基于HSB颜色空间的南红玛瑙颜色特征及定量分级研究_王浩天.pdf

书书书第 卷第期 年月宝石和宝石学杂志（中英文）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），中国地质大学（武汉）珠宝学院科研基金项目（）作者简介：王浩天（），男，硕士研究生，主要从事宝石学相关研究。：通讯作者：王朝文（），男，副教授，主要从事宝石学方面的教学和研究工作。：基于 HSB 颜色空间的南红玛瑙颜色特征及定量分级研究基于 HSB 颜色空间的南红玛瑙颜色特征及定量分级研究王浩天，黄慧敏，杨凌岳，杨明星，洪汉烈，王朝文，（中国地质大学（武汉）珠宝学院，湖北 武汉 ；湖北省珠宝工程技术研究中心，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北 武汉 ）摘要：近些年，南红玛瑙在珠宝市场上，价格不断上升。颜色作为影响南红玛瑙质量评价的最主要因素，南红玛瑙市场价格的高低与其密切相关，但目前国家尚未出台南红玛瑙相关的分级标准。为了使南红玛瑙颜色的评定过程更加客观、科学和规范，开展了南红玛瑙颜色分级的相关研究。利用灯箱和相机获取样品颜色图片，基于 颜色空间，对采集到的南红玛瑙颜色图片进行颜色量化。利用 和 软件，对所得颜色量化数据的色调、饱和度和明度（）参数进行统计分析。结果表明，在 置信区间内红色系南红玛瑙的色调（）主要分布于 ，区间内；饱和度（）主要分布在 ，区间内；明度（）主要分布在 ，区间内，统计结果与南红玛瑙颜色的肉眼观察特征一致。结合肉眼观察特征，借助二阶聚类分析，对红色系南红玛瑙的颜色分级进行了尝试：将色调分为红（）、橙红（）、红橙（）个类别；将饱和度分为浓（）、中（）、浅（）级；将明度分为亮（）、中（）、暗（）个级别。对于不同颜色品种，在饱和度方面，柿子红、水红、锦红大于其他品种，冰红和玫瑰红为中等，冰粉的为最低；在明度方面，冰橘和水红最高，柿子红、冰红和冰粉中等，锦红和玫瑰红最低。以上述数据分布特征为基础，结合颜色分级结果，对市场中出现的南红玛瑙的不同颜色名称进行科学的区分并给出推荐的 数值参考范围。关键词：南红玛瑙；色调；饱和度；明度；颜色量化；统计分析；保山；凉山中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，）：，宝 石 和 宝 石 学 杂 志（中 英 文）年 ，（），（），（）（），（），（），（）：，：，（），“”“”“”（）；“”“”，“”（），“”“”；“”“”“”，“”“”：；南红玛瑙的颜色是影响其质量评价结果的最主要因素，与其市场价格的高低密切相关。宝石级南红玛瑙主要来自于我国西南部的云南保山和四川凉山，常见红色、橙红色、橙黄色等颜色，其中颜色越红、分布越均匀的南红玛瑙价值越高。因此对南红玛瑙的颜色进行分级评价是其市场交易过程中十分重要的一环。但在颜色分级标准的制订上，目前只有四川省针对当地部分颜色的南红玛瑙品种制订了地方标准，且在国内其它市场尚未得到广泛应用。所以，市场上现阶段对南红玛瑙的颜色分级，尤其是云南地区还是多基于肉眼观察和主观判断。然而在肉眼观察的过程中，不同人对于同一颜色的感知是存在一定差异的，仅凭经验和眼睛无法得到准确的颜色定位和质量评价结果。因此，市场上亟需一套科学客观、切实可行的南红玛瑙的颜色分级方法。在宝玉石的颜色分级中，对其颜色进行量化分析可使颜色分级体系更加科学客观。国家标准对黄色钻石、红宝石、祖母绿、翡翠、绿松石等进行颜色分级时，均选择对颜色的色调、饱和度（彩度）和明度（亮度）进行量化分析，并基于数据特征对以上个颜色属性进行级别划分。基于此，前人也利用颜色量化的方法对南红玛瑙的颜色展开分级研究。针对南红玛瑙的颜色量化方法归纳起来总共有两种：第一种方法是利用光纤光谱仪或分光光度计，对南红玛瑙的紫外可见吸收光谱进行测试，然后对测试得到的紫外可见吸收光谱进行计算，得到南红玛瑙颜色的 数值 ；第二种方法是将南红玛瑙的抛光成品放置在同一环境中，在相对稳定的条件下拍摄图片，然后利用计算机程序或者图片编辑软件，对图片中南红玛瑙的 数值进行读取。这两种方法有一个共同点，即颜色量化均基于 颜色空间进行。由于 颜色空间的三个参数无法直第期王浩天等：基于 颜色空间的南红玛瑙颜色特征及定量分级研究接反映颜色的彩度值（）和色调值（），所以需要利用公式对彩度值（）和色调值（）进行计算。由此可见，在颜色的量化过程中，不同的颜色空间会产生不同的颜色参数，从而直接影响数据的统计分析。目前，在色度学相关的领域，较为常用的颜色空间有 、等。其中，颜色空间由色调（）、饱和度（）和明度（）三个相互独立的要素对颜色完成定义 。相关研究表明，在颜色描述方面，颜色空间可以表现出人眼对于颜色最直观的感受；在使用性能方面，颜色空间的性能要优于 和 颜色空间。同时 颜色空间可以直接反映出颜色的三属性，可以直接用来进行统计分析，不需要再重新计算参数。因此，相对于其他颜色空间，颜色空间具有更明显的优势，也更易于对南红玛瑙颜色三属性进行数据量化、统计分析和级别分类。表南红玛瑙图像采集信息汇总 拍照地点拍照时间店铺照片数量张样品总数件保山 年月保山南红文化艺术馆和兰花村部分店铺 凉山 年月月凉山南红玛瑙市场店铺 在颜色量化的过程中，除了量化方法和颜色空间种类，所选样品是否具有代表性也会影响最后分类结果的准确性。前人认为如果所选样本的分布特征与总体分布特征相似，能够反映总体特 征的某些指标与总体中的同类指标差 别不大，则可以认为该样本是具有代表性的。同时，统计学中大数定律要求，在抽取样本时，只有样本容量足够大，才能尽可能抵消和排除偶然因素带来的影响，显示出事物真实的性质，从而尽可能逼近总体分布特征。但是前人在对南红玛瑙进行量化和分级时，所选取的研究样本数量较少，多数研究的样本容量仅有 左右且只有单一产地，样品颜色多为红色或橙红色，缺少对粉红色和橙色样品的收集，造型只有珠型或抛光块。所以，受研究样品数量不足的限制，前人研究中量化所得的颜色数据在颜色种类、样品造型以及产地等重要指标上无法反映出颜色数据的实际分布规律，缺乏代表性。因此，在本次研究中，我们基于大数定律，分别在四川凉山和云南保山南红产地市场大量采集南红玛瑙颜色数据，并对数据进行科学的统计分析和评价，设计南红玛瑙的颜色分级方案。利用本研究所得的颜色分级参数，我们对比了市场中南红玛瑙颜色的肉眼观察特征和品种名称，并推荐了对应品种 颜色空间的颜色数值参考范围。样品与颜色量化方法1 1研究样品1 1研究样品研究样品为市场上经过抛光的红色系南红玛瑙工艺品的照片（如表，图所示），产地确定来自云南省和四川省矿区，后续研究里出现的不同颜色南红玛瑙的市场名称也由当地商家提供。研究所用的照片分别在 年月和 年月，分两次拍摄于四川省凉山彝族自治州和云南省保山市的南红玛瑙市场上。两次采集共获得照片 张，包含南红玛瑙工艺品成品 件。拍摄时选取的代表性样品的颜色涵盖市场上目前所能见到的各种红色系种类，成品造型包含了珠型的珠串或散珠、各种造型的未镶嵌蛋面及部分雕件、吊坠和指环等各种琢型。因此，本次研究中所选样品可为南红玛瑙整体颜色特征和分级研究提供全面可靠的数据。1 2样品拍摄条件1 2样品拍摄条件为了使拍摄样品的颜色数据更加精确和具有可对比性，采用统一的拍摄条件。为了尽量排除其他外界光线的干扰，选择背光的、室内光线较弱的暗室作为拍摄环境，所有的照片则是在室内的拍摄箱内完成拍摄。为了获得稳定且相同的拍摄条件，拍摄设备由拍摄灯箱，相机和标准灰板组成（图）。在拍摄之前，对灯箱和相机均进行一定参数的设置。灯箱为 光源，色温 ，采用白色背底；相机型号 ，相机参数设置：定焦镜头，光圈值，曝光时间 ，曝光补偿量，焦距。在每次拍摄南红玛瑙样品之前，均利用 标准灰板（其标准值为：，）对拍摄条件进行校正，并通过电脑读取获得与标准灰板一致的 值。经过校正，拍摄所得标准灰板图片的宝 石 和 宝 石 学 杂 志（中 英 文）年图代表性颜色的南红玛瑙样品 颜色市场名称：（）柿子红；（）水红；（）锦红；（）冰红；（）冰粉；（）冰橘；（）樱桃红；（）玫瑰红；（）荔枝冻图拍摄设备包括灯箱（）、相机（）和 标准灰度板（）（），（）（）值应控制在标准值附近，满足：，。1 3颜色量化和数据分析方法1 3颜色量化和数据分析方法对南红玛瑙的颜色量化和数据分析主要包括以下四个步骤。（）代表性颜色图片的获取这些颜色图片截取自前期在市场上拍摄得到的南红玛瑙样品图片。选择样品中颜色均匀的位置截取张图片，并避开样品反光强烈的部位。对于珠串类特殊样品，我们在样品不同方位随机选取 枚南红玛瑙珠子，并在每一个珠子上选取适当部位放大截取张颜色图片。按照上述方法，对市场上拍摄到的所有南红玛瑙样品图逐一截取对应的颜色图片。（）颜色数据的量化利用专门开发的站点程序 随机取色器，对南红玛瑙的颜色完成量化。在进行颜色量化时，将步骤（）所得的全部颜色图片按照市场分类依次导入取色器中。为了克服天然样品中存在的局部色差，我们设定每张颜色图片随机测试 个点，从而收集更多天然可能存在的颜色数据。取色器的取色以计算机常用的 空间体系获取第期王浩天等：基于 颜色空间的南红玛瑙颜色特征及定量分级研究南红玛瑙颜色图片的 数据。前人的研究表明从 颜色空间到 颜色空间的数值转换为非线性的，并遵循一定的转换公式 。根据公式计算即可将获取的 颜色数据转化为本次研究所需要的 颜色数据。（）颜色量化数据的统计分析和评价颜色量化数据的统计分析和代表性检验运用 软件完成。将步骤（）得到的南红玛瑙 颜色数据导入软件中，画出相应的统计直方图。根据色调、饱和度和明度的分布范围，对应直方图的统计间隔分别为，和。在统计直方图的基础之上，利用 软件中的分析拟合非线性曲线拟合操作，对颜色数据进行正态分布拟合。拟合过程中，拟合函数选取 函数，迭代算法为软件自动设定的 优化算法。最后，将拟合结果中的正态分布期望值和标准差，代入 置信区间的计算公式 ，得到颜色数据在 置信水平下的分布区间。图红色系南红玛瑙颜色数据总体分布特征：（）色调分布；（）饱和度分布；（）明度分布 ：（）；（）；（）（）颜色分级研究在对红色系南红玛瑙进行分级研究时，以总体 颜 色 数 据 为 分 析 对 象，利 用 软件对总体数据进行二阶聚类分析，得到相应色调、饱和度、明度的类别划分结果。然后综合考虑二阶聚类分析结果和颜色数据的统计规律及分布特征，得到红色系南红玛瑙分类的类别数目和对应的参考数值范围。之所以采用二阶聚类分析划分色调、饱和度、明度的类别，是因为相比其他聚类方法（如系统聚类和 均值聚类），二阶聚类有三大优势：（）可分析的变量类型多，变量可以是类别变量、连续变量或离散型变量；（）可自动确定最优的分类类别个数，因此划分类别的过程十分客观；（）可处理大型数据集（数据量 ）。该方法分析结果可客观反映市场中南红玛瑙色调、饱和度、明度数据的自然类别。在进行二 阶 聚 类 分 析 时，将 全 部 的 数 据 导 入 软件中，利用软件中分析分类二阶聚类分析操作进行数据分析。距离测量采用对数似然距离，聚类数目选择自动确定，聚类准则选择施瓦茨贝叶斯准则。结果分析两地市场上对南红玛瑙的分类基本相同，都是以颜色为主要分类依据，采用拟物命名的方法进行命名。根据颜色的不同，市场上出现的红色系南红玛瑙主要有柿子红、锦红、樱桃红、水红、玫瑰红、冰红、冰粉和冰橘等个种类（图 图）。另有灰白色透明品种，外观形似去皮的荔枝，被命名为荔枝冻（图），是南红玛瑙市场中最为特殊的一类。本次研究主要针对红色系南红玛瑙，因此荔枝冻品种不在研究范围之内。2 1红色系南红玛瑙颜色数据的总体特征和有效性评价2 1红色系南红玛瑙颜色数据的总体特征和有效性评价红色系南红玛瑙总体颜色数据的分布情况如图所示。结果显示，红色系南红玛瑙的色调值（）分布于 ，和 ，两个区间内，色调跨度 （图），饱和度（）和明度（）分别分布在 ，（图）和，区间内（图）。在取色过程中我们采用了随机取点的方式，在数据量巨大的前提下，数据分布结果理论上呈现正态分布。如图所示，红色系南红玛瑙的总体颜色数据基本符合正态分布的形态。为了验证此次取色所得数据的有效性和代表性，假设红色系南红玛瑙颜色数据服从期望为，标准