透明類緬甸琥珀顏色的定量分類

納秀溪,孟 龑,譚紅琳,祖恩東

(1.昆明理工大學 材料科學與工程學院,昆明 650093;2.云南國土資源職業學院 珠寶玉石學院,昆明 650217)

緬甸琥珀因其市場成熟度高、 產量大成為當前珠寶投資收藏的新熱點[1]。張倩怡對琥珀的產地區別、 仿制品區別及譜學作了研究[2]; 董雅潔等應用紅外光譜,為琥珀產地的鑒別提供了重要參考[3]; 吳文杰等對拉曼譜峰歸屬進行了指派[4]; 王民民等認為緬甸琥珀的顏色變化和差異非常大, 對長波紫外線(波長365nm)的熒光反應差異也較大[5]; 黃睿等分析認為琥珀由多種有機物和少量金屬化合物組成[6], 且不同產地成分有差異[7]。依據云南省地方標準[8], 市場上緬甸琥珀主要分為7個小類, 由于根珀、 蜜蠟、 物相珀都有明顯的肉眼可辨認的特征, 一般為半透明-不透明, 且價值不高。根據色調、 彩度、明度及熒光表現，透明類的緬甸琥珀主要有:棕珀、 金珀、 血珀、 茶珀, 且優質的緬甸琥珀均出現在這幾類中, 近年來在其他寶石中也流行顏色量化工作[9], 所以本實驗中選擇透明類琥珀作顏色定量分析, 采用可重復的測試方法來量化透明類緬甸琥珀顏色, 利用聚類分析得出一套體系標準, 有益于緬甸琥珀顏色分級標準的實現, 使商家和消費者之間認識統一。

1 實驗樣品與實驗條件

實驗樣品:選取63顆金黃色-金綠色-橙色-橙紅色-紅色-紅棕色-棕色系列顏色并且拋光良好的緬甸琥珀成品標本(圖1),由于樣本的特殊性,顏色部分不均勻,選取面積分布較大的顏色打點測試,由于是對漫反射信號進行采集,故樣品形狀、大小對數據影響不大。

實驗儀器:美國海洋光學公司生產的USB2000+光纖光譜儀。

實驗條件: 由于光源色溫會對顏色產生影響, 緬甸琥珀在銷售時一般采用日光下辨別其顏色歸屬, 所以實驗光源選擇最接近日光的CIE標準光源D65, 色溫近似 6 500 K的重組日光。 暗室, 室溫20 ℃, 采集積分時間2 500 μs, 平均次數100, 測量波段為380～1 000 nm, 波長間隔0 nm, 波長修正0, 反射光。 采用積分球收集樣品的表面漫反射信號, 獲得琥珀樣品顏色數據。 數據結果采用CIE 1976L*a*b*均勻色空間，并使用 IBM SPSS Statistics 23 軟件進行數據分析。

2 結果與討論

2.1 實驗結果色度學參數分析

63 顆緬甸琥珀標本在 D65光源下的明度值L*、色相值a*和b*分別為L*∈[17.964, 43.967],a*∈[-5.828, 6.698],b*∈[5.827,58.717]，詳見表1。

2.2 聚類分析

在前人的顏色定量分析研究中, 通常是將某種寶石測量的L*、a*、b*3個值的跨度平均分為幾等分以此來分類[10], 若采用同種方法分類，則會與緬甸琥珀市場已經約定俗成的名稱有很大出入, 故本文使用SPSS Statistics 23進行K-means聚類分析, 能夠更好地基于市場上已有名稱來進行分類。

表1 63顆琥珀在CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間下的色度參數

CIE 1976L*a*b*均勻色空間中的色差指的是兩個坐標之間的空間距離[11-13],公式為

(1)

聚類分析的目的是把相似的研究對象歸類，當對樣品進行聚類時,“靠近”往往由某種距離來刻畫；另一方面,當對指標聚類時,根據相關系數或某種關聯性度量來聚類。K-均值法,是Macqueen于1967年提出的,其思想是把每個樣品聚集到其最近形心(均值)類中去。因此利用SPSS Statistics 23進行數據聚類,得出每一類緬甸琥珀的聚類中心來實現顏色視覺量化分類。

由于選擇初始聚類中心是依據地方標準，以肉眼分辨緬甸琥珀的典型且較為特征顏色選為數據,但是不能代表該琥珀品類顏色平均數值,故在K-均值法中選擇方式:判斷完成一輪后,自動更新聚類中心；然后進行下一輪聚類,直到滿足終止準則(達到最大迭代次數或者是類中心偏移量非常小)為止。

結合地方標準[8], 此次聚類分析以明度值L*、色相值a*和b*為標準將標本分為4類： 1類為金珀類, 選擇標本3-9作為初始聚類中心符合地方標準中透光呈棕黃色、紫外熒光強藍白的特點; 2類為血珀類, 選擇標本1-8作為初始聚類中心符合地方標準中透光色呈桔紅、無流淌紋、紫外熒光弱-綠色的特點; 3類為棕珀類, 選擇標本2-1作為初始聚類中心符合地方標準中透光色呈棕褐、明顯流淌紋、紫外熒光強藍白色的特點; 4類為茶珀類, 選擇標本4(市場上稱為綠茶珀), 符合地方標準中透光色呈茶綠、無流淌紋、紫外熒光強藍白的特點。4個初始聚類中心的L*、a*、b*值見表2。

由于聚類中心中僅有小幅變動,因此實現了收斂，聚類過程中迭代為7，初始中心之間的最小距離為9.698。最終聚類:

1-金珀類(L*∈[31.589, 43.967],a*∈[-5.828, 6.698],b*∈[21.551, 58.717]), 聚類中心為L*=35.560,a*=0.559,b*=29.866, 有20個樣品, 分別是2、 3、 9、 2-14、 3-1、 3-2、 3-4、 3-5、 3-6、 3-7、 3-8、 3-9、 3-10、 3-11、 3-12、 3-13、 3-14、 3-16、 3-19、 3-21;

2-血珀類(L*∈[24.717, 30.167],a*∈[0.061,13.830],b*∈[10.048,21.947]), 聚類中心為L*=27.442,a*=5.132,b*=14.161, 有11個樣品, 分別是6、 1-7、 1-8、 1-10、 1-11、 2-10、 2-11、 2-12、 2-13、 2-15、 3-3;

3-棕珀類(L*∈[17.964,27.569],a*∈[-2.750,4.928],b*∈[15.718,21.368]), 聚類中心為L*=22.170,a*=0.346,b*=19.189, 有17個樣品, 分別是7、 12、 1-1、 1-2、 1-3、 1-4、 1-5、 1-6、 1-9、 2-1、 2-4、 2-5、 3-15、 3-17、 3-18、 3-20、 3-22;

4-茶珀類(L*∈[20.533,25.511],a*∈[-4.945,2.329],b*∈[5.827,13.904]), 聚類中心為L*=23.165,a*=-1.501,b*=11.591, 有15個樣品分別是1、 4、 5、 8、 10、 11、 13、 2-2、 2-3、 2-6、 2-7、 2-8、 2-9、 2-16、 2-17。

63個樣品全部歸類，基于地方標準,該分類與肉眼感知顏色相符，聚類結果在均勻色空間的投點圖見圖2。

2.3 色差分析

CIE 1976標準色度系統的三維空間中, 每一個點都代表不同的顏色, 兩點之間的距離代表這兩個顏色之間的色差, 計算每個標本與該類聚類中心色差, 結果見表3。 均勻色空間兩點之間的距離能夠代表兩種顏色的真實差異, 空間中距離相等代表著色差相同, 在均勻色空間下討論顏色區別更有意義[15-16]。 依據CIEL*a*b*的色差公式作為透明類緬甸琥珀計算公式, 最終計算得到： 1-金珀類平均色差為6.23, 2-血珀類平均色差為5.83, 3-棕珀類平均色差為4.18, 4-茶珀類平均色差為360。CIEL*a*b*色空間中色差從色知覺的不可察覺到極易識別共分為6檔:痕跡(0.0～0.5]、 輕微(0.5～1.5]、 可察覺(1.5～3.0]、 可識別(3.0～6.0]、 易識別(6.0～12.0]、 極易識別(>12.0),四類琥珀都在可識別范圍上,所以采用色差公式DELAB計算顏色差異是可行的。計算每一個標本與該類聚類中心的色差,說明即使計算值大部分在同一類里琥珀顏色差異也比較大,故用此科學計算方法能夠將復雜多樣的顏色科學歸類,有利于理論的計算,更能使SPSS Statistics 23軟件進行數據分析的結果與肉眼觀測的知覺對應并且統一起來。

表2 四類樣品初始聚類中心與最終聚類中心

圖2 聚類結果在CIE L*a*b*均勻色空間的投點圖

表3 色差公式DELAB計算的63粒樣品與聚類中心的色差

3 結 論

在CIE 1976均勻色空間下,測試了63顆緬甸琥珀的色度學參數,分析了其顏色的三屬性,通過用SPSS數據分析得到以下結論:

(1)將透明類緬甸琥珀分為四類:

a)金珀(L*∈[31.589,43.967],a*∈[-5.828,6.698],b*∈[21.551,58.717]), 聚類中心為L*=35.560,a*=0.559,b*=29.866;

b)血珀(L*∈[24.717, 30.167],a*∈[0.061,13.830],b*∈[10.048, 21.947]),聚類中心為L*=27.442,a*=5.132,b*=14.161;

c)棕珀(L*∈[17.964,27.569],a*∈[-2.750,4.928],b*∈[15.718,21.368]),聚類中心為L*=22.170,a*=0.346,b*=19.189;

d)茶珀(L*∈[20.533, 25.511],a*∈[-4.945, 2.329],b*∈[5.827, 13.904]),聚類中心為L*=23.165,a*=-1.501,b*=11.591。

(2)通過色差計算,在同一類里的琥珀顏色差異比較大,在可識別(3.0～6.0)范圍上,故用此理論科學計算方法能夠將復雜多樣的顏色科學歸類。

(3)建議在國際普遍的三維均勻色空間模型中,聚類中心可代表該分類最標準色數值,當測試新的樣品時,可根據新樣品的L*、a*、b*值算出與四類聚類中心最小色差進行歸類,以此作質量分級體系。