基于顱骨自動(dòng)配準(zhǔn)的顱面復(fù)原方法

白茹意

(山西大學(xué) 工程學(xué)院，山西 太原030013)

顱面復(fù)原是對(duì)人類的顱骨進(jìn)行面部容貌復(fù)原的技術(shù),該技術(shù)以法醫(yī)學(xué)、人類學(xué)和解剖學(xué)中的頭骨與面貌相互關(guān)系規(guī)律為科學(xué)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(jì)算機(jī)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(yàn)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(shí)長(zhǎng)，缺乏質(zhì)感，且復(fù)原效果不理想。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了借助計(jì)算機(jī)技術(shù)復(fù)原顱骨面貌的虛擬三維技術(shù),即計(jì)算機(jī)輔助顱面復(fù)原技術(shù)[1]。

1 計(jì)算機(jī)輔助顱面復(fù)原技術(shù)

計(jì)算機(jī)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(gè)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(diǎn)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(jìn)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(gè)形象更加逼真的三維人臉模型。在上述模型的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dòng)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(jì)厚度為依據(jù)，采用一定的算法適當(dāng)添加顱骨上的軟組織，從而達(dá)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(duì)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(guó)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(diǎn)法，這種方法最早是由英國(guó)BULLOCK D W和ARCHER K M[5]等人研究的，是計(jì)算機(jī)輔助的以少量特征點(diǎn)及對(duì)應(yīng)軟組織厚度值為依據(jù)進(jìn)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(shí)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(diǎn)。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(shí)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(shí)現(xiàn)基于解剖學(xué)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(zhǔn)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)顱面復(fù)原?；陲B骨配準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)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(biāo)顱骨 S1，即 T(S2)≈S1，因此可以得到T(F2)與未知的目標(biāo)頭部模型很相似。該方法中最重要的就是對(duì)參考顱骨與目標(biāo)顱骨進(jìn)行配準(zhǔn)，得到變形函數(shù)T，因此，顱骨配準(zhǔn)對(duì)顱骨面貌復(fù)原有著重要的意義。

圖1 基于顱骨配準(zhǔn)的顱面復(fù)原

2 基于ICP+CPD顱骨自動(dòng)配準(zhǔn)的顱面復(fù)原方法

通過分析目前國(guó)內(nèi)外流行的三維點(diǎn)云配準(zhǔn)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(zhǔn)的基礎(chǔ)算法[12]能有效提高顱骨配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性并對(duì)缺損顱骨具有一定的魯棒性。

圖2 基于顱骨自動(dòng)配準(zhǔn)的顱面復(fù)原

基于以上顱骨自動(dòng)配準(zhǔn)算法，將參考顱骨到目標(biāo)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(shí)，也能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。本文實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的復(fù)原方法中無(wú)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(zhǔn)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(diǎn)而得到了比較好的效果。

圖4 顱面復(fù)原實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

計(jì)算機(jī)輔助顱骨面貌復(fù)原在人類學(xué)研究、法醫(yī)學(xué)研究和刑事偵察等中都有重要的研究?jī)r(jià)值。本文首先根據(jù)顱骨形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，采用ICP和CPD算法對(duì)參考顱骨與目標(biāo)顱骨進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)，得到參考顱骨到目標(biāo)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(shí)現(xiàn)顱面復(fù)原。

目前對(duì)顱骨特征點(diǎn)的標(biāo)定主要是手動(dòng)標(biāo)定，自動(dòng)標(biāo)定方式還不夠成熟，因此，顱骨特征點(diǎn)的自動(dòng)標(biāo)定方法是今后研究的重點(diǎn)。在顱骨配準(zhǔn)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(zhǔn)算法，以提高配準(zhǔn)的效率及復(fù)原的準(zhǔn)確率。

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