以花蚤科為例的昆蟲圖像處理軟件應(yīng)用研究

王 洋，權(quán) 瑞，劉 揚(yáng)

1. 西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，西安 710069：2. 商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西 商洛 726000

在昆蟲學(xué)研究的過程中，標(biāo)本圖像資料一直倍受研究者的重視，從早期傳統(tǒng)的手繪點(diǎn)線圖記錄昆蟲基本形態(tài)、特征和結(jié)構(gòu)，到現(xiàn)在利用各種先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，圖像研究方法一直被昆蟲科研工作者改進(jìn)和創(chuàng)新．目前，隨著多媒體手段的廣泛應(yīng)用，我們可以利用相機(jī)進(jìn)行生態(tài)攝影，記錄各種動物的生態(tài)信息：也可以通過先進(jìn)的顯微照相系統(tǒng)采集細(xì)致的結(jié)構(gòu)圖像：更可以通過顯微CT準(zhǔn)確地構(gòu)建不同種類昆蟲的三維圖像信息．高質(zhì)量的標(biāo)本圖像資料非常便于分享和儲存，能夠降低分類學(xué)家之間標(biāo)本郵寄運(yùn)輸?shù)某杀?，還能夠提高相應(yīng)昆蟲物種特征的信息量．但是，由于有些昆蟲標(biāo)本體小或殘缺，嚴(yán)重影響了拍攝的圖像質(zhì)量，所以需要利用Adobe Photoshop(PS)等軟件對拍攝的標(biāo)本圖片進(jìn)行編輯處理，使昆蟲的形態(tài)特征盡可能清晰準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來．因此，掌握多種圖像處理軟件并深入挖掘圖像中潛在的信息，對昆蟲學(xué)研究有著非常重要的作用．本文以鞘翅目花蚤科昆蟲為例對Adobe Photoshop，Adobe Illustrator和Photozoom等圖像處理軟件的應(yīng)用進(jìn)行研究，為處理昆蟲標(biāo)本圖像積累經(jīng)驗(yàn)，并為深度挖掘圖像信息提供參考．

1 圖像采集方法研究

1.1 利用單反相機(jī)進(jìn)行微距攝影

單鏡頭反光相機(jī)支持光學(xué)變焦且擁有超大的感光器面積，是微距攝影的絕佳器材．考慮到體型較小的昆蟲，利用其拍攝昆蟲標(biāo)本時(shí)還應(yīng)搭配一支微距鏡頭以達(dá)到最佳拍攝效果，微距鏡頭可選擇2 000元左右的手動對焦微距鏡頭作為最基本的搭配．此外還可以準(zhǔn)備一些非必需的器材，例如三腳架、快門線，它們可減少因抖動帶來的誤差：反光鏡鎖、環(huán)閃燈、閃光燈、柔光板等可以用來營造合適的光線效果：且利用背景板制造需要的背景效果．

1.2 利用CCD(Charge Coupled Devices)[1]顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)本圖像采集

在標(biāo)本圖像采集過程中，我們除使用單反相機(jī)拍攝昆蟲標(biāo)本外，更多的是利用解剖鏡搭載CCD攝像頭組成的的顯微攝像系統(tǒng)，利用這套設(shè)備可以清晰地拍攝體型較小的昆蟲標(biāo)本．

2 Adobe Photoshop在標(biāo)本圖像處理方面的應(yīng)用

2.1 Adobe Photoshop軟件的基本介紹

Adobe Photoshop是由Adobe Systems開發(fā)和發(fā)行的圖像處理軟件，其主要版本有Photoshop CS3，Photoshop CS4，Photoshop CS5，Photoshop CS6，Photoshop CC等．該軟件包含了各類圖像編修與繪圖工具，可以高效地進(jìn)行圖片編輯工作．Photoshop的操作界面主要分為5個(gè)部分：菜單欄、屬性欄、工具欄、控制面板以及繪圖區(qū)(圖1)．

圖1 Photoshop CC2017操作界面示意圖

我們可以借助菜單欄完成PS中各類基本操作．菜單欄下方是屬性欄，主要顯示和更改不同工具的操作屬性，通過更改屬性欄中的屬性，相同的工具也可產(chǎn)生多種效果．位于操作界面左側(cè)的工具欄則包含了PS中所有的使用工具，工具欄可以根據(jù)用戶的個(gè)人需要拖動到其他位置，或是改變其寬度，設(shè)置相對靈活．控制面板指的是操作界面中可以靈活拖動隱藏的小窗口，主要有屬性、調(diào)整、通道、圖層、字符等24個(gè)面板，可以在“窗口”中添加或減少相應(yīng)的面板．繪圖區(qū)則是軟件操作界面的主體，是進(jìn)行繪圖操作的主要區(qū)域，圖片就在其中顯示．本文中使用的軟件版本為Photoshop CC2017．

2.2 Adobe Photoshop在昆蟲圖像處理中的應(yīng)用

2.2.1 圖像分辨率以及大小的調(diào)整

對于標(biāo)本圖像處理，我們首先在Photoshop CC軟件上方的菜單欄中選擇圖像，在圖像大小調(diào)整窗口中可以調(diào)整圖像的尺寸以及分辨率，分辨率數(shù)值越高圖像也就越清晰[2]．分辨率的大小對圖像細(xì)節(jié)的精細(xì)程度起著決定性的作用，其主要更改過程為：圖像—圖像調(diào)整—調(diào)整分辨率．描述分辨率的單位有：dpi(點(diǎn)每英寸)、lpi(線每英寸)和ppi(像素每英寸)．目前常用的分辨率是彩圖300 ppi，灰度600 ppi．

根據(jù)需要，可通過Photoshop工具欄中的裁剪工具對圖像大小進(jìn)行調(diào)整．整裁剪工具不僅可以直觀地縮小畫布尺寸，還可以拉大畫布．如果需要指定的畫布尺寸，可在圖像選項(xiàng)中輸入數(shù)值對畫布大小進(jìn)行修改，并且可以選擇相對縮放或者擴(kuò)展的方位．

2.2.2 修復(fù)昆蟲標(biāo)本圖像上的污點(diǎn)

標(biāo)本表面通常會浮有微小雜質(zhì)及灰塵，這些雜質(zhì)在拍攝前很難完全處理干凈．因此，對館藏標(biāo)本尤其是模式標(biāo)本進(jìn)行圖像信息采集時(shí)，我們常通過圖像處理軟件對拍攝的標(biāo)本進(jìn)行“除塵”處理．在Photoshop軟件中常用的是仿制圖章工具、污點(diǎn)修復(fù)畫筆工具和修補(bǔ)工具來去除污點(diǎn)雜質(zhì)．

1) 污點(diǎn)修復(fù)畫筆工具：操作簡單，具有自動識別需要修復(fù)污點(diǎn)所在區(qū)域周圍圖像的特點(diǎn)并進(jìn)行仿制修補(bǔ)的功能，但誤差較大，只適用于小面積斑點(diǎn)狀雜質(zhì)的修補(bǔ)．在昆蟲圖像處理中，使用該工具對較細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)行修復(fù)，可大幅度提高圖像處理效率．

2) 使用仿制圖章工具：按住Alt鍵確定仿制源點(diǎn)后對污點(diǎn)進(jìn)行涂抹，涂抹區(qū)域所替代的圖像完全對應(yīng)相應(yīng)的仿制源點(diǎn)．該方法適用于紋理清晰、無明顯明暗差別的圖像．如果仿制源點(diǎn)與需要涂抹區(qū)域明暗差別較大，修補(bǔ)痕跡將會很不自然，所以利用仿制圖章工具時(shí)一定要注意仿制源點(diǎn)的選擇．處理案例前后對比(圖2)．

圖2 利用仿制圖章清理標(biāo)本上的灰塵

3) 修補(bǔ)工具：使用時(shí)需先圈出用作修補(bǔ)的區(qū)域，形成選區(qū)，再拖動選區(qū)至需要彌補(bǔ)的區(qū)域即可完成修復(fù)．該工具的優(yōu)點(diǎn)是不僅保留了原本需要修補(bǔ)區(qū)域的明暗特點(diǎn)，還將用作彌補(bǔ)區(qū)域的紋理很好地展現(xiàn)了出來，但選區(qū)周圍會存在羽化的現(xiàn)象，可在選項(xiàng)欄中調(diào)整擴(kuò)散的程度進(jìn)行修改．

通常我們需要根據(jù)不同的情況使用不同工具來完成圖像的修補(bǔ)工作，必要時(shí)可將3種工具結(jié)合使用，以達(dá)到最佳的圖像修復(fù)要求．

2.2.3 對殘缺的標(biāo)本圖像進(jìn)行修補(bǔ)

昆蟲體軀兩側(cè)對稱，可以利用殘缺部位的對稱性來對昆蟲圖像進(jìn)行修復(fù)．在殘缺部位的對稱區(qū)域找到相應(yīng)目標(biāo)對象，建立選區(qū)(選區(qū)有多種建立方法，套索工具較為常用)．建立選區(qū)后，復(fù)制所選區(qū)域(Ctrl+J)，對復(fù)制區(qū)域進(jìn)行水平翻轉(zhuǎn)(編輯 — 變換 — 水平翻轉(zhuǎn))．將變換過的圖像移動至相應(yīng)位置，與原昆蟲圖像進(jìn)行拼合．有時(shí)由于紋理存在細(xì)微差異使圖像看起來不真實(shí)，可通過羽化調(diào)整補(bǔ)丁的邊緣，或利用模糊、涂抹等工具對邊緣進(jìn)行處理，也可在合并圖像之后利用仿制圖章等修補(bǔ)工具對此部位進(jìn)行修補(bǔ)，目的在于盡可能真實(shí)地展現(xiàn)出昆蟲最完整的圖像．

2.2.4 昆蟲圖像背景處理

在昆蟲拍攝過程中有時(shí)無法避免繁亂的背景，所以后期需將昆蟲圖像整體摳取出來，置于干凈背景上[3]．常用的8種摳圖方法具體如下[4]：

1) 橡皮擦摳圖：利用橡皮擦工具將不需要的部分直接擦除掉，這種方法簡單快捷，但是對原圖會造成損傷，太過于細(xì)小的邊緣擦除起來比較麻煩．

2) 魔棒：魔棒工具就是對選擇的色彩范圍進(jìn)行摳圖，單擊建立選區(qū)可選擇圖像范圍中與單擊點(diǎn)相似的色彩，調(diào)整容差的大小可以通過選取顏色差別的大小來調(diào)整選區(qū)，按住Alt鍵可以增加選區(qū)．

3) 利用快速選擇工具進(jìn)行摳圖：該方法建立選區(qū)較為簡單，與魔棒工具相似，都是選取色彩相似的區(qū)域，不同在于快速選擇工具的選區(qū)通過涂抹選擇，畫筆的大小可以更改，方便建立較為完整的選區(qū)．快速選擇工具分為增加新選區(qū)、增加到選區(qū)及從選區(qū)中減去．

4) 套索工具：也是一種常用建立選區(qū)的方法，主要有多邊形套索和磁性套索工具．磁性套索工具主要針對摳取邊界較為明顯的圖像，色差越大越準(zhǔn)確：多邊形套索工具主要針對需要摳取的圖像外圍相對規(guī)整的圖片，操作簡單，可以快速準(zhǔn)確地?fù)溉D像．

5) 鋼筆工具：主要用于圖像邊緣流暢，但是邊緣區(qū)分不明確的圖像，這樣摳取的圖像最為準(zhǔn)確，并且邊緣也很平整，勾出路徑后按住Ctrl+Enter將路徑轉(zhuǎn)化為選區(qū)．

6) 通道摳圖：需要摳取的物體與背景差異明顯．在通道面板中有RGB，紅，綠，藍(lán)4個(gè)通道，RGB為紅、綠、藍(lán)3種通道的集合，在紅、綠、藍(lán)3個(gè)通道中選擇要摳取的圖像與背景差別最大的一個(gè)通道進(jìn)行復(fù)制，調(diào)整復(fù)制通道的色階使需要摳取的圖像與背景的差異更加明顯，為了便于建立選區(qū)可以將圖案內(nèi)部填充成黑色，按住Ctrl鍵并且單擊圖層左側(cè)的圖標(biāo)生成選區(qū)，選擇背景圖層后按住Ctrl+J復(fù)制，得到所需的圖像．

7) 色彩范圍摳圖：該方法與魔棒工具相似，但使用的是命令，比較局限，選擇菜單中的選擇按鈕——色彩范圍，選擇取樣顏色，吸取圖像中的顏色，調(diào)整容差后點(diǎn)擊確定則可生成選?。?/p>

8) 圖層蒙版摳圖：根據(jù)白色是顯示，黑色是不顯示，在蒙版內(nèi)編輯即可，利用蒙版摳圖的優(yōu)點(diǎn)是對原圖不會造成損傷，可以隨意修改．

通常使用鋼筆工具勾勒出的選區(qū)最為精確平滑，得到的昆蟲圖像最精細(xì)．此外，也可使用通道建立選區(qū)，這種方法適用范圍較廣，甚至能夠扣除細(xì)小的發(fā)絲．

2.2.5 對昆蟲形態(tài)及各部位進(jìn)行描繪

相較于昆蟲結(jié)構(gòu)特征的手繪圖，使用Photoshop軟件勾勒的圖像清晰、邊緣圓滑，還可以使用路徑的方式勾勒出矢量圖像．PS軟件處理的圖像主要是像素化的位圖，在Photoshop 6.0之后的版本中加入了勾勒矢量圖像的處理方式，主要工具是鋼筆工具(自由鋼筆工具，標(biāo)準(zhǔn)鋼筆工具及磁性鋼筆工具)．其中，使用最廣泛的是標(biāo)準(zhǔn)鋼筆工具，通過增加錨點(diǎn)用鼠標(biāo)拖動方向線等來繪制曲線，按住Alt鍵可以更改方向線的方向，按住Ctrl鍵則可以更改錨點(diǎn)的位置(在描繪的過程中一定要注意線條粗細(xì)的統(tǒng)一)．自由鋼筆工具可以結(jié)合磁性工具使用，產(chǎn)生的錨點(diǎn)會自動尋找反差較大的物體邊緣，功能類似磁性套索．在勾選的過程中由于背景與主體過于相似會存在較大的誤差，在這種情況下可通過增加錨點(diǎn)或減少錨點(diǎn)對個(gè)別地方進(jìn)行修補(bǔ)，同樣的按住Ctrl鍵可以更改錨點(diǎn)的位置，Alt鍵可以改變方向線，從而改變曲線的弧度．利用軟件中的鋼筆工具對現(xiàn)有昆蟲的局部輪廓進(jìn)行重新描邊，使圖像更清晰，便于分辨．

2.2.6 處理不同景深下對焦圖像呈最清晰像

在昆蟲標(biāo)本圖像采集中，時(shí)常會因?yàn)閿z像頭景深不足而只能將蟲體的某一部分表現(xiàn)清晰．利用Photoshop的圖像堆棧功能，能夠處理并得到清晰而完整的圖像．具體方法為：① 拍攝時(shí)按從上到下的順序依次拍攝一組景深變化導(dǎo)致對焦點(diǎn)不同的圖像：② 打開Photoshop，執(zhí)行“文件→腳本→將文件載入堆?！辈僮?，點(diǎn)擊“瀏覽”，選中待處理圖像并導(dǎo)入，同時(shí)勾選“嘗試自動對齊源圖像”選項(xiàng)：③ 選中上一步自動生成的所有圖層，點(diǎn)擊“編輯→自動混合圖層”，選擇“堆棧圖像”同時(shí)勾選“無縫色調(diào)和顏色”選項(xiàng)，軟件就會自動保留每張圖像最清晰的部分并進(jìn)行合成．此方法解決了昆蟲標(biāo)本圖像采集時(shí)出現(xiàn)景深的問題，使昆蟲標(biāo)本圖像的景深得到擴(kuò)展(圖3)．

2.2.7 在模糊圖像處理中的應(yīng)用

模糊圖像處理主要分為模糊圖像處理和模糊文字處理兩種．模糊文字處理較為簡單，首先通過調(diào)整圖片色階來調(diào)整圖片的亮度，使文字顏色和背景的顏色差異更加明顯，便于分辨背景顏色與文字顏色的色差：然后對背景色相/飽和度進(jìn)行處理，同樣也是為了提高文字和背景的顏色差：再對對比度進(jìn)行調(diào)整，使文字更加突出．如果圖片色調(diào)太暗，可以利用曲線對圖片進(jìn)行調(diào)節(jié)．對于模糊圖像的處理相對比較麻煩，需要濾鏡工具的參與，復(fù)制圖層并執(zhí)行濾鏡——其他——高反差保留，半徑值根據(jù)圖片情況來定，并更改該圖層屬性為疊加，再次添加濾鏡，操作為“濾鏡——銳化——USM銳化”，數(shù)值根據(jù)圖片本身進(jìn)行調(diào)整，完成后再適當(dāng)?shù)卣{(diào)整亮度和對比度即可．

圖3 利用Photoshop進(jìn)行圖像堆棧

2.2.8 利用Adobe Photoshop挖掘標(biāo)本圖像的有用信息

Photoshop功能強(qiáng)大，除能對圖像進(jìn)行后期處理外，還能從圖像中挖掘出一些肉眼無法觀測的有用信息．

(1) 幾何形態(tài)學(xué)信息獲?。捍_定昆蟲標(biāo)本的面積

利用Photoshop可實(shí)現(xiàn)面積的測定[5]：① 在拍攝被測物體時(shí)，放置一平行標(biāo)尺作為參照物：② 將拍攝好的圖片導(dǎo)入Photoshop，選擇矩形選框工具，按住Shift的同時(shí)以標(biāo)尺上單位長度為邊長拖動鼠標(biāo)建立正方形選區(qū)：③ 點(diǎn)擊“窗口→直方圖→擴(kuò)展視圖”后，在“像素”一欄查看選區(qū)所含的像素?cái)?shù)量：④ 記錄該數(shù)值后再建立不規(guī)則選區(qū)，準(zhǔn)確選取需要測量面積部分，重復(fù)上一步中的操作查看區(qū)域像素?cái)?shù)，利用比例即可得出需要測量部分的面積．運(yùn)用此方法測定面積需注意拍攝圖像時(shí)被測物體與水平面平行，避免因角度傾斜產(chǎn)生面積測量的誤差．

為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可通過文中提到的幾種方法來建立選區(qū)，確定測量面積．采用鋼筆工具沿著翅膀的輪廓進(jìn)行勾勒，建立選區(qū)較為精確(圖4)．根據(jù)縮放比例以及圖像分辨率來確定測量比例，測量比例的計(jì)算公式[6]：MS=2.536/(R×SC)，(1 inch=2.536 cm，MS為Photoshop中測量比例，R為掃描分辨率，SC為掃描時(shí)的縮放比例)，確定測量比例后，再選擇“分析”菜單中的“記錄測量”，即可得到所選區(qū)域的面積、周長、高度、寬度，圓度等測量數(shù)據(jù)．

圖4 展示了利用Photoshop對甲蟲翅面積的測定過程

(2) 區(qū)分昆蟲體色

對以體色為依據(jù)區(qū)分形態(tài)相似的種和亞種時(shí)，傳統(tǒng)方法是人眼通過標(biāo)準(zhǔn)比色卡進(jìn)行直接觀察對比得出結(jié)論．此方法誤差較大，重復(fù)性也較差，為了更加準(zhǔn)確地得出圖像中所包含的顏色信息并進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確地描述，可以利用Photoshop軟件．首先了解到一張有色圖像的顯示遵循一定的顏色模式，所有顏色都可以通過紅、綠、藍(lán)3種顏色以不同比例混合得到：同樣每一個(gè)像素點(diǎn)也由不同比例的紅、綠、藍(lán)3種顏色混合而成，此為有色圖片RGB(紅綠藍(lán))顏色模式的基本原理．每一種顏色的多少常用8位來描述，即分為256個(gè)等級．如果需要更加精細(xì)的顏色也可改換為16位或32位進(jìn)一步細(xì)分．此外，還有CMYK(印刷色彩模式)等其他類型，工作原理類似．

以RGB顏色模式為例，在Photoshop中可以利用顏色取樣器工具吸取我們想要知道顏色的部分，之后其顏色參數(shù)就會顯示在窗口中，即可通過合成該顏色的3個(gè)參數(shù)準(zhǔn)確地表示該顏色(圖5)．該方法的準(zhǔn)確性較高，還可以轉(zhuǎn)換顏色的表示模式以滿足各式各樣的需求．同時(shí)，該方法對圖像采集時(shí)要求較為嚴(yán)格，尤其是光線的一致性，這樣可以有效避免由于光線或者角度不同而產(chǎn)生顏色的偏差．

(3) Photoshop的計(jì)數(shù)功能

需要對密集的蟲卵、蟲體上的斑點(diǎn)或者復(fù)眼數(shù)等進(jìn)行精確計(jì)數(shù)的時(shí)候，Photoshop也可以發(fā)揮它強(qiáng)大的功能．步驟如下：① 導(dǎo)入清晰的、需要計(jì)數(shù)的對象的圖像，可適當(dāng)增加圖像的對比度使計(jì)數(shù)對象更為清晰和突出：② 鼠標(biāo)左鍵長按住吸管工具，在出現(xiàn)的擴(kuò)展窗口中選擇計(jì)數(shù)工具，調(diào)整合適的字體大小，并調(diào)整字體顏色使之與計(jì)數(shù)對象對比強(qiáng)烈：③ 放大計(jì)數(shù)對象至合適大小，用鼠標(biāo)逐一點(diǎn)擊，此時(shí)點(diǎn)擊過的對象會出現(xiàn)數(shù)字，無遺漏地點(diǎn)擊全部對象后查看結(jié)果(圖6)．傳統(tǒng)的利用觀察直接計(jì)數(shù)的方法易受外界因素干擾出現(xiàn)漏數(shù)或重復(fù)計(jì)數(shù)的情況，重復(fù)性差且費(fèi)時(shí)費(fèi)力．利用此方法進(jìn)行多次試驗(yàn)后的結(jié)果重復(fù)性高，結(jié)果準(zhǔn)確[7]．

圖5 利用吸管工具判斷顏色

圖6 利用計(jì)數(shù)工具進(jìn)行復(fù)眼計(jì)數(shù)

2.3 通道的主要應(yīng)用

通道可以實(shí)現(xiàn)對圖片銳度和噪點(diǎn)的處理．在CMYK通道中可以通過其中的黑色通道實(shí)現(xiàn)圖像降噪，利用通道加銳可以最大程度減少雜色與噪點(diǎn)的產(chǎn)生[8]．操作方法為：濾鏡——加銳——智能加銳，并在高級模式中選擇“鏡頭模糊” “更加準(zhǔn)確”．在 RGB 顏色模式下加銳或保留高反差方法加銳，圖片的處理效果會更加明顯．再采用高斯模糊濾鏡來實(shí)現(xiàn)美化的效果，操作方法為：濾鏡——模糊——高斯模糊，調(diào)整“高斯模糊”數(shù)值及半徑至合適效果．

通道可以解決圖片的偏色問題．此方法針對由于某一顏色通道受損而導(dǎo)致圖片偏色的情況，因此將受損通道修復(fù)后即可得到正常顏色的圖片．

通道可以解決色彩溢出問題，在圖像飽和度過高的時(shí)候，圖像的某一種顏色會有明顯的溢出現(xiàn)象，為解決這類問題可將不需要過度增加色彩的區(qū)域，使用通道將它們保護(hù)起來，使其原有的色彩不會溢出，再去調(diào)整其余部分的色彩．

通道還可以在摳圖中實(shí)現(xiàn)精細(xì)選擇[8]，用來摳取毛發(fā)等比較復(fù)雜細(xì)小的物體．使用通道來選擇像毛發(fā)這樣復(fù)雜細(xì)小的圖像，比較簡單、快速，并且邊緣也更細(xì)膩．

3 其他相關(guān)軟件的應(yīng)用

3.1 Photozoom在標(biāo)本圖像上的應(yīng)用

在采集標(biāo)本圖像時(shí)會因?yàn)樵O(shè)備像素有限或者保存時(shí)圖像大小等諸多原因?qū)е聢D像的質(zhì)量有限．在對這樣的圖像進(jìn)行放大時(shí)，放大到一定程度后圖像便可以看見單個(gè)像素點(diǎn)且無法繼續(xù)放大．若想提升此類圖像的精度，首先可以用Photoshop進(jìn)行銳化操作，但是銳化只能做到視覺效果上的精度提升，無法真正在放大的同時(shí)提升圖像品質(zhì)．采用軟件Photozoom可以做到這一點(diǎn)，其運(yùn)用了S-SPLINE技術(shù)使圖像在放大的同時(shí)不會降低品質(zhì)，沒有鋸齒也不會失真．

下載該軟件到電腦上后安裝運(yùn)行，點(diǎn)擊打開按鈕導(dǎo)入需要放大的圖像，在屏幕左邊的“新尺寸”一欄中輸入放大后新的高度和寬度，即可進(jìn)行無損放大圖像(圖7)．使用該方法得到的清晰大圖可以更加方便之后在其他軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的操作．

圖7 a圖為無損放大前的圖像：b為利用Photozoom放大后的圖像

3.2 Adobe Illustrator在昆蟲學(xué)圖像上的應(yīng)用

Adobe Illustrator(AI)，與Photoshop同為Adobe公司提供的圖形處理軟件，它是一款矢量軟件，擅長完成LOGO設(shè)計(jì)、圖標(biāo)制作和調(diào)整整體版面等一些圖形創(chuàng)作[9]．該軟件更偏向于一款繪圖軟件，最大特點(diǎn)是擁有“貝塞爾曲線”功能，能使放大或縮小后的線條保持流暢．該軟件在昆蟲圖像處理中被廣泛應(yīng)用．利用AI可以將拍攝的標(biāo)本圖像作為模板繪制模式圖(圖8)．主要方法如下：

1) 利用AI打開需要描繪的圖像，點(diǎn)擊快捷鍵Ctrl+2鎖定該圖像：在其之上新建圖層并將模式改為描邊后利用鉛筆工具或曲率工具對曲線進(jìn)行描繪，并利用鋼筆工具或直線工具對筆直的地方進(jìn)行描繪．第一遍只需要大致描繪輪廓，無需過于準(zhǔn)確的操作(圖8a)；

2) 切換為直接選擇工具，點(diǎn)擊線條后出現(xiàn)許多控制點(diǎn)，通過對這些控制點(diǎn)添加、刪除或移動對曲率進(jìn)行控制等操作，使線條與圖像更加貼合(圖8b)；

3) 利用更細(xì)的線條對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行描繪，包括跗節(jié)、觸角等部分(圖8c)；

4) 利用特殊形狀的筆刷對剛毛和刻點(diǎn)等細(xì)節(jié)進(jìn)行描繪，即可完成一幅花蚤標(biāo)本科學(xué)插圖的繪制(圖8d)．

對于對稱的蟲體而言，只需繪制一半，就能通過對稱變換和復(fù)制得到完整結(jié)構(gòu)，顯著提高工作效率．如需要對黑白線條圖進(jìn)行上色和進(jìn)一步美化加工，需要導(dǎo)入Photoshop中進(jìn)行操作．

圖8 利用AI繪制花蚤標(biāo)本模式圖

3.3 昆蟲幾何形態(tài)測量學(xué)中相關(guān)軟件的應(yīng)用

幾何形態(tài)測量學(xué)法(Geometetric morphometrics)通過分析生物的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(輪廓數(shù)據(jù)和標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù))，將標(biāo)志點(diǎn)和標(biāo)志點(diǎn)相對位置的幾何信息匹配，并將多變量分析的標(biāo)志點(diǎn)集疊加到生物的原始圖上進(jìn)行分析[10-11]．該方法注重的是生物的形態(tài)特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)形態(tài)計(jì)量學(xué)方法容易受到標(biāo)本大小和形態(tài)變化等因素影響的問題，在昆蟲學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用[12]．

利用幾何形態(tài)測量法分析物種的變異，同樣需要進(jìn)行圖像采集和利用圖像處理軟件對其進(jìn)行處理，以便進(jìn)行后續(xù)的分析．對于采集好的圖像需要利用測量軟件進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)(landmark)的選定．標(biāo)志點(diǎn)是進(jìn)行分析的重要部分，標(biāo)志點(diǎn)的選定常以Bookstein分類中的Ⅰ型和Ⅱ型為標(biāo)準(zhǔn)，一般選擇標(biāo)本上容易辨認(rèn)的點(diǎn)，例如昆蟲身體上的突起點(diǎn)、無關(guān)信息等，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加來消除這些影響[13]．昆蟲學(xué)中常用GPA(普氏分析法)對標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行疊加，該方法通過使用最小正方形估計(jì)平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)來消除無關(guān)的因素．以上步驟采用tps系列軟件即可完成．對于采集完成的圖像需要經(jīng)過tpsUtil軟件將圖像格式轉(zhuǎn)化為.tps格式，具體操作為：① 打開軟件，選擇Operation為Build tps file from images：② 在Input directory選擇需要轉(zhuǎn)換的文件，在Output file選擇生成的文件導(dǎo)出位置：③ 點(diǎn)擊Setup，再點(diǎn)擊Create即可生成tps格式的文件，之后再利用tpsDig軟件進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)的選定，打開軟件后將上一步生成的tps文件在該軟件中打開，點(diǎn)擊Digitize landmark功能，進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)定：GPA則可利用軟件tpsSuper進(jìn)行分析使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化．打開該軟件后導(dǎo)入待處理文件，點(diǎn)擊GPA選項(xiàng)，再點(diǎn)擊Unwrp選項(xiàng)，軟件即開始自動進(jìn)行分析(圖9)．

圖9 利用tps系列軟件進(jìn)行幾何形態(tài)測量學(xué)分析

對于疊加后的數(shù)據(jù)一般采用主成分分析(PCA)法，典型變量分析(CVA)法或薄樣板曲線法進(jìn)行可視化，其中較常用的方法為薄樣板曲線法，按照薄樣板條函數(shù)繪制形態(tài)上的變異．主要扭曲、部分扭曲、相對扭曲等變量通過一系列復(fù)雜的運(yùn)算，以及利用特征分析及主成分分析等統(tǒng)計(jì)方法將結(jié)果以變形網(wǎng)格的方式表達(dá)出來．此步驟可利用tps系列軟件中的tpsSpline和tpsrelw來完成，亦可利用MorphoJ軟件來進(jìn)行主成分分析和典型變量分析．被分析的對象親緣關(guān)系越近或形態(tài)越相似，采用的方法也應(yīng)更加細(xì)致和多樣．

幾何形態(tài)測量學(xué)中用到的軟件除tps系列外，SHAPE軟件包和PAST綜合軟件都可完成此工作．前者可以觀察邊緣的變化情況，主要用于主成分分析，后者功能全面且支持文本文檔和Excel表格的導(dǎo)入[14]．

4 圖像處理結(jié)果展示

4.1 缺損標(biāo)本的圖像修復(fù)案例

圖10 缺損標(biāo)本圖像修復(fù)前后對比

4.2 標(biāo)本圖像處理前后對比展示

圖11 標(biāo)本圖像處理前后對比：a，c為處理前的圖像：b，d為處理后的圖像

5 結(jié) 語

在昆蟲學(xué)研究的過程中，標(biāo)本圖像資料一直倍受研究者的重視，高質(zhì)量的標(biāo)本圖像資料非常利于分享和儲存，既能夠降低分類學(xué)家之間標(biāo)本郵寄運(yùn)輸?shù)男枨?，還能夠提高相應(yīng)昆蟲物種特征的信息量[15]．Nguyen等[16]報(bào)道了1個(gè)新的成像技術(shù)，用于構(gòu)建昆蟲的數(shù)字三維模型，通過三維高清圖片立體地展示昆蟲標(biāo)本外部形態(tài)特征．Faria等[17]通過對實(shí)蠅屬Anastrepha幾種果蠅前翅照片的處理分析，介紹了一種基于圖片信息的自動物種鑒定方法．由此可見，獲取清晰、準(zhǔn)確的昆蟲標(biāo)本圖像對昆蟲學(xué)研究具有重要的意義．

本文通過單反相機(jī)和CCD顯微攝像系統(tǒng)對昆蟲樣本進(jìn)行初步采集，并將圖像資料輸入到Photozoom軟件之中，將其無損放大后再使用Adobe Photoshop軟件進(jìn)行圖片編輯．具體步驟為：① 圖像分辨率以及大小的調(diào)整：② 修復(fù)昆蟲標(biāo)本圖片上的污點(diǎn)：③ 對殘缺的昆蟲形態(tài)進(jìn)行修補(bǔ)：④ 處理昆蟲圖像的背景：⑤ 對昆蟲的形態(tài)及各部位進(jìn)行描繪：⑥ 處理不同景深下對焦圖像呈最清晰狀態(tài)：⑦ 在模糊圖像處理中的應(yīng)用：⑧ 確定昆蟲標(biāo)本的面積：⑨ 挖掘標(biāo)本圖像中潛在的信息．本文詳細(xì)介紹了Adobe photoshop軟件相關(guān)功能的使用，并且列出了應(yīng)用過程中的實(shí)例圖片．要完成一個(gè)昆蟲樣品圖片的提取，需要將以上多種技術(shù)綜合應(yīng)用起來，在摳取圖像和建立選區(qū)完成摳取后，我們還需要用其他輔助工具修整圖像邊緣，涂抹工具、畫筆、橡皮擦等都是常用的工具，修整過程中需要耐心和細(xì)心．在研究昆蟲的過程中，熟練并且靈活使用上述軟件，能夠?yàn)槲覀兲峁└訙?zhǔn)確的研究資料及相關(guān)數(shù)據(jù)，極大地提高了我們的工作效率和工作質(zhì)量．因此，在科學(xué)研究中不斷發(fā)掘新軟件，并合理利用能夠使我們科研的過程變得簡單高效．