng)典廣告語 “鉆石恒久遠(yuǎn),一顆永留傳” 因De Beers集團(tuán)而誕生,Forevermark永恒印記隸屬De Beers集團(tuán)。每一顆Forevermark永恒印記鉆飾都會(huì)提交到位于比利時(shí)安特衛(wèi)普的“Forevermark永恒印記鉆石研究院”,被印記上獨(dú)一無二的認(rèn)證編碼和品牌標(biāo)識(shí)。鉆石臺(tái)面上的印記采用保密的專利技術(shù),印記深度僅1/20 μm,相當(dāng)于人頭發(fā)直徑的1/500,只有使用特殊鑒賞儀才能清晰可見[3]。圖1為GIA的鉆石腰棱刻字編碼和戴比爾斯的鉆石臺(tái)面印記觀察設(shè)備圖。

圖1 鉆石激光腰棱刻字識(shí)別機(jī)[2]和鉆石臺(tái)面印記觀察設(shè)備[3]

1.3 鉆石幾何結(jié)構(gòu)識(shí)別法

美國環(huán)球收藏家公司的Mohamad Ellawand于2008年發(fā)明了一種用于分析目標(biāo)寶石的方法和寶石圖案匹配方法[4],其通過分析由發(fā)射例如穿過寶石的激光光束的光源產(chǎn)生的圖案來生成可見的光學(xué)圖案,并比較該圖案和已知寶石圖案的數(shù)據(jù)庫以確定目標(biāo)寶石與數(shù)據(jù)庫寶石的匹配百分比。匹配基于圖案中的最重光斑的權(quán)重和其位置,將其與數(shù)據(jù)庫相比較以確定匹配百分比。圖2為該專利所附寶石激光光斑圖。

圖2 寶石激光光斑圖[4]

薩哈加納德科技私人有限公司的Rahul Mahendra Gaywala于2017年發(fā)明了一種鑒定寶石唯一性的方法[5]。其采用點(diǎn)狀的激光光源裝置照射鉆石樣品,光線經(jīng)過鉆石的反射在相機(jī)中形成一些點(diǎn)狀的圖案。為了獲取鉆石樣品的身份特征,采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉆石樣品180°并連續(xù)拍照,形成一張經(jīng)過多次曝光的有大量點(diǎn)狀圖案的圖像,以此作為該鉆石的身份特征。除了借助唯一圖像之外,對(duì)鉆石身份的識(shí)別還要使用結(jié)合標(biāo)識(shí)信息的方式來解決。

美國Photoscribe公司的David Benderly于2014年發(fā)明了采用100多個(gè)點(diǎn)狀光源同時(shí)照射寶石樣品,拍下至少一張布滿點(diǎn)狀圖案的寶石圖像,以此鑒定寶石身份的方法[6]。裝置采用可通電的固定點(diǎn)光源,從不同角度發(fā)射光線到寶石的臺(tái)面,在寶石下方有固定背光沿垂直腰棱方向照射。攝像頭采集寶石的返回光圖像?？刂破髦辽偬幚硪粋€(gè)圖像以確定寶石的光學(xué)特性(光線覆蓋率和對(duì)稱性等)。圖3為裝置附圖和所采集的點(diǎn)狀返回光圖案。

圖3 裝置圖和采集的點(diǎn)狀圖案[6]

劉厚祥于2017年發(fā)明了一種識(shí)別寶石身份的方法,該方法主要通過識(shí)別寶石的多種集合特征參數(shù)來實(shí)現(xiàn)寶石的唯一性鑒定[7]。該方法采集的寶石的集合特征參數(shù)包括寶石的幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和素面寶石的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)兩大類型。寶石的幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括寶石各個(gè)面的周長、面積、與腰面的角度、腰部波形、琢形、長寬高和3D模型;素面寶石的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括寶石表面弧度、表面積、琢型、長寬高和3D模型,一共13個(gè)參數(shù)。將得到待識(shí)別身份的寶石的上述參數(shù)與寶石身份識(shí)別數(shù)據(jù)庫中的寶石的特征參數(shù)進(jìn)行比對(duì),得到比對(duì)結(jié)果,從而識(shí)別寶石的身份。圖4為該專利所附比對(duì)步驟圖。

圖4 寶石身份比對(duì)步驟圖[7]

鄭珂威于2020年發(fā)明了一種基于同態(tài)加密保護(hù)的寶石圖像特征識(shí)別方法[8],通過對(duì)寶石檢測圖像進(jìn)行特征提取并與寶石內(nèi)含物特征合并編碼后加密生成識(shí)別庫,再通過對(duì)待測寶石的身份特征編碼進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)識(shí)別;該發(fā)明能夠形成每顆獨(dú)一無二的身份編碼,同時(shí)采用全同態(tài)方式進(jìn)行加密,使之既可以運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)寶石身份識(shí)別,同時(shí)不會(huì)泄露這些數(shù)據(jù)。圖5為對(duì)某粒寶石內(nèi)部包裹體的特征提取和幾何計(jì)算圖。

圖5 寶石內(nèi)部包裹體的特征提取和幾何計(jì)算圖[8]

襄陽愛默思智能檢測裝備有限公司的雷自力于2019年提出了一種使用寶石特征圖像,并通過多種圖像處理方法采集寶石特征數(shù)據(jù)作為識(shí)別寶石身份的方法[9-10]。通過比對(duì)寶石現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中調(diào)取的數(shù)據(jù),匹配重量特征、色彩分布特征、數(shù)據(jù)表特征和幾何特征是否一致,進(jìn)而得出物證一致或物證不符的鑒定結(jié)論。該發(fā)明使用匹配特征數(shù)據(jù)進(jìn)行寶石唯一性鑒定的思路對(duì)于大批量寶石的流通和追溯具有重要意義。圖6為刻面寶石圖像和提取的特征點(diǎn),圖7為寶石特征數(shù)據(jù)匹配流程圖。

圖6 刻面寶石圖像和提取的特征點(diǎn)[9]

圖7 寶石特征數(shù)據(jù)匹配流程圖[10]

張耀拓于2010年公開了一種基于光學(xué)傅立葉變換的鉆石身份特征指紋空間頻譜分析鑒定方法,以及基于該方法的鉆石身份特征檢測分析鑒定系統(tǒng)裝置[11]。采用平行光束照明鉆石臺(tái)面,通過一個(gè)透鏡對(duì)鉆石切割面的反射光進(jìn)行光學(xué)傅立葉變換,在透鏡的后焦面得到鉆石切割面的空間頻譜信息,然后通過一個(gè)CCD成像系統(tǒng)收集鉆石切割面的空間頻譜信號(hào)圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)管理,并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的鉆石空間頻譜信號(hào)圖像進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石身份特征的檢測分析鑒定。

無錫新吉?jiǎng)P氏測量技術(shù)有限公司的涂成生于2018年公開了一種基于幾何形態(tài)信息的寶石認(rèn)證和識(shí)別系統(tǒng)[12],包括幾何形態(tài)測量設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)庫;通過幾何形態(tài)測量設(shè)備完成對(duì)寶石幾何形態(tài)的測量,再用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)幾何形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,幾何形態(tài)數(shù)據(jù)及處理分析的結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫,完成寶石的認(rèn)證登記。識(shí)別時(shí),采用同樣方法測量被識(shí)別樣品的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)、經(jīng)處理和分析后,與數(shù)據(jù)庫中的寶石幾何形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),比對(duì)結(jié)果即可確定被識(shí)別樣品是否與數(shù)據(jù)庫某特定寶石一致。

1.4 鉆石身份鑒定儀

作者在2021年研制出了鉆石身份鑒定儀[13],并發(fā)明了鉆石身份鑒定方法[14]。鉆石身份鑒定儀使用高精度的窄環(huán)形光源作為測試光源,光源、鉆石和攝像頭的中心軸在一條直線上,窄環(huán)形光源垂直上下移動(dòng)提供了垂直于鉆石臺(tái)面的不同入射角,采集每個(gè)設(shè)定的入射角度的圖像,獲得帶有鉆石的指紋特征信息的圖像系列[13]。通過計(jì)算分析,每粒鉆石的采集圖像系列能形成明亮度(亮度、火彩、閃爍)數(shù)值曲線,儀器結(jié)構(gòu)和鉆石亮度曲線如圖8所示。計(jì)算待測鉆石明亮度曲線和數(shù)據(jù)庫鉆石明亮度曲線的相關(guān)系數(shù),即可得出相似度百分比,從而實(shí)現(xiàn)鉆石的身份識(shí)別[14]。筆者已經(jīng)對(duì)1500粒鉆石進(jìn)行過比對(duì)試驗(yàn),任意兩粒鉆石的曲線相似度均小于鉆石重復(fù)性測試設(shè)定的閾值,鉆石百分百可區(qū)分[15]。

圖8 鉆石身份鑒定儀結(jié)構(gòu)圖和一粒鉆石的亮度曲線

鉆石身份鑒定儀使用窄環(huán)形光源垂直上下移動(dòng)的照射方式,不僅在從技術(shù)手段上區(qū)別于旋轉(zhuǎn)寶石,而且更能保證測量結(jié)果的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。環(huán)形光源能形成360°全方位的入射光,無論鉆石如何繞軸旋轉(zhuǎn),均能獲得一致的測試結(jié)果。環(huán)形光源垂直上下移動(dòng)提供了垂直與鉆石臺(tái)面的不同入射角,采集每個(gè)設(shè)定的入射角度的圖像,獲得帶有鉆石的指紋特征信息的圖像系列。測試過程中鉆石樣品的位置沒有變化,極大地便利了對(duì)圖像的數(shù)據(jù)處理。若使用微信或優(yōu)酷掃描圖9的二維碼,可以看到該發(fā)明得到的兩粒鉆石的指紋特征所具有的美妙視覺效果,可能比布滿點(diǎn)狀圖案的圖像更具有市場推廣價(jià)值。

圖9 視頻二維碼

2 結(jié)論

本文介紹了寶石唯一性鑒定領(lǐng)域的技術(shù)背景,相比較借助證書報(bào)告、腰棱編碼、臺(tái)面印記等外在形式,利用寶石本身的幾何結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)效果進(jìn)行唯一性鑒定更能降低寶石流通中造成的交易風(fēng)險(xiǎn),增加鑒定結(jié)果的可信度。本文所述寶石幾何結(jié)構(gòu)特征識(shí)別專利的步驟都是借助設(shè)備采集寶石原始圖案(光斑、點(diǎn)狀圖案、亮度圖案、包裹體圖案等),使用計(jì)算機(jī)分析寶石特征數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中,將現(xiàn)場采集寶石的特征數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì),從而迅速、準(zhǔn)確地確定所采集寶石的身份。寶石唯一性鑒定是未來寶石鑒定領(lǐng)域需要攻破的技術(shù)難題,具有廣闊的發(fā)展前景。在大數(shù)據(jù)和人工智能的技術(shù)背景下,珠寶科技行業(yè)會(huì)不斷向前發(fā)展,打破傳統(tǒng)的珠寶鑒定模式,使珠寶鑒定領(lǐng)域的最新技術(shù)成果惠及于民。