钻石光学效果研究现状

万晓昌，刘欣蔚，翟少华，郑丽珊

1.烟台黄金职业学院，烟台 264010

2.江西应用技术职业学院，赣州 341000

3.江苏省黄金珠宝检测中心，南京 210016

4.成都理工大学，成都 610000

钻石光学效果是指钻石的亮度、火彩和闪烁综合在一起所呈现的钻石外观。对于这三个概念，美国宝石学院（Gemological Institute of America，简称GIA）、美国宝石学会（American Gem Society，简称AGS）等机构以及国内的陈钟惠教授和袁心强教授等都给出了相应的定义。本文采用袁心强教授的定义[1]，将亮度分为外部亮度及内部亮度，分别指钻石表面和内部反射出的白光的亮度。钻石表面的反射又称为光泽，内部反射主要是亭部刻面的全反射，这二者是钻石亮光的主要组成部分。火彩是钻石色散造成的色光。闪烁是在光源移动，或者是观察者观察角度变化时，钻石的刻面对光源的反射所产生的明暗交替变化现象。

研究钻石光学效果的机构有很多，例如美国宝石学院、美国的GemEx 公司、以色列的Sarine 集团、俄罗斯的莫斯科国立大学（MSU）以及中国地质大学（武汉）等。这些机构的研究不仅丰富了钻石光学效果的理论，而且研发了大量测量仪器，例如GemEx 公司的Brilliance Scope，Sarine 集团的Sarine Light，Optical Gem Inclusion（OGI）公司的Firetrace，以及中国地质大学（武汉）的钻石光学效果测量仪等。了解钻石光学效果的研究机构以及研究成果，有利于更好地理解钻石切工的评判标准，对于珠宝市场尤其是钻石市场有非常大的指导作用。

1 GIA

GIA，美国宝石学院，1931 年创立，提出的钻石4C 标准是国际珠宝界的通用标准。

1.1 GIA 关于亮度的研究

自1989 年开始，GIA 致力于利用计算机研究钻石的光学效果，在1998 年发表的文章中提出了一种用于计算钻石亮度的数学模型，即Weighted Light Return(WLR)，利用三角函数对钻石的光返回值进行加权[2]。由于不同角度射出的光线使眼睛对亮度的察觉程度不同，当观察者正对台面时，垂直台面射出的光线要比斜射出台面的光线对亮度的贡献更大。因此，该数学模型采用对不同角度的光线进行加权的方式模拟计算钻石的亮度，如图1。采用加权函数着重于调整光线从虚拟物体中射出的角度，而不是光线从哪个面射出。GIA 在检测了数万颗具有不同尺寸与比例的钻石并对其冠角、亭角、台宽比等角度和比例进行分析之后，认为钻石的同等亮度可以由不同的切工比例组合实现[2]，例如不同的台宽比和亭深比有时会出现相同的亮度。

1.2 GIA 关于火彩的研究

2001 年，GIA 建立了用于计算火彩的Dispersed Colored Light Return（DCLR）模型，此模型应用场景为一个模拟现实观察环境的半球装置，如图2。在这个半球顶部有一个观察孔，观测角度为3°，从孔中观察钻石台面垂直腰围部分是暗的。在半球的顶部有一个黑环，用于模拟真实观察过程中头部对光线的阻挡作用，此黑环的外径与钻石台面的中心法线成23°。进入观测孔的漫反射光照射到钻石上，发生色散，分解为组成色光，在半球表面形成色带，这些色带由彩色斑点组成，将反射至半球上的彩色斑点平面化，如图3，即可计算钻石的火彩[3]。

图2 DCLR 半球装置[4]Fig.2 DCLR hemispherical mount [4]

图3 DCLR 半球装置观测方法及投影色斑[3]Fig.3 DCLR hemispherical device observation method and projection color spots [3]

1.3 GIA 关于闪烁的研究

2004 年，GIA 发明了一个简单的观察钻石光学效果的环境装置，即Common Viewing Environment（CVE）系统，用于人工观察钻石的光学效果，如图4。为模拟钻石现实的观察环境，设计了多个明暗条带交替的半球装置，如图5，并且对WLR 与DCLR 进行了修正。尽管GIA 进行了很多尝试，但未能建立钻石闪烁的计算模型[4]。

图4 CVE 光学效果观察系统[4]Fig.4 CVE optical effect observation system [4]

图5 模拟真实观察环境的半球[4]Fig.5 Hemisphere simulating real observation environment[4]

2006 年，GIA 在综合钻石的亮度、火彩、闪烁（基于外观的方面）、抛光和对称性（工艺方面）等七个要素的基础上，总结发布了钻石切工等级，以钻石切工的台宽比、冠高比等比例以及冠角、亭角等角度的组合作为最主要的参考依据，对钻石的切工等级进行划分[5]。尽管GIA 同时发布了钻石切工等级评价的在线程序软件GIA Facetware®，但未能真正实现利用计算机直接测量钻石光学效果的想法。

2 AGS

AGS，美国宝石协会，成立于1934 年。20 世纪90 年代初，AGS 即致力于发展钻石的分级制度。与其他机构不同的是，AGS 钻石分级制度将钻石4C 分级标准中最重要的切工（Cut）公式化，即采用比例、抛光等在内的11 种要素对钻石切工进行分级，每种要素对于切工等级重要性的占比不同，进而将钻石的切工分级带入新的阶段。1996 年，AGS 成立了自己的实验室American Gem Society Laboratory（AGSL），开始着手钻石切工分级的研究。首先进行的是二维比例分级，即平面研究，2003 年的文章中[6]研究了角谱（角谱即在半球投射的圆形光谱，每个点代表一个光的方向，在此方向可使小的平面反射发光）、光线追踪以及结构化光源等对钻石外观的影响，为后续的工作奠定了基础；2005年开始利用光线追踪的方法进行三维光学性能分级；2007 年的文章中系统地总结了钻石亮度、火彩、闪烁的产生以及计算[7]，之后推出自己的切工分级标准。

AGS 利用计算机编程对钻石切工进行分级，推出了AGS Performance Grading Software 这款软件，配合Sarine 或者OGI 的钻石比例扫描仪使用，也可作为插件；并且发明了Angular Spectrum Evaluation Tool（ASET）装置，如图6，用于观察钻石的光学效果，分为商用和便携两种类型。

图6 ASET 商用款（a、b）与便携式（c）[7]Fig.6 ASET commercial(a、b) and portable(c)[7]

2.1 AGS 关于亮度的研究

AGS 关于亮度的计算是将观察距离定为250mm，将观察环境看作一个半球并分为三个部分，如图7，蓝色部分为高角度90°～75°，这一部分的光线在实际观察时通常会被观察者的头部阻挡；红色部分为中角度75°～45°，这一部分光是人眼观察到的最主要的光线；绿色部分为低角度45°～0°。利用光线追踪的原理，对返回的光线颜色进行编码，如图8。经研究发现[7]，对于标准圆明亮琢型的钻石而言，冠部亮度的20.5%来自高角度，67%来自中角度，7.2%来自低角度，5.3%的光漏出。根据AGS 研究制作的ASET 的亮度矩阵图，如图9-a，不同切工比例的钻石可获得不同的编码图，根据所获得的编码图中蓝色、红色、绿色、灰色的多少以及分布情况来评价钻石的亮度。

图7 AGS 观察半球角度划分图[7]Fig.7 AGS observation hemisphere angle division map[7]

图8 AGS 亮度编码图，蓝色为90°-75°入射光，红色为75°-45°入射光，绿色为45°-0°入射光，灰色为泄露的光[7]Fig.8 AGS brightness code diagram,the blue light is 90°-75° incident light,the red light is 75°-45° incident light,the green light is 45°-0° incident light,and the gray light is leaked light[7]

图9 a -ASET 亮度矩阵示意图，b -火彩矩阵示意，c -闪烁矩阵示意图[7]Fig.9 a -ASET matrix schematic diagram about brilliance，b -fire，c -scintillation(c)[7]

2.2 AGS 关于火彩的研究

AGS 关于火彩的计算是将观察距离定为250mm，将光线波长规定在420nm 和620nm 之间。钻石的色散值为0.044，光线进入钻石被线性地分解为几个毫米，并组合成不同大小的色块，人眼对于不同色块大小的捕捉能力不同，有些色块太小只有一种颜色，有些色块比较大则有多种颜色。根据照明条件以及人眼能捕捉到的色块大小，将火彩人为区分为不同的颜色，用于表示人眼能够捕捉到的色块大小。图10-a 表示观察者看到的火彩图，10-b 表示光源逆向追踪的火彩图，两者光线来源方向不同，颜色不同，10-a 中光线来源于光源方向，10-b 中光线来源于人的眼睛的方向。图10-c 为色级图：灰色表示模糊，低角度光线或有光线漏出；暗橙色表示色块小于或等于2.0mm；橙色表示色块在2.0mm 和4.2mm 之间；浅橙色表示色块在4.2mm 和6.4mm 之间；而黄色表示色块大于6.4mm。其中观察者看到的火彩图是评估钻石火彩的主要工具，根据AGS 研究制作的ASET 火彩矩阵图，如图9-b，不同切工比例的钻石可获得不同的火彩编码图，根据所获得的编码图中颜色的分布情况来评价钻石的火彩。

图10 AGS 火彩图[7]Fig.10 AGS fire color map[7]

2.3 AGS 关于闪烁的研究

AGS 关于闪烁的计算是根据菲涅尔定律，一束光线进入宝石后被分裂成很多束光线，因此当观察宝石时会发现，它的外观由比实际刻面数量多很多的小刻面组成，如图11。AGS称这些刻面为虚拟刻面，这些虚拟刻面对闪烁有非常大的影响。因此，AGS采用六种不同颜色的结构性光源组成同心圆状扇形光源和放射状光源，如图12，颜色分别为红色、绿色、蓝色、青色、品红色和黄色，当光线照射到半球时，虚拟刻面会产生色斑的变化。根据AGS 研究制作的ASET 闪烁矩阵图，如图9-c，不同切工比例的钻石可获得不同的闪烁编码图，根据所获得的编码图中颜色的变化情况来评价钻石的闪烁。

图11 AGS 虚拟刻面与不同结构光源的闪烁图[7]a-同心圆扇形光源的闪烁图b-放射状光源的闪烁图Fig.11 Flicker diagram of AGS virtual facet and different structure light sources[7]a-the flicker diagram of concentric circle fan light source b-the flicker of radial light source Figure

图12 AGS 结构性光源[7]a-中角度同心圆状扇形光源 b-中角度放射状光源Fig.12 AGS structure light source[7]a-the flicker diagram of concentric circle fan light source b-medium angle flicker of radial light source Figure

AGS 的切工等级分为11 个分级要素[8]，分别是：亮度、火彩、漏光、对比度（光性能因素）、腰围厚度、底尖大小、重量比、耐久性、比例（比例因素）、抛光和对称（完成度因素）。每个分级要素对应着11 个等级（表1）：0 为理想，1 为优秀，2 为很好，3～4 为好，5～7 为一般，8～10 为差。利用钻石比例扫描仪对钻石进行扫描，在AGS Performance Grading Software（PGS）中对11 个要素进行分级，某个要素达到哪个等级就对应着某个分数，分数相加，分数越高则切工级别越低。

表1 AGS 切工等级表Table 1 AGS cut grades

3 Sarine

Sarine 中文译名尚灵，是以色列的一家公司，专注于钻石行业，从毛坯设计、切割到成品分级都有涉猎。Sarine 是目前为止利用光学性能进行钻石分级比较成熟的公司，其自主研发的Sarine Light（图13）装置通过对来自多个国家的23000 多颗钻石样品的测量研究，将钻石的光学效果的要素分为四个：亮度、火彩、闪烁、光对称性[9]。

图13 Sarine 公司的Sarine Light 装置[9]Fig.13 Sarine light device of sarine company[9]

Sarine 通过直接测试的方法对钻石的光学效果进行测量，模拟观察过程中的动态环境设计了类似于GIA 半球的装置，如图14，可以为钻石提供360°的旋转观察。半球由黑白相间的区域组成，当光线照射到白色部分时光线返回钻石，当光线照射到黑色部分时光线被吸收，从而模拟钻石的动态观察环境。

图14 Sarine 的半球装置[9]Fig.14 Semi-spherical device of sarine company[9]

3.1 Sarine 关于亮度的研究

Sarine Light 装置在半球旋转时对钻石进行拍摄，之后将拍摄图像的每个像素记录为三个分量，被称为Y、U、V。Y 用于计算亮度，亮度表示方法为计算合成图像（由仪器拍摄的所有图像组成的钻石图像）的灰度值，灰度值越高，亮度越高；U 和V 是色度（颜色）分量，U、V 值描述了颜色及其强度——值越高，强度越高。

3.2 Sarine 关于火彩的研究

3.3 Sarine 关于闪烁的研究

闪烁由对比度、动态火彩和静态火彩三个因素共同计算。对比度是当半球旋转时分析每张图片的相同像素的灰度值的变化，如果高于某个阈值则该像素被记为有对比，用标记像素的数量除以总像素点数，就可以确定对比度。

3.4 Sarine 关于对称性的研究

光对称性是指在钻石的切工与内含物影响下光的分布情况。光对称性是通过从仪器记录的多个图像中合成一个灰度级图像来计算的，将图像均分为8个单元，每个部分相差45°，系统计算每个单元的实际灰度和该组的平均值之间的差值，对这些差值求和，值越高则对称性越低，可能是由于切磨不对称或者内含物所致。

亮度、火彩、闪烁、光对称性这四个分级要素都分为5 个级别：优异、非常高、高、标准、中等，先对四个分级要素进行分级，之后再通过汇总得出总的级别，如表2。

表2 Sarine 切工等级表[9]Table 2 Sarine cut grades [9]

4 GemEx

GemEx，美国的一家专门从事光学性能研究的公司，钻石业务只是他们的一个分支。早在1999 年，GemEx 就成功研制了利用计算机直接计算钻石光学效果的仪器BrillianceScope，是一种比较大型的仪器，由机箱检验设备与电脑连接。国内企业对其进行了改版，如图15，利用球体上的开口和环形光源制作了一个360 度的圆锥体，通过光源的上下调节可以调整拍摄角度，从5 个不同方位拍摄照片，通过分析照片计算亮度、火彩和闪烁。

图15 GemEx 的BrillianceScope 简易版及其拍摄角度Fig.15 BrillianceScope simplified version of Gemex and its shooting angle

亮度根据返回观察者眼睛的白色光的比例进行计算，火彩根据返回观察者眼睛的彩色光的比例进行计算，闪烁通过计算亮点以及其改变情况进行计算。

GemEx 的分级要素为亮度、火彩和闪烁，每个分级要素又分为四个级别，分别是很高、高、中等、低，如图16。GemEx 只出具光学性能的证书，不做钻石其他方面的分级，并称出于保护消费者的目的，其光学效果的分级标准自问世一直未有改动。

图16 GemEx 切工等级示意图Fig.16 Schematic diagram of Gemex cut grade

5 中国地质大学（武汉）珠宝学院

中国地质大学（武汉）珠宝学院为国内较早研究钻石光学效果的机构，袁心强课题组石斌博士在2007 年研发宝石切工仿真分析系统，利用光线追踪的原理模拟宝石光学效果[10,11]；刘萍萍博士2010 年发明了钻石光学效果观测仪，如图17 所示，主要由样品台、光源、摄像头、电脑组成，光源为环形光源，可在6 种不同入射角度的环形光线下采集钻石图像。

图17 钻石光学效果观测仪装置[13]a-钻石光学效果观察仪；b-LED 光源平面；c-6 组灯珠控制开关Fig.17 Diamond optical effect observation instrument device[13]a-diamond optical effect observer;b-LED light source plane;c-6 groups of lamp bead control switches

5.1 关于亮度的研究

2014 年刘萍萍博士发表了亮度测量方法[12]。通过钻石光学效果观测仪拍摄图片，其图片为真彩色位图文件，每张图片有30 万个像素点，每一个像素点都由RGB 三个数值表示。根据样品冠部对应位置射出并进入观察者眼睛的光线强度，将图样中的每一个像素点从黑到白分成0～255，表示不同的明亮程度，0 表示黑色，即这一点上没有光线射出；255 表示最大亮度，为最明亮的白色，累加每一个像素点的亮度值作为图片的亮度总值，表征样品的亮度[13]。

5.2 关于火彩的研究

2016 年刘萍萍博士发表了测量钻石火彩和闪烁的方法[13,14]。火彩的计算运用HSI（色调、饱和度、亮度）颜色模型转换技术，将图像由RGB 颜色模型转换到HSI 颜色模型进行处理，计算钻石的火彩值。按照先横向再纵向的顺序依次对图像中的像素点进行扫描，获取RGB 信息，并转化为HSI 数值。所有色调均属于火彩，在计算过程中不考虑像素点的色调（H），仅考虑像素点的饱和度（S）和明亮度（I）。当I 为0 时，像素点为黑色，I 越大，像素点的明亮度越高。S 为0 时，像素点没有色彩,根据明亮度从小到大为黑、灰、白，饱和度越大，像素点的颜色越鲜艳。彩色点判定条件为饱和度（S）≥25%，明亮度（I）≥20%,饱和度大于25%且明亮度大于20%的点，判定为火彩点，进行下一步计算，不满足条件的点直接跳过。将这些值进行加和，最后进行归一化处理得到火彩值。

5.3 关于闪烁的研究

2016 年刘萍萍博士发表的钻石闪烁的计算方法：在6 种不同入射角度的环形光线下采集钻石图像，共采集六张图像并进行分析。采用CIE1976L*a*b*色度空间中的色差计算公式对圆明亮型钻石的图像进行数据处理，获得钻石的闪烁强度值。计算方法为，首先将RGB 值转化为XYZ 值，然后依据色差公式计算出相邻光源照射获得的2张图像中每一个坐标位置的像素点的色差值，小于等于12NBS 的点没有发生闪烁效果，直接跳过不予计算；大于12NBS 的点判定为闪烁点，数据保留参与计算。

6 其他机构

除上述机构或企业外，对钻石光学效果开展研究的还有以下机构：

OGI，研发了Firetrace，使用光线追踪技术测试钻石的光学效果，分级要素为亮度、火彩、闪烁，每个要素分为优秀、很好、好、一般四个等级。

莫斯科国立大学的Diamcalc 是一款非常优秀的钻石仿真模拟软件，能够模拟多种光源下的钻石的光学效果，并且收录了包括GIA、AGS、HRD 等多家实验室的分级评价体系，能够根据钻石的比例直接评判钻石的切工等级。

戴比尔斯的IRIS 火光观测仪也能够在其相对较大的门店当中见到；加里·霍利的Ideal Scope 是改版其收购的最早的钻石光学效果观察的小仪器Fire Scope；还有如布鲁斯·哈丁、迈克尔·考林等众多的研究学者也在研究钻石的光学效果这一课题，并且成果丰富。

7 结论

钻石光学效果是目前比较热门的课题，在上世纪70 年代提出后不断发展，近些年随着人们审美的变化，对钻石切工质量的评价将不仅仅满足于钻石的切工分级，而是希望能够更加直观地对钻石的光学效果进行评判。GIA 和AGS 作为这一研究领域的先行者，更多的是建立钻石切工的二维评价体系，依然停留在用比例等要素对光学效果进行分级的阶段；中国地质大学（武汉）和莫斯科国立大学则更偏学术；Sarine 在商业领域的探索更具前沿性，不仅有自主研发的仪器，而且有评价体系，在国内和NGTC 等机构展开合作，更有商业应用性。未来，光学效果如作为评价钻石价值的另一个要素体现在国家标准当中，将更加引起人们的重视。