透明类缅甸琥珀颜色的定量分类

2020-03-09纳秀溪谭红琳祖恩东

桂林理工大学学报 2020年4期

纳秀溪,孟龑,谭红琳,祖恩东

(1.昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093;2.云南国土资源职业学院珠宝玉石学院,昆明 650217)

缅甸琥珀因其市场成熟度高、产量大成为当前珠宝投资收藏的新热点[1]。张倩怡对琥珀的产地区别、仿制品区别及谱学作了研究[2]; 董雅洁等应用红外光谱,为琥珀产地的鉴别提供了重要参考[3]; 吴文杰等对拉曼谱峰归属进行了指派[4]; 王民民等认为缅甸琥珀的颜色变化和差异非常大, 对长波紫外线(波长365nm)的荧光反应差异也较大[5]; 黄睿等分析认为琥珀由多种有机物和少量金属化合物组成[6], 且不同产地成分有差异[7]。依据云南省地方标准[8], 市场上缅甸琥珀主要分为7个小类, 由于根珀、蜜蜡、物相珀都有明显的肉眼可辨认的特征, 一般为半透明-不透明, 且价值不高。根据色调、彩度、明度及荧光表现，透明类的缅甸琥珀主要有:棕珀、金珀、血珀、茶珀, 且优质的缅甸琥珀均出现在这几类中, 近年来在其他宝石中也流行颜色量化工作[9], 所以本实验中选择透明类琥珀作颜色定量分析, 采用可重复的测试方法来量化透明类缅甸琥珀颜色, 利用聚类分析得出一套体系标准, 有益于缅甸琥珀颜色分级标准的实现, 使商家和消费者之间认识统一。

1 实验样品与实验条件

实验样品:选取63颗金黄色-金绿色-橙色-橙红色-红色-红棕色-棕色系列颜色并且抛光良好的缅甸琥珀成品标本(图1),由于样本的特殊性,颜色部分不均匀,选取面积分布较大的颜色打点测试,由于是对漫反射信号进行采集,故样品形状、大小对数据影响不大。

实验仪器:美国海洋光学公司生产的USB2000+光纤光谱仪。

实验条件: 由于光源色温会对颜色产生影响, 缅甸琥珀在销售时一般采用日光下辨别其颜色归属, 所以实验光源选择最接近日光的CIE标准光源D65, 色温近似 6 500 K的重组日光。暗室, 室温20 ℃, 采集积分时间2 500 μs, 平均次数100, 测量波段为380～1 000 nm, 波长间隔0 nm, 波长修正0, 反射光。采用积分球收集样品的表面漫反射信号, 获得琥珀样品颜色数据。数据结果采用CIE 1976L*a*b*均匀色空间，并使用 IBM SPSS Statistics 23 软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 实验结果色度学参数分析

63 颗缅甸琥珀标本在 D65光源下的明度值L*、色相值a*和b*分别为L*∈[17.964, 43.967],a*∈[-5.828, 6.698],b*∈[5.827,58.717]，详见表1。

2.2 聚类分析

在前人的颜色定量分析研究中, 通常是将某种宝石测量的L*、a*、b*3个值的跨度平均分为几等分以此来分类[10], 若采用同种方法分类，则会与缅甸琥珀市场已经约定俗成的名称有很大出入, 故本文使用SPSS Statistics 23进行K-means聚类分析, 能够更好地基于市场上已有名称来进行分类。

表1 63颗琥珀在CIE 1976 L*a*b*均匀颜色空间下的色度参数

CIE 1976L*a*b*均匀色空间中的色差指的是两个坐标之间的空间距离[11-13],公式为

(1)

聚类分析的目的是把相似的研究对象归类，当对样品进行聚类时,“靠近”往往由某种距离来刻画；另一方面,当对指标聚类时,根据相关系数或某种关联性度量来聚类。K-均值法,是Macqueen于1967年提出的,其思想是把每个样品聚集到其最近形心(均值)类中去。因此利用SPSS Statistics 23进行数据聚类,得出每一类缅甸琥珀的聚类中心来实现颜色视觉量化分类。

由于选择初始聚类中心是依据地方标准，以肉眼分辨缅甸琥珀的典型且较为特征颜色选为数据,但是不能代表该琥珀品类颜色平均数值,故在K-均值法中选择方式:判断完成一轮后,自动更新聚类中心；然后进行下一轮聚类,直到满足终止准则(达到最大迭代次数或者是类中心偏移量非常小)为止。

结合地方标准[8], 此次聚类分析以明度值L*、色相值a*和b*为标准将标本分为4类： 1类为金珀类, 选择标本3-9作为初始聚类中心符合地方标准中透光呈棕黄色、紫外荧光强蓝白的特点; 2类为血珀类, 选择标本1-8作为初始聚类中心符合地方标准中透光色呈桔红、无流淌纹、紫外荧光弱-绿色的特点; 3类为棕珀类, 选择标本2-1作为初始聚类中心符合地方标准中透光色呈棕褐、明显流淌纹、紫外荧光强蓝白色的特点; 4类为茶珀类, 选择标本4(市场上称为绿茶珀), 符合地方标准中透光色呈茶绿、无流淌纹、紫外荧光强蓝白的特点。4个初始聚类中心的L*、a*、b*值见表2。

由于聚类中心中仅有小幅变动,因此实现了收敛，聚类过程中迭代为7，初始中心之间的最小距离为9.698。最终聚类:

1-金珀类(L*∈[31.589, 43.967],a*∈[-5.828, 6.698],b*∈[21.551, 58.717]), 聚类中心为L*=35.560,a*=0.559,b*=29.866, 有20个样品, 分别是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-血珀类(L*∈[24.717, 30.167],a*∈[0.061,13.830],b*∈[10.048,21.947]), 聚类中心为L*=27.442,a*=5.132,b*=14.161, 有11个样品, 分别是6、 1-7、 1-8、 1-10、 1-11、 2-10、 2-11、 2-12、 2-13、 2-15、 3-3;

3-棕珀类(L*∈[17.964,27.569],a*∈[-2.750,4.928],b*∈[15.718,21.368]), 聚类中心为L*=22.170,a*=0.346,b*=19.189, 有17个样品, 分别是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-茶珀类(L*∈[20.533,25.511],a*∈[-4.945,2.329],b*∈[5.827,13.904]), 聚类中心为L*=23.165,a*=-1.501,b*=11.591, 有15个样品分别是1、 4、 5、 8、 10、 11、 13、 2-2、 2-3、 2-6、 2-7、 2-8、 2-9、 2-16、 2-17。

63个样品全部归类，基于地方标准,该分类与肉眼感知颜色相符，聚类结果在均匀色空间的投点图见图2。

2.3 色差分析

CIE 1976标准色度系统的三维空间中, 每一个点都代表不同的颜色, 两点之间的距离代表这两个颜色之间的色差, 计算每个标本与该类聚类中心色差, 结果见表3。均匀色空间两点之间的距离能够代表两种颜色的真实差异, 空间中距离相等代表着色差相同, 在均匀色空间下讨论颜色区别更有意义[15-16]。依据CIEL*a*b*的色差公式作为透明类缅甸琥珀计算公式, 最终计算得到： 1-金珀类平均色差为6.23, 2-血珀类平均色差为5.83, 3-棕珀类平均色差为4.18, 4-茶珀类平均色差为360。CIEL*a*b*色空间中色差从色知觉的不可察觉到极易识别共分为6档:痕迹(0.0～0.5]、轻微(0.5～1.5]、可察觉(1.5～3.0]、可识别(3.0～6.0]、易识别(6.0～12.0]、极易识别(>12.0),四类琥珀都在可识别范围上,所以采用色差公式DELAB计算颜色差异是可行的。计算每一个标本与该类聚类中心的色差,说明即使计算值大部分在同一类里琥珀颜色差异也比较大,故用此科学计算方法能够将复杂多样的颜色科学归类,有利于理论的计算,更能使SPSS Statistics 23软件进行数据分析的结果与肉眼观测的知觉对应并且统一起来。