拋光的寶石中的夾雜物檢測的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請人德比爾斯百年公司的國際申請?zhí)枮镻CT/EP2010/066641的PCT申 請、于2012年7月2日進(jìn)入中國國家階段的申請?zhí)枮?01080060278. 8的發(fā)明專利申請的 分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及拋光的寶石中的3D模型生成和夾雜物檢測。具體地但不排他地，本發(fā) 明涉及鉆石中的夾雜物檢測。
【背景技術(shù)】
[0003] 拋光過的寶石的市場價(jià)值取決于它的色澤、切工比例、內(nèi)部凈度和重量，公知為 "4C"。確定拋光過的寶石的色澤、切工和重量相對簡單，但是通常較難以客觀確定的是凈 度。鉆石的凈度是由其內(nèi)部的夾雜物的尺寸、數(shù)量和分布狀態(tài)所確定的。這里和鉆石工業(yè) 中都通常采用的術(shù)語"夾雜物"的廣義含義，涵蓋裂縫和其它大的缺陷、以及非鉆石材料或 者其它菱形晶體的夾雜物，它們在例如xlO的既定放大倍率下是可見的。
[0004] 使用現(xiàn)有方法可能不能從外觀上準(zhǔn)確評定材料的內(nèi)部凈度。這是因?yàn)橛^察鉆石的 便利性受到由于鉆石的（切割）形狀所造成光的折射和散射的影響。
[0005] 在過去已經(jīng)建立用于確定鉆石的外部形狀的技術(shù)。這種技術(shù)通常包括從多個(gè)不同 方向獲得的鉆石的輪廓或系列圖像的結(jié)果。接著結(jié)合圖像以形成表面的三維繪圖。這種技 術(shù)的例子在US 4529305、US 5544254、和US 6567156中有所描述。然而，這些文獻(xiàn)沒有提 供有關(guān)確定鉆石的內(nèi)部凈度的信息。
[0006] 原則上，這些限制中的一些可以通過折射指數(shù)匹配技術(shù)來克服，其中待檢查的目 標(biāo)被沉浸在包含具有與被檢查下的材料相同或類似的折射系數(shù)的液體的槽中。然而，對于 鉆石來說，沒有與其的高折射系數(shù)（n = 2.42)匹配的合適液體。此外，這是一個(gè)復(fù)雜且勞 動強(qiáng)度大的過程，并且可用的這種液體是有毒的。
[0007] X射線微斷層圖像可以提供鉆石的外部形狀和內(nèi)部特性兩者的信息。在這 些波長條件下鉆石的折射系數(shù)更加接近于1，并且這便于對內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的研宄。在 SkyScan(www. skyscan. be/next/application0601. htm)描述了這種的一個(gè)例子。然而，這 個(gè)技術(shù)在許多應(yīng)用場合太慢以致于不實(shí)用。
[0008] W0 02/46725公開了一種用于定位鉆石中的夾雜物的可替換方法和裝置。每個(gè)夾 雜物必須首先由操作者識別。接著，鉆石被平移和旋轉(zhuǎn)，這樣，可以從多個(gè)不同方向觀察夾 雜物。每次進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)時(shí)，操作者必須再次識別夾雜物。結(jié)果，這種技術(shù)還是太慢，并 且難以被用于自動化。
[0009] 此外，上面所描述的技術(shù)通常可以應(yīng)用到粗糙（未磨光）寶石的夾雜物檢測。在 已拋光過的寶石內(nèi)的光的性質(zhì)更難以精確地模型化，因?yàn)樵谶@種寶石的多個(gè)刻面上存在多 次內(nèi)部反射。
[0010] 期望地，提供一種能夠在拋光過的寶石中自動識別（即不需要操作者的識別）夾 雜物并且定位它們的技術(shù)。還期望地，提供一種用于生成寶石的3D模型的改進(jìn)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于獲得寶石的3D模型的方法。該方法包括以 系列離散增量旋轉(zhuǎn)寶石。在寶石的每個(gè)旋轉(zhuǎn)位置，用準(zhǔn)直光照射寶石并且記錄輪廓圖像。在 每個(gè)旋轉(zhuǎn)位置，（在進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)之前）還用漫射光照射寶石，并且記錄漫射圖像。使用包含 在輪廓圖像和漫射圖像中的信息獲得寶石表面的3D模型。
[0012] 可以通過分析輪廓圖像以獲得初始3D模型。接著，可以使用包含在漫射圖像中的 信息精化這個(gè)初始3D模型。該精化可以包括將模型中的刻面邊緣與漫射圖像中的邊緣對 準(zhǔn)，其可以包括沿與初始模型邊緣相垂直的方向在每個(gè)漫射圖像中采樣一個(gè)區(qū)域，并且求 出所述區(qū)域的中心條中最大坡度的位置。
[0013] 該方法還可以延伸用于在識別夾雜物?？梢栽诼鋱D像中識別特征并且在后續(xù)的 漫射圖像之間追蹤特征?？紤]光射線被寶石的反射和折射，被追蹤的特征可以相對于寶石 的3D模型定位。隨后，可以將部分或全部被定位的特征識別為夾雜物。實(shí)際上，即便不使 用包含在漫射圖像中的信息精化，僅采用（由漫射圖像獲得的）初始3D模型，該方法也是 可行的。
[0014]由于在鉆石的同一旋轉(zhuǎn)位置獲得輪廓圖像和漫射圖像（并且優(yōu)選地通過同一成 像裝置觀察），3D模型應(yīng)該非常接近地匹配用來追蹤特征的漫射圖像。
[0015] 寶石可以繞著基本垂直于寶石的切平面刻面的軸線旋轉(zhuǎn)。通過一個(gè)或多個(gè)照相機(jī) 可以記錄這些圖像，并且，在一個(gè)具體實(shí)施例中，在相對于寶石的旋轉(zhuǎn)軸線的不同位置使用 兩個(gè)照相機(jī)。
[0016] 可以用大體指向?qū)毷难獾难庹障鄼C(jī)記錄輪廓圖像?？梢酝ㄟ^腰棱照相機(jī)和 大體指向?qū)毷耐げ康耐げ空障鄼C(jī)記錄漫射圖像。
[0017] 對于成像系統(tǒng)，有利之處在于提供一種正面投影圖，即成像系統(tǒng)在目標(biāo)空間中可 以是焦闌的，使得在無窮遠(yuǎn)處的觀察點(diǎn)是有效的。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種用于獲得寶石表面的3D模型的方法。該方法 包括分析在寶石的一系列增量旋轉(zhuǎn)位置獲得的用準(zhǔn)直光照射的寶石的一組輪廓圖像。一些 輪廓圖像被標(biāo)識為"主畫面"，主畫面是其中寶石的刻面平面與照相機(jī)的軸線基本平行使得 所述刻面在輪廓圖像中作為刻面線顯示的輪廓圖像。在每個(gè)主畫面中，計(jì)算刻面線的法線。 刻面線的法線在圖像的平面內(nèi)并且3D模型中刻面的法線相對應(yīng)。
[0019] 對于每個(gè)輪廓圖像，可以識別限定與寶石的輪廓相對應(yīng)的像素的凸形外形。在每 個(gè)凸形外形中，可以識別與寶石上這些刻面之間的交界面相對應(yīng)的刻面交界點(diǎn)?？梢员O(jiān)測 在每個(gè)刻面交界點(diǎn)的角度在后續(xù)圖像之間的變化。如果在刻面交界點(diǎn)的角度為最大值或者 最小值，則可以將圖像標(biāo)識為主畫面。主畫面的凸形外形中的最大值或者最小值刻面交界 點(diǎn)每側(cè)的線與該圖像中的刻面線相對應(yīng)。
[0020] 初始地，確定寶石的冠部刻面和亭部刻面的刻面法線。通過識別寶石的旋轉(zhuǎn)軸線 可以計(jì)算寶石的切平面刻面的法線。隨后可以識別其它刻面。
[0021] 通過分析在寶石的一系列增量旋轉(zhuǎn)位置獲得的通過漫射光照射的寶石的一組漫 射圖像可以精化3D模型。
[0022] 獲得3D模型的方法可以應(yīng)用于確定上述的夾雜物。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種用于識別寶石中的夾雜物的方法。生成寶石 表面的3D模型。分析在寶石的一系列增量旋轉(zhuǎn)位置獲得的用準(zhǔn)直光照射的寶石的一組輪 廓圖像。識別這些圖像中的備選特征并且在相鄰的圖像之間追蹤備選特征。對于每個(gè)被追 蹤的特征，估計(jì)相對于3D模型的可能的自由空間位置和折射位置。自由空間位置的計(jì)算 假定特征于寶石的一個(gè)附近表面上，使得來自獲得所述圖像的照相機(jī)的光射線沒有穿透寶 石。折射位置的計(jì)算假定特征處于鉆石內(nèi)或者后面，使得來自照相機(jī)的光射線穿過寶石，該 計(jì)算考慮光射線被寶石的反射和折射。過濾掉亂真特征，并且識別與這些特征的折射位置 對應(yīng)的夾雜物。自由空間位置可以用來確定備選特征是否位于寶石的前表面上或者寶石的 前表面外側(cè)（并且因而為亂真的特征）。
[0024] 每個(gè)被追蹤的特征可以被歸類為阻塞特征、表面特征、折射特征、或者錯(cuò)誤特征， 并且僅折射特征被用來識別夾雜物?？梢圆捎闷渌蛘吡硗獾姆诸?。
[0025] 可以通過以下步驟識別由內(nèi)部圖像生成的亂真特征。在一個(gè)圖像中，可以沿由照 相機(jī)發(fā)出的且被折射通過前刻面的射線方向在概念上推動前刻面通過寶石的3D模型。當(dāng) 使用多邊形裁剪算法在概念上推動后刻面通過所述模型時(shí)，識別被前刻面碰到的3D模型 的后刻面的部分?？梢栽谇翱堂嬷凶R別這些部分以及這些部分之間的邊界。隨后可以將在 前刻面中所見到的所述部分和邊界歸類為亂真特征。
[0026] 隨后可以在概念上將這些部分反射離開后刻面并且沿反射射線的方向?qū)⑺鼈兺?動通過寶石的模型。使用多邊形裁剪算法可以識別被碰到的另一個(gè)刻面以及這些刻面的在 前刻面中可見的部分。隨后可以重復(fù)所述過程直至預(yù)定的最大反射數(shù)量，并且，將所有所述 部分和所述部分之間的邊界識別為亂真特征。
[0027] 接著，將這些特征聚類在一起以形成缺陷。針對每個(gè)缺陷確定3D模型內(nèi)的包圍 體。每個(gè)包圍體被背投射到所有通過其可見包圍體的前刻面上。在每個(gè)漫射圖像中，可以分 析形成每個(gè)缺陷的背投影的像素