Analysis of Formation Reason of Arrows and Hearts Effect of Diamond by Using Simulation Software
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摘要: 钻石的八心八箭效果已被广大消费者接受，但其形成原因比较复杂，相关文献较少，而网络上众说纷纭。本文主要通过宝石琢型绘制软件(GemCad)和仿真模拟软件(DiamCalc)的联合使用，模拟真实钻石的光学效果，通过钻石实物拍摄验证模拟光学效果的准确性，利用不同琢型的绘制以及其光学效果的模拟，解构钻石的八心八箭图像，从而解析其八心八箭效果的形成原因。结果表明，八心八箭的形成原因与前人所提出的论断有所不同，尤其是心的形成，不是冠部主刻面的反射，而是亭部主刻面的反射组合，此外，不同的刻面对心和箭的影响也有所不同。利用琢型绘制软件(GemCad)和仿真模拟软件(DiamCalc)联合使用进行琢型绘制并对钻石光学效果进行模拟的方法，在八心八箭分级以及钻石琢型的设计领域有一定的借鉴意义。Abstract: The eight hearts and eight arrows effect of diamond has been accepted by the majority of consumers, but its formation reason is complex and lack of relevant literature, which causes different opinions on the Internet.This paper mainly uses GemCad, a Gemstone drawing software, and DiamCalc, a simulation software, to simulate the optical effects of real diamonds and verify the accuracy of the simulated optical effects through physical diamond photography. Using the drawing of different shapes and the simulation of the optical effects of the drawn shapes, the images of the eight hearts and eight arrows of the diamonds are deconstructed to explain the formation of the eight hearts and eight arrows effect of diamond. The results show that the cause of the formation of the eight hearts and eight arrows is different from that put forward by predecessors. In particular, the formation of the hearts is not the reflection of the main facets of the crown mentioned by predecessors, but the reflection combination of the main facets of the pavilion. In addition, the influence of different facets on the hearts and arrows is also different, all of which is explained in this paper. The method proposed in this paper that uses GemCad and DiamCalc to model and simulate the optical effects of diamonds, also has some reference significance in the field of design of eight hearts and eight arrows diamonds.
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Keywords:
- arrows and hearts effect /
- simulation /
- diamond /
- optical effect /
- cut
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1. 研究背景
随着八心八箭效果的钻石越来越受到消费者的喜爱，钻石心箭效果的琢型方案也越来越多，例如，谢瑞麟的“九心一花”、周六福的“一心十二箭”等钻石琢型都深受大众喜爱。心箭效果作为钻石产品的一大“卖点”已经受到商家越来越多的重视。为了满足消费者的购物需求，国内外珠宝实验室及相关鉴定机构，如日本中央珠宝研究所(CGL)和美国珠宝实验室(AGS)等，已能出具钻石的八心八箭证书，甚至可对八心八箭效果进行分级，但对其形成原因仅有少量介绍且语焉不详。笔者查阅国内相关文献时发现关于八心八箭效果的形成原因分析非常少，中国知网收录的文章中仅有1篇解释了心箭效果的形成原因，而网络上的一些科普文章说法也各不相同，对消费者有较大误导。因此，笔者认为，对于钻石的八心八箭的形成原因有必要进行较深入解析。
本文作者运用仿真模拟软件与八心八箭钻石实物共同实验, 通过琢型绘制软件(GemCad)和仿真模拟软件(DiamCalc)联合使用，先用GemCad绘制八心八箭琢型，并根据需要分别绘制心箭效果琢型；再用仿真模拟软件对琢型进行模拟，以解释八心八箭的形成原因。该琢型绘制软件和仿真模拟软件模拟真实钻石的方法为新的钻石琢型设计提供了一些方案和思路。
2. 实验设备
2.1 GemCad
GemCad是一种用于刻面宝石琢型设计的计算机辅助设计程序。现在Windows版本的GemCad具有界面直观、操作简便等优点，已成为宝石设计师不可缺少的辅助设计工具。笔者利用GemCad绘制钻石琢型, 其中Angle(角度)用于调节切工参数中的角度，例如亭角、冠角等；Index(指数分度)用于定位切磨点；Symmetry(对称次数)用于修改琢型的对称次数，也可用来改进石坯的圆度。
2.2 DiamCalc
DiamCalc是一种用于切割宝石建模的系统，利用光学原理模拟各种光源下钻石的光学效果。钻石的仿真模拟图像可以完美模拟光学效果，通过调整切工参数找到亮度、火彩、闪烁等最佳的光学效果组合。将GemCad中的钻石琢型导入DiamCalc中，在其自带的心箭光源下，模拟钻石的心箭效果，从而解释八心八箭的形成原因。
2.3 心箭效果观察仪
心箭效果观察仪是用于观察宝石心箭效果的仪器(图 1)，由镜筒和十倍放大镜片组成，此观察镜用于实物实验时使用。
3. 实验过程
3.1 八心八箭的效果图
利用GemCad绘制石坯琢型(图 2)以及完整琢型：首先绘制完整的冠部(本中完整的冠部指所列出的冠部面角，如有特殊需要将特别说明)，上腰小面角40.00°，冠角34.50°，星刻面角20.40°；再绘制完整的亭部(文中完整亭部指所列出的亭部的面角，如有特殊需要将特别说明)，下腰小面角41.80°，亭部主刻面角40.75°，最后得到八心八箭效果的琢型(图 3)。笔者将琢型(图 3)导入DiamCalc中，得到八心八箭效果(图 4a为八箭效果，图 4b为八心效果)。从图 4可以看出，箭分为箭杆和箭头(本文以台面中心到腰棱为指向，靠近中心的部分为尾端，靠近腰棱的部分为首端)，冠部还有三角形图像；心分为心形和心镞(笔者根据形状取名，目前无相关资料)。笔者挑选一颗具有八心八箭效果的钻石样品，其切工参数：直径4.48 mm，台宽比54.90%，冠角35.10°，亭角40.70°，星长比53.40%，下腰长度比76.80%。在心箭切工观察仪下对比模拟效果图(图 4)和实物图(图 5)发现，两者十分相似，从而说明了仿真模拟效果与实物可达到基本一致。
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图 4 八箭(a)和八心(b)钻石的仿真图Figure 4. Simulation diagram of arrow lights (a) and heart lights (b)![]()
图 5 八箭(a)和八心(b)钻石的实物图Figure 5. Object charts of arrow lights (a) and heart lights (b)3.2 箭的形成
3.2.1 亭部的面角对箭的形成的影响
利用GemCad绘制完整冠部，且亭部不绘制，将其琢型图(图 6a)导入DiamCalc得到仿真模拟图 6b，琢型中无箭的效果；绘制完整冠部，亭部绘制41.80°的下腰小面，得到琢型图 7a和模拟图 7b，琢型中无箭的效果；绘制完整冠部和亭部琢型图如图 8a和模拟图 8b，此时，琢型中出现箭的效果。
3.2.2 冠部面角对箭的效果的影响
利用GemCad仅绘制冠部40.00°的上腰小面、台面以及完整亭部，得到琢型图 9a和模拟图 9b，未出现箭的效果；绘制冠部40.00°的上腰小面、34.50°的冠部主刻面、台面以及完整亭部，得到琢型图 10a和模拟图 10b，此时出现了箭的效果。
综上所述，通过亭部面角以及冠部面角的多次测试得出，箭的效果是亭部与冠部共同作用产生的。因此，笔者对冠部和亭部的面角逐一绘制，以解析箭的形成原因。
(1) 利用GemCad仅绘制冠部上腰小面40.00°、1个冠部主刻面34.50°、台面以及亭部41.80°的下腰小面，得到琢型图 11a和模拟图 11b，此时未出现箭的效果；绘制冠部上腰小面40.00°、1个冠部主刻面34.50°、台面，亭部下腰小面41.80°，以及1个亭部主刻面40.75°，得到琢型图 12a和模拟图 12b，也未出现箭的效果。
(2) 利用GemCad仅绘制冠部上腰小面40.00°, 1个冠部主刻面34.50°、台面、亭部下腰小面41.80°以及2个180°对称的亭部主刻面40.75°，得到琢型图 13a和仿真模拟图 13b，此时出现箭的效果，但箭头和箭杆是分开的，以此说明箭头和箭杆是共同形成了箭的效果；在此基础上绘制上腰小面角40°、2个180°对称的冠部主刻面34.50°、台面，亭部下腰小面41.80°以及2个180°对称的亭部主刻面40.75°，得到琢型图 14a和仿真模拟图 14b，此时出现一组箭的效果。
通过上述的测试说明，钻石中箭的效果可以通过下腰小面角、亭角和上腰小面角、冠角产生。
3.2.3 实物测试
笔者裁剪黑色遮光板(长1.0 mm、宽0.2 mm)，对钻石实物样品的冠部刻面进行遮挡，并在心箭切工观察仪下观察(图 15)。图 15a无遮光板，图 15b是遮光板从台面中心向腰棱移动，这时箭头的尾端开始变暗，图 15c是当遮光板移动至台面边缘时箭头的尖端开始变暗，移动至风筝面顶端后箭杆的尾端开始变暗，直至移动到风筝面底端时，箭杆的顶端变暗(图 15d)，故钻石样品测试验证了上文中箭的形成原因。
3.3 心的形成
亭部的结构相对简单，只有两种刻面，但心形的形成原因并不简单。
3.3.1 冠部面角对心的形成的影响
利用GemCad仅绘制完整亭部，其中下腰小面角度为42.00°，亭部主刻面角为40.95°，得到琢型图 16a和模拟图 16b，在无冠部面角的情况下依然产生了心的效果，证明心的形成与冠部面角相关不大。
为证明上述观点，利用GemCad绘制完整亭部、冠部上腰小面40.00°和台面，得到琢型图 17a和模拟图 17b，获得心的效果图；在此基础上，再绘制完整亭部、冠部上腰小面40.00°、风筝面和台面，得到琢型图 18a和模拟图 18b，如图所示，也有心的效果。
3.3.2 亭部面角对心的形成的影响
利用GemCad绘制完整冠部、亭部仅绘制下腰小面41.80°，得到琢型图 19a和模拟图 19b，并未出现心形；绘制完整琢型(图 20)，此时出现心形，说明心的效果产生需要亭部主刻面参与。
后续测试，笔者绘制完整冠部，以解析亭部对心的效果的影响。将亭部主刻面进行拆分，利用GemCad绘制完整冠部，下腰小面41.80°以及不同方向的亭部主刻面40.75°，得到琢型图和模拟图(图 21-图 23)，其中图 21b和图 22b只有1个亭部主刻面以及1组呈对称分布的图像，并未出现心形，而图 23b中出现了心的效果，故说明心形无法由一个亭部主刻面产生。将图 21b和图 22b导入图像合成器后重叠得到图 24，结果显示，图 23b和图 24基本相同，笔者认为，心的效果是由两个呈45.00°相交的亭部主刻面形成的两个半心形产生，该结论与前人分析得出的由下腰小面所致[1]不同。
笔者推测心镞也是由两个半心镞组合而成。为验证，利用GemCad绘制完整冠部、下腰小面角41.80°、亭部主刻面40.75°，获得了琢型图和模拟图(图 25-图 27)，其中图 25b和图 26b中并未出现完整的心镞，而图 27b中出现了心镞。将图 25b和图 26b导入图像合成器中重叠，得到图 28，结果显示图 27b和图 28基本相同，由此验证了上述说法。
3.3.3 实物测试
为验证心的形成原因，笔者进行了实物测试验证。图 29a为完整的亭部光效图，图 29b是将遮光板放在亭部主刻面上半部分，亭部主刻面左右的两个半心形变暗，图 29c是将亭部主刻面的下半部分遮挡住，两个半心镞变暗，图 29d将两个亭部主刻面相交处遮挡住，心形的两侧变暗。
4. 结论
利用琢型绘制软件GemCad、仿真模拟软件DiamCalc以及其他图像合成软件，以及实物测试对钻石的八心八箭的形成原因进行了分析，得到如下结论。
(1) 箭由箭杆和箭头组成，箭杆是光线进入钻石的冠部主刻面，经亭部主刻面反射在台面所呈现的影像，箭头则是由光线进入钻石台面，经过亭部主刻面的反射在冠部主刻面所呈现的影像。
(2) 箭头和箭杆是分开呈现的，箭头是射入台面的光经过两个亭部主刻面的反射在风筝面形成的影像，箭杆是射入风筝面的光经过两个亭部主刻面的反射在台面形成的影像，并且此影像为光第一次接触的亭部主刻面的影像。
(3) 心由心形和心镞组成，心形是光线射入亭部主刻面经台面反射后在下腰小面上形成的影像，心镞是由光线射入亭部主刻面经台面反射在亭部主刻面形成的影像。心形是由两个半心形产生，由相邻2个亭部主刻面的反射光在与之相对的1组下腰小面上形成的影像，亭部主刻面两侧的半心形是由同一亭部主刻面反射产生且图影和亭部主刻面呈180°旋转对称。
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图 4 八箭(a)和八心(b)钻石的仿真图
Figure 4. Simulation diagram of arrow lights (a) and heart lights (b)
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图 5 八箭(a)和八心(b)钻石的实物图
Figure 5. Object charts of arrow lights (a) and heart lights (b)
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[1] 张蕴韬, 何雪梅.八箭八心钻石的切工条件[J].宝石和宝石学杂志, 2006, 8(1):33-35. https://bshb.chinajournal.net.cn/WKD/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=15cd9274-800e-4bf9-afb6-8d576697903f [2] 周汉利.宝石琢型设计及加工工艺学[M].武汉:中国地质大学出版社, 2009:8. [3] 黄翰强, 卢振坤, 陈炳忠.圆明亮琢型几何结构的研究[J].宝石和宝石学杂志, 2014, 16(1):56-61. https://bshb.chinajournal.net.cn/WKD/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=0015f6bc-264b-4b25-9a7a-de45c4a475c2 [4] 石斌, 袁心强.圆钻琢型光学效果的仿真模拟研究——模型与原因[J].宝石和宝石学杂志, 2007, 9(2):8-12. https://bshb.chinajournal.net.cn/WKD/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=09b6b651-847f-4086-9cbe-f80dd9fb34e3 [5] 吴倩倩, 袁心强.仿真模拟研究钻石灯下钻石的切工特征与应用[J].宝石和宝石学杂志, 2017, 19(2):57-63. https://bshb.chinajournal.net.cn/WKD/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=01edc245-51e4-46b5-8ef9-3c7d06647bd5 [6] 瓦·伊·耶比凡诺夫.钻石加工工艺学[M].史恩赐, 译.广州: 广东科技出版社, 1991. [7] 日本CGL实验室对钻石八心八箭的形成原因的解释以及分级[EB/OL].[2019-01-31].http://www.cgl.co.jp/services/heart-cupid.html. [8] GemCad software by Gemsoft Enterprises[EB/OL].[2019-01-31].http://www.gemcad.com.
[9] 俄罗斯的Octonus的官方服务网站[EB/OL].[2019-01-31]http://www.octonus.com/support-general. [10] Sasián J M, Yantzer Peter, Tivol T. The optical design of gemstones[J].Optics & Photonics News, 2003, 14(4):24-29.
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