計(jì)算機(jī)輔助顱像重合技術(shù)

1、特約稿計(jì)算機(jī)輔助顱像重合技術(shù)周明全 劉曉寧（西北大學(xué) 可視化技術(shù)研究所，陜西 西安，710069）摘 要：從計(jì)算機(jī)輔助顱像重合的角度，對(duì)采用計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，研究了計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合系統(tǒng)中用到的三維重構(gòu)技術(shù)、顱骨校準(zhǔn)方法、面部特征提取以及加權(quán)顱像配準(zhǔn)算法等關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)給出了顱像配準(zhǔn)的結(jié)果。試驗(yàn)表明，加權(quán)顱像配準(zhǔn)算法效果比較理想。關(guān) 鍵 詞：顱像重合；份認(rèn)證；顱像配準(zhǔn)中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-274X(2003)0004-061 顱像重合原理及可信度1.1 顱像重合與顱骨復(fù)原的關(guān)系基于顱骨的身份認(rèn)證1是一個(gè)國際范圍的研究領(lǐng)域，已有

2、百多年的研究歷史，過去基本上是采用解剖學(xué)的方法研究面貌與顱骨的相互關(guān)系，主要存在的問題是活體解剖不可能，尸體解剖其面貌往往有一定的變化，而且采樣的數(shù)量限制很大。近年來，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與各學(xué)科的交叉滲透，尤其是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像技術(shù)的發(fā)展，為這項(xiàng)研究提供了新的手段。目前，國內(nèi)在基于顱骨的身份認(rèn)證技術(shù)研究方面主要有兩種途徑： 采用手工顱像重合的方法進(jìn)行身源鑒定； 采用雕塑法進(jìn)行顱骨面貌復(fù)原，提供身份認(rèn)證的依據(jù)，即傳統(tǒng)的粘土三維復(fù)原的經(jīng)典方法。西北大學(xué)可視化研究所研制的計(jì)算機(jī)輔助顱骨面貌復(fù)原系統(tǒng)2在該領(lǐng)域已取得了突破性的進(jìn)展。顱骨復(fù)原是指根據(jù)顱骨和顏面軟組織的解剖關(guān)系的實(shí)測值，直接用石膏、粘土、

3、塑泥等可塑性物質(zhì)，填塑出近似于該人的相貌。顱骨面貌復(fù)原后的認(rèn)定，是一種同一性認(rèn)證，不能作為司法鑒定的依據(jù)，僅作為認(rèn)定的線索，為查明無名顱骨的身份提供參考。顱像重合（Superposition technique）是指對(duì)一張失蹤人留下的頭部照片與一個(gè)身源不明的顱骨，根據(jù)人類頭部顏面與顱骨的法醫(yī)人類學(xué)解剖投影關(guān)系所確立的一系列科學(xué)的鑒定指標(biāo)，進(jìn)行影像重疊檢驗(yàn)。以重疊時(shí)能否達(dá)到解剖學(xué)關(guān)系上的一致，來確定顱骨與照片是否出自一人，從而達(dá)到身份鑒定。2.1 顱像重合原理3顱像重合技術(shù)基于如下原理：人的頭、面部是由肌膚、毛發(fā)等包裹著的顱骨組成的，顱骨是面貌的骨質(zhì)內(nèi)核，五官和其他軟組織都按各自的解剖學(xué)位置固定

4、在顱骨的相應(yīng)部位上，因此，顏面的形態(tài)特征基本上由顱骨的形態(tài)特征所決定。由于每個(gè)人的顱骨形態(tài)的差異性決定著顏面形態(tài)的個(gè)體特定性(人像照片就是這個(gè)特定性的客觀反映)，所以，同一人的顱骨及其生前人像照片的影像在相同的成像條件下通過特殊裝置、按正確的解剖位置重合，會(huì)顯現(xiàn)出顏面形態(tài)特征和顱骨形態(tài)特征的一致性。如果不是出自同一人的顱骨和人像照片，即使還原了人像照片的成像條件，也不可能使顱骨的影像和人像照片的影像按正確的解剖位置全部重合。1.3 可信度分析由于人類顱骨形態(tài)的相似性，對(duì)顱像重合認(rèn)定同一性的可信性歷來都是爭論的焦點(diǎn)。持否定態(tài)度的學(xué)者認(rèn)為，目前尚無科學(xué)的證據(jù)證明一個(gè)人的顱骨不會(huì)和另一個(gè)人的照片重合

5、，因而不能排除一個(gè)顱骨和兩個(gè)以上照片重合的可能性。而且，即使顱像能夠重合，也只能說明有很大的可能性，并不能得出確定的結(jié)論，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有完全可靠的解剖標(biāo)志來證明其可靠性。持贊同態(tài)度的學(xué)者認(rèn)為，通過大量實(shí)際測量，沒有發(fā)現(xiàn)各種尺寸完全相同的顱骨，而僅發(fā)現(xiàn)相似的顱骨。因此，完全可以根據(jù)顱像重合來進(jìn)行同一性認(rèn)定，如果不能重合或有假重合現(xiàn)象，應(yīng)該首先質(zhì)疑操作是否產(chǎn)生誤差或其他一些人為因素造成的。雖然顱像重合目前不能得到世界公認(rèn)的具有同一性認(rèn)定作用，但我們參考案情，同樣可以能夠做出同一認(rèn)定，為司法提供依據(jù)。2 傳統(tǒng)的手工顱像重合傳統(tǒng)的顱像重合技術(shù)(superimposing, superposition)

6、是用未知身源的顱骨和失蹤人在失蹤前的照片，在一個(gè)特殊裝置上使兩者的影像按相同的偏轉(zhuǎn)、仰俯角度和焦距互相重疊，以重疊時(shí)能否達(dá)到解剖關(guān)系的一致，來確定顱骨與照片是否出自同一人的一種技術(shù)，是個(gè)人身份識(shí)別的一種方法。1935年，人類首次用顱像重合技術(shù)成功地鑒定了無名顱骨的身源，以后世界各國都對(duì)顱像重合法進(jìn)行了不同程度的研究與應(yīng)用。1981年，我國學(xué)者才東升、蘭玉文等人首次提出了一套應(yīng)用顏面解剖投影的平面數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)重合照片進(jìn)行測量比較的方法4，這種方法由原來的顱像重合只靠對(duì)外緣輪廓評(píng)價(jià)重合結(jié)果變?yōu)榫C合考察數(shù)據(jù)和外緣輪廓，從而使顱像重合更趨科學(xué)性。近年來，在計(jì)算機(jī)圖像處理、可視化技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一批高質(zhì)

7、量的研究成果，但在基于顱骨的身份認(rèn)證技術(shù)方面的成果還未見報(bào)道。目前，在計(jì)算機(jī)輔助的顱骨身份認(rèn)證技術(shù)研究中，國外相繼成立了人類身份認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室（中心），其研究仍基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，而國內(nèi)主要以手工實(shí)現(xiàn)方法為主。然而，手工顱像重合存在如下缺點(diǎn)： 需要特定的顱骨裝置，能夠自由移動(dòng)顱骨； 需要與照相技術(shù)相結(jié)合，多次翻拍，時(shí)間長，代價(jià)高； 憑經(jīng)驗(yàn)，以手工選擇特征點(diǎn)誤差大； 手工計(jì)算復(fù)雜，誤差大。3 計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)輔助來實(shí)現(xiàn)顱像重合已經(jīng)成為可能。計(jì)算機(jī)輔助顱像重合是指應(yīng)用虛擬顏面解剖方式，實(shí)現(xiàn)解剖投影的平面數(shù)據(jù)指標(biāo)與重合照片進(jìn)行自動(dòng)測量比較的輔助手段，通過對(duì)

8、三維顱骨的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，準(zhǔn)確標(biāo)出被檢顱骨與被檢照片面部的標(biāo)志點(diǎn)與標(biāo)志線，檢查顱骨輪廓曲線和照片人像輪廓曲線形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助的三維顱骨與二維照片結(jié)合的顱像重合，可大大縮減顱像重合的時(shí)間和代價(jià)，同時(shí)提高了顱像重合精度。計(jì)算機(jī)輔助顱像重合，是基于西北大學(xué)可視化研究所承擔(dān)的“九五”國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)輔助的顱骨復(fù)原技術(shù)研究”來展開的。計(jì)算機(jī)輔助顱骨面貌復(fù)原是根據(jù)人類法醫(yī)學(xué)的知識(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)建立起顱骨與面皮的軟組織數(shù)據(jù)庫，然后對(duì)不同的顱骨數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的軟組織數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來恢復(fù)面皮。在計(jì)算機(jī)輔助顱骨復(fù)原項(xiàng)目中，應(yīng)用了三維重構(gòu)、三維切分、三維顯示、三維交互處理、厚度統(tǒng)計(jì)、

9、三維編輯、圖形圖像技術(shù)等計(jì)算機(jī)學(xué)科技術(shù)，同時(shí)結(jié)合人類法醫(yī)學(xué)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和美學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。計(jì)算機(jī)輔助顱骨面貌復(fù)原技術(shù)的研究，使我國在計(jì)算機(jī)三維面貌復(fù)原領(lǐng)域的研究處于世界前列，為開展蒙古人種特征的研究奠定了良好的基礎(chǔ)，其研究工作對(duì)法醫(yī)人類學(xué)、解剖學(xué)和考古學(xué)的研究有著重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。在該項(xiàng)目的研究過程中，我們已經(jīng)建立了一個(gè)初具規(guī)模的蒙古人種顱骨面部信息樣本數(shù)據(jù)庫，由CT機(jī)上獲取活體顱骨數(shù)據(jù)與面部信息（面部軟組織厚度、面部五官構(gòu)架關(guān)系）建立黃種人面部軟組織厚度樣本數(shù)據(jù)庫，通過分析得到黃種人各年齡段軟組織厚度的分布規(guī)律，構(gòu)建黃種人軟組織厚度標(biāo)準(zhǔn)模型。為我們后續(xù)展開計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合技術(shù)研

10、究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合技術(shù)研究是國家“十五”863項(xiàng)目，該項(xiàng)目已經(jīng)通過中期檢查，其系統(tǒng)主要界面如圖1所示。圖1 顱像重合系統(tǒng)主要界面Fig.1 The main interface of photographic superimposition system計(jì)算機(jī)輔助顱像重合的技術(shù)研究主要解決了如下關(guān)鍵問題：3.1 三維重構(gòu)顱骨數(shù)據(jù)的獲取有兩種手段： 先對(duì)顱骨做CT，由于對(duì)顱骨做CT不擔(dān)心副作用，因此，CT切片盡可能密集，這樣CT切片重構(gòu)出來的顱骨會(huì)更接近真實(shí)顱骨； 直接采用三維掃描儀獲取顱骨的三維形態(tài)。三維重構(gòu)5，6主要針對(duì)第一種顱骨獲取方式。其重構(gòu)過程分為兩大步：

11、拓?fù)渲貥?gòu)，主要是推導(dǎo)實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系； 幾何重構(gòu)，建立實(shí)體的幾何表示。拓?fù)渲貥?gòu)的目的，是對(duì)三維斷層數(shù)據(jù)集中的每一斷層的輪廓線進(jìn)行分類，確定各輪廓線所屬的實(shí)體，即確定上下斷層輪廓線相互之間的關(guān)系，保證幾何重構(gòu)的正確性。因此，拓?fù)渲貥?gòu)是斷層重構(gòu)的基礎(chǔ)，我們在圖形處理中采用凸包等處理，實(shí)際上已經(jīng)解決了拓?fù)渲貥?gòu)的關(guān)系，經(jīng)過二維圖像圖形的處理，提取出的斷層輪廓線只包含人的面皮與骨骼的信息。 幾何重構(gòu)的任務(wù)，是在拓?fù)浞诸惖幕A(chǔ)上建立對(duì)象的幾何表面關(guān)系，對(duì)象的實(shí)體表面可以看成是由相鄰斷層間的插值表面段組合而成的。三角片表面重構(gòu)，是面向曲線的表面插值中使用最廣泛的一種，對(duì)于骨骼等復(fù)雜物體更為適合。我們主要采用的

12、是三角片的表面重構(gòu)，主要采用的方法是曲線的點(diǎn)約化。點(diǎn)約化的目的是在允許的誤差范圍內(nèi)，盡量減少多邊形鏈的頂點(diǎn)數(shù)。3.2 顱骨位置校準(zhǔn)顱像重合的前提條件，是顱骨與人像照片的位置要一致，或者誤差盡可能小。由于人像很難進(jìn)行變換，所以主要對(duì)顱骨進(jìn)行三維編輯，來達(dá)到顱像位置的一致。在人臉的正面圖像中，人臉姿態(tài)的變化可分為平面旋轉(zhuǎn)、垂直深度旋轉(zhuǎn)和側(cè)深度旋轉(zhuǎn)。其中：垂直深度旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)仰俯角度，可利用仰俯角度與仰俯指數(shù)之間的關(guān)系調(diào)整顱骨；側(cè)深度旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于水平偏轉(zhuǎn)角度，可利用水平偏轉(zhuǎn)角度與水平偏轉(zhuǎn)指數(shù)之間的關(guān)系調(diào)整顱骨；對(duì)于平面旋轉(zhuǎn)，利用兩外眼點(diǎn)間的關(guān)系對(duì)照片進(jìn)行平面旋轉(zhuǎn)即可達(dá)到要求。在對(duì)顱骨進(jìn)行調(diào)整之前，必須將顱

13、骨放在正確的初始位置，這個(gè)位置即耳眼平面OAE（ohr-augenebene），又稱為法蘭克福平面FH（Frankfurt horizontal plane）。即顱骨左、右耳門上的點(diǎn)和左側(cè)眼眶下的點(diǎn)確定的平面，如果左眼眶損壞，則采用右側(cè)眼眶下點(diǎn)。處于法蘭克福平面的顱骨相當(dāng)于活體直立兩眼平視前方時(shí)頭部所處的位置。3.3 標(biāo)志點(diǎn)選取在顱像重合系統(tǒng)中，標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。目前存在的顱像重合系統(tǒng)，都是采用手工在真實(shí)顱骨和二維照片上選取標(biāo)志點(diǎn)，但手動(dòng)選取對(duì)于操作者在醫(yī)學(xué)以及顱骨方面的要求非常高，而且誤差很大，因此不是理想的方法。要在計(jì)算機(jī)上對(duì)顱骨進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)，不可能進(jìn)行觸摸式的標(biāo)定。近幾年，人臉識(shí)別領(lǐng)

14、域得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人臉器官的自動(dòng)檢測也有很多成熟的技術(shù)與方法。但是，經(jīng)過試驗(yàn)，采用自動(dòng)的方式來標(biāo)定標(biāo)志點(diǎn)不是很理想，因?yàn)闃?biāo)志點(diǎn)相差幾個(gè)毫米，也會(huì)大大影響鑒定結(jié)果。后來，采用以手動(dòng)標(biāo)定為主，以計(jì)算機(jī)校對(duì)為輔助，效果比較理想。首先確定一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)模板，對(duì)于特定的人臉或者顱骨，我們只需稍微進(jìn)行調(diào)整，然后采用三停五眼規(guī)則以及標(biāo)志點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。3.4 顱像配準(zhǔn)顱像配準(zhǔn)，即顱像重合鑒定，是將圖像配準(zhǔn)技術(shù)用于顱像重合。顱像重合最終是一組標(biāo)志點(diǎn)和標(biāo)志線的重合，根據(jù)這一特點(diǎn)，我們選取了基于點(diǎn)映射的顱像配準(zhǔn)方法。同時(shí)，針對(duì)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)顱像重合作用的大小，提出了基于加權(quán)值的顱像配準(zhǔn)算法，效果比較理想。顱

15、像重合結(jié)果如圖2所示。圖2 顱像重合結(jié)果Fig.2 The result of photographic superimposition4 結(jié) 語本文首先對(duì)顱像重合與顱骨復(fù)原的區(qū)別及作用做了簡要分析，并給出了顱像重合的原理和可信度分析。針對(duì)傳統(tǒng)手工顱像重合的種種缺點(diǎn)，給出了我們實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究與進(jìn)展。計(jì)算機(jī)輔助的顱像重合技術(shù)研究是基于顱骨的身份認(rèn)證中一個(gè)非常重要的研究方向，具有其他生物特征無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，研究意義與應(yīng)用價(jià)值重大。 參考文獻(xiàn)：1 耿國華，周明全. 基于顱骨的身份認(rèn)證技術(shù)研究A.第6屆國際青年計(jì)算機(jī)工作者會(huì)議暨第二屆生物特征識(shí)別研討會(huì)，杭州：2001.

16、2 周明全，耿國華，范江波.計(jì)算機(jī)輔助的顱骨面貌復(fù)原技術(shù)J.西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997，27(5): 375-3783 陳世賢.法醫(yī)人類學(xué)M. 北京：人民衛(wèi)生出版社，1998.4 蘭玉文.顱像重合法研究與應(yīng)用（上下冊）M. 北京：群眾出版社，1999. 5 耿國華，周明全，呂 科.CT輪廓線數(shù)據(jù)重構(gòu)曲面的方法J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2001，13(4)： 196-198. (編輯：曹大剛)The research of computer-aided photographic superimpositionZHOU Ming-quan LIU Xiao-ning(Visualization

17、 Technology Institute , Northwest University, Xian 710069,China)Abstract：Starting from computer-aided photographic superimposition, the key technology is analyzed and studied, which is used in Computer-Aided photographic superimposition, such as the technology of 3D reconstruction, the method of adj

18、usting skull, extracting the feature of face and skull-photo registration with weight. The result of photographic superimposition is given. The arithmetic of skull-photo registration with weight showed by test is perfect. Keywords: photographic superimposition； personal identification； skull-photo registration作 者 簡 介周明全,男，陜西西安人，生于1954年11月。西北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任、陜西省計(jì)算機(jī)軟件工程研究中心主任、兼任中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)理事、中國中文信息學(xué)會(huì)理事、陜西省中文信息專業(yè)學(xué)會(huì)主任委員。獲“陜西省優(yōu)秀留學(xué)回國人員”稱號(hào)，被評(píng)為“陜西省有突出貢獻(xiàn)的專家”