數字化便攜式寶石鑒定系統的設計策略

李文龍

摘要：本文在眾多的寶石評價指標體系中挑選出四級晶體結構、10個等級透明度和純凈度、16級寶石的重量、10級莫氏硬度等四個維度鑒定標準，并在寶石鑒定云服務器設置數據庫設置四維度標準對比庫，設計了光學檢測單元及硬度自動檢測單元，并通過主控制單元將其結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，在智能手機上玩家APP上可實時分享鑒定過程寶石分類及總等級結果。

關鍵詞：莫氏硬度;晶體結構;光學檢測;自動檢測

中圖分類號：P575

文獻標識碼：A

文章編號：1672 -9129（2018）12 -0205 -03

1 背景技術

隨著世界的經濟的增長，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寶石的實驗室來確定寶石的價值和寶石的特性（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構、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。晶體結構包括八面體、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、特殊的光學效應;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。消費者及普通玩家不可能具備如此豐富的鑒定知識，面對價值千元萬元幾十萬元寶石，在購買或出讓過程中，會有比較長鑒定時間，如果去大型機構大實驗室鑒定過程冗長并并且費用不低。[2]如何從眾多寶石特征中挑選出主要特征，設計一套高效的，經濟的，便攜的，數字化的，直觀的裝置，讓寶石處于買賣鑒定裝置中自動進行掃描，并自動生成相關寶石價值數據，供買賣雙方參考，基于這種在線模式形成一套數字化便攜式寶石價值鑒定系統，是本文的研究主題與內容。

2 系統框架

一種數字化便攜式寶石鑒定系統，在如圖l所示的系統框架下實現的;該系統框架包括三大部分：

第一部分：寶石鑒定云服務器由四維度數據庫表及對比評估模塊組成;數據庫配置摩氏硬度10級、重量16級、純凈度和透明度共占10級、晶體的復雜結構占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，通過光學檢測單元自動檢測晶體結構、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果并上傳至寶石鑒定云服務器;

第三部分：玩家APP，為智能手機應用功能。可實時分享鑒定過程顯示寶石分類及總等級結果。

3 具體實施技術措施

3.1 四個維度分級參照體系設置。四個不同的維度分為不同的等級。等級越高代表寶石越好。

（1）寶石的晶體結構的復雜程度

第四級：雙晶，寶石雙晶結構復雜，而且一般很罕見，故在這個維度里，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），復四方柱，三方柱，復三方柱，六方柱，復六方柱，四方單錐，復四方單錐，三方單錐，復三方單錐，六方單錐，復六方單錐，四方雙錐，復四方雙錐，三方雙錐（右圖），復三方雙錐，六方雙椎，復六方雙椎，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個等級

LC級別（第10級）：鏡下無瑕疵，10倍放大鏡下內外均無瑕疵

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倍放大鏡下具細小的瑕疵，難以觀察

V52級別（第6級）：10倍放大鏡下具細小的瑕疵，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。以克拉數為單位，設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，其化學組成為C

第九級：摩氏硬度為9，例如剛玉，其化學組成為Al2 03

第八級：摩氏硬度為8，例如托帕石，其化學組成為Al2SiO4（F，OH）2

第七級：摩氏硬度為7，例如石英，其化學組成為Si02

第六級：摩氏硬度為6，例如正長石，其化學組成為KAISi3 08

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

第四級：摩氏硬度為4，例如螢石，其化學組成為CaF2

第三級：摩氏硬度為3，例如方解石，其化學組成為CaC03

第二級：摩氏硬度為2，例如石膏，其化學組成為CaS04·2H20

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

確定礦物或寶石的硬度時，應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。應該使用硬度筆進行驗證。

3.2四個維度加權組成形成總價值

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%

其中晶體的復雜結構共占4級，即共占有10%

利用數學加權平均數對寶石進行分級。保證多次鑒賞后，寶石的分級不會出現非常大的變化。

3.3 硬度自動檢測單元。硬度自動檢測單元為寶石的力學性質檢測。

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，三角形代表一個穩定的三角形平臺，中間的為圓形轉盤，方便在進行鑒賞的時候，可以進行觀察，避免在進行硬度檢驗的時候，看不到實物，為珍貴寶石提供了安全性。兩個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。同時在寶石固定位置配置重力傳感器，上傳本寶石重量數據。現對圓形轉盤進行平面投影圖如下圖所示

使用三槽位使其穩定的固定在圓形卡槽中，其卡槽的支持力為圓周運動提供向心力，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，圓盤開始以以一定的角速度轉動，lOs后，將硬度為l的硬度筆轉至硬度筆圓盤的中央，Ss后放下，若綠燈亮，則將硬度為1的數據傳至寶石鑒定云服務器，lOs后，進行第二次檢測，將硬度為2的硬度筆轉至硬度筆圓盤中央，5s后，進行第二次檢測，隨后將硬度為2的硬度筆放下，若綠燈亮，則將硬度為2的數據傳至寶石鑒定云服務器，進行第N次檢測后（N<11，N為正整數），紅燈亮，則迅速將硬度筆彈起，避免外力過大導致寶石破損。然后將（N-1）次的數據傳至寶石鑒定云服務器，進行資料的匯總。

3.4 光學檢測單元。光學檢測單元光學器件配置為：

十倍放大鏡（專業珠寶鑒定的10倍放大鏡）;

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

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

燈光型號CLowicsR JY - 88，

光學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。

光學檢測單元是整個裝置由玻璃金屬制成，整個裝置是雙開門的形式，可以完全展現光學檢測單元內部結構。光學檢測單元配有4個燈光（光強可以調控），四個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個十倍放大鏡可以沿著箭頭方向移動，8個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。依據上述原理，可將光學檢測單元及硬度自動檢測單元可制作在同一個玻璃金屬制成容器內，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動，同時主控制單元串行數據接口與10倍放大鏡數據端口連接，主控制單元通過4C無線網絡接口與寶石鑒定云服務器數據連接。

3.6 寶石鑒定云服務器四維度標準對比分析模塊。本文主要研究內容為設計光學檢測單元及硬度自動檢測單元，然而需在寶石鑒定云服務器設置數據庫并對不斷充實優化四維度標準對比模塊。主要是建立如文中3.1所示的寶石顏色，潔凈程度，寶石的晶體結構及硬度等級對比標準庫;可主控制單元采集光學檢測單元及硬度自動檢測單元原始數據與標準比對，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，打開智能手機上玩家APP，可實時分享鑒定過程等級結果。依次是摩氏硬度10級、重量16級、純凈度和透明度共占10級、晶體的復雜結構占4級，及加權平均后總值寶石等級40級。不再需玩家拿傳統工具觸照，僅僅是共同把寶石放置玻璃金屬制成容器后固定處，由本系統自動檢測并顯示寶石分類及總等級。

4 本系統積極意義與改進

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文明與精神享受。在消費者及普通玩家不具備豐富的寶石鑒定知識狀態下，本系統設計了由光學檢測單元、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，經濟的，便攜的，數字化的，直觀的裝置，讓寶石該處于玻璃金屬制成容器自動進行掃描，形成寶石價值供買賣雙方參考。[3]該玻璃金屬制成容器可在短時間得到具有一定權威的評判，目前可支持四維度的寶石鑒賞儀，未來還將加入更多維度，比如特殊光學性質，光澤，其稀有程度等多方位的鑒賞，不停的修改四維度標準，變成完整的n維度的寶石鑒賞。

參考文獻：

[1]黃作良.《寶石學》天津大學出版社.2010

[2] James E.Shigley，Taijin Lu，Wuyi Wang，張輝.在珠寶首飾界準確鑒定寶石的重要性[J].寶石和寶石學雜志，2004（ 02）：14 - 17.

[3]郭立鶴，韓景儀，羅紅宇.寶石的紅外反射光譜及紅外光譜鑒定系統[J].巖石礦物學雜志，2006（ 04）：349 - 356.