白茹意

(山西大學 工程學院，山西 太原030013)

顱面復(fù)原是對人類的顱骨進行面部容貌復(fù)原的技術(shù),該技術(shù)以法醫(yī)學、人類學和解剖學中的頭骨與面貌相互關(guān)系規(guī)律為科學依據(jù)，廣泛應(yīng)用于刑偵、考古等領(lǐng)域。三維顱面復(fù)原有手工顱面復(fù)原和計算機輔助三維顱面復(fù)原兩種主要方式。手工顱面復(fù)原過程就是專家在受害人顱骨石膏模型上，根據(jù)經(jīng)驗及其輔助手段添加橡皮泥等，逐步再現(xiàn)受害人容顏的過程。手工復(fù)原耗時長，缺乏質(zhì)感，且復(fù)原效果不理想。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了借助計算機技術(shù)復(fù)原顱骨面貌的虛擬三維技術(shù),即計算機輔助顱面復(fù)原技術(shù)[1]。

1 計算機輔助顱面復(fù)原技術(shù)

計算機輔助的三維顱面復(fù)原技術(shù)一般要經(jīng)過復(fù)原重建、構(gòu)建面部表情以及五官組合修飾與添加毛發(fā)3個過程。復(fù)原重建過程包括：三維顱骨模型的重建，顱骨模型頂點相應(yīng)軟組織厚度數(shù)據(jù)的獲取，之后判斷人種與骨齡，將相應(yīng)人種與骨齡的軟組織厚度值添加在重建的三維顱骨模型上進行顱面復(fù)原。在構(gòu)建面部表情過程中，需要在復(fù)原重建的顱面模型上增加紋理、表情以及肌理等非幾何信息，從而得到一個形象更加逼真的三維人臉模型。在上述模型的基礎(chǔ)上進行五官組合修飾，包括二維五官組合修飾和三維五官組合修飾，為了能使人臉模型更加生動形象，還需要在模型上添加毛發(fā)。

基于顱骨形態(tài)的顱面復(fù)原技術(shù)以顱骨的形狀特征為基礎(chǔ)，以特定人群面部軟組織統(tǒng)計厚度為依據(jù)，采用一定的算法適當添加顱骨上的軟組織，從而達到面貌復(fù)原的目的[2]。目前，在已知軟組織數(shù)據(jù)的情況下，顱面復(fù)原的方法有很多種,如對照匹配法，其代表有MICHAEL S D和NELSON L A提出的三維體積變形原理[3]，待復(fù)原顱骨的軟組織厚度值從與其相似的參考顱骨中得到，如英國JONES M W研究的面部重構(gòu)(FR)系統(tǒng)；模板法，該方法在2000年由VANEZIS P等提出[4]，這種方法得到的復(fù)原顱面的頭頂和下巴經(jīng)常是缺失的，是不完整的；特征點法，這種方法最早是由英國BULLOCK D W和ARCHER K M[5]等人研究的，是計算機輔助的以少量特征點及對應(yīng)軟組織厚度值為依據(jù)進行的三維顱面復(fù)原；二維凸包法[6]，該方法首先在待復(fù)原顱骨的切片上求二維凸包，然后再添加相應(yīng)的軟組織厚度值，從而實現(xiàn)顱面復(fù)原；三維凸包和分區(qū)法[7]，這種方法結(jié)合了變形技術(shù)、模板技術(shù)和凸包技術(shù)，并且充分體現(xiàn)了以上3種方法的諸多優(yōu)點。顱骨變形技術(shù)，由MICHAEL S和CHEN M提出[8]，該技術(shù)首先根據(jù)三維參考顱骨模型做變形，直到與待復(fù)原顱骨模型匹配，然后將匹配模式應(yīng)用到參考顱面從而實現(xiàn)顱面復(fù)原，最近，Zhang Yu[9]等又提出了新的研究方法，使用多層變形技術(shù)實現(xiàn)基于解剖學結(jié)構(gòu)的顱面復(fù)原。

目前,研究比較廣泛的復(fù)原方法采用顱骨變形技術(shù)，即以顱骨配準為基礎(chǔ)實現(xiàn)顱面復(fù)原?；陲B骨配準的計算機輔助三維顱面復(fù)原方法過程如圖1所示。用體變形函數(shù)T，使含有顱骨S2的參考頭部模型 F2發(fā)生形變，直到參考頭骨近似地匹配目標顱骨 S1，即 T(S2)≈S1，因此可以得到T(F2)與未知的目標頭部模型很相似。該方法中最重要的就是對參考顱骨與目標顱骨進行配準，得到變形函數(shù)T，因此，顱骨配準對顱骨面貌復(fù)原有著重要的意義。

圖1 基于顱骨配準的顱面復(fù)原

2 基于ICP+CPD顱骨自動配準的顱面復(fù)原方法

通過分析目前國內(nèi)外流行的三維點云配準算法[10-11]，比較了這些算法的復(fù)雜性、精確性和魯棒性后，確定了用ICP和CPD作為顱骨配準的基礎(chǔ)算法[12]能有效提高顱骨配準的準確性并對缺損顱骨具有一定的魯棒性。

圖2 基于顱骨自動配準的顱面復(fù)原

基于以上顱骨自動配準算法，將參考顱骨到目標顱骨的變形函數(shù)應(yīng)用于參考顱面，最終得到待復(fù)原顱骨的復(fù)原顱面，如圖2所示。但是，在刑偵事件中發(fā)現(xiàn)的待復(fù)原顱骨大都不完整，其中有些部位是缺損的，這就要求顱面復(fù)原的方法有一定的魯棒性，在顱骨某些部位不完整時，也能得到比較準確的結(jié)果。本文實驗了在待復(fù)原顱骨嘴部缺損的情況下顱面復(fù)原的結(jié)果，如圖3所示。實驗結(jié)果表明，本文采用的復(fù)原方法中無論待復(fù)原顱骨是否完整都能得到較好的結(jié)果。

圖3 待復(fù)原顱骨缺損的顱面復(fù)原

圖4所示是分別基于TPS與ICP+CPD兩種顱骨配準方法得到的顱面復(fù)原結(jié)果?？梢钥闯觯赥PS的復(fù)原結(jié)果中頭頂復(fù)原效果不好,基于ICP+CPD的復(fù)原結(jié)果由于采用了光滑區(qū)域的特征點而得到了比較好的效果。

圖4 顱面復(fù)原實驗結(jié)果比較

計算機輔助顱骨面貌復(fù)原在人類學研究、法醫(yī)學研究和刑事偵察等中都有重要的研究價值。本文首先根據(jù)顱骨形態(tài)學結(jié)構(gòu)，采用ICP和CPD算法對參考顱骨與目標顱骨進行自動配準，得到參考顱骨到目標顱骨的變形關(guān)系，最后將變形關(guān)系作用于參考顱面，從而實現(xiàn)顱面復(fù)原。

目前對顱骨特征點的標定主要是手動標定，自動標定方式還不夠成熟，因此，顱骨特征點的自動標定方法是今后研究的重點。在顱骨配準算法方面，目前使用較多的是ICP和TPS，今后可以考慮使用性能更好的配準算法，以提高配準的效率及復(fù)原的準確率。

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