李天寶，張錄璐，黃萍

3D超景深顯微攝影技術(shù)在昆蟲種類鑒定中的應(yīng)用＊

李天寶1，張錄璐2，黃萍1

（1.江門海關(guān)技術(shù)中心，廣東 江門 529000；2.江門市棠下中學(xué)，廣東 江門 529000）

從昆蟲檢疫鑒定的需求出發(fā)，闡述3D超景深顯微攝影技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用。著重討論3D超景深顯微攝影系統(tǒng)的3D超景深合成圖像、360°旋轉(zhuǎn)觀察及攝影、圖像拼接、3D模型制作、圖像/模型測(cè)量、圖像優(yōu)化等功能的應(yīng)用。

3D超景深顯微攝影技術(shù)；昆蟲；種類鑒定；模型測(cè)量

昆蟲是無(wú)脊椎動(dòng)物中的節(jié)肢動(dòng)物門昆蟲綱動(dòng)物的總稱，種類繁多、形態(tài)各異，是地球上數(shù)量最多的動(dòng)物群體[1]，其分布面也很廣，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康造成重大影響[2]。近年來(lái)，隨著中國(guó)對(duì)外貿(mào)易的不斷發(fā)展，中國(guó)需大量進(jìn)口的木材、糧食等高風(fēng)險(xiǎn)商品中截獲的昆蟲種類和數(shù)量逐年提高，對(duì)中國(guó)的林業(yè)安全、農(nóng)業(yè)安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大威脅[3-5]。

為維護(hù)國(guó)門生物安全，海關(guān)對(duì)截獲的外來(lái)有害生物需進(jìn)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(shù)應(yīng)用于昆蟲種類鑒定工作中，能夠?qū)崿F(xiàn)立體觀察、實(shí)時(shí)測(cè)量和高清成像，還可以觀察到肉眼無(wú)法直接看到的微觀形態(tài)特征，并把觀察到的形態(tài)特征通過(guò)3D超景深顯微影像記錄下來(lái)供進(jìn)一步研究，具有非常好的應(yīng)用前景。

1　3D超景深顯微攝影系統(tǒng)的構(gòu)成

3D超景深顯微攝影系統(tǒng)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(tǒng)為例，主要包括一體式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、主控制器、高亮度LED照明、鏡頭（20～160 X三維旋轉(zhuǎn)鏡頭、0～20 X低倍大視場(chǎng)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(dòng)感應(yīng)型變焦鏡）、數(shù)據(jù)控制線、可傾斜手動(dòng)支架、二維透反射移動(dòng)平臺(tái)、專用昆蟲360°環(huán)形防反光照明裝置。從圖1可以看出，隨著科技的不斷進(jìn)步，新一代的三維數(shù)字顯微鏡已經(jīng)變得越來(lái)越小巧，攜帶非常便捷，如需帶著該設(shè)備到野外進(jìn)行監(jiān)測(cè)鑒定，只需要帶一臺(tái)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(shí)際需求。

2 3D超景深顯微攝影技術(shù)的主要功能

2.1 360°旋轉(zhuǎn)觀察、攝影

使用常規(guī)體視顯微鏡觀察或拍攝昆蟲標(biāo)本時(shí)，一次只能觀察或拍攝視野范圍內(nèi)有限的部分形態(tài)特征，無(wú)法直接做到360°觀察，只能通過(guò)不斷移動(dòng)標(biāo)本才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行全方位觀察，大大影響工作效率。3D超景深顯微攝影技術(shù)則完美解決了該問(wèn)題，三維數(shù)字顯微鏡具有獨(dú)特的3D觀察技術(shù)，只需將旋轉(zhuǎn)卡口安裝到變焦鏡頭前段，利用鏡頭的旋轉(zhuǎn)，即可在與待觀察樣品無(wú)任何接觸的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的全周圍360°不同角度的連續(xù)觀察，這也極大地避免了在高倍率下移動(dòng)樣品帶來(lái)的諸多困擾，不僅降低了昆蟲標(biāo)本損壞的概率，還大大提高了檢測(cè)效率。

1—一體式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；2—主控制器；3—高亮度LED照明；4—鏡頭；5—數(shù)據(jù)控制線；6—可傾斜手動(dòng)支架；7—二維透反射移動(dòng)平臺(tái)；8—專用昆蟲360°環(huán)形防反光照明裝置。

2.2 3D超景深合成圖像

在常規(guī)體視顯微鏡下進(jìn)行平面觀察或拍攝時(shí)，往往會(huì)由于昆蟲標(biāo)本身體各個(gè)部位并不處于同一焦距不能針對(duì)整體進(jìn)行對(duì)焦而無(wú)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(guò)從最低處向最高處或從最高處到最低處按照設(shè)置的間隔距離依次對(duì)焦，并自動(dòng)將不同距離拍攝 的多張圖像進(jìn)行合成，以獲得昆蟲標(biāo)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(biāo)本頭部照片時(shí)，采用普通拍攝方法，聚焦復(fù)眼旁的一根剛毛時(shí)，能清楚地拍攝剛毛周圍區(qū)域，而其口器、復(fù)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(shí)，采用3D超景深顯微攝影技術(shù)的情況下，通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)拍攝區(qū)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(duì)昆蟲進(jìn)行觀察和拍攝，在低倍率情況下通常能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)昆蟲整體或某一形態(tài)特征的整體進(jìn)行拍攝，然而當(dāng)需要在高倍率放大情況下獲得高清晰度圖片時(shí)，通常由于標(biāo)本過(guò)大超過(guò)高倍率放大情況下的顯微鏡視野范圍而無(wú)法獲得昆蟲或某一形態(tài)特征的整體圖片，只能獲得昆蟲整體或昆蟲某一形態(tài)特征的局部圖片；3D超景深顯微攝影技術(shù)則能在高倍率放大情況下通過(guò)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(shí)，觀察和拍攝對(duì)象整體超出屏幕顯示的范圍，需要把拍攝對(duì)象分為幾個(gè)區(qū)域，通過(guò)移動(dòng)載物平臺(tái)，分別對(duì)不用區(qū)域進(jìn)行三維合成攝影，最后經(jīng)過(guò)合成組成一個(gè)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(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀察和拍攝的昆蟲標(biāo)本的3D模型制作。通過(guò)設(shè)備內(nèi)置的步進(jìn)馬達(dá)可以自動(dòng)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(diào)節(jié)，當(dāng)捕捉到10張平面圖像，僅需1 s就能完成并顯示高質(zhì)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(xì)節(jié)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(cè)量

3D超景深顯微攝影技術(shù)可以運(yùn)用直線、圓、圓弧、角度、周長(zhǎng)、面積、垂線距離、圓心距、幅度測(cè)量、垂直距離、水平距離、平行線等測(cè)量工具對(duì)2D圖像進(jìn)行測(cè)量；簡(jiǎn)單地調(diào)整切面位置，就能將3D對(duì)象的信息可視化呈現(xiàn)并能進(jìn)行測(cè)量操作：創(chuàng)建剖面就像虛擬垂直面交叉片面，并能進(jìn)行精確的測(cè)量，只需在3D模型上點(diǎn)擊，就能實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)高度，隨著每次點(diǎn)擊，高度值就以標(biāo)簽形式顯示在點(diǎn)擊位置，初始0點(diǎn)位置在3D模型上可以用標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)位置，也可以自定義一個(gè)新的參考位置，點(diǎn)高度測(cè)量值在2D和3D渲染圖像上都能顯示，體積和面積能在3D對(duì)象上進(jìn)行測(cè)量，只需上下調(diào)整水平切面位置，然后對(duì)待測(cè)部分進(jìn)行點(diǎn)擊，就能得到測(cè)量結(jié)果，使用剖面測(cè)量功能，就能非常方便地測(cè)量3D對(duì)象上任何地方的半徑值，通過(guò)繪制3個(gè)點(diǎn)成圓的方法，或選擇2線交叉法測(cè)量任何地方角度大小，強(qiáng)大的3D軟件還能精確地進(jìn)行線粗糙度的測(cè)量。

2.6 圖像優(yōu)化

3D超景深顯微攝影系統(tǒng)還有一系列非常強(qiáng)大的圖像優(yōu)化功能，主要包括亮度校正、彩度調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整、伽馬修正、防震動(dòng)修正、邊緣增強(qiáng)、色彩曲線調(diào)整、噪聲過(guò)濾和移除、HDR、防光暈、3D 模型水平校準(zhǔn)等，通過(guò)這些不同的圖像優(yōu)化功能使觀察到和拍攝的圖像更清晰，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲分類鑒定的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

3D超景深顯微攝影技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(shí)，由于其鞘翅表面過(guò)于光滑容易造成反光現(xiàn)象，還需進(jìn)一步探索3D超景深顯微攝影系統(tǒng)在拍攝鞘翅目昆蟲時(shí)的防反光技術(shù)；使用高倍率鏡頭觀察昆蟲或拍攝3D超景深圖片時(shí)，常常由于細(xì)微震動(dòng)使圖像出現(xiàn)模糊虛化，3D超景深顯微系統(tǒng)的防震動(dòng)校正功能效果還不夠理想，因此還需進(jìn)一步研究高倍率條件下的拍攝技巧。

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S41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.074

2095－6835（2021）01－0180－02

海關(guān)總署科研項(xiàng)目（編號(hào)：2019HK039）；江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（江科〔2019〕186號(hào)）；江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2020JC03043）

李天寶（1981—），男，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫M(jìn)出境植物檢疫。

〔編輯：張思楠〕