中国淡水有核珍珠光泽的双指标成像表征：表面亮度与干涉色

《Crystals》：Dual-Indicator Imaging Characterization of Luster in Chinese Freshwater Nucleated Pearls: Surface Luminance and Interference Color

　　

珍珠光泽通常由专家目视分级评定，这种方式具有主观性，且实验室间重现性可能有限。研究人员开发了一种用于中国淡水有核珍珠的双指标成像方法，将表面亮度与干涉色相结合。研究人员对90颗被目视划分为弱、中、强光泽的珍珠进行了多视角亮度成像和干涉色成像。基于峰值亮度、背景亮度和半高峰宽推导出背景校正亮度指数（GL），并根据上方干涉色区域的标准化色调与彩度离散度计算干涉色指数（IGI）。GL与专家光泽等级关联性强，而IGI也呈显著正相关，并能为单独依据GL难以分类的样本提供补充信息。在留一交叉验证（LOO-CV）中，将GL与IGI结合可将分类准确率从单独GL的73.3%提高至78.9%；加入GL×IGI交互作用后，准确率进一步提高至80.0%。这些结果表明，表面反射强度是感知珍珠光泽的主要决定因素，而干涉色变异提供次要的诊断信息。因此，所提出的双指标框架可作为传统专家分级的客观补充。

珍珠光泽是决定珍珠品质、市场价值和消费者偏好的核心属性，也是宝石学分级中的重要评价维度。现行行业实践通常由训练有素的分级人员在标准化照明和参考样品条件下，依据表面反射高光的亮度、清晰度和连续性，将光泽划分为弱、中、强等有序等级。这种方法具有成熟的实践基础，但结果依赖观察者经验和观察条件，不同分级人员及实验室之间的重现性可能受限。此外，目视等级是一种综合感知判断，难以区分不同光学过程对最终光泽感知的相对贡献。因此，建立与专家感知对应、具有明确物理意义且可标准化的仪器指标，是客观表征珍珠光泽的重要基础。

从光学角度看，珍珠外观并非由单一信号决定。珍珠层最外层的镜面及近镜面反射主要产生表面高光，影响亮度和清晰度；而珍珠层内由文石片层和有机层周期性排列形成的层状结构，则通过多次反射、透射、衍射和薄膜干涉产生虹彩、伴色及极光效应。表面反射与层状结构干涉具有不同的物理来源，但都可能参与观察者对珍珠光泽的整体判断。已有研究分别从珍珠层微观结构对表面反射的影响、结构色与干涉色的光学起源、以及基于仪器和数据驱动的珍珠品质自动评价等方向展开，但仍未充分解决同一批珍珠中表面亮度与干涉色如何共同关联专家光泽等级的问题，尤其是二者重叠程度及干涉色对难分类样本的增量价值尚不清楚。

为此，研究人员选取90颗由中国浙江诸暨山下湖产地提供的白色淡水有核珍珠，直径8–10 mm，经三位专家在D65照明和GB/T 18781-2023标准条件下目视分级，分为强光泽（Q）、中光泽（Z）和弱光泽（R）三组，每组30颗，并以多数投票形成共识等级。研究人员采用多视角亮度成像和干涉色成像两种可解释的光学描述手段，分别构建背景校正表面亮度指数（GL）和干涉色指数（IGI），并评估二者与专家等级的关系、彼此关联以及对有序分类的增量贡献。研究结果表明，GL与专家目视光泽等级强相关，IGI也呈显著正相关且提供补充信息；将IGI加入GL可将留一交叉验证分类准确率提升，但GL仍是主要指标，IGI主要用于难分类样本。该双指标框架可作为传统专家分级的客观补充。

在关键技术方法上，研究人员利用Lumicam 1300彩色亮度相机对每颗珍珠以30°间隔旋转采集12个视角的亮度图像，提取峰值亮度Y_max、背景亮度Y_base及背景校正半高峰宽FWHM_h和FWHM_v，计算每个视角的GL = (Y_max ? Y_base)/W，其中W = (FWHM_h + FWHM_v)/2，并对12个视角取平均得到珍珠级GL。干涉色测量采用H-Ar01极光观察装置配合NGI-6宝石显微镜，在可重复几何条件下对每颗珍珠采集3幅图像，将投影珍珠盘面分为上下两半，并按0.3R和0.7R划分为中心、中部和边缘子区域，提取CIELAB亮度L*、色相角h*和彩度C*，仅对C* ≥ 3的像素计算色相统计量。IGI由上方三个子区域平均色相的圆标准差和平均彩度的样本标准差经90颗珍珠标准化后等权重相加得到。统计分析包括Pearson和Spearman相关、单因素方差分析（ANOVA）、Kruskal–Wallis检验、Fisher z变换、逐区剔除稳健性检验、5000次Bootstrap自抽样，以及基于GL单独、GL+IGI加性和GL×IGI交互作用三种有序逻辑回归模型的留一交叉验证，并采用精确McNemar检验比较配对改进。

研究结果部分，专家目视分级显示高度一致性，三位专家之间的Fleiss' κ = 0.844，为“几乎完全一致”；84.4%的样本获得三人完全一致的分级，所有分歧仅发生在相邻等级之间，表明目视分级可作为GL和IGI的参考标准。GL与专家目视光泽等级强相关，Pearson r = 0.859，Spearman ρ = 0.881，弱、中、强三组平均GL依次为1788.15、2268.38和3286.99，说明该亮度指标捕捉了专家光泽感知中的主导表面亮度成分。IGI也与专家目视等级显著正相关，Pearson r = 0.556，Spearman ρ = 0.521；三组间差异显著，弱、中、强三组平均IGI依次为?0.926、?0.577和1.504。Bootstrap 95%置信区间为0.410–0.680，逐区剔除任一子区域后相关性仍显著，表明IGI与等级的关系不依赖于单一区域。进一步分析显示，GL与IGI总体正相关（r = 0.702），但组内关系不均匀：弱光泽组内几乎无相关，中光泽组相关较强，强光泽组中等；Fisher z比较显示弱光泽组与中光泽组的相关系数差异显著，说明表面反射与干涉色变异的耦合程度随光泽等级而变化，二者并非可互换指标。

在留一交叉验证中，GL单独有序分类正确率为73.3%（66/90），加权κ = 0.800；GL+IGI加性模型正确率提高至78.9%（71/90），加权κ = 0.843；GL×IGI交互模型正确率达80.0%（72/90），加权κ = 0.850。交互模型纠正了8个GL单独分类错误，但引入2个新错误，净增益为6颗，配对改进未达显著水平。分类改善主要集中在弱光泽与中光泽边界附近，表明干涉色离散度有助于解决部分表面亮度难以区分的临界样本。探索性珍珠光泽指数（PLI）由交互模型系数构成：PLI = 7.828 × z(GL) ? 1.346 × z(IGI) + 1.411 × z(GL) × z(IGI)，其中交互项系数未达到0.05显著性水平，因此该整合模型仍属探索性。

讨论部分认为，研究结果支持以表面反射为主导、干涉色结构贡献较小但可测的光泽模型。GL与专家等级相关性强于IGI，说明高光强度和集中度是视觉光泽的主要仪器相关指标；IGI的显著关联则表明空间色相和彩度变异提供额外信息。GL与IGI总体正相关但组内关系异质，提示二者存在部分耦合而非冗余。物理机制方面，GL主要响应表面及近表面散射，表面粗糙度或孔隙率增加可能降低峰值亮度并展宽高光；IGI则更多响应珍珠层空间规则性，有序的文石-有机层堆叠会在弯曲珍珠表面产生系统的角度依赖色相和彩度变化。二者可能随珍珠层生长质量共同变化，也可能出现分离，这为IGI携带额外信息提供了合理基础，但直接微结构验证仍属必要。研究局限性包括：样本仅为单一产地、单一白色体色和8–10 mm窄尺寸范围的淡水有核珍珠；IGI默认仅采集投影盘面上半部分；IGI和PLI在同一批90颗样本内开发和评价，尚不能替代外部验证；未进行同批珍珠的微观结构测量，表面粗糙度、孔隙率或珍珠层有序性与光学指标间的机制关联仍需进一步验证。未来研究应扩大样本多样性、检验实验室间重复性、进行外部验证，并联合扫描电子显微镜（SEM）或光学相干断层扫描（OCT）开展光学-结构联合表征。

研究结论可概括为：在中国淡水有核珍珠中，GL和IGI均与专家目视光泽显著相关，其中GL关系更强。加入IGI使留一交叉验证有序分类准确率从73.3%提高到78.9%，探索性交互模型达到80.0%，但交互增益较小且不显著。因此，GL可作为主要的仪器化光泽指标，IGI可作为困难样本的辅助空间颜色描述指标；所提出的多变量整合仍属探索性，需要在更大、更多样化的珍珠数据集中进行独立验证。