3D超景深顯微攝影技術在昆蟲種類鑒定中的應用＊

李天寶，張錄璐，黃萍

3D超景深顯微攝影技術在昆蟲種類鑒定中的應用＊

李天寶1，張錄璐2，黃萍1

（1.江門海關技術中心，廣東 江門 529000；2.江門市棠下中學，廣東 江門 529000）

從昆蟲檢疫鑒定的需求出發，闡述3D超景深顯微攝影技術的特點及應用。著重討論3D超景深顯微攝影系統的3D超景深合成圖像、360°旋轉觀察及攝影、圖像拼接、3D模型制作、圖像/模型測量、圖像優化等功能的應用。

3D超景深顯微攝影技術；昆蟲；種類鑒定；模型測量

昆蟲是無脊椎動物中的節肢動物門昆蟲綱動物的總稱，種類繁多、形態各異，是地球上數量最多的動物群體[1]，其分布面也很廣，對農業生產和人類健康造成重大影響[2]。近年來，隨著中國對外貿易的不斷發展，中國需大量進口的木材、糧食等高風險商品中截獲的昆蟲種類和數量逐年提高，對中國的林業安全、農業安全和生態環境構成極大威脅[3-5]。

為維護國門生物安全，海關對截獲的外來有害生物需進行分類鑒定，以確定其危害程度和防控措施。3D超景深顯微攝影技術應用于昆蟲種類鑒定工作中，能夠實現立體觀察、實時測量和高清成像，還可以觀察到肉眼無法直接看到的微觀形態特征，并把觀察到的形態特征通過3D超景深顯微影像記錄下來供進一步研究，具有非常好的應用前景。

1　3D超景深顯微攝影系統的構成

3D超景深顯微攝影系統的硬件組成如圖1所示，以Hirox RH-2000型3D超景深顯微攝影系統為例，主要包括一體式計算機系統、主控制器、高亮度LED照明、鏡頭（20～160 X三維旋轉鏡頭、0～20 X低倍大視場鏡頭、20～160 X變焦鏡頭、20～160 X手持式專用鏡頭、350～3 500 X同軸高倍自動感應型變焦鏡）、數據控制線、可傾斜手動支架、二維透反射移動平臺、專用昆蟲360°環形防反光照明裝置。從圖1可以看出，隨著科技的不斷進步，新一代的三維數字顯微鏡已經變得越來越小巧，攜帶非常便捷，如需帶著該設備到野外進行監測鑒定，只需要帶一臺筆記本電腦、主控制器、手持式鏡頭、LED照明裝置即可，非常符合植物檢疫工作實際需求。

2 3D超景深顯微攝影技術的主要功能

2.1 360°旋轉觀察、攝影

使用常規體視顯微鏡觀察或拍攝昆蟲標本時，一次只能觀察或拍攝視野范圍內有限的部分形態特征，無法直接做到360°觀察，只能通過不斷移動標本才能夠對其進行全方位觀察，大大影響工作效率。3D超景深顯微攝影技術則完美解決了該問題，三維數字顯微鏡具有獨特的3D觀察技術，只需將旋轉卡口安裝到變焦鏡頭前段，利用鏡頭的旋轉，即可在與待觀察樣品無任何接觸的情況下實現對樣品的全周圍360°不同角度的連續觀察，這也極大地避免了在高倍率下移動樣品帶來的諸多困擾，不僅降低了昆蟲標本損壞的概率，還大大提高了檢測效率。

1—一體式計算機系統；2—主控制器；3—高亮度LED照明；4—鏡頭；5—數據控制線；6—可傾斜手動支架；7—二維透反射移動平臺；8—專用昆蟲360°環形防反光照明裝置。

2.2 3D超景深合成圖像

在常規體視顯微鏡下進行平面觀察或拍攝時，往往會由于昆蟲標本身體各個部位并不處于同一焦距不能針對整體進行對焦而無法獲得整體清晰的觀察效果和圖片。3D超景深合成圖像功能通過從最低處向最高處或從最高處到最低處按照設置的間隔距離依次對焦，并自動將不同距離拍攝 的多張圖像進行合成，以獲得昆蟲標本整體顯示清晰的圖像[6]。昆蟲普通拍攝圖片如圖2所示，在放大40倍倍率下拍攝昆蟲標本頭部照片時，采用普通拍攝方法，聚焦復眼旁的一根剛毛時，能清楚地拍攝剛毛周圍區域，而其口器、復眼、額面部前端等部位則非常模糊；昆蟲3D超景深合成圖片如圖3所示，同樣在放大40倍倍率下拍攝昆蟲頭部照片時，采用3D超景深顯微攝影技術的情況下，通過自動對焦，能夠實現整個拍攝區域均清晰顯示。

圖2 昆蟲普通拍攝圖片

圖3 昆蟲3D超景深合成圖片

2.3 圖像拼接

采用普通體視顯微鏡對昆蟲進行觀察和拍攝，在低倍率情況下通常能夠實現對昆蟲整體或某一形態特征的整體進行拍攝，然而當需要在高倍率放大情況下獲得高清晰度圖片時，通常由于標本過大超過高倍率放大情況下的顯微鏡視野范圍而無法獲得昆蟲或某一形態特征的整體圖片，只能獲得昆蟲整體或昆蟲某一形態特征的局部圖片；3D超景深顯微攝影技術則能在高倍率放大情況下通過圖像拼接功能拍攝更大視野范圍的整體圖像，在高倍率拍攝時，觀察和拍攝對象整體超出屏幕顯示的范圍，需要把拍攝對象分為幾個區域，通過移動載物平臺，分別對不用區域進行三維合成攝影，最后經過合成組成一個完整的高倍率放大條件下的立體圖像。

2.4 3D模型制作

采用3D超景深顯微攝影系統還可以實現對觀察和拍攝的昆蟲標本的3D模型制作。通過設備內置的步進馬達可以自動完成更快速、更平滑、更精確的軸位移行程掃描，精度和行程范圍可自由調節，當捕捉到10張平面圖像，僅需1 s就能完成并顯示高質量的3D模型。3D模型信息能以原色、偽色和線框圖顯示，能最大化地還原顯示3D模型上表面的細節信息，原色和偽色也可以在3D模型上混合顯示。

2.5 圖像/模型測量

3D超景深顯微攝影技術可以運用直線、圓、圓弧、角度、周長、面積、垂線距離、圓心距、幅度測量、垂直距離、水平距離、平行線等測量工具對2D圖像進行測量；簡單地調整切面位置，就能將3D對象的信息可視化呈現并能進行測量操作：創建剖面就像虛擬垂直面交叉片面，并能進行精確的測量，只需在3D模型上點擊，就能實時顯示點高度，隨著每次點擊，高度值就以標簽形式顯示在點擊位置，初始0點位置在3D模型上可以用標準默認位置，也可以自定義一個新的參考位置，點高度測量值在2D和3D渲染圖像上都能顯示，體積和面積能在3D對象上進行測量，只需上下調整水平切面位置，然后對待測部分進行點擊，就能得到測量結果，使用剖面測量功能，就能非常方便地測量3D對象上任何地方的半徑值，通過繪制3個點成圓的方法，或選擇2線交叉法測量任何地方角度大小，強大的3D軟件還能精確地進行線粗糙度的測量。

2.6 圖像優化

3D超景深顯微攝影系統還有一系列非常強大的圖像優化功能，主要包括亮度校正、彩度調整、對比度調整、伽馬修正、防震動修正、邊緣增強、色彩曲線調整、噪聲過濾和移除、HDR、防光暈、3D 模型水平校準等，通過這些不同的圖像優化功能使觀察到和拍攝的圖像更清晰，能夠更好地實現對昆蟲分類鑒定的目的。

3 結語

3D超景深顯微攝影技術在實際應用過程中還存在一些尚待完善的不足。例如在觀察或拍攝部分鞘翅目昆蟲時，由于其鞘翅表面過于光滑容易造成反光現象，還需進一步探索3D超景深顯微攝影系統在拍攝鞘翅目昆蟲時的防反光技術；使用高倍率鏡頭觀察昆蟲或拍攝3D超景深圖片時，常常由于細微震動使圖像出現模糊虛化，3D超景深顯微系統的防震動校正功能效果還不夠理想，因此還需進一步研究高倍率條件下的拍攝技巧。

［1］賀春榮，肖英杰，王宗堯.瓢蟲的生活習性及飼養方法［J］.現代農業科技，2020（7）：216-218.

［2］楊軍，白合提亞·安外爾.五彩繽紛看昆蟲［J］.新疆林業，2015（2）：2.

［3］王照金，陳升毅，童曉立，等.2012—2016年云浮口岸植物檢疫現狀及外來有害生物截獲情況分析［J］.安徽農業科學，2018，46（6）：167-175，181.

［4］郭立新，段維軍，段麗君，等.2015—2017年我國進境植物檢疫性有害生物截獲情況及建議［J］.植物檢疫，2018，32（2）：58-63.

［5］鞠瑞亭，李慧，石正人，等.近十年中國生物入侵研究進展［J］.生物多樣性，2012，20（5）：581-611.

［6］張衛光，林琎，楊廣玲，等.昆蟲學實驗教學中超景深顯微攝影技術的應用［J］.中國現代教育裝備，2018（1）：5-7.

S41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.074

2095－6835（2021）01－0180－02

海關總署科研項目（編號：2019HK039）；江門市科技計劃項目（江科〔2019〕186號）；江門市科技計劃項目（編號：2020JC03043）

李天寶（1981—），男，吉林長春人，高級工程師，研究方向為進出境植物檢疫。

〔編輯：張思楠〕