昆虫种类鉴定中3D超景深显微摄影技术的使用

　　摘    要：　从昆虫检疫鉴定的需求出发，阐述3D超景深显微摄影技术的特点及应用。着重讨论3D超景深显微摄影系统的3D超景深合成图像、360°旋转观察及摄影、图像拼接、3D模型制作、图像/模型测量、图像优化等功能的应用。

　　关键词 :    3D超景深显微摄影技术;昆虫;种类鉴定;模型测量;

　　昆虫是无脊椎动物中的节肢动物门昆虫纲动物的总称，种类繁多、形态各异，是地球上数量最多的动物群体[1]，其分布面也很广，对农业生产和人类健康造成重大影响[2]。近年来，随着中国对外贸易的不断发展，中国需大量进口的木材、粮食等高风险商品中截获的昆虫种类和数量逐年提高，对中国的林业安全、农业安全和生态环境构成极大威胁[3,4,5]。

　　为维护国门生物安全，海关对截获的外来有害生物需进行分类鉴定，以确定其危害程度和防控措施。3D超景深显微摄影技术应用于昆虫种类鉴定工作中，能够实现立体观察、实时测量和高清成像，还可以观察到肉眼无法直接看到的微观形态特征，并把观察到的形态特征通过3D超景深显微影像记录下来供进一步研究，具有非常好的应用前景。
 

　　1、 3D超景深显微摄影系统的构成

　　3D超景深显微摄影系统的硬件组成如图1所示，以Hirox RH-2000型3D超景深显微摄影系统为例，主要包括一体式计算机系统、主控制器、高亮度LED照明、镜头（20～160 X三维旋转镜头、0～20 X低倍大视场镜头、20～160 X变焦镜头、20～160 X手持式专用镜头、350～3 500 X同轴高倍自动感应型变焦镜）、数据控制线、可倾斜手动支架、二维透反射移动平台、专用昆虫360°环形防反光照明装置。从图1可以看出，随着科技的不断进步，新一代的三维数字显微镜已经变得越来越小巧，携带非常便捷，如需带着该设备到野外进行监测鉴定，只需要带一台笔记本电脑、主控制器、手持式镜头、LED照明装置即可，非常符合植物检疫工作实际需求。

　　2、 3D超景深显微摄影技术的主要功能

　　2.1 、360°旋转观察、摄影

　　使用常规体视显微镜观察或拍摄昆虫标本时，一次只能观察或拍摄视野范围内有限的部分形态特征，无法直接做到360°观察，只能通过不断移动标本才能够对其进行全方位观察，大大影响工作效率。3D超景深显微摄影技术则完美解决了该问题，三维数字显微镜具有独特的3D观察技术，只需将旋转卡口安装到变焦镜头前段，利用镜头的旋转，即可在与待观察样品无任何接触的情况下实现对样品的全周围360°不同角度的连续观察，这也极大地避免了在高倍率下移动样品带来的诸多困扰，不仅降低了昆虫标本损坏的概率，还大大提高了检测效率。

　　图1 3D超景深显微摄影系统（Hirox RH-2000)

　　1—一体式计算机系统；2—主控制器；3—高亮度LED照明；4—镜头；5—数据控制线；6—可倾斜手动支架；7—二维透反射移动平台；8—专用昆虫360°环形防反光照明装置。

　　2.2 、3D超景深合成图像

　　在常规体视显微镜下进行平面观察或拍摄时，往往会由于昆虫标本身体各个部位并不处于同一焦距不能针对整体进行对焦而无法获得整体清晰的观察效果和图片。3D超景深合成图像功能通过从最低处向最高处或从最高处到最低处按照设置的间隔距离依次对焦，并自动将不同距离拍摄的多张图像进行合成，以获得昆虫标本整体显示清晰的图像[6]。昆虫普通拍摄图片如图2所示，在放大40倍倍率下拍摄昆虫标本头部照片时，采用普通拍摄方法，聚焦复眼旁的一根刚毛时，能清楚地拍摄刚毛周围区域，而其口器、复眼、额面部前端等部位则非常模糊；昆虫3D超景深合成图片如图3所示，同样在放大40倍倍率下拍摄昆虫头部照片时，采用3D超景深显微摄影技术的情况下，通过自动对焦，能够实现整个拍摄区域均清晰显示。

　　图2 昆虫普通拍摄图片

　　图3 昆虫3D超景深合成图片

　　2.3、 图像拼接

　　采用普通体视显微镜对昆虫进行观察和拍摄，在低倍率情况下通常能够实现对昆虫整体或某一形态特征的整体进行拍摄，然而当需要在高倍率放大情况下获得高清晰度图片时，通常由于标本过大超过高倍率放大情况下的显微镜视野范围而无法获得昆虫或某一形态特征的整体图片，只能获得昆虫整体或昆虫某一形态特征的局部图片；3D超景深显微摄影技术则能在高倍率放大情况下通过图像拼接功能拍摄更大视野范围的整体图像，在高倍率拍摄时，观察和拍摄对象整体超出屏幕显示的范围，需要把拍摄对象分为几个区域，通过移动载物平台，分别对不用区域进行三维合成摄影，最后经过合成组成一个完整的高倍率放大条件下的立体图像。

　　2.4、 3D模型制作

　　采用3D超景深显微摄影系统还可以实现对观察和拍摄的昆虫标本的3D模型制作。通过设备内置的步进马达可以自动完成更快速、更平滑、更精确的Z轴位移行程扫描，精度和行程范围可自由调节，当捕捉到10张平面图像，仅需1 s就能完成并显示高质量的3D模型。3D模型信息能以原色、伪色和线框图显示，能最大化地还原显示3D模型上表面的细节信息，原色和伪色也可以在3D模型上混合显示。

　　2.5、 图像/模型测量

　　3D超景深显微摄影技术可以运用直线、圆、圆弧、角度、周长、面积、垂线距离、圆心距、幅度测量、垂直距离、水平距离、平行线等测量工具对2D图像进行测量；简单地调整切面位置，就能将3D对象的信息可视化呈现并能进行测量操作：创建剖面就像虚拟垂直面交叉片面，并能进行精确的测量，只需在3D模型上点击，就能实时显示点高度，随着每次点击，高度值就以标签形式显示在点击位置，初始0点位置在3D模型上可以用标准默认位置，也可以自定义一个新的参考位置，点高度测量值在2D和3D渲染图像上都能显示，体积和面积能在3D对象上进行测量，只需上下调整水平切面位置，然后对待测部分进行点击，就能得到测量结果，使用剖面测量功能，就能非常方便地测量3D对象上任何地方的半径值，通过绘制3个点成圆的方法，或选择2线交叉法测量任何地方角度大小，强大的3D软件还能精确地进行线粗糙度的测量。

　　2.6、 图像优化

　　3 D超景深显微摄影系统还有一系列非常强大的图像优化功能，主要包括亮度校正、彩度调整、对比度调整、伽马修正、防震动修正、边缘增强、色彩曲线调整、噪声过滤和移除、HDR、防光晕、3D模型水平校准等，通过这些不同的图像优化功能使观察到和拍摄的图像更清晰，能够更好地实现对昆虫分类鉴定的目的。

　　3、 结语

　　3D超景深显微摄影技术在实际应用过程中还存在一些尚待完善的不足。例如在观察或拍摄部分鞘翅目昆虫时，由于其鞘翅表面过于光滑容易造成反光现象，还需进一步探索3D超景深显微摄影系统在拍摄鞘翅目昆虫时的防反光技术；使用高倍率镜头观察昆虫或拍摄3D超景深图片时，常常由于细微震动使图像出现模糊虚化，3D超景深显微系统的防震动校正功能效果还不够理想，因此还需进一步研究高倍率条件下的拍摄技巧。

　　参考文献

　　[1]贺春荣，肖英杰,宗尧瓢虫的生活习性及饲养方法[J]现代农业科技, 2020(7):216-218.
　　[2]杨军,白合提亚安外尔.五彩缤纷看昆虹J.新疆林业, 2015(2).2.
　　[3]王照金，陈升毅，童晓立,等2012- -2016年云浮口岸 植物检疫现状及外来有害生物截获情况分析[J].安徽农业科学, 2018,46(6):167-175,181.
　　[4]郭立新，段维军,段丽君,等.2015- -2017年我国进境植物检疫性有害生物截获情况及建议[J].植物检疫, 2018,32(2)-58-63.
　　[5]鞠瑞亭，李慧,正人,等近十年中国生物入侵研究进展[J].生物多样性, 2012,20(5):581-611.
　　[6]张卫光,林进,杨广玲,等昆虫学实验教学中超景深显微摄影技术的应用[J]中国现代教育装备, 2018();5-7.