寶石唯一性鑒定的研究綜述

吳倩倩,袁心強

(1.蘇州工藝美術職業技術學院,江蘇 蘇州 215000;2.中國地質大學(武漢)珠寶學院,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鑒定證書作為依據。但紙質鑒定證書容易遺失,甚至被仿冒,所以在流通過程中可信度不高。對價值高、體積小、外觀近似的寶石(尤其是鉆石)如果不能進行科學的身份辨識,會導致一些寶石被魚目混珠,或說不清來源,阻礙珠寶行業的發展。當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,所以珠寶行業萌發了一些利用寶石自身的幾何形狀和結構特征對寶石實現唯一性鑒定的技術及方法。本文將對寶石唯一性鑒定這一技術領域的研究成果進行論述,以期給繁榮的寶石市場一點啟發。

1 寶石唯一性證明的方法

1.1 比對鉆石分級證書

鉆石經常都配有一張分級證書,比較權威的證書有GIA、NGTC、HRD、IGI證書等。證書上記錄有鉆石的相關信息,例如鉆石的色級、凈度、切工參數、克拉質量等。用戶可以通過官網輸入證書編號、確認鉆石腰碼、核對鉆石凈度瑕疵圖、確認重量、比色卡對比顏色、確認熒光、測量尺寸、切工比例儀測切工等方式確認鉆石是否為套證鉆石。

1.2 鉆石激光刻字識別

鉆石腰碼是用鉆石激光雕刻機在鉆石腰棱上雕刻的字母+數字編碼。像身份證號碼一樣,每顆鉆石的腰碼都是不同的。鉆石刻字加工對設備的要求非常高,傳統的刻字方法速度慢,容易損壞鉆石,刻出來的字體容易出現歪斜不清晰等現象;用激光刻字設備在鉆石上刻出的字體規整、清晰,不傾斜,不隱藏,只要不打磨腰棱,無論經過多久時間,腰碼都不會變淺或者消失[1]。所以,腰碼可以作為識別寶石身份的手段。美國寶石學院(GIA)近兩年研制的Match iD儀器采用專有的人工智能技術,捕捉鉆石的腰碼圖像,并關聯鉆石云中儲存報告,在App中直接顯示給消費者[2]。并且,GIA宣布將于2025年實現全部紙質證書數字化。

一句經典廣告語 “鉆石恒久遠,一顆永留傳” 因De Beers集團而誕生,Forevermark永恒印記隸屬De Beers集團。每一顆Forevermark永恒印記鉆飾都會提交到位于比利時安特衛普的“Forevermark永恒印記鉆石研究院”,被印記上獨一無二的認證編碼和品牌標識。鉆石臺面上的印記采用保密的專利技術,印記深度僅1/20 μm,相當于人頭發直徑的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面印記觀察設備圖。

圖1 鉆石激光腰棱刻字識別機[2]和鉆石臺面印記觀察設備[3]

1.3 鉆石幾何結構識別法

美國環球收藏家公司的Mohamad Ellawand于2008年發明了一種用于分析目標寶石的方法和寶石圖案匹配方法[4],其通過分析由發射例如穿過寶石的激光光束的光源產生的圖案來生成可見的光學圖案,并比較該圖案和已知寶石圖案的數據庫以確定目標寶石與數據庫寶石的匹配百分比。匹配基于圖案中的最重光斑的權重和其位置,將其與數據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年發明了一種鑒定寶石唯一性的方法[5]。其采用點狀的激光光源裝置照射鉆石樣品,光線經過鉆石的反射在相機中形成一些點狀的圖案。為了獲取鉆石樣品的身份特征,采用轉動鉆石樣品180°并連續拍照,形成一張經過多次曝光的有大量點狀圖案的圖像,以此作為該鉆石的身份特征。除了借助唯一圖像之外,對鉆石身份的識別還要使用結合標識信息的方式來解決。

美國Photoscribe公司的David Benderly于2014年發明了采用100多個點狀光源同時照射寶石樣品,拍下至少一張布滿點狀圖案的寶石圖像,以此鑒定寶石身份的方法[6]。裝置采用可通電的固定點光源,從不同角度發射光線到寶石的臺面,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。控制器至少處理一個圖像以確定寶石的光學特性(光線覆蓋率和對稱性等)。圖3為裝置附圖和所采集的點狀返回光圖案。

圖3 裝置圖和采集的點狀圖案[6]

劉厚祥于2017年發明了一種識別寶石身份的方法,該方法主要通過識別寶石的多種集合特征參數來實現寶石的唯一性鑒定[7]。該方法采集的寶石的集合特征參數包括寶石的幾何結構特征參數和素面寶石的結構特征參數兩大類型。寶石的幾何結構特征參數包括寶石各個面的周長、面積、與腰面的角度、腰部波形、琢形、長寬高和3D模型;素面寶石的結構特征參數包括寶石表面弧度、表面積、琢型、長寬高和3D模型,一共13個參數。將得到待識別身份的寶石的上述參數與寶石身份識別數據庫中的寶石的特征參數進行比對,得到比對結果,從而識別寶石的身份。圖4為該專利所附比對步驟圖。

圖4 寶石身份比對步驟圖[7]

鄭珂威于2020年發明了一種基于同態加密保護的寶石圖像特征識別方法[8],通過對寶石檢測圖像進行特征提取并與寶石內含物特征合并編碼后加密生成識別庫,再通過對待測寶石的身份特征編碼進行比較實現識別;該發明能夠形成每顆獨一無二的身份編碼,同時采用全同態方式進行加密,使之既可以運算來實現寶石身份識別,同時不會泄露這些數據。圖5為對某粒寶石內部包裹體的特征提取和幾何計算圖。

圖5 寶石內部包裹體的特征提取和幾何計算圖[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據作為識別寶石身份的方法[9-10]。通過比對寶石現場采集數據和數據庫中調取的數據,匹配重量特征、色彩分布特征、數據表特征和幾何特征是否一致,進而得出物證一致或物證不符的鑒定結論。該發明使用匹配特征數據進行寶石唯一性鑒定的思路對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,圖7為寶石特征數據匹配流程圖。

圖6 刻面寶石圖像和提取的特征點[9]

圖7 寶石特征數據匹配流程圖[10]

張耀拓于2010年公開了一種基于光學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裝置[11]。采用平行光束照明鉆石臺面,通過一個透鏡對鉆石切割面的反射光進行光學傅立葉變換,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CCD成像系統收集鉆石切割面的空間頻譜信號圖像輸入計算機進行存儲管理,并與計算機數據庫中存儲的鉆石空間頻譜信號圖像進行比較,實現對鉆石身份特征的檢測分析鑒定。

無錫新吉凱氏測量技術有限公司的涂成生于2018年公開了一種基于幾何形態信息的寶石認證和識別系統[12],包括幾何形態測量設備、數據處理軟件和數據庫;通過幾何形態測量設備完成對寶石幾何形態的測量,再用數據處理軟件對幾何形態數據進行處理和分析,幾何形態數據及處理分析的結果存儲在數據庫,完成寶石的認證登記。識別時,采用同樣方法測量被識別樣品的幾何形態數據、經處理和分析后,與數據庫中的寶石幾何形態數據進行比對,比對結果即可確定被識別樣品是否與數據庫某特定寶石一致。

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,窄環形光源垂直上下移動提供了垂直于鉆石臺面的不同入射角,采集每個設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)數值曲線,儀器結構和鉆石亮度曲線如圖8所示。計算待測鉆石明亮度曲線和數據庫鉆石明亮度曲線的相關系數,即可得出相似度百分比,從而實現鉆石的身份識別[14]。筆者已經對1500粒鉆石進行過比對試驗,任意兩粒鉆石的曲線相似度均小于鉆石重復性測試設定的閾值,鉆石百分百可區分[15]。

圖8 鉆石身份鑒定儀結構圖和一粒鉆石的亮度曲線

鉆石身份鑒定儀使用窄環形光源垂直上下移動的照射方式,不僅在從技術手段上區別于旋轉寶石,而且更能保證測量結果的穩定與準確。環形光源能形成360°全方位的入射光,無論鉆石如何繞軸旋轉,均能獲得一致的測試結果。環形光源垂直上下移動提供了垂直與鉆石臺面的不同入射角,采集每個設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,極大地便利了對圖像的數據處理。若使用微信或優酷掃描圖9的二維碼,可以看到該發明得到的兩粒鉆石的指紋特征所具有的美妙視覺效果,可能比布滿點狀圖案的圖像更具有市場推廣價值。

圖9 視頻二維碼

2 結論

本文介紹了寶石唯一性鑒定領域的技術背景,相比較借助證書報告、腰棱編碼、臺面印記等外在形式,利用寶石本身的幾何結構特征和光學效果進行唯一性鑒定更能降低寶石流通中造成的交易風險,增加鑒定結果的可信度。本文所述寶石幾何結構特征識別專利的步驟都是借助設備采集寶石原始圖案(光斑、點狀圖案、亮度圖案、包裹體圖案等),使用計算機分析寶石特征數據并存儲到數據庫中,將現場采集寶石的特征數據和數據庫中的數據進行實時比對,從而迅速、準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域需要攻破的技術難題,具有廣闊的發展前景。在大數據和人工智能的技術背景下,珠寶科技行業會不斷向前發展,打破傳統的珠寶鑒定模式,使珠寶鑒定領域的最新技術成果惠及于民。