CC BY
19
УДК 004.932, 535.65, 553.8, 681.785 DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-1-55-60
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СЫРЬЯ ЦВЕТНЫХ КАМНЕЙ, ЕГО КЛАССИФИКАЦИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
А. Н. Чертов1, Е. В. Горбунова1, В. С. Перетягин1, А. С. Кушкоева1, А. А. Алёхин1, Ю. М. Морозов2
1 Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия
E-mail: a.n.chertov@mail.ru 2ООО „БП-Проект", 197375, Санкт-Петербург, Россия
Обсуждается вопрос о необходимости перехода от субъективных параметров оценки качества цветных камней к объективным. Представлено описание разработанного автоматизированного аппаратно-программного комплекса, основанного на методах технического зрения и обработки изображений и предназначенного для определения в количественном виде таких показателей качества цветных камней, как „размерность", „цвет" и „чистота". На примере бериллие-вого сырья показаны возможности количественной оценки, упаковки и паспортизации проанализированных образцов цветных камней. Предложенное техническое решение может быть использовано добывающими и ювелирными компаниями, рынками и аукционами, геммологическими центрами, органами государственной власти.
Ключевые слова: цветные камни, сырье, оценка качества, аппаратно-программный комплекс, паспортизация, цвет, чистота, обработка изображений
Проблема оценки качества цветных камней. Понятие „цветные камни" относится и применяется ко всем драгоценным (за исключением алмазов и бриллиантов), а также полудрагоценным и поделочным камням.
Основные показатели оценки качества цветных камней — размер (также используют термин „размерность"), цвет и чистота. Чистота — комплексный параметр, учитывающий прозрачность камня и наличие в нем дефектов — трещин и включений. Для ювелирных вставок (ограненных камней) значимыми показателями также являются вес (каратность), тип и качество огранки.
Процесс оценки начинается сразу после добычи, когда осуществляются сортировка и первичная классификация камней по показателям качества, их аттестация. Оценка (подтверждение) качества выполняется также при совершении торговых и таможенных операций, геммологической экспертизе, государственном контроле.
В соответствии с существующими в Российской Федерации нормативными документами, среди которых одним из основополагающих является СТО 45866412-16-2014 „Драгоценные камни. Термины и определения", фактически безальтернативным методом оценки качества драгоценных камней считается экспертный, т.е. их визуальная оценка человеком. Показатели качества в этих документах приводятся в описательном виде. Например, в соответствии с СТО 45866412-10-2008 „Рубины природные необработанные (в сырье). Технические условия" для рубина может быть дано следующее описание: образец красного цвета с фиолетовым оттенком, среднесветлый, потерявший прозрачность в отдельных участках, с хорошо видимыми невооруженным глазом многочисленными небольшими дефектами, образующими скопления в отдельных участках камня.
Подобный общепринятый подход приводит к тому, что оценки, производимые разными экспертами, в силу различий их зрительного восприятия, опыта, трактовки описания
показателей качества и даже психофизиологического состояния, на момент проведения оценки могут не совпадать.
Существует ряд технических решений для инструментального определения свойств драгоценных камней. Решения можно условно разделить на два вида — для диагностики (определения подлинности) и анализа качества.
Первые основаны на методах ИК-спектроскопии, комбинационного рассеяния света, анализа под УФ- и рентгеновским излучением, рефрактометрии и наиболее хорошо развиты применительно к алмазам и бриллиантам. При этом задачу оценки качества данные методы не решают и поэтому не являются предметом рассмотрения в настоящей статье.
Технические решения второго вида малочисленны и узко специализированы. По информации из открытых источников известно о существовании устройства для оценки качественных характеристик опалов [1, 2]. Особенностью этого вида цветных камней является наличие эффекта опалесценции — внутреннего сияния. С помощью указанного устройства осуществляется многократная съемка с разных ракурсов, позволяющая построить цветовую карту исследуемого образца и получить информацию о характере его бликования.
Следует отметить спектрофотометр SAS2000 [3], предназначенный для диагностики алмазов и других драгоценных камней, позволяющий определять координаты цвета исследуемых образцов и классифицировать бриллианты по принятой GIA (Gemmological Institute of America) системе путем сравнения полученных спектров со спектрами эталонных образцов из алмазной спектральной библиотеки самого SAS2000.
Можно упомянуть и программное решение GemeWizard [4] от GIA для определения цвета камня по загружаемому изображению. Однако вследствие отсутствия как требований к условиям получения загружаемых изображений драгоценных камней, так и соответствующего аппаратного обеспечения данное решение может быть использовано только для обучения персонала.
Таким образом, можно заключить, что на сегодняшний день отсутствует единая методологическая и технологическая база для объективной оценки качества цветных камней, что обусловливает актуальность проведения соответствующих исследований и разработок.
Аппаратно-программный комплекс. Коллективом авторов настоящей статьи разработан аппаратно-программный комплекс (АПК) для автоматизированной количественной оценки цветных камней в сырье по показателям качества „размерность", „цвет", „чистота".
Разработанный АПК основан на методах технического зрения и обработки изображений. На рис. 1, а, б приведены его трехмерная модель и вид в разрезе, где 1 — узел регистрации, 2 — модуль верхней подсветки, 3 — сменные кассеты для размещения исследуемых образцов, 4 — модуль нижней подсветки.
а) б)
Рис. 1
Конструкция содержит узлы освещения и регистрации, приспособления для позиционирования образцов анализа, светоизолирующий корпус с дверцей для легкой смены образцов, специализированное программное обеспечение, а также приспособления для предварительной настройки и калибровки АПК.
Узел освещения состоит из модулей верхней и нижней подсветки на основе белых све-тоизлучающих диодов. Нижний модуль представляет собой 8*8-матрицу светодиодов и используется для работы в режиме „на пропускание", который позволяет получать информацию о прозрачности образцов и наличии в них трещин и включений. Верхний модуль содержит 8 отдельных плат со светодиодами, каждая из которых наклонена под углом 80° к оптической оси узла регистрации. Верхняя подсветка используется для работы в режиме „на отражение" — для определения размера и цвета образцов.
Узел регистрации содержит телевизионную камеру фирмы ЭВС VEI-545 и набор сменных объективов с фокусным расстоянием 4, 8 и 12 мм.
Устройство позиционирования образцов выполнено в двух модификациях:
— плоская кассета — для анализа одного образца произвольного размера;
— две кассеты с ячейками — для одновременного анализа сразу нескольких образцов: одна предназначена для позиционирования 16 образцов размером 10—20 мм, другая — 49 образцов размером 1—10 мм.
Приспособление для предварительной настройки АПК также выполнено в виде плоской кассеты. Одна сторона касеты представляет собой белый фон и используется при колориметрической калибровке, а другая содержит метрическую сетку — для метрической калибровки.
Все кассеты изготовлены из акрила, их толщина составляет 3 мм.
Настройка аппаратно-программного комплекса включает процедуры для метрической, фотометрической и колориметрической калибровки и осуществляется в полуавтоматическом режиме. От оператора требуется только следовать подсказкам на экране компьютера.
Анализ образца осуществляется следующим образом. В рабочем окне программного обеспечения выбирается количество анализируемых образцов и количество ракурсов (сторон), с которых предполагается осуществлять съемку. Далее образец или образцы определенного размера размещаются в соответствующей кассете, которая устанавливается в АПК. Выполняется их съемка последовательно в режимах „на пропускание" и „на отражение". При необходимости съемка повторяется для каждой ориентации камня в зоне анализа. После этого осуществляются обработка полученных изображений, их сохранение и вывод результатов.
Эксперимент. На рис. 2 представлен пример протокола анализа образцов цветных камней.
В ходе эксперимента использовались образцы бериллиевого сырья, предоставленные ООО „БП-Проект".
Согласно протоколу (см. рис. 2), по каждому образцу автоматически определяются размерная группа, цвет и чистота. Размерная группа — диапазон размеров, в миллиметрах, в которые попадает анализируемый образец. Цвет выводится в координатах HLS (Hue — цветовой тон, Lightness — светлота, Saturation — насыщенность), в кодах GIA, а также в кодах собственного классификатора [5], который используется в разработанном СТО 30719444-1-2018 „Бериллиевое сырье. Стандарт организации". Несовпадение кодировок GIA и собственного классификатора вызвано укрупнением (объединением) классификационных групп цветовых оттенков для сырья цветных камней. Группа чистоты определяется на основании данных о прозрачности образца и процентном содержании в нем включений и трещин.
Для каждого образца информация может выводиться и в усредненном виде, и по каждому ракурсу съемки отдельно, что важно для определения драгоценного компонента в образце цветного камня.
Таким образом, каждый образец имеет свой уникальный набор показателей качества, выраженных в количественном виде и в совокупности образующих своеобразный „цифровой паспорт".
Представление резуль твтов
rv
Исходно« UMI кидал вед MO H 1 I 1 s ИиХиДПие И |пГЦ1,1» ГМИЦ оэффмцми ДОЦМЧЮСК Псимсио*! ч №ГМ><«*«Й Ч Г | иг-111И11 Чнчии
+20 К| BG 7/ 4 BG 3/ 4 153 / 15 / 52 1,0 ■fe] 30,63 13,22 3 (непр.)
+20 mm BG 7/ 3 BG 3/ 3 148/ 21 / 32 м 1,0 ф 87,80 10,92 3 (непр.)
-15+10 ф ■ vslbG 4/1 vslbG 124 / 2/1 51/9 31,0 0 20,80 23,64 2 (деф.)
-15+10 i ■ BG 7/ 4 BG 3/ 4 149 / 19 / 51 1и «д> | 62,40 23,15 3 (непр.) щ (непр.)
-15+10 t ■ УС 5/2 yG 2/2 107 / 36 / IS • 24,0 ш 29,53 34,10
-15+10 .р gv 3/1 gY 1/1 70 / 56 /10 # 24,0 ¿0 22,25 - 28,27 (Д=Ф)
-20+15 % ■ yG 7/3 yG 3/3 102/ 18/30 % 4'° AJ 61,84 24,47 3 (непр,)
-15+10 ■ GY 5/2 14 Л j- 89 / 33 /11 ш 26,0 о 11,03 23,22 2 (деф.)
■ --" '
Рис. 2
Классификация и сертификация. Наличие цифрового паспорта открывает широкие возможности по сертификации цветных камней в целях предоставления объективной информации об их качестве и принятия решения о возможном использовании.
На рис. 3 представлен пример вкладыша для упаковочной единицы, который может быть использован для сырья цветных камней: а — лицевая сторона; б — обратная сторона.
а)
б)
Природный берилл
Насыщенное 1ь
/1 - Сероватый
17-Слеша сероватый
В - Очень слабо сероватый
М - 'умеренно сильный
15- Сильный
Л>- Яркий
Светлела
0 - Белый (без опенка)
1 - Светлый (2 или 3 по Госреестру)
2- Средний(< - 6 лоГос реестру
3- Темный (7 или 8 по Госреестру) ■1 - Черный (без оттенка)
Опенок
gY - greenish Yellow styG - strongly yellowish Green slyG - slightly yellowish Green vslbG - very slightly bluish Green vstbG -»eiy strongly bluish Green vstgB - very strongly greenish Blue
Классы Ч1сюты pO - Группы чистоты FLhF p1 - Группы чистоты и VS p2-Группы чистоты Sil и Si2 рЗ - Группы чистоты И. 12 и D р4- Группа чистоты Del
GY - Green-Yellow yG - yellowish Green G -Green bG • bluish Green BG - Blue-Green g8 - greenish Blue
Классы рашера
<Ю-От2ммдо5мм dl - Or 5 мм до 10 ми d2- Or 10 мм до 15 мм ¿3-0г15ммдо20мм d4-Более 20 мм
□wiSS
Рис. 3
На лицевой стороне вкладыша указываются наименование образцов и информация о производителе. На обратной стороне приводится подробная информация о показателях качества всех образцов в кодах GIA или собственной классификации производителя.
В результате становятся возможными проверка объективных показателей каждого образца и партий сырья, их классификация по группам качества на основании данных цифрового паспорта, электронный учет, регулирование и отслеживание оборота.
Заключение. Представлен разработанный АПК для автоматизированной оценки качества, классификации и сертификации сырья цветных камней. Внедрение АПК в повседневную практику работы с цветными камнями позволит существенно повысить объективность и скорость процесса оценки их качества.
АПК может быть использован для решения широкого круга задач, а именно:
— на горно-обогатительных комбинатах по добыче драгоценных камней — для селекции сырья по группам качества (партиям) с целью его упаковки и последующей продажи;
— на рынках и аукционах по продаже драгоценных камней — для подтверждения качества реализуемого сырья (для продавцов), проверки качества и обоснованности установленной цены (для покупателей);
— на ограночных производствах — для приведения купленного лотами сырья (различного происхождения, размеров, цвета, формы и прозрачности) к единому стандарту;
— в ювелирных мастерских — для подбора комплектов камней для ювелирных изделий, имеющих одинаковые (или, наоборот, специфичные) оптические свойства;
— органами государственной власти, таможенными органами — для регулирования процессов оборота и учета сырья драгоценных камней.
список литературы
1. Dadong Wang, BischofL., Lagerstrom R. et al. Automated opal grading by imaging and statistical learning // IEEE Transact. on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. 2016. Vol. 46, N. 2. P. 185—201. DOI: 10.1109/TSMC.2015.2427776.
2. Пат. 2476862 РФ. Устройство для экспертизы, оценки и классификации драгоценных камней / Г. А. Хор-набрук, С. Н. Марчант, Р. Х. Ламмис, К. Э. Примнер, П. Б. Саттон, А. Н. Хорнабрук, Л. Бишоф, Р. Лагерстром, Ф. Хилзенштейн, Р. Д. Имри. 27.02.2013.
3. Мельников Е. П., Ножкина А. В. Состояние и проблемы диагностики драгоценных камней и промышленных минералов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015, № S1. С. 563—567.
4. Gemе Wizard's Gem Color Report [Электронный ресурс]: <http://www.gemewizard.com/newsletters/ view_newsletter.php>, 17.09.19.
5. Чертов А. Н., Горбунова Е. В., Кушкоева А. С. и др. Определение цвета драгоценных камней: от визуального анализа к инструментальной оценке // Измерительная техника. 2019. № 8. С. 24—28. DOI: 10.32446/0368-1025it.2019-8.
Сведения об авторах
Александр Николаевич Чертов — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО, факультет прикладной
оптики; E-mail: a.n.chertov@mail.ru Елена Васильевна Горбунова — канд. техн. наук; Университет ИТМО, научно-исследовательский
центр оптико-электронного приборостроения; E-mail: gorbunova@grv.ifmo.ru Владимир Сергеевич Перетягин — канд. техн. наук; Университет ИТМО, научно-исследовательский
центр оптико-электронного приборостроения; E-mail: peretyagin@mail.ru Анастасия Сергеевна Кушкоева — аспирант; Университет ИТМО, факультет прикладной оптики;
E-mail: askushkoeva@gmail.com Артем Андреевич Алёхин — канд. техн. наук; Университет ИТМО, факультет прикладной оптики;
E-mail: alekhin.a.a@mail.ru Юрий Михайлович Морозов — ООО „БП-Проект"; генеральный директор;
E-mail: morozov.predmest@gmail.com
Поступила в редакцию 11.10.19 г.
Ссылка для цитирования: Чертов А. Н., Горбунова Е. В., Перетягин В. С., Кушкоева А. С., Алёхин А. А., Морозов Ю. М. Аппаратно-программный комплекс для оценки качества сырья цветных камней, его классификации и сертификации // Изв. вузов. Приборостроение. 2020. Т. 63, № 1. С. 55—60.
HARDWARE AND SOFTWARE COMPLEX TO ASSESS THE COLORED STONES RAW MATERIAL QUALITY, ITS CLASSIFICATION AND CERTIFICATION
A. N. Chertov1, E. V. Gorbunova1, V. S. Peretyagin1, A. S. Kushkoeva1, A. A. Alekhin1, Yu. M. Morozov2
1ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia E-mail: a.n.chertov@mail.ru
2 BP-Proekt, LLC, 197375, St. Petersburg, Russia
The necessity to move from subjective parameters for evaluating the quality of colored stones to objective ones is discussed. An automated hardware and software complex based on the methods of technical vision and image processing and intended for determining in quantitative form such indicators for assessing the quality of colored stones as "size", "color", and "purity" is developed. A description of the developed complex is presented. On the example of beryllium raw materials, the possibilities of quantitative evaluation, packaging and certification of analyzed samples of colored stones are shown. The proposed technical solution can be used by mining and jewelry companies, markets and auctions, gemologi-cal centers, and state authorities.
Keywords: colored stones, raw materials, quality assessment, hardware-software complex, certification, color, purity, image processing
REFERENCES
1. Dadong Wang, Bischof L., Lagerstrom R. et al. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2016, no. 2 (46), pp. 185-201. DOI: 10.1109/TSMC.2015.2427776.
2. Patent 2476862 RU, Ustroystvo dlya ekspertizy, otsenki i klassifikatsii dragotsennykh kamney (A device for the Examination, Assessment and Classification of Precious Stones), G.A. Hornabruk, S.N. Marchant, R.H. Lammis, K.E. Primmer, P.B. Sutton, A.N. Hornabruk, L. Bischof, P. Lagerstrom, F. Hilsenstein, R. D. Imri, Published 27.02.2013. (in Russ.)
3. Melnikov E.P., Nozhkina A.V. Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal), 2015, no. S1, pp. 563-567. (in Russ.)
4. Geme Wizard's Gem Color Report, http://www.gemewizard.com/newsletters/ view_newsletter.php, 17.09.19.
5. Chertov A.N., Gorbunova E.V., Kushkoeva A.S., Alekhin A.A., Peretyagin V.S., Pavlenko N.A., Sycheva E.A. Measurement Techniques, 2019, no. 8, pp. 24-28, DOI: 10.32446/0368-1025it.2019-8. (in Russ.)
Data on authors
— PhD, Associate Professor; ITMO University, Faculty of Applied Optics; E-mail: a.n.chertov@mail.ru
— PhD; ITMO University, Research Center of Optoelectronic Instrument Engineering; E-mail: gorbunova@grv.ifmo.ru
— PhD; ITMO University, Research Center of Optoelectronic Instrument Engineering; E-mail: peretyagin@mail.ru
— Post-Graduate Student; ITMO University, Faculty of Applied Optics; E-mail: askushkoeva@gmail.com
— PhD; ITMO University, Faculty of Applied Optics; E-mail: alekhin.a.a@mail.ru
— BP-Proekt, LLC; General Director; E-mail: morozov.predmest@gmail.com
Aleksander N. Chertov Elena V. Gorbunova Vladimir S. Peretyagin Anastasia S. Kushkoeva Artem A. Alekhin Yuriy M. Morozov
For citation: Chertov А. N., Gorbunova E. V., Peretyagin V. S., Kushkoeva A. S., Alekhin A. A., Morozov Yu. M. Hardware and software complex to assess the colored stones raw material quality, its classification and certification. Journal of Instrument Engineering. 2020. Vol. 63, N 1. P. 55—60 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-1-55-60
