УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЕРТИЗЫ, ОЦЕНКИ И КЛАССИФИКАЦИИ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ Российский патент 2013 года по МПК G01N21/87 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству и способам экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней (в том числе неорганических и органических драгоценных камней) и минералов, таких как опалы, жемчуг и алмазы, а также образцы минералов. В частности, настоящее изобретение относится к цифровому анализатору для таких драгоценных камней и минералов, который включает как оборудование, так и программное обеспечение.

Хотя предпосылки создания изобретения и предпочтительные варианты осуществления изобретения будут далее описаны со ссылкой на экспертизу, оценку и классификацию опалов, квалифицированным специалистам в этой области технологии будет очевидно, что в настоящем описании предполагается, что описываемое здесь изобретение не ограничивается таковыми, но имеет более широкую применимость ко всем драгоценным камням и минералам. Для более легкого понимания описания термин «драгоценный(-ные) камень(-ни)» будет употребляться применительно ко всем драгоценным камням и минералам, которые попадают в пределы области изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современная практика экспертизы и оценки опалов является весьма субъективной, так как она основывается на комбинации наблюдаемых человеком факторов, таких как оценивание цветных «световых вспышек» или «сверканий» при движении опала, цветовой тон, оттенок цвета, яркость и рисунок. Тот факт, что на долю Австралии приходятся 95% мировой добычи опалов, является и благом, и проклятием. Зарубежные покупатели часто не только не имеют опыта в определении качества поставляемых опалов (что ведет к усложнению переговоров между покупателем и продавцом), но они также не могут описать конкретный тип опала в достаточно лаконичных и объективных понятиях, чтобы поставщик мог предоставить надлежащие опалы.

По большей части экспертизу драгоценных камней проводят с использованием лупы с 10-кратным увеличением. Драгоценный камень рассматривают, держа его парой пинцетов для драгоценных камней и поворачивая его (наклоняя, переворачивая и поворачивая в горизонтальной плоскости) для наблюдения взаимодействия света с драгоценным камнем и получения характеристик внешнего и внутреннего вида.

Субъективный характер современной практики экспертизы и оценки опалов создает трудности в переговорах и существенные помехи в плане торговли между добывающими опалы горняками и покупателями.

Существует ряд ключевых характеристик, по которым опал может быть классифицирован по своей ценности, такие как:

- Цвет (оттенок цвета) и площадь «световых вспышек».

- Яркость.

- Цветовой тон.

- Рисунок.

- Форма.

- Прочие характеристики.

В плане относительной важности для общей геммологической ценности опала, цвет и цветовой тон в сочетании составляют около 40% значимости, после которых следуют яркость и рисунок, каждый показатель примерно по 30%, и остальные характеристики имеют гораздо менее существенную значимость. В плане выявления объективной оценки наблюдающим человеком цвет представляется наиболее трудным, после которого идет яркость, которая кажется более простой для оценки и поддается количественному описанию вручную, как и рисунок, какового насчитывается 28 основных типов.

Цвет труден для оценки наблюдающим человеком ввиду следующего:

(1) Вклад каждого изменения цвета при изменении угла рассмотрения, то есть при наклоне, переворачивании и повороте в горизонтальной плоскости. Все ориентации должны быть объединены в оценке цвета, каковая затруднительна вследствие ограниченного восприятия и субъективной памяти людей и вариаций их поля зрения.

(2) В полевых условиях затруднительно точно оценить оттенок цвета согласно цветовой шкале, поскольку условия наблюдения являются весьма непостоянными.

Проблема осложняется еще и тем, что совершенствуются синтетические или искусственные копии опалов и других драгоценных камней, и в некоторых случаях (например, с алмазами) исключительно трудно отличить натуральные драгоценные камни от синтетических. Подтверждение подлинности драгоценных камней составляет еще одну проблему, которая может быть разрешена путем внедрения объективных и автоматизированных аналитических методов.

Один подход к созданию объективного и автоматизированного аналитического метода и устройства для ввода изображений для классификации алмазов представлен в Патенте США № 6239867 («Патент»). Хотя в таковом упоминается применение способа и устройства для классификации опалов и прочих драгоценных камней, этот подход непригоден для опалов и плохо подходит для других драгоценных камней, даже алмазов. Устройство для захвата изображений и способ, раскрытые в Патенте, не позволяют перемещать драгоценный камень с наклоном, переворачиванием и поворотом в горизонтальной плоскости во время съемки изображений, чтобы отобразить «игру цветов» драгоценного камня, так как предметный столик для драгоценного камня не может наклоняться. Патент также не раскрывает оценки всех сегментов грани драгоценного камня по каждому показателю из цвета, яркости, цветового тона и прочих характеристик, многие из которых в особенности важны для опалов до проведения классификации драгоценного камня по каждой характеристике. Скорее Патент представляет способ выборки малой области алмаза путем перемещения камеры по регулируемой дуге и усреднения общих параметров освещения в этой области для экспертизы цвета алмаза.

Такое ограниченное выборки непригодно для опалов, поскольку оно не отражает «игры цветов», цветового тона и яркости опала по всем его сегментам. В частности, Патент указывает, что анализ цвета драгоценного камня выполняют получением средних значений красного, зеленого и синего (RGB) для цветных изображений в области пикселей изображения, охватывающего поясок (самая широкая часть огранки) и самые крупные грани камня, и что выборкой цвета в небольшой области получают более прогнозируемое и точное измерение цвета. Эти процедуры непригодны для оценки опалов, где оценки цвета требует вся внешняя поверхность опала.

Далее, устройство для захвата изображений, раскрытое в Патенте, фильтрует свет между драгоценным камнем и своей камерой, и это утверждается как критически важное для анализа цветов. В этом устройстве также используют высоковязкое иммерсионное масло либо между драгоценным камнем и стеклянной пластинкой, в центре которой его помещают, либо для погружения драгоценного камня, чтобы устранить отблески, облегчить пропускание света через драгоценный камень для определения дефектов или цветных включений. Эти признаки устройства для ввода изображений и способ, раскрытые в Патенте, непригодны для опалов и плохо подходят для других драгоценных камней.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения состоит в преодолении или существенном сокращении вышеупомянутых недостатков и проблем прототипа, или по меньшей мере в представлении применимой альтернативы.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в представлении устройства и способов экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней в объективном и автоматизированном подходе, чтобы обеспечить возможность стандартизации опала и других драгоценных камней для анализа качества и сортировки, тем самым, повышая уровень доверия в торговых операциях продавцов, и также предоставляя покупателям критерии достоверности цен, к каковым они могут быть готовы для заключения соглашения или покупки драгоценного камня.

Согласно изобретению представлено устройство для экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней, включающее предметный столик, или основание на котором драгоценный камень может быть закреплен, причем предметный столик заключен в корпусе, который является непроницаемым для света, по меньшей мере один источник света, расположенный в корпусе и приспособленный для проецирования падающего света на драгоценный камень, средство для вращения или наклона предметного столика, чтобы менять ориентацию драгоценного камня относительно падающего света, цифровую камеру, размещенную в корпусе рядом с данным или каждым источником света и приспособленную для получения изображений драгоценного камня, основанных на отражении и/или преломлении падающего света, и средства обработки информации для калибровки и анализа изображений, в котором средство обработки информации запрограммировано набором команд для калибровки цвета изображений и затем анализа цветокорректированных изображений путем сегментации и построения гистограмм в результате измерений.

Предпочтительно, что этот предметный столик может поворачиваться на 360° и наклоняться примерно на 90° и может представлять собой часть гониометра.

Важно, чтобы камера и данный или каждый источник света были позиционированы как можно ближе друг к другу, чтобы имитировать классификацию опала человеком, причем данный или каждый источник света находится настолько близко к совпадению с оптической осью камеры, насколько это возможно.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет трехмерный вид сбоку устройства для экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней согласно первому варианту осуществления.

Фиг.2 представляет вид камеры и компоновки освещения устройства из Фиг.1.

Фиг.3 представляет вид компоновки поворотного и наклоняемого предметного столика устройства из Фиг.1.

Фиг.4 представляет вид устройства из Фиг.1 с его корпусом, снятым для демонстрации внутренних деталей.

Фиг.5 представляет трехмерный вид устройства из Фиг.1 с открытой дверцей корпуса.

Фиг.6 представляет вид компоновки предметного столика, показанного на Фиг.3, в наклонном положении.

Фиг.7 представляет графическое сравнение изображения I_long при длительной экспозиции и изображения I_ext при экспозиции с расширенным динамическим диапазоном для горизонтального сечения опала, привлеченного для калибровки изображения.

Фиг.8 представляет линейный график входных значений яркости (х-ось) относительно значения выходной яркости согласно переносу по таблице преобразования (LUT) для опала, привлеченного для калибровки изображения.

Фиг.9 представляет графическое сравнение стандартизированного изображения I_sRGB и сжатого согласно таблице преобразования (LUT) изображения I_sRGBlut для горизонтального сечения опала, привлеченного для калибровки изображения.

Фиг.10 показывает сегментацию изображения камня в проходящем свете (слева) и маски камня (справа).

Фиг.11 показывает сегментацию изображения I_sRGBlut при прямом освещении, сжатом согласно таблице преобразования (LUT), с изображением при прямом освещении камня (слева) и маской камня (справа).

Фиг.12 показывает сегментацию отблеска в sHSB-изображении I_sHSB, с sHSB-изображением при прямом освещении (слева) и маской отблеска (справа).

Фиг.13 представляет сравнение Суммарных Гистограмм Оттенка цвета и Яркости двух различных опалов, и сравнение Суммарных Гистограмм Оттенка цвета и Насыщенности тех же двух опалов для изображений, полученных при наклоне опалов на угол 80°.

Фиг.14 представляет сравнение гистограмм оттенка цвета и яркости по направлениям для двух опалов, использованных на Фиг.13.

Фиг.15а представляет логическую блок-схему предпочтительной калибровки изображения с программным контролем и способа анализа для экспертизы, оценки и классификации опалов согласно характеристике «световых вспышек».

Фиг.15b представляет продолжение логической блок-схемы на Фиг.15а.

Фиг.15с представляет дальнейшее продолжение логической блок-схемы из Фиг.15а и Фиг.15b.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С привлечением показанного на Фиг.1 устройства 10, опал можно разместить на предметном столике 11, или платформе, гониометра 12, причем предметный столик 11 может наклоняться или поворачиваться при перемещении гониометра, как показано в Фиг.6. Опал может иметь максимальный размер 5×5×2 см для предметного столика 11. В настоящем описании углы наклона и поворота будут обозначены символами Φ и θ, соответственно. Уровень, или горизонтальное положение, предметного столика соответствует показанию Φ=90°, когда камера 16 и один или более источников 14 света (см. Фиг.2) находятся непосредственно сверху. Наклон предметного столика 11 из горизонтального положения в сторону от одного или более источников 14 света приводит к индикации угла, снижающейся от Φ=90° до 0°.

Устройство включает светонепроницаемый корпус 15, и относительные положения камеры 16, источников 14 света и гониометра 12 внутри корпуса показаны в Фиг.4. Положение источников 14 света, которые смонтированы с возможностью вращения, предусмотрено рядом с камерой 16 так, что они размещены на равном расстоянии от предметного столика, и источники 14 света находятся настолько близко к совпадению с оптической осью камеры, насколько это возможно (то есть, над плечом). Это сделано для имитации условий освещения, используемых для классификации опалов человеком.

Корпус 15 имеет дверцу 18 люка для установки опала в центр предметного столика 11. Дверца 18 имеет замок 19 с электромагнитным управлением, чтобы он мог быть открыт только тогда, когда это можно сделать безопасно, например когда завершены все перемещения предметного столика 11. Когда дверца открыта, предметный столик 11 не способен двигаться.

Светонепроницаемые вентиляционные отверстия 20 для охлаждения предусмотрены на верхней и нижней сторонах корпуса 15 для обеспечения конвективного охлаждения устройства.

Имеется блок 21 управления двигателем, размещенный внутри секции корпуса 15, который отделен стенкой 22 от камеры 16, источников 14 света и гониометра 12. Блок 21 имеет выключатель 24, действующий в режиме «включение-выключение», и индикаторную лампочку, и включает платы управления сервомотором, контакторы для ламп, цепи аварийной защиты и главный вентиль, соединенный с персональным компьютером (не показан), на котором калибровка изображения и анализ изображений будут выполняться с программным контролем. Вал и зубчатая передача 23, приводимые в действие блоком 21 управления двигателем, регулируют поворот и наклон гониометра 12 и его предметного столика 11.

Для количественного определения цветовых характеристик опала критически важными являются два параметра - «световые вспышки», или «игра цвета», и цветовой тон.

Камера 16 захватывает серию изображений под разнообразными углами для количественной оценки «световых вспышек» во всем диапазоне углов рассмотрения. Возможно применение нескольких геометрических компоновок съемки изображений, таких как наклон поворотного предметного столика 11, удерживающего опал, в то же время при фиксированных камере и источниках света, или же перемещение камеры и источников света при сохранении фиксированного угла наклона поворотного предметного столика, или некоторые комбинации таковых.

Первоначально камеру 16 позиционируют непосредственно над поворотным предметным столиком 11, содержащим опал, когда предметный столик установлен под углом наклона 90°.

При освещении в проходящем свете (на просвет) захватывают одно изображение для определения, является ли опал просвечивающим (то есть, кристаллическим), и также для определения представляющей интерес области (ROI) внутри изображения, которая содержит опал.

При прямом освещении снимают или захватывают тридцать шесть изображений с интервалами в 10° при вращении от 0° до 360°, хотя для некоторых опалов более подходящими могут оказаться интервалы в 5°. Эту серию изображений повторяют с 10-градусными шагами наклона предметного столика, пока не будет получен вид опала сбоку. Для некоторых опалов могут быть более пригодными 5-градусные интервалы угла наклона. Хотя это не показано, для наклона может быть приспособлена скорее камера 16, нежели предметный столик 11.

Опал прочно закрепляют на предметном столике 11 с помощью гибкой присоски 17 на основе силикона с использованием присасывания опала снизу. Если присоска и трубка от присоски к вакуумному насосу сделаны из просвечивающего материала, то эта система не загораживает виды опала ни при прямом освещении, ни при просвечивании сзади. Она в состоянии достаточно прочно удерживать опал, когда предметный столик 11 может быть наклонен от угла 90° (верхний вид) до 0° (боковой вид) без падения опала. Это означает, что конструктор устройства может выбирать вариант исполнения, в котором используется скорее наклон предметного столика, нежели перемещение камеры. Этим достигается то преимущество, что прибор занимает меньше места, чем при варианте исполнения с перемещением камеры.

Программное обеспечение используют для анализа этих изображений для обобщения характеристик «световых вспышек» и цветового тона и для выведения результатов этих измерений на экран в легко воспринимаемой форме. Описание каждой стадии анализа с программным контролем приведено в описании изобретения ниже.

Будет очевидно, что описываемые здесь устройство и способы могут быть без труда приспособлены для экспертизы, оценки и классификации всех окрашенных драгоценных камней (в том числе алмаза, сапфира, рубина и изумруда).

Цветные изображения были получены с использованием камеры 16 (модели Micropublisher RTV 5.0, изготовленной фирмой Qimaging). Эта камера имеет динамический диапазон 10 бит, соответствующий разрядности 1024 уровней яркости для каждого красного, зеленого и синего (RGB) канала (в целом соответствует приблизительно одному миллиарду цветов, которые камера может различить). Формат изображения составляет 2560×1920 пикселей. Встроенные в камеру линзы были макролинзами Randd Electronics. Фокусное расстояние составляло 25 мм, и апертура была настроена на f/8.

В качестве источника 14 света использовали электролампу накаливания. Светящаяся нить в электролампе накаливания испускает свет в широком диапазоне длин волн. Так, в плане ширины ее спектра, она более похожа на дневной свет, чем другие источники света, такие как флуоресцентные лампы или светодиоды (СИД), спектральное распределение излучения которых характеризуется узкими пиками. Для применения источника света существует потенциальная возможность организации режима «рассеянного» освещения или косого освещения, чтобы устранить отблески.

Если смотреть с места положения опала, электрическая лампа представляет собой источник направленного света, охватывающего угол приблизительно 9,1°. Недостатком направленного освещения является то, что зеркальные отражения от поверхности опала, также называемые отблесками, могут направлять яркий свет от электролампы напрямую в камеру. Для участков поверхности, где возникают отблески, датчик камеры насыщается, и нельзя получить никакой информации о цвете и яркости опала. Поэтому участки отблесков должны быть определены в изображениях и исключены из дальнейшего анализа, как описано позже в описании изобретения.

Простая модель для разъяснения возникновения «световых вспышек» состоит в допущении, что грани внутри опала действуют как маленькие окрашенные зеркала. Зритель (или камера) поэтому наблюдает «световую вспышку», когда угол падения света на опал совпадает с углом рассмотрения. Поэтому для данного источника света наблюдаемая область «световой вспышки» зависит от пространственного угла, охватываемого источником света. Чем меньше пространственный угол (то есть, чем более направленным является источник света), тем меньше площадь «световых вспышек». Для источника света, освещающего большую площадь, который распространяет свет с большим пространственным углом, «световые вспышки» будут наблюдаться на большой площади опала. Следует отметить, что для того, чтобы сделать «световые вспышки» объективным критерием при оценке качества опала, нужно стандартизировать направленность освещения от источника света.

Для получения изображения каждый опал помещали на присоску 17 в центре предметного столика 11 гониометра 12 и фиксировали присасыванием для предотвращения соскальзывания его с предметного столика при больших углах наклона.

Для всех опалов угол наклона Φ варьировали в диапазоне 90° с интервалами в 10°.

Угол поворота θ также варьировали от 0° до 360° с интервалами 10°.

Как более подробно будет описано далее в описании изобретения, изображения, снятые с двумя различными временами экспозиции, комбинировали в одно изображение с расширенным динамическим диапазоном. Для этого в качестве базового использовали изображение, полученное с длительным временем экспозиции в 32 мсек. Пиксели, которые были полностью насыщенными, заменили пикселями из изображения, снятого с экспозицией 2 мсек.

Изображения с расширенным динамическим диапазоном, полученные камерой 16, непригодны для расчета значений цвета и яркости опалов. Во-первых, необходимо скорректировать неоднородности освещения. Затем, поскольку каждый источник света и камера имеют слегка различающиеся характеристики, необходимо откалибровать приборно-зависимое RGB-изображение для приборно-независимого измерения цвета. Это измерение цвета должно быть приемлемым для описания цветовых характеристик «световых вспышек» и цветового тона в терминах, понятных специалисту.

КАЛИБРОВКА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изображение с расширенным динамическим диапазоном

Яркость опала охватывает очень широкий динамический диапазон, от очень темных областей цветового тона до участков «световых вспышек», которые типично являются более яркими на несколько порядков величины. Этот диапазон яркости превышает динамический диапазон, который стандартная камера может охватить в одиночном изображении. Для регистрации полного диапазона яркости, свойственного опалам, без потери информации вследствие пере- или недоэкспонирования, регистрируют пару изображений при различных временах экспозиции. Выбранная камера имеет 10-битовый динамический диапазон для каждого из красного (R), зеленого (G) и синего (В) каналов с формирующими изображение пикселями в диапазоне от 0 до 1023. Изображения I_short и I_long захватывают с двумя экспозициями, 2 мсек и 32 мсек, соответственно, и комбинируют с образованием изображения с расширенным динамическим диапазоном, I_ext, как показано ниже в Уравнении 1. Это дает диапазон яркости от 0 до >10000.

Уравнение 1

I_ext= I_long если I_long < thr I_short * exposure.scaling если I_long >= thr

где trh (порог) составляет 900, и exposure.scaling («экспозиция-шкалирование») задается отношением усредненных значений I_long/I_short для стандартной белой стороны тестовой карты Kodak White.

Пример представлен в Фиг.7, где слева показано изображение I_long с горизонтальным сечением, проведенным через центр изображения, демонстрирующим насыщение самых ярких участков «световых вспышек» (то есть, клиппинг (срезание) зеленого (G) и красного (R) при 1023), и справа показано I_ext с горизонтальным сечением, демонстрирующим, что расширенный динамический диапазон устраняет насыщение от «световых вспышек».

Коррекция освещения

При одиночном источнике света освещение в поле зрения камеры часто является неравномерным. Оно проявляет тенденцию быть более ярким в центре поля освещения. Для корректирования этих неоднородностей освещенности снимают два изображения поля освещения, I_white и I_grey, стандартной белой стороны тестовой карты Kodak White и стандартной серой стороны тестовой карты Kodak Grey, соответственно. Стандартная белая сторона тестовой карты Kodak White имеет коэффициент отражения 90% в видимом спектре, и стандартная серая сторона тестовой карты Kodak Grey имеет коэффициент отражения 18%. При допущении, что ПЗС-матрицы («приборы с зарядовой связью») (CCD) в цифровой камере являются линейными, эти изображения поля освещения могут быть использованы для корректирования изображения I_ext с расширенным динамическим диапазоном, состоящим из каналов R_ext, G_ext и B_ext. Изображение I_cor с корректировкой освещенности выводят, как показано ниже в Уравнении 2.

Уравнение 2

L_max=max(средний(R_ext), средний(G_ext), средний(B_ext)),

L_cor=(I_ext-I_grey)*L_max*(90-18)/90/(I_white-I_grey)+L_max*18/90,

где L_max представляет собой скалярный максимум усредненных значений каналов изображения.

Калибровка цвета

Поскольку ПЗС-матрицы (CCD) в цветных камерах могут иметь различные чувствительности, и поскольку спектральные характеристики источника света могут варьировать с течением времени, изображение I_cor с корректировкой освещенности является специфическим для настройки материальной части устройства. Другими словами, оно является приборно-зависимой относительной мерой цвета. Процесс преобразования изображения в приборно-независимую абсолютную меру цвета называется калибровкой цвета.

От приборно-зависимых базисных цветов RGB до приборно-независимых значений XYZ

Чтобы произвести преобразование из приборно-зависимых RGB-значений в приборно-независимые XYX-значения, как определено CIE (Международная комиссия по освещению, МКО), авторам настоящего изобретения потребовалась калиброванная цветовая мишень, такая как цветовая мишень Munsell или Macbeth, которая имеет несколько цветовых образцов известных приборно-независимых XYZ-значений. Путем съемки (захвата) изображения этой мишени и выведением средних RGB-значений для каждого образца цвета матрица преобразования, RGB2XYZ, может быть определена линейной регрессией между измеренными RGB-значениями и приведенными XYZ-значениями. Таким образом, RGB-значения в изображении I_cor могут быть преобразованы в XYZ-значения в изображении I_XYZ с использованием этой матрицы.

От приборно-независимых значений XYZ до приборно-независимого стандартного sRBG согласно гамма-кривой

Хотя приборно-независимая XYZ-мера цвета является признанным в международном масштабе стандартом для представления цветов, она линейна (в отличие от зрительной системы человека) и с трудом доступна пониманию неспециалистов, поэтому она была преобразована в стандартное RGB-представление, называемое sRGB. Для этого стандарта разработан источник света D65 так, чтобы соответствовать дневному полуденному освещению, которое типично для условий наблюдения дома и в офисе. Нелинейная функция преобразования (гамма-кривая) тесно согласуется с восприятием зрительной системы человека. Если sRGB-изображения опалов рассматривать на мониторах, калиброванных согласно системе sRGB, то они будут близко соответствовать реальному внешнему виду опала, как если бы его рассматривали при естественном дневном освещении (D65-условия освещенности). Таким образом, изображение I_XYZ преобразуют в калиброванное sRGB-изображение, I_sRGB, с использованием стандартной матрицы преобразования, XYZ2sRGB, показанной ниже в Уравнении 3.

Уравнение 3

  X Y Z XYZ2sRGB = R 3,240479 -1,537150 -0,498535 G -0,969256 1,875992 0,041556 B 0,055648 -0,204043 1,057311

От стандарта sRGB согласно гамма-кривой до нелинейного стандарта sRGBlut согласно таблице преобразования

Стандарт sRGB разработан для воспроизведения на экране изображений диффузно отражающих объектов, таких как цветовой тон опала. Поскольку «световая вспышка» представляет собой зеркальное отражение от внутренней кристаллической структуры опала, она может быть более яркой на несколько порядков величины. Никакое одиночное воспроизведение изображения на экране не может точно представить цвет как цветового тона, так и «световых вспышек». По этой причине для сжатия динамического диапазона «световых вспышек» использовали таблицу преобразования (LUT), чтобы реалистический вид цветового тона мог сосуществовать с приближенным представлением «световых вспышек». Эта таблица преобразования (LUT) разработана так, чтобы быть линейной в диапазоне яркости цветового тона, интервале «0-Bflash» (где Bflash ~700), и для сжатия яркости «световых вспышек» до >Bflash, как показано в Фиг.8. Применение этой таблицы преобразования (LUT) для изображения IsRGB дает изображение I_sRGBlut, как показано в Фиг.9, где слева показано изображение I_sRGB, демонстрирующее подлинный цвет «световых вспышек», но цветовой тон относительно темный, и справа показывает изображение I_sRGNlut, дающее подлинное представление цвета цветового тона, но ярко-оранжевые участки «световых вспышек» проявляются более желтыми вследствие насыщения.

Преобразование цвета из стандарта sRGB в стандарт sHSB

RGB-Представление цвета обычно применяется в устройствах для захвата изображений и воспроизведения на экране, но не приспособлено для описания восприятия цвета человеком. Для этого требуется преобразование в альтернативное представление цвета, называемое HSB (или HSV). Аббревиатура “HSB” означает «Оттенок цвета, Насыщенность и Яркость» (также известное как сочетание света и тени). Оттенок цвета представляет собой меру длины волны цвета и задается как угол между 0 и 360°. Насыщенность представляет собой меру чистоты цвета или количества добавленного белого цвета. Чистый цвет будет иметь 100%-ную насыщенность. Для снижения значений насыщенности чистый цвет во все большей степени разбавляют белым цветом. Яркость (или сочетание света и тени) представляет собой меру интенсивности цвета. Самый яркий цвет будет иметь 100%-ную яркость. Для снижения значений яркости чистый цвет во все возрастающей степени разбавляют черным цветом. В приведенных здесь изображениях, полученных с продолжительной экспозицией, самый яркий цвет Bmax (100%) был шкалирован до 3000.

Поскольку трехканальная модель цвета HSB представляет собой простое преобразование значений RGB в изображении, его определяют относительно стандартов RGB-значений. Преобразование стандартных sRGB-значений даст стандартизированные “sHSB”-значения, относительно точки белого по D65. Применение матрицы преобразования RGB2HSB (определенной ниже в Уравнении 4) к изображению I_sRGB дает изображение I_sHSB.

Уравнение 4

H= 0 если max = min 60° ×(g-b)/(max-min) + 0° если max = r&g>=b 60° ×(g-b)/(max-min) + 360° если max = r&g<b 60° ×(b-r)/(max-min) + 120° если max = g 60° ×(r-g)/(max-min) + 240° если max = b S = 0
1 - min/max если max = 0
в противном случае В = max*Bmax  

где r, g, b представляют собой значения R, G и В, соответственно, пикселя, шкалированного до диапазона 0-1; max представляет максимум величин r, g и b, и min представляет минимум.

АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЯ СЕГМЕНТАЦИЕЙ И ПОСТРОЕНИЕМ ГИСТОГРАММ,

КАК РЕЗУЛЬТАТ ИЗМЕРЕНИЙ

После калибровки цвета всех изображений, снятых с многообразных углов рассмотрения, необходимо идентифицировать часть каждого изображения, содержащего конкретные области, представляющие интерес, такие как камень или отблеск. Этот процесс называется сегментацией.

Сегментация

Сегментация изображений камня в проходящем свете

Чтобы сократить количество времени, затрачиваемого на съемку многочисленных изображений при прямом освещении, полезно локализовать представляющую интерес область, ROI, внутри изображения, которая содержит опал. Наиболее просто это производится скорее из изображения в проходящем свете, чем из изображения при прямом освещении, поскольку изображение в проходящем свете имеет повышенную контрастность между фоном и камнем. Поэтому первое захватываемое изображение представляет собой вид в проходящем свете с углом наклона предметного столика 90°. Его легко сегментировать простым заданием порогового значения средней яркости трех каналов, как показано на Фиг.10. Выведенная таким образом представляющая интерес область (ROI) может быть использована для ограничения площади снимаемого изображения и обработана для всех изображений при прямом освещении. Этим можно значительно сократить время измерения каждого опала.

В случае просвечивающих кристаллических опалов используют дополнительное пороговое значение для локализации любых непрозрачных прожилок опала ухудшенного качества, проходящих через кристалл. Маска из этих непрозрачных участков потребуется позже, при определении цветового тона камня.

Сегментация камня в изображении при прямом освещении

В отличие от изображений в проходящем свете сегментация изображений при прямом освещении представляет собой гораздо более сложную задачу по ряду причин. Опал может быть как более ярким, чем фон (в случае белых опалов), так и более темным, чем фон (в случае черных опалов). Кроме того, в зависимости от угла наклона предметного столика, интенсивность яркости фона варьирует от почти белого (при рассмотрении сверху) до почти черного (при виде сбоку). Таким образом, простое пороговое значение не может быть использовано для отделения опала от фона. В дополнение, тени на кромке опала означают, что простые измерения однородности цвета и яркости фона нельзя использовать для сегментации опала.

Сегментацию выполняют на сжатом согласно таблице преобразования (LUT) изображении I_sRGBlut (см. Фиг.11), поскольку оно вносит больший вклад в часть динамического диапазона, содержащую переход между фоном и камнем. Алгоритм сегментации представляет собой последовательность операций, приблизительно следующую: преобразуют изображения в форму, которая усиливает неоднородности, такие, как кромки опала, цветовая текстура и кромки «световых вспышек» (применяемое преобразование представляет собой максимизацию локального отклонения по пикселям каналов R, G и В); определяют пороговое значение этого изображения для получения затравок внутри опала (сильное отклонение); генерируют фоновые затравки, которые представляют собой экспериментально определенное расстояние от затравок опала; и находят границу водораздела между двумя наборами затравок в градиенте вариаций изображения.

Сегментация отблесков в изображении при прямом освещении

Имея определенную маску опала, нужно исключить часть опала, содержащую отблески. Это легко сегментируется с использованием того факта, что отблеск является не только ярким (высокая Яркость, или сочетание света и тени), но и белым (низкая Насыщенность). Проще всего произвести логическую операцию конъюнкции («И») результатов установления порогового значения S<Sglint (40%) и B>Bglint (1200) изображения I_sHSB (см. Фиг.12).

Сегментация цветового тона в изображении при прямом освещении

Как описано выше, маска, или представляющая интерес область (ROI) изображения, содержащая только опал, была определена исключением участков отблесков, и, в случае кристаллических опалов, исключением внутренних непрозрачных областей, поскольку таковые будут мешать измерению цветового тона кристалла. Теперь области, которые проявляют цветовой тон, нужно определить до того, как можно будет измерить цветовые характеристики этого цветового тона. Если камень имеет только опал на своей лицевой стороне, то области цветового тона будут такими, где «световая вспышка» «выключена», другими словами, где она не видна под этим углом рассмотрения. Эти области будут самой темной частью камня. Однако это простое определение области цветового тона является действительным не для всех ситуаций. Если камень представляет собой либо опал низкого качества (потч) (опал без кристаллической структуры, которая обусловливает «световые вспышки»), либо гальку (породу, в которую внедрен опал), присутствующие на лицевой стороне, то самая темная часть камня, скорее всего, может принадлежать к этим «неопаловым» областям, нежели к цветовому тону опала, наличествующего на лицевой стороне.

Для различения между опаловыми или «неопаловыми» областями камня используют тот факт, что «неопаловые» области остаются неизменными, когда рассматриваются под различными углами. Геометрическое искажение камня будет иметь место, если сравнивать изображения при предметном столике, наклоненном на отличный от 90° угол. Это значит, что нужно сравнивать изображения, снятые при различных углах поворота предметного столика (или различных углах освещения) для 90-градусного угла наклона предметного столика. Изображения, снятые при различных углах поворота предметного столика, нужно прокрутить обратно программными средствами, чтобы выстроить их в линию, прежде чем можно будет их сравнивать. Эта стадия необязательна, если используют различные углы освещения. Если применяют различные углы освещения, то каждый отдельный источник света должен иметь свой собственный набор файлов калибровки цвета. «Неопаловые» области представляют собой такие, которые не изменяют своего внешнего вида в этих множественных изображениях.

Построение гистограммы «световых вспышек»

В отличие от цветового тона, который не зависит от угла рассмотрения, «световые вспышки» в опале изменяются при каждом изменении угла рассмотрения. В конструктивной компоновке устройства было предусмотрено, что частота выполнения измерений через 10° необходима для углов как поворота, так и наклона, для обеспечения того, что области со «световыми вспышками» не будут пропущены. Для этого требуется снять и проанализировать 324 изображения, чтобы охватить весь диапазон углов рассмотрения. Тем самым, сложной задачей является измерение и тем более выведение на экран результатов путем, который выразил бы обобщение этих измерений.

Трехмерная (3D) гистограмма значений HSB камня

Для каждого изображения идентифицировали маску, которая исключает фон и области отблесков. Для исключения «неопаловых» областей или областей цветового тона никаких попыток не предпринимали, поскольку таковые устанавливаются только при одном угле наклона. Обобщение цветовых характеристик камня создают построением гистограммы значений sHSB, присутствующих внутри маски. Каждая гистограмма представляет собой трехмерную (3D) матрицу числа пикселей, попадающих внутрь столбцов значений Оттенка цвета, Насыщенности и Яркости. Есть 30 столбцов Оттенка цвета, линейно распределенных в диапазоне от 0 до 360°. Насыщенность занимает 10 столбцов гистограммы между 0 и 100%. Яркость имеет 20 столбцов с пикселями, линейно распределенных с образованием 10-15 столбцов в диапазоне, содержащем цветовой тон (0-Bflash), и 5-10 столбцов в диапазоне, содержащем «световые вспышки» (Bflash-Bmax).

Если число пикселей в каждом столбце разделить на число пикселей в камне (включая области отблесков), то величина столбца дает пропорцию камня, имеющего значения HSB в этом столбце.

Это представляет собой очень компактное обобщение цветовой информации. Например, изображение опала может иметь 800×800 пикселей. Это требует хранения и выведения цветовой информации из 640000 значений HSB. При отбрасывании пространственного содержания трехмерная (3D) гистограмма требует только 6000 столбцов (30 столбцов “H”×10 столбцов “S”×20 столбцов “B”) для хранения этой информации. Кроме того, поскольку пространственное содержание не было учтено, гистограммы из множественных видов могут быть добавлены для получения усредненных пропорций камня, имеющего специфические значения HSB.

Суммарная трехмерная (3D) гистограмма камня (также называемая как общая трехмерная (3D) гистограмма, см. Фиг.15) содержит число столбцов как для областей «световых вспышек», так и для областей цветового тона камня. Таковые могут быть разделены на основе знания о том, что «световая вспышка» является как яркой B>Bflash (700), так и довольно высоконасыщенной S>Sflash (50%). (Следует отметить, что эти пороговые значения Яркости и Насыщенности «световых вспышек» могут быть снижены, если известны значения Насыщенности цветового тона и «неопаловых» областей). Результатом является трехмерная (3D) гистограмма значений HSB «световых вспышек».

Суммарные гистограммы значений H&B и H&S «световых вспышек»

Трехмерная (3D) гистограмма «световых вспышек» может быть сохранена, но ее трудно вывести на экран, чтобы человек без труда ее интерпретировал. Следовательно, все столбцы Насыщенности сначала комбинируют, и создают двумерную (2D) суммарную гистограмму значений Оттенка цвета и Яркости («Суммарная H&B-гистограмма»). Кроме того, комбинируют все столбцы Яркости и создают двумерную (2D) суммарную гистограмму значений Оттенка цвета и Насыщенности («Суммарная H&S-гистограмма»).

Суммарные Н&B Гистограммы и H&S Гистограммы для двух опалов, “Golden Grace” и “Flatspot”, показаны в Фиг.13.

Н&B Гистограмму нужно интерпретировать следующим образом: Оттенок цвета откладывают по х-оси; высота каждого столбца гистограммы представляет собой область, пропорциональную этому Оттенку цвета; внутри каждого столбца градации яркости используют для демонстрации пропорций площади, принадлежащей разнообразным столбцам Яркости для этого Оттенка цвета. Подобным образом, Н&S Гистограмму нужно интерпретировать следующим образом: Оттенок цвета откладывают по х-оси; высота каждого столбца гистограммы представляет собой область, пропорциональную этому Оттенку цвета; внутри каждого столбца градации насыщенности используют для демонстрации пропорций площади, принадлежащей разнообразным столбцам Насыщенности для этого Оттенка цвета. Следует отметить, что эти градации не столь информативны, поскольку «световые вспышки» не склонны очень сильно варьировать в плане насыщенности.

Следует отметить, что согласно Суммарным H&B Гистограммам на Фиг.13, максимальная доля площади одиночного Оттенка цвета в опале “Golden Grace” примерно вдвое больше таковой в опале “Flatspot”. Однако когда исследуются изображения, полученные при наклоне на угол 80°, становится ясным, за что камень “Flatspot” получил свое название. При рассмотрении сверху обнаруживается плоское пятно в его «световой вспышке». Эта информация совсем не очевидна из Суммарной Гистограммы. По этой причине для обобщения этой информации относительно направленности были составлены 9 дополнительных H&B Гистограмм.

Ориентационные гистограммы значений H&B «световых вспышек»

Ориентационные H&B Гистограммы для опалов “Golden Grace” и “Flatspot” показаны на Фиг.14. Таблица 1 ниже определяет диапазон углов рассмотрения, которые комбинированы для каждой из гистограмм.

Ориентационная гистограмма для опала “Flatspot” ясно показывает, что есть очень маленькая «световая вспышка», видимая сверху, но она «искрит» зеленым цветом строго с направления Сверху Слева (TL). Напротив, ориентационная гистограмма для опала "Golden Grace" показывает, что он демонстрирует наибольшую площадь «световых вспышек» и также является наиболее красочным (со «световыми вспышками» оранжевого, желтого и зеленого цвета) при рассмотрении сверху. Эта ориентационная информация будет важной для покупателей при выборе опала для огранки, которая имеет специфические ориентационные ограничения, скорее такие, как подвеска или брошь, нежели кольцо, которое можно без труда рассматривать с многих направлений.

Таблица 1 Сверху (наклон >60°) ВС в центре в нижней части (наклон <=60°) и ((поворот >337,5°) // (поворот <=22,5°)) BR - справа в нижней части (наклон <=60°) и ((поворот >22,5°) и (поворот <=67,5°)) CR справа в центре (наклон <=60°) и ((поворот >67,5°) и (поворот <=112,5°)) TR справа наверху (наклон <=60°) и ((поворот >112,5°) и (поворот <=157,5°)) ТС в центре наверху (наклон <=60°) и ((поворот >157,5°) и (поворот <=202,5°)) TL слева наверху наклон <=60°) и ((поворот >202,5°) и (поворот <=247,5°)) CL слева в центре (наклон <=60°) и ((поворот >247,5°) и (поворот <=292,5°)) BL слева в нижней части {наклон <=60°) и ((поворот >292,5°) и (поворот <=337,5°)) Определение диапазонов углов рассмотрения для ориентационных гистограмм, где “tilt” представляет угол наклона предметного столика, и “rot” представляет угол поворота предметного столика

Вышеописанный способ калибровки изображения и анализа изображения с программным контролем обобщен на Фиг.15а-15с. Калибровка изображений включает стадии (i) получения изображения опала с расширенным динамическим диапазоном, (ii) коррекции освещения, (iii) калибровки цвета и (iv) преобразования цвета из системы sRGB в sHSB. Анализ изображения включает последующее подвергание таким образом калиброванного изображения (v) сегментации и (vi) построению гистограммы, чтобы получить объективную оценку характеристик «световых вспышек» опала. Анализ изображения может быть расширен для включения измерения цветового тона.

Измерение цветового тона

Чтобы измерить цветовой тон, используют столбцы трехмерных (3D) гистограмм для всего диапазона значений Оттенка цвета, Насыщенности и Яркости внутри камня, которые были созданы способом, представленным ранее в описании изобретения, и метод определения области цветового тона в изображении, который был изложен ранее в описании изобретения, с привлечением программы для расчета средних, или усредненных значений sRGB внутри этой области, преобразуют в значения HSB и приписывают одному из столбцов трехмерной (3D) гистограммы. Затем значение Н, S и В цветового тона может быть выведено в отчет.

Таким образом, из вышеприведенного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения можно заключить, что:

- создание изображений с высоким динамическим диапазоном (комбинирование экспозиций) требуется для охвата всего диапазона значений яркости среди различных опалов,

- различные яркости опала могут быть объективно оценены с использованием цифровой камеры,

- при контролируемых условиях освещения и с использованием правильного способа калибровки диапазон цветов может быть объективно измерен с определением значений оттенка цвета, насыщенности и яркости каждого цвета,

- в качестве средства сокращения большого количества данных, содержащихся в изображениях, может быть привлечен ряд методов графического представления и визуализации,

- может быть определен цветовой тон, и

- устройство может быть далее использовано для экспертизы, классификации и оценки всех драгоценных камней, в том числе неорганических драгоценных камней и минералов, таких как или иных, нежели опалы.

Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет очевидно, что разнообразные модификации могут быть сделаны в деталях компоновки и конструкции устройства, и в методических стадиях вышеописанных способов, без выхода за рамки области изобретения.

Например, применимая методология регистрации изображений состоит в закреплении драгоценного камня в стационарном состоянии (чтобы исключить любые потенциальные проблемы смещения драгоценного камня), и систематическом перемещении по меньшей мере одного источника света и камеры для возможности регистрации последовательных изображений, имитирующем требуемые перемещения с наклоном, переворачиванием и поворотом в горизонтальной плоскости.

Далее, устройство может включать множество цифровых камер и позиционированных светильников, и все камеры могут регистрировать изображения драгоценного камня одновременно или последовательно, с заранее заданными шаговыми угловыми смещениями во время вращения предметного столика.

Устройство (10) для экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней имеет предметный столик (11), на котором может быть размещен драгоценный камень, причем предметный столик заключен в корпус (15), который является непроницаемым для света. По меньшей мере один источник (14) света, размещенный в корпусе, приспособлен для проецирования падающего света - на драгоценный камень. Предусмотрено устройство для поворота и наклона предметного столика, чтобы варьировать ориентацию драгоценного камня относительно падающего света. Цифровая камера (16) расположена в корпусе по соседству с данным или каждым источником света и приспособлена для регистрации изображений драгоценного камня, обеспечиваемых отражением и/или преломлением падающего света. Также предусмотрено средство обработки информации для калибровки и анализа изображений, причем средство обработки информации запрограммировано набором команд для цветовой калибровки изображений и последующего анализа цветокорректированных изображений путем сегментации и построения гистограмм. 5 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.

1. Устройство для экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней, включающее предметный столик, на котором драгоценный камень может быть закреплен, причем предметный столик заключен в корпусе, который является непроницаемым для света, по меньшей мере, один источник света, расположенный в корпусе и приспособленный для проецирования падающего света на драгоценный камень, средство для вращения или наклона предметного столика, таким образом, чтобы менять ориентацию драгоценного камня относительно падающего света, цифровую камеру, размещенную в корпусе по соседству с данным или каждым источником света и приспособленную для регистрации изображений драгоценного камня, основанных на отражении и/или преломлении падающего света, и средство обработки информации для калибровки и анализа изображений, в котором средство обработки информации запрограммировано набором команд для калибровки цвета изображений и затем анализа цветокорректированных изображений путем сегментации и построения гистограмм в результате измерений.

2. Устройство по п.1, в котором предметный столик может поворачиваться приблизительно на 360° и наклоняться на угол приблизительно 90° при перемещении гониометра.

3. Устройство по п.1, в котором предметный столик включает присоску для прочного удерживания драгоценного камня с использованием присасывания драгоценного камня снизу.

4. Устройство по п.1, в котором средство обработки информации запрограммировано дополнительным набором команд для управления камерой для захвата серии изображений с 10-градусными шаговыми угловыми смещениями в диапазоне от 0° до 360° поворота и с 10-градусными шаговыми угловыми смещениями для наклона на углы от 90° до 0°.

5. Устройство по п.1, в котором набор команд представляет собой программное обеспечение, установленное на персональный компьютер.

6. Устройство по п.1, в котором драгоценный камень представляет собой опал, и цветовая калибровка изображения и анализ изображений предназначены для оценки характеристик «световых вспышек» и цветового тона опала.