（计算机应用技术专业论文）基于特征点的三维颅面复原技术的研究.pdf

沈阳航空工业学院硕士论义 摘要 计算机辅助三维颅面复原技术在刑侦、考古等领域有重要应用，本文综述了该技术 的现状发发展趋势，比较分析了现有的几种方法。针对颅面复原技术现存的问题，提出 本研咒课越，以对目前使用较多的特，仕点瑟加以饼咒设惩a 特征点法是采用基于离散点的曲面生成技术，根据颅骨特征点及其软组织厚度确定 颅面特征点，生成面貌曲面的方法。其中五官的复原和特征点软组织厚度的确定是重点 和难点。 五官及辅助特征点的确定是影响复原相似度的关键，辅助特征点的确定又是其中的 关键技术。本文提出分区处理五官的复原，按各自区域的特点，添加辅助特征点。以鼻 子区域为例，使用基于b p 神经网络的预测技术，通过网络训练确定鼻子的颅骨形状与 其颅面辅助特征点的关系，推测出拟复原对象的鼻子区域的颅面辅助特征点的位置，从 而实现鼻子的复原。实验证明，眼睛、嘴巴及五官以外的其它区域中的颅面辅助特征点， 也均可用神经网络预测法确定。 另外，现有的颅面复原方法，一般用专家统计的特征点软组织厚度均值指标作为计 算颅面特征点的依据。均值指标涵盖的年龄较宽泛，而一个特定的拟复原颅骨可通过骨 龄测定确定其年龄，若采用均值指标，导致复原结果缺乏个性。本文提出，通过神经网 络训练确定软组织厚度随年龄的变化规律，较精确地计算出与拟复原对象的骨龄相适 应的特征点软组织厚度值。 实验结果表明，对于给定颅骨采用上述方法复原出的三维面貌雏形，涉及的数据量 较小，具有较好的效果，利于三维表情构建、五宫修饰和纹理复原等后处理过程。 关键词：三维颅面复原；特征点：软组织厚度；神经网络；曲面生成 达堕塾室三些兰堕堡圭堡兰 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra i d e d3 df a c i a lr e c o n s t r u c t i o ni sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d s o fc r i m i n a l i s t i c s ，a r c h e o l o g ya n ds oo n t h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i s t e c h n o l o g y a r es u m m a r i z e d ，a n dv a r i o u se x i s t i n gm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a i m i n ga tt h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h et e c h n o l o g yo ff a c i a ir e c o n s t r u c t i o n , w ep u tf o r w a r d t h i sr e s e a r c hs u b j e c ti no r d e rt os t u d ya n di m p r o v et h et e c h n o l o g yb a s e do nl a n d m a r kw h i c h i su s e dw i d e l y f a c i a lr e c o n s t r u c t i o nb u s e do nl a n d m a r ka d o p t st h et e c h n o l o g yo fs u r f a c eg e n e r a t i n gv i a d i s c r e t ep o i n t s t h i sl a n d m a r k b a s e dm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h el a n d m a r ko fas k u l la n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gt i s s u et h i c k n e s s ，d e t e r m i n e st h el a n d m a r ko ff a c i a ls k i na n dr e c o n s t r u c t st h e f a c i a ls u r f a c e e m p h a s e sa n dd i f f i c u l t i e sa r et h er e c o n s t r u c t i o no ff i v es e n s eo r g a n sa n dt h e d e t e r m i n a t i o no f t h et i s s u et h i c k n e s so f t h el a n d m a r k ， t h ed e t e r m i n a t i o no ff i v es e d s eo r g a n sa n dt h ed e t e r m i n a t i o no fa d d i t i o n a ll a n d m a r k p 王a ya ni m p o r t a n tr o l ei nd e g r e eo fs i m i l a r i t yo fr e p r o d u c i n gf a c i a lf e a t u r e s ，a n dt h el a t t e ri s t h ek e yt e c h n o l o g y t h i sp a p e rp r e s e n t st h a tt h er e c o n s t r u c t i o no ff i v e9 e n s eo r g a n sc a nb e t r e a t e db yd i v i d i n gaf a c ei n t od i f f e r e n ts e v e r a ls u b a r e a s i ne a c hs u b a r e a , a c c o r d i n gt oi t s s p e c i a l t y , t h ea d d i t i o n a ll a n d m a r ka r ec o n f o r m e d t a k ee x a m p l ef o rt h en o s es u b a r e a ，o nt h e b a s i so fb pn e t w o r k ，t h ef o r e c a s t i n gt e c h n o l o g yi sg i v e n 。i nt h i ss u b a r e a , t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es h a p eo fs k u l la n dt h ea d d i t i o n a lf a c i a ll a n d m a r kc a nb eg o t t e nt h r o u g ht h e n e t w o r kt r a i n i n g ，a n dt h es t a t i o no f t h e s el a n d m a r kf o ras k u l lw h i c hw i l lb er e c o n s t r u c t e dc a n a l s ob ec o n c l u d e d c o n s e q u e n t l y , t h er e p r o d u c t i o no f an o s ei sr e a l i z e d i th a sb e e nf o u n dt h a t ， i nt h ee y es u b a r e a ，t h em o u t hs u b a r e a , a n dt h eo t h e rs u b a r e a s ，t h ef o r e c a s t i n gm e t h o dt ot h e d e t e r m i n a t i o no f t h ea d d i t i o n a lf a e i a il a n d m a r ki ss i m i a r l ya v a i l a b l e i na d d i t i o n a l t h ee x i s t i n gf a c i a lr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d su s u a l l ya p p l yt h em e a nt i s s u e t h i c k n e s so fl a n d m a r kt oc a l c u l a t er e l e v a n tf a c i a ll a n d m a r k t h e s ed a t ao ft h et h i c k n e s sa r e s t a t i s t i cb ye x p e r t s ，a n de a c hi n d e xc o v e r saw i d er a n g eo f a g e ，b u tt oac e r t a i ns k u l l ，i t sa g ei s 沈阳航空工业学院硕士论文 s i n g l ea n da s c e r t a i n a b l eb yb o n ea g em e a s u r i n g i ft h i ss k u l li sr e c o n s l r u c t e du s i n gt h em e a n i n d e x 。t h ee f f e c to ft h er e p r o d u c i n gf a c ei sl a c ko fi n d i “d i l a lf e a t u r e s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r a d v a n c e san e wm e t h o d i ti n a k e su s eo fn e u r a ln e t w o r kt og e tt h er e g u l a t i o nt h a tt i s s u e t h i c k n e s sc h a n g e s 、i t l lt h ev a r i a n c eo ft h ea g e t h u s w ec a l lr e l a t i v e l ya p p r o x i m a t et ot h e r e a s o n a b l et i s s u et h i c k n e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a ti th a sb e t t e re f f e c to n3 df a c i a lr e c o n s t r u c t i o nt oa c e r t a i ns k u l l w i t ht h eu s eo f t h et e c h n o l o g yd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , t h eq u a n t i t yo f d a t at h a t c o n s i s to ft h er e p r o d u c i n gf a c i a ls u r f a c ei ss m a l l e rt h a nt h o s eo fu s i n gt h ew h o l et i s s u e t h i c k n e s s i nc o n c l u s i o n ，t h i sm e t h o di sa d v a n t a g e o u st os u c c e d e n tt r e a t i n gp r o c e s s e ss u c ha s f a c i a le x p r e s s i o nr e p r o d u c i n g ，f a c i a lf e a t u r e sd e c o r a t i n ga n dt e x t u r em a p p i n ga n ds oo n k e y w o r d ：3 df a c i a lr e c o n s t r u c t i o n ；l a n d m a r k ；t i s s u et h i c k n e s s ；n e u r a ln e t w o r k ； s u r f a c eg e n e r a t i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独 立完成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得 其他学位而使用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集 体均已在论文中进行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本 人承担。 论文作者签名：王扬缔 坫年，月o 日 沈阳航空工业学院硕士论文 版权授权说明 本人授权学校“有权保留送交学位论文的原件，允许学位论文被 查阅和借阅，学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文”；愿意将本人学位论文电子版提交 给研究生部指定授权单位收录和使用。学校必须严格按照授权对论文 进行处理，不得超越授权对毕业论文进行任意处置。 授权人：王扬扬 1 0 。6 年月日 沈阳航空工业学院硕士论文 第1 章绪论 1 1 计算机辅助三维颅面复原的目的和意义 颅面复原是对人类的颅骨进行容貌复原的技术。该技术以法医学、人类学、解剖学 中的头骨与面貌相互关系为科学依据，广泛应用于刑侦、考古等领域。该技术起源于1 9 世纪后半期，最初被考古学家用来鉴定颅骨的身源，后来，广泛应用于刑事侦查中。在 其他方法不奏效或者不实用时，法医工作人员经常通过仅存的颅骨或者腐蚀的头颅认证 死者身份。大量的实践证明，颅面复原技术通常可以取得满意的结果。因此，该技术在 刑侦、法医学、考古、人类学等各领域中具有重要的应用价值。计算机辅助三维颅面复 原技术结合了计算机、数学、法医学、人类学、解剖学、考古学、系统工程、艺术等多 学科的知识和技术。对计算机的图像处理、交互技术和可视化技术，数学等多学科提出 了许多新的问题和需求，其研究成果促进了相应领域的理论发展，有重要的科学意义。 利用计算机实现颅面复原，可以摆脱繁重的手工复原工作，达到减少主观因素带来 的偏差，提高相似度和复原效率，进而提高颅骨的辨认效率的目的，为无名颅骨复原提 供行之有效的方法。 1 2 三维颅面复原技术的发展历史 颅面复原包括二维复原和三维复原两种形式，因为三维立体比二维平面更具空间 感，复原后的效果和真实性更好，所以本文只论述三维颅面复原技术。 三维颅面复原技术已有一百多年的历史，经历了巨大的发展和进步。1 9 世纪末，解 剖学家维尔黑姆希斯( w i l h e l mh i s ) 开创性地提出根据骨骼解剖学特征雕刻人像，重 现死者面貌，并与雕刻家塞弗内合作，复原了音乐家巴赫的颅面“。2 0 世纪2 0 3 0 年 代，人们用泥塑面貌法取代了雕刻复原法。最早有文字记载的案例可追溯到1 9 3 5 年， 随后，k r o g m a n ( 1 9 4 6 年) 进行了一个关键的实验。1 。他首先制作一个头骨的石膏模型， 根据解剖学参数在石膏模型上打下许多孔。每个孔中插入一根木桩，使木桩向外突出的 长度等于该处的软组织厚度；然后用粘土填充面部肌肉的空间，直到覆盖所有的木桩； 最后加上五官。进行整体修饰。 沈阳航空工业学院硕士论文 无论是雕刻还是充填，都需要复杂的工艺。随着计算机技术的发展，出现了借助计 算机复原颅骨面貌的虚拟三维技术，即计算机颅面复原技术。 虚拟复原也要依据人体解剖学原理，把头部分为骨骼、肌肉群层、脂肪蜂窝组织层 三部分。骨骼也可称为硬组织，肌肉群层和脂肪蜂窝组织层可统称为软组织。软、硬组 织只给出形态上的信息，覆盖纹理才能提供颜色和美学特征。由此，计算机颅面复原的 全过程就是通过图像或扫描数据重建三维数字颅骨( 重建硬组织) ，在重建的颅骨上复 原皮肤雏形( 即加软组织) ，最后进行纹理映射、添加表情使复原像生动逼真，达到 辨认失踪者或重现考古人物的目的。 1 3 计算机辅助三维颅面复原的基本过程及方法 计算机辅助颅面复原并不是手工颅面复原的简单计算机化，计算机辅助颅面复原技 术充分发挥了计算机的优点，并引进了模型和变形技术，使计算机辅助三维颅面复原结 果有了科学的依据。 计算机辅助三维颅面复原一般要经过颅面重建、面部表情构建和组合修饰三个过 程。在颅面重建的过程中，首先重建三维颅骨，判断骨龄与人种，然后获取软组织厚度 数据或特征点软组织数据，在三维颅骨上添加相应骨龄与人种的软组织。重建过程得到 的面貌只是雏形，要想真正完整的得到一个形象逼真的三维人脸，还需纹理、表情、肌 理复原，此过程称为面部表情的构建。组合修饰主要是加毛发与五官，一般分为二维和 三维五官组合修饰两种。 1 3 1 软组织厚度数据的采集 颅面重建的基本步骤是首先获取三维数字颅骨，然后把软组织数据添加到三维数字 颅骨上，从而完成颅骨重建过程。由此可见，颅面重建的先决条件是获取软组织厚度数 据。因此，要想采用颅面复原技术，必须掌握大量的面部软组织厚度的数据，要采集不 同年龄、性别、种族、地区的面部软组织厚度样本，建立大型的完整的软组织厚度数据 库。 对颅骨与颜面的共性与个性化特征的大量研究与实践结果证明，要想在一个没有任 何生前资料的无名颅骨上重建出个近似其本人的生前相貌，必须首先建立。套能够正 确反映颅骨与颜面以及五官各个部位的解剖学关系和软组织厚度的指标系统，才能使重 沈阳航空工业学院硕士论文 建的颜面与本人生前相貌近似，从而为查找身源提供有价值的相貌线索。 获取面部软组织厚度的数据指标，是建立颅面复原软组织数据库的技术关键。因此， 颅骨与颅面的解剖关系和软组织厚度的观测被广泛地关注，出现了许多确定软组织厚度 的方法和技术，例如解剖检测法、探针测量法( r h i n e 和c a m p b e l l 的数据表) 、活体x 线摄影法、超声波探测法，以及c t 与核磁共振等现代新技术。 在确定软组织厚度指标系统方面。已有不少研究成果。v m p h i l l i p s 和n a s m u t s 的方法“1 是应用c t 机和超声波仪器在活人的头部获得更加准确的数据。李燕，周明全 的方法与上述方法相似，仍然是对少量的特征点进行厚度测量。兰玉文采用x 线标定 摄影法和计算机三维扫描测距法嘲，研究确立了一套专门用于中国人三维颅面重建的指 标系统。 在颅面复原的实际工作中，充分掌握面部的所有数据是很难实现的。绝大多数计算 机辅助方法都与手工方法类似，只能以少量特征点的软组织厚度为依据。采集数据的一 种新方法基于颅面复原专家的经验。方案是先鉴定颅骨的骨龄、性别等，并用三维扫描 仪扫描该颅骨，然后，由专家进行手工面貌复原，再用三维扫描仪扫描复原的面貌。在 计算机中，通过对三维颅骨和三维面貌的三维匹配获取其全面的软组织厚度数据。 1 3 2 重建颅骨 在研究过程中，可以用三坐标测量仪或三维扫描仪直接扫 描头骨，然后在计算机中重建三维数字化颅骨图像，如图1 1 ： 也可以利用x 射线、核磁共振咀及c t 等医疗检测设备，由二 维断层图像重建三维颅骨图像。在这方面有很多的研究成果， 比较典型的方法有 用径向基函数从不完整的扫描数据生成连续网格”1 ； 基于c t 等值面数据生成颅骨曲面0 1 ； 用傅里叶级数拟合c t 图像提取颅骨边缘轮廓曲线。3 ： 图1 1 三维数字化颅骨 基于形状的利用数学形态学算子进行骨架提取的插值 算法“。 不管采用何种方法，重建数字颅骨的总原则是。在保证颅骨对面貌的复原信息不丢 失的前提下，构成颅骨图像的原始数据量越简化越好，以便在对颅骨图像做交互式操作 沈阳航空工业学院硕士论文 处理时，有较快的响应时间。 1 3 3 软组织的添加 数字化三维颅骨建模之后，要在数字化颅骨上添加软组织。可以把软组织的添加分 成两种，一一种是通过颅骨的变形，用所谓硬组织充填软组织的空问；另一种是确定软组 织的厚度之后，定量的充填软组织。根据确定软组织厚度或充填方法的不同，又可以把 颅面复原分成不同的方法。每种方法各有其特点。 1 4 三维颅面复原技术的发展概况 有了软组织厚度数据，就可以进行面貌复原，现基本有七种方法。 ( 1 ) 颅骨变形法 变形技术是参照扫描人头的三维模型作变形，直到它的硬组织与木乃伊匹配。颅骨 变形法由m i c h a e l 和c h e r t ( 1 9 9 6 ) 提出d i o 其中，用体变形函数n 使含有颅骨是的源 头部模型聪发生变形，直到源头骨近似地匹配目标颅骨s ，即坎s 净s 。假定变形后的 源颅骨模型v ( h s ) 与未知的目标头部模型很相似，体变形函数矿便成为一个使用4 0 对盘 状区域变形构成的场函数，它被手动地放置在颅骨的外围。这种方法的缺点是设置和建 立变形函数时需大量手工辅助，位置控制不够准确。最近，y u z h a n g 等3 又提出了用多 层变形技术对基于解剖学结构的人脸进行面貌复原的新方法。该方法通过变形一个多层 解剖学结构的原型人脸模型获得面部信息。它与m i c h a e l 的体变形法相比，需要的手工 辅助少，且对后续的纹理、表情处理容易实现。 ( 2 ) 仿手工复原法 仿手工复原法是建立在人类学和法医学基础上的一种方法。本方法首先建立软组织 厚度的数据库，而后根据具体的颅骨调用数据库中的资料。类似于手工泥塑面貌法，在 颅骨上用木桩标记复原软组织的厚度。所有木桩被固定厚度的橡皮带连接，它们之间的 空间慢慢的用可压膜的材料充满。这样，可以逼真地复原人脸；然后再加上鼻子、眼睛、 嘴唇；因为不能由下颌骨判断嘴唇的圆肌肉，所以根据头骨所属的人种判断它的形状就 很重要。复原辅助标记的确定基于对不同年龄和人种的人群的人类学和法医学研究。人 类学家采用的数据范围非常广。例如，f r a n e e s c e m a l l e g n i 复原w a d j e 的头的模型，用的 是d o u g l a sh u b e l h a k e r 描述的方法，而该方法采用了r h i n e ，c a m p b e l l 表( 1 9 8 0 ) “， 沈阳航空工业学院硕士论文 和r h i n e ，m o o e l ，w e s t o n 表( 1 9 8 2 ) “，尽管该方法有一定的主观性，但还是十分可 靠的。用以上方法设计的软件可以帮助操作者在头骨的三维模型上做定位标记，以便选 择一套正确的人类学参数。随后，用添充方法自动生成软组织。 ( 3 ) 对照匹配法 对照匹配法是以完整的软组织厚度为基础的计算机辅助三维颅面复原技术，其代表 有英国格拉斯哥大学研究院开发的面部重构口r ) 系统“”，l a n e l s o n 和s d m i c h a d 研 究的三维体积变形原理“。 这种方法是用c t 扫描与待复原颅骨相似的活体颅面，作为参考颅面；在两个颅骨 上标记一系列相应的特征点，使两个颅骨的特征点之间形成关联关系；在待复原颅骨的 一一点加上厚度时，需要在参考颅骨的相应位置上求得此厚度，再把得到的厚度加到此点 上。这样，边计算厚度，边复原，实际上就是把参考人头的完整的软组织厚度加到待复 原颅骨上，复原出的面貌非常相似于参考人头。 这种方法存在的闷题是数据量大。处理速度很慢，而且找到和待复原颅骨相似的活 人样本也耗费人力、财力。 ( 4 ) 二维凸包法 以二维凸包理论为基础，主要是在待复原韵颅骨切片上求得二维凸包。在其上加软 组织厚度，得到复原的面貌。”。主要步骤是：利用c t 图像重建三维人头图像，重薪切 割头部图像得到一定数量的切片；在每个图像上标记凸包点，由凸包点连成的多边形闭 合折线，作为此切片骨组织的闭包；利用多边形闭合折线和皮肤边界计算软组织厚度， 在待复原的颅骨切片上相应求得二维凸包，在其上加软组织厚度，得到复原的面貌。在 实施的过程中，由人工干预并标记每个切片的凸包点。 这种方法未充分考虑颅骨结构以及颅骨和软组织厚度的解剖学关系，所以面貌映射 有一定的缺陷，复原后的面貌有明显的错位现象，面部有严重的横向断层和“毛刺”， 主要是横向的骨切片过渡不平滑造成的。由于是逐层切片，所以对断层错层需要构片处 理，数据量大。 ( 5 ) 模板法 这种方法建立在数据库的基础上，用数据库存放大量的通过扫描各种人物面孔获得 的数字化的面部模板。复原时，根据颅骨的特点选择适当的面部模板，把它像面罩一样 沈阳航空工业学院硕士论文 覆盖到颅骨上，同时，对面模调整变形使之于待复原颅骨的特征点的位置匹配，该方法 是从在相应的颅骨特征点上加静态软组织厚度值的方法中衍生出来的。 这种方法由v a n e z i s 于2 0 0 0 年提出“，重构的头部可通过图像的后处理添加眼睛、 面孔和头发。 由该方法得到的复原头像一般是不完整的，头顶和下巴经常缺失，v a n e z i s 提出的 解决办法是开发一套图像处理系统来修补头部，并可以对复原后面貌雏形做加五官及头 发的处理。另外，在重构的过程中，该方法需依赖大型面部模板数据库。 ( 6 ) 三维凸包和分区法 这种方法也要求扫描活人的头部，或扫描由法医专家手工复原的带软组织厚度的颅 像，得到颅骨和软组织数据，作为待选样本存入数据库。复原时要判断待复原的颅骨的 基本特性，从数据库中选择与之相近的软组织，用计算机加到颅骨上。上述过程涉及两 个技术要点：三维凸包和分区。三维凸包是采用三维包裹技术( q u i c k h u l l 算法“”) 包裹 整个颅骨。凸包颅骨既保留原始颅骨的轮廓特征，又忽略细节的干扰，降低了复原处理 的复杂度，且复原效果较好。而分区技术嘲是为了按照颅骨的解剖结构来合理布局面貌， 是模版法面貌映射的改进。采用分区规则，不仅确定了颅骨的结构和软组织之间的对应 关系，还确定了不同颅骨的相同部 位的子区域对应，软组织厚度数据 可根据颅骨的子区域大小进行比例 伸缩，整体面貌细化到各个子区域 中，合理的适应待复原颅骨结构。 图l2 所示为用三维分区和凸包法 复原的正面、侧面颅像，采用分区 规则改善了复原的效果。 图l 2 用三维分区和凸包法复原的正面、侧面颅像图 ( 7 ) 特征点法 前述几种方法都需要大量的数据和复杂的手工劳动。特征点法是以少量特征点及其 软组织厚度为基础的计算机辅助三维颅厩复原技术，是用计算机模拟手工复原过程，在 自身颅骨上生成面部皮肤。这是英国的k a t l i n a m a r i e a r c h e r 和d a v i d w i l l i a m b u l l o c k 等 人“2 2 1 较早研究的，并且是当前众多学者致力发展的技术。 沈阳航空工业学院硕士论文 复原面貌时仅考虑软组织均值是不科学的，必须通过观察颅骨的形态结构作相应的 调整，才能使复原像更具个性化，达到符合辨认条件的效果。软组织厚度( 均值) 数据 是人种的共性参考，只有共性与个性的结合，才能做到符合客观实际。虽然其他方法也 是可行的，但都存在着数据量大、速度慢、三维表情呆板、肌理无复原及纹理映射困难 等问题。比较上述各种方法，目前具有较好开发前景的是基于特征点的颅面复原技术， 为此1 5 节专门介绍基于特征点的颅面复原技术。 1 s 基于特征点的计算机辅助三维颅面复原技术研究概况 首先根据待复原颅骨的基本形状特征，由法医或人类学专家判断出该颅骨的种族、 性别、年龄等，以便选择适当的较组织厚度数据。然后用交互方法在三维颅骨上做出特 征点，在特征点上设定软组织厚度。根据一一定的连接规则把特征点连成网格结构；对网 格结构数据应用插值、拟合、平滑、优化等运算，得到复原的基本轮廓；在其上进行适 当的修饰、调整，得到最后的面貌。 这种方法只要求在数字化的颅骨上标注少量特征点的软组织厚度，所需的统计数据 较少。但是，生成合理的网格结构及对网格数据合理地插值、拟合会产生很多的难点。 因为特征点稀少，所以不能合理的按照颅骨和软组织厚度的依存关系去处理，不能准确 地预测特征点问软组织厚度的变化规律，需要主观地反复调节控制参数。对于仅仅几十 个点的软组织厚度信息来说，采用不同的网格结构、插值算法和拟合算法都将严重地影 响复原面貌形态，不同方法产生的复原面貌差异太，不稳定，甚至不能反映出人的面貌 轮廓。 实际上颅面复原的要求是用最少的特征点获取与原来面貌最相似的三维图像，所 以，选择合适的算法成为特征点法的主要研究方向。 1 5 1 样条曲面拟合 采用通用的分层b 样条曲面拟合头部模型。使用者在颅骨模型上插入带有软组织厚 度值的木桩做特征点，通过b 样条曲面拟和生成面部目标。每个木桩代表一个在分层b 样条曲面上对应的参数位置，该参数位置表明分层b 样条曲面的哪个位置将与木桩的端 点吻合。附加木桩靠手工添加，其高度和参数位置是通过计算确定的。参数位置有时需 要手工调整。 沈阳航空工业学院硕士论文 拟合中的问题是特征点相隔太远，两个点间插值生成的曲面太光滑，导致生成的曲 面不一定符合颅骨的曲率。主要的解决方法如下”。 增加特征点，给计算软件提供更多的颅骨曲面曲率和位置的信息，新增特征点的 软组织厚度值由新增点邻近的标准特征点的厚度值插值得出。 插值过程中把每个特征点的切线信息结合进去，对高衄率区域的拟和效果好。 沿等参数曲线测量插入木桩的高度，用来模拟雕塑家用的粘土条，于是，沿参数 为常量的曲线，产生一系列用参数表示的样本点。通过对邻近木桩测量高度的插值，可 以估算出每个样本点的软组织厚度值。因为由颅骨模型可知颅骨曲面的位置，因此，可 以求出插值点坐标。 这种方法的缺点是设置建立插值函数时仍需大量的手工辅助。从一个一般的模型开 始拟合，每个木桩被处理成将用分层b 样条插值的数据点。用手工把木桩放在一个参数 ( “，v ) 位置，这个由标准木桩构成的参数被用于全部颅骨模型的拟合。围绕颅骨对头颅进 行变换和分度，使得分层b 样条的鼻子近似地安放在最终的位置，并且使标准木桩相对 地靠近在分层b 样条的相关( ”，v ) 位置。 1 5 2 隐式睦面法 隐式曲面法是把颅骨和颌部多边形作为隐式曲面发射体的颅面重构技术o 。颅面模 型必须消除多边形颅骨模型的噪声和锐角，基于发射体的隐式曲面建模技术容易解决这 个问题。即使骨骼参差不齐，发射体也能生成光滑的曲面。 对于颅面重构的司法应用来说，还要把隐式函数转化成可以修饰、渲染的形式。对 于指定的隐式函数，可以在理想的等效程度上产生多边形表面。这项技术被称为多边形 化。有很多种多边形化技术，包括m a r c h i n gc u b e s 和s h r i n l c w r a p 等。 对于头骨的颞部和头骨与颌部之间的间隙，不能直接地应用隐式曲面法，需要通过 手工填充间隙，产生更真实的表面形状。 这种方法的另- 个问题是最终的颅面形状取决于发射体的数量。即使两个发射体骨 架严格地生成同样形状，形成的表面也会很不一致。如果发射体的尺寸小于其场距离， 就会发生凸包。在发射体公式中增加k 值，可以减小凸包，然而，即使增大k 值也不能 消除凸包，所以不能从根本上解决阀题。 隐式曲面法和分层b 样条各有优缺点。隐式曲面法提供了一个儿乎自动生成面部形 沈阳航空工业学院硕士论文 状的方法。一- 旦设好标准特征点，就会通过一定的算法产生三维模型。埘照的，分层b 样条拟合技术要求手工设置附加的特征点，通过修改特征点参数位置来改变面部扭曲失 真，调试拟合参数。这些附加的工作增加了复原的主观性。但是，分层b 样条拟台技术 更适合五官的添加和对复原雏形的进一步修饰处理，不像隐式曲面复原法添加面部特 征必须另外完成一个独立的过程。样条法复原的从始至终，露部特征都是整体中的一部 分，每个面部细节都被存作特殊控制向量的偏移，另外，样条瞌面比隐式曲面技术生成 的原始网格更易修饰。 1 5 3 网格生成法 k o l i ak 赴l l e r 等。”根据标记相对较少的头部模舨重构颅面，最终生成完整的头部模 型。他们采用的可变形面部模板的曲面是由任意三角网格构成的，而不是使用高阶曲面 或者采样点，使用标准建模工具箍化了后期的艺术修饰。其中虚拟头部模型是在人体解 剖学的基础上，由计算机生成的，在进行计算机重构时集成了面部表情的动画。 1 6 问题提出和研究内容 国内外在计算机辅助三维颅面复原技术的研究上，到目前为止已有多种不同的复原 方法，综合比较各种方法的优缺点，本文选择基于特征点的颅面复原研究路线，提出一 种新的复原方法。该方法重点研究颅骨特征点及其软组织厚度的确定。然后由此计算出 颅面特征点的位置，对颅面特征点进行面部曲面的插值，从而得出人的三维面貌雏形。 用该方法得到的面貌雏形，构成复原面貌的数据点个数，相比以完整软组织厚度为基础 的复原方法得出的面貌，减少了5 0 倍左右，这样后续表情构建，毛发五官修饰时，可 选择的解决方案不必受数据量的限制，也大大缩短了响应时问。 基于特征点的复原流程可以用图1 3 描述。本文的内容大致安排如下： 第一章“绪论”主要介绍了计算机辅助三维颅面复原的概念、方法、应用状况及前 景，并对本文的主要研究工作做了简单介绍。 第二章“颅面复原的基础及颅骨的预处理”介绍了颅面复原的人类学基础，及面貌 复原前的颅骨的数字化预处理。 第三章“颅面特征点的确定”，是本文的一个研究重点。根据人脸的结构特点选 取和设定颅骨特征点的位置。用b p 神经网络技术确定拟复原个体的颅骨特征点处软组 沈阳航空工业学院硕士论文 织厚度，取代软组织厚度的均值指标，并采用基于曲面的软组织厚度法计算颅面特征点， 从而针对拟复原对象的个体特征较精确地获取颅面特征点。 第四章“颅面复原辅助特征点的确定”是本文的另一个研究重点。将面部划分成七 个特征区域，分区处理。具体介绍了脸颊区域和鼻子区域辅助特钲点的确定方法，提出 基于b p 神经网络的颅面辅助特征点预测技术，该方法减少了大量的手工辅助操作，取 得了比较好的实验效果。 第五章“基于离散点的面部曲面的生成”，将前两章确定的颅面特征点和颅面辅助 特征点作为型值点，阐明了如何由少量离散点构造面貌曲面的问题。依次介绍前脸曲面 片的生成，后头曲面片的生成，两个曲面片的拼接等关键技术。从而重建颅骨生前面貌 雏形。 结论部分，是对全文工作的总结，及未来的研究工作的展望。 图1 3 基于特征点的颅面复原系统流程图 沈阳航空工业学院硕士论文 第2 章颅面复原的基础及颅骨的预处理 人的头部组织结构十分复杂，包括颅骨，各种肌肉组织、脂肪组织、结缔组织及大 量的血管、神经等等( 各种组织统称为软组织) 。颅骨和软组织的形态基本上决定了人 脸的面貌。在定义人脸特征点时，必须以颅骨与软组织的结构特点为基础。 2 1 颅面复原的解剖学基础 2 1 1 颅面复原的人类学原理 应用计算机三维重建技术，恢复颅骨生前的相貌，是查找无名颅骨身源的重要技术 手段。目前，国内颅面复原工作采用的技术，多数基于前苏联科学家格拉西莫夫的从 头骨复原面貌的方法中的论述。法医学的一些研究专著，如公安部物证鉴定中心纪元 先生等著的法医人类学等，也在有关的章节中阐述了这一基本理论。该理论指出： 面部特征在一定程度上是严格符合颅骨形式的，有一定规律可循。例如，眼的形状，如 眼裂的大小、眼角的位置等由眼眶的基本形态决定；鼻形，包括宽度、高度、鼻尖位置 等由梨状孔的形状决定；口裂宽度可根据与牙齿的对应位置推定等等。在此基础上，充 分考虑年龄等因素对容貌的影响，参照法医学研究积累的颅面部各固定特征点的软组织 厚度，即可对颅骨的生前容貌做出合理的复原。因此，颅骨复原容貌是一门严谨的科 学。根据解剖学原理获取人头面部软组织厚度的数据指标，并在颅骨上合理的添加具有 一一定厚度的软组织是复原颅面的技术关键。在复原过程中应尽量避免主观因素的干扰。 2 1 2 颅骨结构 颅骨( s k u l l ) 是头部的支架，由2 3 块骨组成，如图2 1 所示“。以下颌骨的下缘、下 颌角、乳突、上项线和枕外隆凸连线作为与下方的颈部分界。除了下颌骨与颞骨之间形 成活动的颞下颌关节之外，分块的骨以直接连结的形式结合。直接连接的骨之间多数有 接缝，颅顶各骨间的缝呈锯齿状，称为齿状缝。在骨的直接连结中，还有软骨结合的形 式，例如位于颅底部的蝶骨和枕骨之间的结合。随着年龄的增长，蝶骨体和枕骨基底部 之间的软骨会发生骨化，成为骨性结合，颅顶的齿状缝也有时骨化。 整个颅骨可分为后上方的脑颅( c r a n i u m ) 和前下部的面颅( f a c i a ls k e l e t o n ) 两部分。脑 沈阳航空工业学院硕士论文 颅大致呈卵圆形，位居全颅的上后部，颅内包含脑；面颅位于颅骨的前下部，构成人脸 前部面貌的基本轮廓，是眼、鼻、口的骨性支架。脑颅和面颅两部分的分界线为眶上缘、 颧弓、外耳门上缘、乳突、上项线和枕外隆凸的连线。 圈2 1 颅骨的结构 2 1 3 人脸面部的肌肉组织 人体的肌肉根据其结构、位置和功能的不同，可分为平滑肌、心肌和横纹肌o “。平 滑肌分布在内脏和血管壁上；心肌为心脏所特有；横纹肌主要分布于体壁和四肢，绝大 部分附着于骨，亦称为骨骼肌。骨骼肌在人体分布极为广泛，人脸面部的肌肉组织即为 骨骼肌，它依附于颅骨和人脸的皮肤。肌肉的辅助结构主要有筋膜、滑液囊和键鞘，是 由肌肉周围的结缔组织和脂肪组织形成的，有保护肌肉和辅助肌肉运动的作用。骨与周 围的肌肉之间，肌肉与肌肉、肌肉与器官之间，存在着一些潜在的间隙。正常情况下， 这些间隙中充填疏松结缔组织，有的间隙中还有神经和血管，从而使相邻的间隙彼此连 通。面部软组织即由这些组织构成，其中肌肉组织的形态基本决定了人的面貌。面部肌 肉组织按功能可分为表情肌与咀嚼肌两种类型。 面部表情肌如图2 2 ( a ) 所示，由薄而纤细的肌纤维组成。一般起子骨或筋膜，止于 皮肤。收缩时牵动皮肤，使面部呈现各种表情。面部表情肌包括环形肌和辐射肌，主要 分布于面部孔、裂的周围，如眼裂、口裂和鼻孔周围，有闭合或开大上述孔裂的作用。 人类面部表情肌较其它动物发达，而人耳周围的表情肌已明显退化。 沈阳航空工业学院硕士论文 咀嚼肌，如图2 2 ( b ) 所示，包括咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌四对，主要位于颅底 下方，口腔及咽的外侧，其上部为颞下窝。做颅面复原时，一般只复原不咀嚼时的面貌。 协j” 图2 2 面部肌肉的结构( 时面部表情肌正面；( b ) 咀嚼肌侧面 2 2 颅骨的数字化处理 2 2 1 颅骨坐标的确定 为了进行计算机辅助运算，需要对指定的颅骨建立一个三维坐标系。 ( 1 ) 颅骨的修补 真实的颅骨可能有破损，需要法医专家对其进行必要的手工修补。用石膏等材料修 补有孔洞或缺损之处，尽可能地使颅骨恢复原貌。 ( 2 ) 虚拟颅骨位置的校正 在计算机屏幕上重建数字三维颅骨之后，要进行虚拟颅骨位置的校正。首先在三维 颅骨图像的相应位置做标记点，如图2 _ 3 所示，主要有左右眶外缘点、眉问点、鼻棘点、 颌前点和左右耳屏点。然后，通过计算和坐标变换，自动使颅骨上左右眶外缘点间的连 线水平；眉问点与颌前点的连线垂直；左右耳屏点的连线与屏幕水平。从而确保三维颅 骨像无倾斜、无仰俯、无偏转，如图2 3 ( a ) 所示。最后，确定三维颅骨图像坐标的原点， 它是颅骨像上三个互相垂直的平面的交点，即通过左右眶外缘点间的连线的水平面，通 过眉间点与颌前点连线的矢状面和通过左右耳屏点连线的冠状面。在人类学研究领域， 沈阳航空工业学院硕士论文 这些平面称为法兰克福平面。”，由这些平面确定的坐标系，被称为法兰克福坐标系。图 2 3 ( b ) 所示为在一个颅骨上建立的法兰克福坐标系。 r ( a )( b ) 图2 3 颅骨位置的矫正( a ) 颅骨上的标记点；( b ) 在颅骨上确定的法兰克福坐标系 2 2 2 图像变换的计算方法 在颅骨位置的校正和后面的颅面复原过程中，需要进行多次颅骨图像变换，如平移、 旋转、反射、缩放、投影等。这些变换的实质是改变组成颅骨图像的坐标系，它主要应 用三维图形变换原理。三维图形变换是对三维图像的操作。它使人们方便地从不同的角 度观察物体，得到物体的不同视图，或者观察物体的各个局部透视或投影等。在图形变 换的运算中，常用矩阵表示算法“。 f 1 ) 变换矩阵 在变换中采用的基本变换矩阵为 t = d l la 1 2 o l nq a 2 1a 2 2 口2 月c 2 a n la n 2 a 月nc 月 b lb 2 b 。d = a 式中t 由四部分组成，其中 a n 阶的左上角子矩阵，产生比例、反射、旋转等基本变换； b 1 行n 列的矩阵底行，b = h 如】，产生平移变换 ( 2 1 ) 爿 达堕塾窒三些堂堕堡主鲨墨 c h 行1 列的矩阵右列，c = b 乇c n 】r ，产生投影变换，通常，不作投 影变换时，l r e = 【o0 o y ； d 位于矩阵右下角，产生相似变换，一般取d = l 。 在三维变换中，把三维空间点 ，y ，用四维齐次坐标0 ，弘z ，1 ) 表示 坐标点坐标为0 ：y ，2 ：1 ) ，则变换公式为 k y z l 】= ky z 1 l r 式中t 为三维基本变换矩阵，矩阵阶数为4 。 ( 2 1 反射变换 设变换后的新 ( 2 2 ) 反射( 映射) 是相对于条直线( 二维空间) 或一个平面( 三维空间中) 的镜像点 的变换。反射的一个特别重要的指标是反射方向，可分为简单反射和一般反射两种形式。 三维空间的简单反射是相对于一个通过原点且由三个基本向量中的两个所定义的平面 ( 即x o y 平面，x o z 平面，y o z 平面) 的反射。三维空问一般反射是相对任意平