Большой прорыв для энтомологов: новые 3D-сканы насекомых в цвете
Наблюдение — краеугольный камень науки. Но человеческий глаз ограничен. В статье, опубликованной в PLOS ONE в апреле, представлен новый способ для исследователей легко рассматривать мельчайшие детали крошечных насекомых в полном цвете, 3D и высоком разрешении — даже если эти насекомые находятся на другом конце света. Техника при этом не требует огромных затрат.
Важность методов визуализации
Визуализация природного мира шагнула далеко вперед. Однако остаются проблемы:
- Рентгеновская компьютерная томография (КТ) может показать внутреннюю и внешнюю структуру даже мельчайших объектов, но она черно-белая. Цвета в КТ-сканах добавляются искусственно с помощью ПО, например, Drishti.
- 3D-системы, захватывающие цвет и текстуру поверхности, плохо справляются с мелкими детализированными образцами.
Это привело к разработке, вероятно, первой в мире системы для захвата 3D-моделей крошечных образцов (3–30 мм) в естественном цвете. Рабочий прототип использовал готовое оборудование и ПО общей стоимостью менее 10 000 австралийских долларов (без учета труда).
Зачем сканировать насекомых?
Насекомые играют критическую роль на планете. Австралийская национальная коллекция насекомых (ANIC) сохраняет физические образцы как запись биоразнообразия. Но у физических образцов есть ограничения: они хрупкие, подвержены повреждениям, их сложно делиться с исследователями и публикой.
Цифровые 3D-модели высокого разрешения в естественном цвете решают эти проблемы: образцы становится проще делиться, анализировать, аннотировать и сравнивать.
Как работает система
Система работает в три этапа:
- Насекомое монтируется на платформу, которая может вращаться и наклоняться.
- Делаются снимки с 144 разных точек обзора. Для крошечных образцов на каждой точке делается 31 снимок с разного расстояния, чтобы создать составное изображение, где всё в фокусе.
- Используется алгоритм реконструкции визуального корпуса (visual hull reconstruction) для построения 3D-модели, соответствующей всем 2D-снимкам.
Этот подход дал отличные 3D-модели нескольких образцов. Каждая модель размером около 10 мегабайт позволяет просматривать её в современном браузере без дополнительного ПО (исходные данные — до 17 гигабайт фотографий).
Значение и применение
Помимо раскрытия научной и образовательной ценности коллекций, 3D-оцифровка насекомых в естественном цвете может сыграть роль в защите окружающей среды, многомиллиардной сельскохозяйственной отрасли и здоровья населения от инвазивных насекомых и болезней.
- Сотрудники карантинной службы могли бы иметь при себе 3D-галерею опасных насекомых для идентификации вредителей.
- Подозрительные образцы можно быстро отсканировать в 3D и отправить эксперту-энтомологу для изучения.
Высококачественные библиотеки изображений позволят по-новому быстро извлекать, анализировать и делиться богатой информацией для поддержки изучения биоразнообразия, идентификации видов, карантинного контроля и раскрытия ценности биологических коллекций.
Сочетание инструментов анализа изображений с аналитикой больших данных позволит делать это с беспрецедентной скоростью.