昆虫学实验教学中超景深显微摄影技术的应用

山东农业大学植物保护学院 山东泰安 271018

实验教学是农业高校昆虫学相关课程教学的重要组成部分，是理论与实践相结合的教学活动，在培养学生认知、学习专业知识、分析解决生产实际问题中起着重要的作用；在植物保护学有关专业如植物保护、植物检疫、制药工程等，昆虫学实验教学是作为独立的一门课程。现代课堂授课形式一定程度上由板书被多媒体取代，实验教学过程中图片已经成为重要的教学材料。显微摄影技术在昆虫学形态观察、分类、生理系统等方面应用广泛，高质量的显微摄影图片能让学生更直观地观察实验对象，掌握专业知识。随着数码显微摄影技术的发展，高科技产品及前沿技术相继应用于实验教学，使实验教学的质量和现代化程度不断提高[1]。本文从几方面介绍超景深显微摄影系统的特点及在拍摄昆虫图片上的常用功能。

1 超景深显微摄影的优势

超景深显微摄影技术广泛应用于观察微生物，半导体的质量监控，还扩展到电子、化工和制药行业上。超景深三维显微镜可以集体视显微镜、工具显微镜和金相显微镜于一体，其应用领域可以拓展到光学显微镜和扫描电子显微镜之间。它具有独特的环形照明技术，并配有斜照明、透射光和偏振光，能满足一般的金相照片拍摄、宏观的立体拍摄，还可以拍摄动态的显微录像。目前常用的显微镜是由目镜和物镜组成的，两个透镜的组合产生了一个物体被放大的虚像。超景深显微系统同样使用光学透镜，物体直接通过目镜观察，通过数个基本无像差的高性能透镜的组合，可以更清楚地观察微小的物体。像素平移方式能够提供超高分辨率的图像，并具备优良的色彩再现，实现了镜头体积小巧且画质超高精细的观察(最高5 400万像素)。超景深显微镜的放大倍率可以从较低的0倍达到较高的5000倍的范围，可实现光学显微系统的20倍以上的景深，即使是用显微系统无法对准焦点的凹凸的大目标物也可正确地观察，并拍摄出三维立体图像[2]。

2 超景深显微摄影系统的组成及管理维护

2.1 设备配置

硬件组成如图1所示，以VHX-2000数码显微系统为例，主要包括：处理控制器、快捷控制板、相机、自动平台、缆线、镜头、底座、载物台等。其中，载物平台可以水平旋转，镜头固定杆可以左右旋转，以更方便地进行观察。快捷控制板上集成了常用的功能按键，操作起来更快捷。软件系统所提供的功能包括：相机设定、三维合成、图像编辑、数据测量等，功能齐全，操作便捷。

图1 超景深显微摄影系统(VHX-2000)

2.2 管理维护

超景深显微系统属于大型贵重精密仪器，日常使用和维护须严格按照精密仪器使用与管理原则，制订切实可行的管理方案。首先，建立设备档案，严格按照学校出台的《贵重精密仪器设备管理办法》制订设备使用的各种规章制度、操作流程、注意事项等[3]。每次使用后，都要详细记录使用时间、使用人、拍摄内容、设备运行情况等。其次，由实验技术人员专人管理。管理人必须经过专业培训，学习仪器安装、调试，掌握仪器性能特点、操作程序、常见故障及其相应的解决措施，外来使用人须经管理人培训后方可上机操作。存放仪器的房间要保持整洁，不能存放腐蚀性的化学试剂。仪器使用完毕要将载物台和镜头擦拭干净，并盖上防尘罩。

3 昆虫实验教学中常用的主要功能

3.1 三维立体成像功能

观察实体对象特别是在较高倍率下拍摄局部特征时，目标部位具有不同高度或深度，有时候不能针对整体进行对焦。三维立体成像功能通过从最低处向最高处依次对焦，并自动将不同距离拍摄的画像进行合成，显示清晰的整体图像。如图2所示，在相同放大倍率下拍摄玉米象头部照片，图2a在聚焦触角时，能清楚地拍摄触角周围区域，而其他部位显示模糊；图片2b使用三维合成拍摄，整个拍摄区域均能清晰显示。

图2 普通拍摄a与三维合成拍摄b对比示例

3.2 图像测量功能

普通显微测量进行数据测量时需要针对不同物镜进行校准[4]，超景深显微系统因采用了具有特定功能的镜头，对图片进行测量时不需要再进行额外的校准，使用起来更便捷。数据测量功能包括测量长度、角度、面积等(如图3所示)。

图3 超景深显微系统图像测量功能示例

3.3 图像连接功能

受显示屏幕大小的限制，一般显微摄影只能拍摄屏幕显示范围内的图像，难以获得高倍率的整体图像，而运用超景深显微系统的图像连接功能可以获得高倍率放大条件下的整体图像。如图4所示，在高倍率拍摄时，目标对象超出屏幕显示的范围，则把要拍摄的目标分为几个区域，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。

图4 超景深显微系统图像连接示例

3.4 图像改善功能

超景深显微系统图像处理软件提供了丰富的图像改善功能，可以通过不同的效果设定使拍摄的图像更清晰。如图5所示，可以按照9种不同效果设定对图像进行分割显示(如图5a所示)，从中选择最佳的图像设定。实际应用中，常用到的功能是去除光晕和用高灰度级进行观察。拍摄过程中，光照强度适中的情况下，如果拍摄对象表面产生反光，就要用到去除光晕即除去反光功能。图5b是常规拍摄的立体图像，图5c则是在图5b的基础上利用除去反光功能拍摄出来的，可以看到虫体及周围背景部分反光明显减弱；图5d则是利用的高灰度级功能拍摄出来的，可以看出整幅图片色彩更均匀，使目标对象更突出，对发生反光的区域拍摄的更清晰真实。

图5 超景深显微系统图像改善功能示例

4 结语

在实际应用过程中，利用较大倍率如800～1 000倍拍摄三维立体图片时，除去光学镜头本身极限放大倍率的影响，镜头在逐层扫描过程中引起的震动、室内微风或是拍摄参数设定的原因，都可能使图像出现模糊虚化，因此还需进一步探索高倍率条件下的拍摄技巧。

随着科学技术进步， 数码显微摄影技术及计算机图像处理系统在工业、医学、农学等多个领域都得到了广泛的应用。掌握一定的数码显微摄影技术，获得清晰的教学图片并进行相应的分析，不仅可以丰富实验课的教学内容，提高教学效率，而且使学生看到的标本更直观，较传统的挂图、图谱、幻灯等辅助教学手段具有不可替代的优点。超景深显微系统属于大型贵重精密仪器，购置费用较高，需专人维护操作；通过提高实验专业技术人员业务水平，使其在科研、毕业设计、创新性实验上提高利用效率。同时，为充分发挥贵重仪器设备在教学科研等方面的作用，应以科学管理模式，构建开放共享平台，使贵重仪器设备在高素质人才培养中发挥更大作用[5]。

声明：本文所提到的超景深显微系统型号及软件系统，仅当作探讨显微摄像技术应用的实例，不用做产品推广和其他商业用途。

[1] 严勇,赵前程,李跃伟.数码显微摄影及其在实验教学中的应用[J].信阳农业高等专科学校学报,2004,14(1):85-86.

[2] 超景深显微镜系统的工作原理[EB/OL]. http://www.gzspecial. com/qyxw/250.html.

[3] 卢秀霞.提升高校贵重精密仪器的使用效益与管理水平[J].中国高校科技,2013,10(6):28-30.

[4] 张卫光,杨广玲,赵春青.实验教学中植物病原微生物显微摄影技术的应用[J].实验科学与技术,2013,11(6):27-29.

[5] 尚宏利,李慈,徐云.高校大型贵重精密仪器管理模式及运行机制的探索与研究[J].广东化工,2013,40(15):189-190.