（计算机软件与理论专业论文）计算机辅助颅骨面貌复原技术的研究与实现.pdf

旦! ! 查堂堡主兰些堕苎计算机辅助颅骨面貌复原技术的研究与实现樊宏斌2 0 0 2 年5 月西北大学计算机科学系摘要、。计算机辅助颅骨面貌复原技术是对三维数字化颅骨数据，应用人类学关于颅骨面貌的软组织厚度数据，采用计算机技术来生成该颅骨对应的面貌使得生成的面貌尽可能的符合该颅骨的原面貌特征。它是建立在科学计算可视化、人工智能、图像处理与理解及法医人类学领域知识基础上，结合了计算机、法学、计算医学、系统工程、数学、艺术等多方面知识的面向身份认证的科学技术。采用计算机技术不仅可以利用更多颅骨的人类学特征点数据，减少主观因素带来的偏差，而且可以大大缩短复原时间，君须对面部器官做太大变动就可产生符合原来颅骨的多幅面部图像，提高认证率：丫本文就计算机辅助三维颅骨面貌复原的关键技术进行了系统的分析与研究，主要工作如下：1 对颅骨与面貌模型之间的软组织厚度关系进行统计分析，在得到软组织的厚度数据的基础上t 对三维数字化颅骨数据复原时，采用了断层成型方法来确定特征点的位置和复原颅骨面貌，由于该方法充分考虑了颅骨与面貌之闻的关系，所以有较好的复原效果。2 针对医学图像特点，对边缘提取算法中的二义性问题进行了分析，改进了医学图像的边缘提取算法，为建立人脸的三维模型提供了基础。分析了等值线的简化问题，提出了一个新的简化算法有效地解决了原始数据量庞大的问题为后续处理提供了方便。3 在建立三维人脸模型的基础上，对三维人脸网格显示技术进行了分析，提出了一种光滑处理的方法并结合三维人脸网格与二维相片的纹理映射技术，生成了具有真实感的三维人脸图形。4 在实现计算机辅助颅骨复原的软件系统开发中。采用了面向对象的方法进行分析和设计，将问题领域的模型与软件系统中的模型直接映射起来，进行了对象模型魄设计，并基于m v c 结构进行了软件系统体系结构的设计与实现。一一l 计算机辅助颅骨面貌复原技术，不仅对法医人类学、解剖学和考古学的研究有着重大的科学意义和应用价值，也将对基于颅母的身份认证技术，对于公安刑侦工作，有着良好的社会效益和很大的经济效益。丫，p ：关键词颅骨复原科学计算可视化图形图像处理医学图像m v ci 驰栅粼y 构面向对象审蔷净堕苎查堂婴主堂垡兰塞t h er e s e a r c ha n da p p h c a t i o no fc o m p u t e ra i d e df a c i a lr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ef a nh o n g h i nm a y ，2 0 0 2d e p a r t m e n to f c o m p u t e rs c i e n c e n o r t h w e s tu n i v e r s i t ya b s t r a c tc o m p u t e ra i d e df a c i a lr e c o n s t r u c t i o nf r o ms k u l li sat e c h n i q u et oa p p l yc o m p u t e rt e c h n i q u ei n t ot h ef a c i a lr e c o n s t r u c t i o np r o c e d u r et og e n e r a t ef a c i a ld a t aw h i c hf i t st h es k u l lb e s t b a s e do ns c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dc o m p r e h e n s i o n ，a n t h r o p o l o g y , c o m p u t e ra i d e df a c i a lr e c o n s t r u c t i o nb a s e do ns k u l lw h i c ht o w a r d si d e n t i t yr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sac o m b i n a t i o no fc o m p u t e rs c i e n c e ，a n t h r o p o l o g y , c o m p u t a t i o n a lm e d i c i n e ，s y s t e me n 百n e a r i n g , m a t h e m a t i c s ，a n da r t s w i t hc o m p u t e rt e c h n i q u e sw en o to n l yu s em o r es k u l lf e a t u r ep o i n t st om i n i m i z es u b j e c t i v ef a u l lb u ta l s os h o r a nr e c o n s t r u c t i o nt i m eg r e a t l y w en e e dn o tm a k em u c hr o o d i f i c a t i o nt op r o d u c ee n o u g hf a c i a li m a g e sa c c o r d i n gw i t i ls k u l lt og e th i g hr e c o g n i t i o nr a t et h i st 1 1 e s i sm a k e sr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n i q u eo fc o m p u t a ra i d e d3 - d i m e n s i o n a is k u l lf a c i a lr e c o n s i ：n 埘i o nm o d e l t h em a i n l yw o r ki n c l u d e ：1 an e wf a c i a lr e c o n s t r u c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e db ya n a l y z i n gt h ed e p t ho ff e a t u r ep o i n t sf r o ms k u l lt os k i n ，w h i c hc a l lr e c o v e rf a c i a lb e t t e rf o rt a k i n gt h ec h a r a c t e r so f s k u l l i n t oa c c o u n t 2 e d g ed e t e c t i o na n dd i l e m m as o l u t i o na l g o r i t h mo fm e d i c a li m a g e si sc o n c e r n e da n dr e s e a r c h e di nb u i l d i n g3 - d i m e n s i o n a lm o d e an e wc o n t o u rs i m p l i f i c a t i o na l g o r i t h mi sb r o u g h to u ta n da p p l i e do nt h em a s sd a t a s e tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y 3 w i t h 也er e s e a r c ho n3 - d i m e n s i o nr e c o n s t r u c t i o n , as m o o t hp r o c e s s i n ga l g o r i t h mi sa d d r e s s e dt ob u i l dr e a l i s t i cg r a p h i c sc o m b i n e dw i t ht e x t u r em a p p i n g 4 w i t ho b j e a t - o r i e n t e dm e t h o d ，w ea n a l y z ea n dd e s i g na n dp r a c t i c ec o m p u t e ra i d e d3 - d i m e n s i o n a ls k u l lf a c i a lr e c o n s t r u c t i o ns o f t w a r es y s t o m a n dc o n s t r u c tt h er e l a t i o nb e t w e e np r o b l e md o m a i nm o d e la n ds o f t w a r es y s t e mm o d e l ，d e s i g nt h eo b j e c tm o d e la n ds o f t w a r ef r a m e w o r kb a s e do nm o d e l v i e w c o n t r o l l e rs t r u c t u r e c o m p u t e ra i d a d3 - d i m e n s i o n a ls k u l lf a c i a lr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sn o to n l yh a v ei m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n da p p l i e dv a l u et 0t h er e s e a r c ho fa n t h r o p o l o g y , a n a t o m y ,a r c h a e o l o g y , b u ta l s oh a v eg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t st oi d e n t i t yr e c o g n i t i o nb a s e do ns k u l la n dp o l i c ed e t e c t i o nw o r k k e y w o r d sf a c i a lr e c o n s t r u c t i o n , s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n , i m a g e g r a p h i c sp r o c e s s i n g ,m e d i c a li m a g e ，o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n ，m o d e l v i e w c o n t r o l l e rs t r u c t u r e 独创性声明y 2 9 7 5 9本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标运爬致谢唣地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丝星! 监或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名签字日期：兰塑兰年月_ z 日堕j ! 茎兰堡主兰些堡苎1 1 背景概述第一章绪论利用颅骨面貌复原迄今已有一百余年的历史。虽然传统的粘+ - - 维复原技术已经比较成熟，在法医人类学、体质人类学及古人类学等方面发挥了重要作用，成为一项经典的方法，但是有许多的局限性。虽然后人逐渐提出了较为简易的新的复原技术如侧位颅像法和颅像形态图法，但是这些方法仍显得人为因素影响较多，大多数操作仍系手工进行，特别是复原像只是侧面或平面二维较为呆板，所以提供辨认的效果受到限制。近二、三十年来，随着现代科学技术的发展及与其他各学科见的互相交叉渗透，特别是c t 、核磁共振扫描等技术应用于临床医学，使得获取医学数据的能力取得了空前的进步，以及科学可视化技术的出现和发展和计算机图形图像技术的发展， 类学家开始注意将临床医学的新成果和技术手段用于颅骨的面貌复原他们迫切的需要将计算机强大的计算能力和模拟仿真能力具体应用到这个专业领域之中。如何利用科学可视化技术和人类学的专业知识对人类学颅骨面貌数据进行高效、方便的处理和应用，是将人类学家和专业人士从繁重、枯燥而重复的体力劳动中解放出来，使他们集中精力研究颅骨面貌复原的规律和理论，从而提高颅骨面貌复原的准确性、实现颅骨面貌复原的自动化、智能化的关键所在也为科学可视化技术的应用与发展提出了新的研究课题。计算机辅助颅骨面貌复原的方法包括颅骨数据的获取、知识库的建立、三维显示技术、医学图像处理等技术进行了深入的研究，在计算机辅助颅骨面貌复原的技术中，计算机辅助的三维颅骨面貌复原技术是目前研究的热点，具有立体效果和面貌逼真的三维图形给人们提供了更加丰富的信息。通过三维的显示手法在计算机的屏幕上给出具有光照效果的、可从多角度观察的复原体面貌图像。应用计算机辅助方法不仅可以利用更多虚拟解剖点的数据，减少主观因素带来的偏差，而且可以大大缩短复原时间，无须对面部器官做太大变动就可产生符台原来颅骨的多幅面部图像为面貌复原技术提供了良好的可视化开发平台，提高身份认证准确率。计算机辅助颅骨面貌复原技术是目前计算机图形图像学、科学计算可视化、法医人类学等领域的一个研究的热点结合了计算机、法学、计算医学、系统工程、数学、艺术等多方面的知识，颅骨复原技术在法医学，人类学中有着广阔的前景为开展蒙古人种特征的研究奠定了良好的基础- 其研究工作对法医人类学、解剖学和考古学的研究有着重大的科学意义和应用价值。近年来，围绕计算机辅助颅骨面貌复原技术，在国外，美国宾夕法尼亚大学、法国尼斯大学、英国伦敦大学、日本w a s e d a 大学、意大剥比萨大学以及德国等研究机构都做了一些研究，取得了一定的进展。英国伦敦医科大学法医系的p w a n e z i s 等从事了这方面的研究，先用激光扫描仪与摄像机将人颅骨数字化，输入到计算机中。其次将预先在数据库中存储的数字化的人脸的表面以面具的形式覆盖在人的颅骨上同时对皮肤的厚度作相应的修改来适应下面的颅骨的形状。特点是可行、快捷、灵活；缺点是复原的效果较差，离逼真相去甚远。关键是人脸的厚度数据需要收集，而且该方法需要同时考虑己知的颅骨数据与其它的未知信息。美国佛洛里达大学人类识别实验室m a p l e s 博士主要从颅骨创伤的和生物病理学的角度进行了认证研究，对于伦敦地铁灾难性火灾的尸体验证、越南战争及朝鲜战争中美军遗骸的鉴定、沙皇二世的尸骨都作出了尝试性的研究，实验结果已经在司法鉴定中获得成功应用。美国宾步法尼亚大学、法国尼斯大学等先后采用人体面部测量学的方法研究了颅骨面貌的复原技术。日本w a s e d a 大学研究了一种自适应的头部建模方法，构造一个基于面部解剖学和面部一一亘苎奎兰堡主兰竺堕塞等级结构的头部模型，这个模型基于物理运算可以模拟人脸运动。然后利用摄影测量技术( p h o t o g r a m m e t r j c ) ，从两个不同方向的人脸图片、x 射线、三维扫描图像提取一个形状然后让标准的人头模型向这个目标形状变化，完成人的头部复原。意太利比萨大学的g i u s e p p ea t t a r d i 等人应用螺旋c t 的软组织重建了埃及木乃伊。从骨髂重建面皮一直与法医科学相关a 一般是用于鉴定不能辨认的尸体，也是一个潜在应用于考古学上的方法。比萨大学主要研究的结果是通过螺旋c t 数据和虚拟模型技术去复原三维的古埃及木乃伊。研究包括五个部分：人头的人类学和埃及古生物的分析：对头骨做螺旋c t ：从c t 数据重构颅骨的3 d 模型：重构面部软组织；应用纹理映射面部特征。国内颅骨面貌复原主要采用手工复原方法，根据人体解剖学的原理和面貌特征在颅骨上的反映，依照人体头面部软组织厚度的测量统计数据用软塑胶泥在颅骨或颅骨的石膏模型上塑出肌肤、毛发等软组织，使之得到和该颅骨的生前面貌相近似的塑像，进行个人识别的一种方法。而在国内，将应用计算机图形图像学与科学可视化知识到颅骨面貌复原中的成果，到现在还没有见到。自1 9 9 6 年以来，西北大学计算机科学系，公安部第二研究所承担了国家九五重点科技攻关项目“计算机辅助颅骨面貌复原”( 已通过公安部组织的项目验收) 的研究与开发，此项课题旨在探索将计算机图形图像学与科学可视化知识在颅骨复原等人类学领域的应用，重点研究从三维模型建立，快速真实感三维体的显示，软组织厚度的测量，根据统计结果对颅骨进行的复原等一系列问题，在法医人类学的面貌复原研究工作上取得了可喜的进展。1 2 论文研究的主要工作针对计算机辅助颅骨面貌复原中的关键技术机辅助颅骨面貌复原方面国际和国内的最新成果取得了一些进展。与本文有关的主要工作有：我们从1 9 9 6 年下半年就开始关注在计算并着手对有关技术和问题进行研究，现已( 1 ) 统计分析了颅骨与面貌模型之间的软组织厚度关系，提出了断层成型方法来确定特征点的位置与厚度，r h 于该方法充分考虑了颅骨与面貌之间的关系，所以有较好的复原效果。( 2 ) 针对医学图像特点，对边缘提取算法中的二义性问题进行了分析，改进了医学图像的边缘提取算法，为建立人脸的三维模型提供了基础。分析了等值线的简化问题，提出了一个新得简化算法，有效地解决了原始数据量庞大的问题，为后续处理提供了方便。( 3 ) 在建立三维人脸模型的基础上，对三维人脸网格显示技术进行了分析，提出了一种光滑处理的方法，并结台三维人脸网格与二维相片的纹理映射技术，生成了具有真实感的三维人脸图形。( 4 ) 在实现计算机辅助颅骨复原的软件系统中，采用了面向对象的方法进行分析和设计，将问题领域的模型与软件系统中的模型直接映射起来，进行了对象模型的设计，井基于m v c结构进行了软件系统体系结构的设计与实现。( 5 ) 根据以上研究和工作成果，我们实现了基于计算机辅助的颅骨复原技术的软件系统。全文共分六章：第一章概述了计算机辅助颅骨面貌复原的国内外发展和论文的项目背景，提出了全文的研究内容；第二章介绍了颅骨面貌复原的各种方法，提出了一种基于计算机三维辅助颅骨面貌复原方法；第三章讨论了医学图像的处理技术；第四章研究了三维体模型的建立和真实三维人脸网格的显示方法；第五章对计算机辅助颅骨面貌复原软件系统进行分析和设计：第六章对全文做了总结，并提出了进一步需要研究的些问题。- 2 西北大学硕士学位论文第二章计算机辅助颅骨面貌复原方法2 1 颅骨面貌复原方法分类在法医学中，面貌复原是一门以颅骨为基础以面部软组织厚度为依据，面向身份认证的科学技术。该技术起源于1 9 世纪后半期最初用于证实些“名人”的遗骨。后来，由于刑侦工作的特殊需要。面貌复原技术很决在这一领域找到了用武之地。法医工作人员经常要把仅存颅骨、腐蚀或毁损的头颅认证出来，当其他方法不奏效或不实用时，颅骨的面部复原技术往往可以取得满意的结果。迄今为止，面部复原应用主要有二维复原与三维复原两大类技术，无论是二维或三维的面部复原技术都可有手工复原和计算机辅助复原两种方式。二维复原是指通过颅骨的) 卜射线图像、描摹图或照片描绘出面部；三维手工复原直接在人的颅骨或颅骨复制品上雕塑出人面孔；三维的计算机辅助复原，则在数字化的颅骨图像上通过计算机图形学的方法产生逼真的面部轮廓和五官。这些方法，首先要产生一个基本的面部框架或面部轮廓，然后绘制或雕塑出眼睛、鼻子、嘴、耳朵等面部器官。颅骨的某些特定标志点上的软组织厚度，以及一个指定颅骨上的器官的尺寸、形状和矢量方向都要根据某些数据来重构。传统上，这些数据通过直接研究尸体取得，随着科学技术的发展，人们多是通过x 光透视、c t 和核磁共振成像( m r i ) 技术，利用计算机方法而得u 加工数据。2 i i 传统的复原方法颅骨面貌复原也称复颜或复容( f a c i a lr e c o n s t r u c t i o n ：f a c i a lr e s t o r a t i o n ：r e s t o r a t i o no fp h y s i o g n o m y ) 是指根据人体头面部软组织及五官的形态特征与颅骨形态特征间的相关关系，在颅骨上，或者颅骨的石膏模型上，或者颅骨的影像上，用可塑物质如橡皮泥、粘土、塑像蜡等雕塑或者其它的方法重建颅骨生前面貌形象的技术。在体质人类学中，颅骨面貌复原用于再现远古人类和历史名人。在法医人类学中，颅骨面貌复原用于无名尸身源的查找工作。颅骨面貌复原的设想，最早由解剖学家s c h a f f h a s e n 在18 7 7 年提出：他认为根据颅骨复原其生前的面貌是完全可能的。1 8 8 3 年，德国学者w i l k c r 首次对1 3 具男性尸体头面部的软组织厚度进行了测定。1 8 9 5 年，在德国的莱比锡市，园扩建圣约翰教堂，音乐家巴赫( j s b a c h ) 的墓不得不迁走。由于墓穴密集和棺木损坏，在迁坟时许多白骨混在一起，以至无法辨认出哪一具是巴赫的遗骸，于是人们便从这些白骨中选出了一件被认为可能是巴赫的颅骨，交给解剖学教授h i s 鉴定。h i s 试想在这颅骨上塑上肌肤毛发，看是否能够得到和艺术家在巴赫生前为其所做的肖像相近似的面貌。于是h i s 选出2 4 具男性自杀尸体，在面部定出了1 5 个定位点并测出了各点的软组织厚度再将这些厚度数据和颅骨交给了雕塑家s e f f n e r , 并在事先来说明颅骨上进行雕塑，结果得到了一个和巴赫生前肖像非常相似的雕像。这是世界上第一次尝试用科学的方法复原颅骨生前的面貌。以后，又有k o l l m a n 和b i r k n e r 、f i s c h e r 、e g g e l i n g 、铃术尚等学者对不同种族的颅骨面貌复原进行了研究，研究方法也逐渐成熟，从单纯研究软组织厚度发展到研究五官形态与颅骨形态间的相互关系。特别是格拉西莫夫，他在研究本国多民族颅骨面貌复原的基础上，总结并提出了较为全面和系统的理论和研究方法，写成从头骨复原面貌的方法对这技术的发展起到了一定的推动作用。颅骨面貌复原是一种结合了体质人类学和造型艺术的科学的造型特技艺术( s c i e n t i f i c- 3 西北大学硕士学位论文p a r l o rt r i c k ) 。它的科学依据是人体头面部的解剖学规律。我们知道，尽管每个人的面貌各不相同，但都有其一般规律。首先，每个人的面部都是由肌肉、毛发等软组织包着的颅骨组成的。颅骨是容貌的内核和构架，五官和头部软组织附着在颅骨的相应部位上，形态受颅骨各部位和结构关系的影响和制约。其次，头部软组织厚度，除颊部变化较大外。其余部位，尤其是决定侧面轮廓的正中失状面各部位的软组织厚度比较恒定。面貌特征上的年龄变化和性别特点在颅骨上可以得到比较明确的反映。成年人的颅骨个体形态比较恒定。因此根据颅骨来复原其生前面貌是完全可行的，这已经被一百余年以来的国内外实践所证实。颅骨面貌复原的技法一般采用雕塑法进行，这也是迄今为止较为成熟的一种方法。这种方法的基本工作程序如下：( 1 ) 检测颅骨。在进行面貌复原之前，要先对颅骨进行观察和测量，确定年龄、性别、种族和生前有无影响面容的损伤和疾病。( 2 ) 翻制石膏颅骨模型。在翻制石膏颅骨模型前，要观察颅骨有无破损，如有破损，要进行修复。修复时，破碎骨片可用硝基清漆或5 0 2 粘合剂进行粘台。在修复好颅骨后用模子复制一个石膏颅骨模型。( 3 ) 石膏颅骨模型的定位。翻制好的石膏颅骨模型要按照法兰克福平面固定在架子上。( 4 ) 粘贴厚度标高和塑造面貌。在石膏颅骨模型固定好后按各部位软组织厚度数据制成的“标高小桩”粘在石膏颅骨模型上，再以这些标高小桩的高度为标准，把用小滚子压好的橡皮泥条粘在石膏颅骨模型上，将各指标点联成一个橡皮泥网，然后把橡皮泥填入这些网状空格中，做出面貌复原塑像的基本轮廓。基本轮廓形成后，再根据对颅骨特征和解剖关系的分析塑上眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵、肌肤、毛发等细部，并可根据需要着色、着装或翻制石膏像及拍照。2 1 2 面部复原知识库计算机辅助面部复原的基础是有关的知识库。面部软组织厚度的数据是恢复面貌的依据，因此建立一个面部软组织厚度的数据库是必不可少的。根据对颅骨检测获取的信息，比如说男性2 0 岁至3 5 岁、蒙古人种等己知条件，我们就可以从库中按照有关规则推理出所需的相应数据。软组织厚度的数据只能实现面部轮廓的复原，下一步是实现对面部施加五官的操作。为此我们还需一个五官的数据库。由于颅骨的某些特征会决定五官的类型，因此还应该建立一个规则库阱检测颅骨和五官间的解剖关系。当然，复原的方式、方法不同，数据库、规则库的形式也可能不同。在手工复原中，数据和规则在描绘者的脑子里。在计算机复原中，数据和规则自然地存储在计算机中。传统的获取数据的方法是用探针对尸体面部直接探测，记录面部的有关标志点软组织厚度的有效数据。这种方法实现起来多有不便，而且，人死后的软组织脱水使得探针所测数据的可靠性大打折扣。现在，用c t 扫描和核磁共振成像技术，通过计算机的检测获取数据既快又方便，而且来自活的人体的数据更加可靠。从理论上讲，计算机复原可以采用比手工复原多得多的面部组织厚度数据。我们也正致力于收集更多测量点的更多数据。通过不同年龄、不同种族、不同地区面部软组织厚度样本的数据采集，计算机完全有能力处理为制作一个更精确的面部所需的全部数据。2 1 3 二维计算机复原二维的计算机复原的原理与二维描绘复原相同。基于颅骨图像的二维解剖描绘复原已有实际的应用。在此我们简单介绍日本n r i p s ( n a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t eo fp o l i c e4 西北大学硕士学位论文s c i e l 2 c ! ) 的二维计算机复原系统。该系统包括图像处理和图像编辑两部分。图像处理完成对颅骨形态的测量，产生一个面部框架；图像编辑则把各个面部器官合成在数字化颅骨图像上。为在这个面部框架上复原面部，此系统从数据库中选出适合此颅骨形态的面部器官的数据。符合解剖学标准的最合适的面部器官样本被贴在面部框架上。之后，描绘程序可以改变面部图像上皮肤的颜色和明暗。不论在可操作性上还是在易于产生多个版本面部的灵活性上，这样产生的面部比通常的雕塑或绘图方式产生的面部都要好得多。在实践中，该系统能够客观、迅速地产生一系列可能的面部，提高定性认证的准确程度。图像编辑包括图像编辑器和数据库。在这一阶段，符合解剖学和人体测量学标准，同时适台指定颅骨形态的面部器官被选出并加在“面部框架”上。面部器官可由系统在输出样本库中检索。根据“检索”菜单的指令，操作者给每种面部器官的分类项中输入数据系统可自动搜索数据库，提示相应的各个面部器官的文件名同时样本显示在屏幕上。操作者依据解剖学和人体测量学的知识，从所有可选项中选择最合适的器官。最后调整了大小和方向之后，最合适的输出样本被准确地贴在“面部框架”上。复原过程中，面部上会出现一些正常面部上不会出现的现象，比如露出的白骨和器官样本之间不一致的肤色。可用电子绘画程序重新“润色”复原面部。先给空白部分填上皮肤的颜色，再在各个器官之间平衡皮肤的颜色；最后，依据颅骨的起伏，调整皮肤表面的明暗程度。这样产生的面部既符合客观实际又真实，比通常的雕塑和描绘方式复原的效果好得多。而且，可以很容易地为一副颅骨描绘好几幅可能的合成图像。另外，画眼影把单眼皮换双眼皮，发型的变换和化妆等都可实现。复原完成后可用与重选相同的方法进行颅骨和面部图像间解剖关系的检查。最后的复原图像可以彩色的图片输出。2 1 4 计算机三维复原利用颅骨面貌复原迄今已有一百余年的历史。虽然传统的粘土三维复原技术已较成熟，在法医人类学、体质人类学等方面发挥了重要作用，成为一项经典的方法，但是有许多局限性。其一，操作者须同时具备解剖学、人类学以及雕塑学的知识，很难为一般人所掌握：其二复原过程复杂费时至少十余日；其三，粘土雕塑复原一次只能得到一种形态可变性差：其四，复原结果很大程度上依赖操作者个人的技术、经验和主观印象，缺乏共同的规范。近二、三十年来，随着现代科学技术的发展及其与各学科间的相互交叉渗透，人类学家开始注意将临床医学的新成果和技术手段用于颅骨的面貌复原。特别是c t 、核磁共振扫描图像技术以及计算机科学可视化技术和图像处理技术的出现，为人类学家进行面貌复原提供了新的技术手段。计算机辅助的三维复原系统是目前研究的热点。具有立体效果和面貌逼真的三维图像给人们提供了更加丰富的信息。三维面貌复原包括三维颅骨数据的获取、三维知识库的建立、三维显示技术、三维交互式处理技术、三维编辑技术。在计算机复原系统上，首先要把颅骨图像三维数字化，然后，把一个从数据库中检索出来的早已数字化的面部，像面罩一样盖在空间的颅骨上同时调整面部软组织厚度阻适合其下覆颅骨的特征。最后，通过三维的显示手法，在计算机的屏幕上给出具有光照效果的、可从多角度观察的复原体面貌图像。( 1 ) 数据的取得一系列颅骨表面坐标点的测量数据对于计算机复原是不可或缺的。获得这些三维数据可有多种方法，目前已知的有以下两种方法：第一，人们用一种电子机械空间数字化仪获取数据。该仪器包括一个活动手臂，手臂上的3 个关节轴上各安装一精确的电位计。电位计的模拟输出电位被转化为数字值，并存贮在计算机内。为取得一系列的三维数据，技术人员必须重复地在颅骨上人工移动手臂的尖端进行定位。这种方法比较简单、直观，但是非常费时并且很有可能造成人为的偏差。堕韭查兰堡主堂竺堡苎第二，伦敦大学开发了一个用于人面部三维数据的全自动收集系统 4 。该系统包括一计算机控制的旋转平台、激光扫描仪和一台接在计算机上的视频相机。该系统可以0 5 i i i 【的分辨率在3 0 s 内记录2 0 0 0 0 个表面坐标点。数字化的视频信号经简单的三角变换可计算出所需的表面坐标点的数值。这种方法人工干预的成分很少，可以最大限度地减少人为的失误。( 2 ) 面部复原不论是人工数字化仪采集的还是激光扫描仪采集的颅骨的数据集，最初以一个有明有暗的表面的形式显现在屏幕上。通过依照有关规则调用知识库的有关数据，即颅骨的标志点和相应的软组织厚度值，明暗的表面上就“长”出了一层相应厚度的“肉”。经过平滑处理，一个没有眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴的面罩就出现了。尽管这个面罩看起来不像一个真人，它却具有人的面部基本的形状。为使这个面罩更逼真j 可以加上五官，但是如果所加的面部器官不是复原对象原有的器官，所产生的面部可能比那个光滑无器官的面罩更加难以辨认。因此，为了选取更合适的面部器官，如果可能的话，多获取一些复原对象的种族、体格、性别等信息是非常必要的。通过计算机根据颅骨的五官对应特征点调整面部器官的大小和空间位置之后，才能把数字化的面部“盖”在面罩上，这就要求选择和缩放面部器官数据以匹配被复原的颅骨的尺寸。这样，面部轮廓就被有效地“移植”到颅骨表面上了并经软件调整后以适合选定的坐标点。这样，一个可视的面部轮廓就产生了。用该技术形成的面部本身可能没有足够细节信息以供有效认证。交互的对基本的面部器官的修改，比如鼻子、嘴、嘴唇、眼睛和眼眉以及头发颜色调整，对于产生一张可供辨认的面部往往达到事半功倍的效果。用交互计算机图形技术可以缩放、平移面部器官至面部适当的位置。类似技术已经成功地用于许多其他二维系统。虽然面部三维复原过程计算机化非常复杂，但其能够高效地完成面部原复的优点弥补了额外工作所带来的损失。最后为了在各个不同的位置观察，可以旋转复原的结果，井对光线做全面地控制。在将复原结果与已有照片作比较时，这一切将会起到特殊作用。( 3 ) 讨论与其他复原技术一样。三维复原也永远不可能1 0 0 真实，因为面部上可变的细节太多了。嘴巴、鼻子、眼睛和耳朵的复原上有许多显而易见的困难；头发的颜色、眉毛的形状，男子面部的须发对于面部有很大影响；伤疤、痣、皱纹、纹身、佩带的首饰、眼镜，咀及许多不能从颅骨上推断出的信息也都能影响复原的面部。与原人一模一样的面部几乎不可能产生，三维复原技术也只能产生一个近似的面部。一个复原的面部图像即使不完全像原人，只要它的真实程度能在公众中产生一定的反响，有助于对死者身份的认证，我们就可以说这是一次成功的复原。2 2 计算机辅助三维颅骨面貌复原方法2 2 1 科学可视化技术概述科学计算可视化是八十年代后期提出并发展起来的- - n 新兴技术。本节概要介绍它的诞生背景、存在的意义等，着重阐述了用可视化技术解决实际问题的过程科学计算可视化模型，该模型不但为研制可视化应用软件提供了参考，同时也是后续章节的依据。2 2 1 1 引言近年来，科学技术飞速发展超级计算机、地球卫星、宇宙飞船、c t 扫描仪、m r 核磁共振仪、地震勘测等都产生了大量数据。由于缺乏大体积数据的有效分析手段百分之九十咀上的数据都被自白浪费掉。在1 9 8 7 年2 月于华盛顿召开的一次科学计算的专题研讨会上，众多来自不同领域的科学家发出一个共同的呼声：“数据太多，无法处理”。在这种形6 -t 亘i ! 茎兰婴主兰竺丝塞势下，美国计算机成像专业学会应美国国家科学基金的要求研究并提出了解决方法“v i s u a l i z a t i o n ”方法，并与1 9 8 7 年1 1 月提交了一份“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”( 科学计算可视化，简称为v i s c ) 的报告，该报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期与长期的研究方向。从此，美国国家科学基金会的几个学部开始支持可视化的研究项目。稍后，欧洲和日本也开始支持科学可视化的研究计划。从1 9 9 0 年起，美国i e e e计算机学会计算机图形学技术委员会开始举办每年一度的可视化国际学术会议，这标志着“科学计算可视化”作为一个学科已经成熟它的应用遍及所有计算科学( 指应用计算机从事计算的科学与工程学科) ，并且获得了巨大效益。2 2 1 2 科学计算可视化的含义科学计算可视化首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。简单的说，科学计算可视化就是把计算机图形学、计算几何学、图像处理技术和图像理解技术应用于计算科学的学科。直观地讲，科学计算可视化就是用图像来描述物理现象，将看不见的物理现象变成可见的图像( 尤其是三维图像) ，帮助科研人员对他们所研究的问题形成一个清晰的、易于描述的概念。也就是说，科学计算可视化是研究如何把科学数据，无论是通过计算还是测量获得的数值，或是从卫星传送回来的图像、dna ( 脱氧核糖核酸) 大分子序列、分子模型、流体流动仿真、飞行器在地表面飞行仿真，或是医学c t ( 计算机层面x射线照相) 和m r i ( 核磁共振成像) 数据转换成可视的、易于科学家理解和解释的方式。科学计算可视化以计算机为工具，以大规模科学计算和测量数据为处理对象，以图形图像为表现形式。2 2 1 3 科学计算可视化的意义众所周知，计算机用于科学计算已有五十多年历史。但长期以来由于计算机软硬件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进行，而不能进行交互处理，使用者不能对计算过程进行干预和引导，只能被动的等待计算结果的输出，而大量的输出数据又只能用人工方式处理，或者用绘图仪、打印机输出二维图形，从而丢失大量信息，不仅不能即时的得到有关计算结果的直观、形象的整体概念，而且人工处理数据十分冗繁，所花费的时间往往是计算时间的十几倍甚至几十倍，成为提高科学计算质量和效率的重要瓶颈之一。尤其近年来，随着科学技术的迅猛发展，待处理的数据量越来越大，以致科学家们惊呼：“我们所能做的只是将这些数据收集并存放起来n而与此同时由于近年来计算机的计算能力以每年翻一番的速度迅速提高，原来称运算能力每秒1 亿次操作的机器为超级计算机目前这一概念早已被更新，每秒十亿次、百亿次，甚至千亿次的超级计算机已经投入运行，同时网络传输与分布计算功能增强，图形生成及图像处理均可用硬件实现，速度大大加快，这些都为科学计算可视化的实现奠定了基础。实现科学计算的可视化可以大大加快数据的处理速度，使目前每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通讯，而不是目前的文字通讯和数字通讯，从而使人们观察到传统的科学计算中不可能观察到的现象和规律，可以使科学家们了解到在计算过程中发生了哪些现象，并可以改变参数，观察其影响，从而对计算过程实现引导和控制。总之，科学计算的可视化将极大的提高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使科学研究工作的面貌发生根本的变化。科学计算可视化成功地实现了h u m m i n g 早期所指出的：“科学计算的目的不是为了获取数据，而是获得洞察力”。它丰富了科学发现的过程，给予人们意想不到的深入事物内部的能力。目前，科学计算可视化已从研究阶段走向实用化阶段，众多的研究成果已经在天体物理学、生物学、气象学、空气动力学、数学、医学、地质学等领域发挥了重要作用，科学计算可视化的重要意义已勿窖置疑，正象“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”报告中所指出西北大学硕士学位论文的：“科学计算可视化对科学生产力和重大科学突破将产生巨大影响这种影响可与巨型机的影响相比拟。”2 2 2 计算机辅助三维面貌复原模型在计算机辅助颅骨面貌复原的技术中，计算机辅助三维复原系统是目前研究的重要内容，由于近年来科学计算可视化发展和应用，给计算机辅助三维复原提供了深厚的技术基础，而且具有立体效果和面貌逼真的三维图形给人们提供了更加丰富的信息。三维面貌复原包括三维颅骨数据的获取、三维知识库的建立、三维显示技术等。在计算机复原系统上，首先要把颅骨图像三维数字化，然后，把一个从数据库中检索出来的早已数字化的面部，像面罩一样盖在空间的颅骨上，同时调整面部软组织厚度以适合其下覆颅骨的特征。最后，通过三维的显示手法，在计算机的屏幕上给出具有光照效果的、可从多角度观察的复原体面貌图像。在图2 1 中，我们给出了计算机辅助三维颅骨面貌复原的基本模型，由图中可以看出，通过医学图像和科学可视化的分析处理，得到三维的体数据模型，再结合具体的法医人类学知识分析得到的三维体数据模型提出计算机辅助的三维颅骨面貌复原方法。计算机辅助三维颅骨面貌复原方法图2 - i 计算机辅助三维颅骨复原基车模型在分析传统的颅骨复原方法和计算机辅助复原的基本模型的基础上，可以得出计算机辅助三维颅骨复原具体过程为：通过c t 扫描数据，建立三维颅骨模型和表面模型，交互式完成对括体的软组织厚度测量，以建立软组织知识库：通过对面部影像的数字化，分解和分析出面部五官的各种特征数据，建立面部五官知识库；建立三维可视化分析平台，完成对颅骨和面貌的三维重建。面貌复原系统在三维颅骨的基础上，完成根据知识库和五官库的推理和恢复工作。在整个过程中，具体技术有二维编辑、三维快速显示、交互式测量技术、曲面造型、三维处理技术及算法涉及到计算机图形学，人工智能，数学建模等领域。通过以上的分析，可以得出计算机三维颅骨面貌复原模型的可分为两大部分：面部软组织的知识库的建立和颅骨面貌复原。面部软组织的知识库的建立为随后的颅骨面貌复原提供了重要的物质基础。通过对不同的年龄段，性别，种类的人群的面部软组织的分析、采样、统计。颅骨面貌复原是根据面部软组织的知识库的信息，应用计算机的图像图形处理技术和科学计算可视化知识来复原颅骨的面貌。但是，面部特征点的厚度统计和三维颅骨面貌复原的数据来源不同，三维颅骨面貌复原的颅骨数据来自三维数字化设备，三维扫描数字化设备只能采来物体的表面三维信息，也就是说，对于一个活体，三维扫描数字化设备无法得到活体的颅骨数据，只能得到表面信息，所以无法对活体做颅骨与表皮关系的统计，也就不可能得到它们之间的厚度关系，但是医学c t 图像数据恰恰可以弥补这个缺点，通过医学图像的处理我们可以分离出人的各个器官对应的也就可以分离出一个人的表皮与对应的颅骨数据。8 一一堕些查堂嬖主堂堡丝苎由于数据的输入不同和处理方式和目的不同，我们提出了两个模型，一个是面部特征点厚度和软组织厚度统计模型，一个是基于三维输入设各的面貌复原模型，这两个模型互为因果关系，统计模型是复原模型的基础。但同时二者又各自对立，统计模型对人的颅骨和面貌关系研究提供了计算机三维辅助的方法和手段，颅骨面貌模型提供了不同统计模式的不同复原方法。2 2 2 1 面部软组织厚度测量模型面部软组织的厚度测量模型的具体步骤如下：( 1 ) 输入c t 医学数据，将它转换为一个体数据格式，即约定的一种格式，主要考虑到各种c t 数据格式的不同，将它们先转变为一个统一的体数据格式，便于以后处理。( 2 ) 对c t 医学影像数据进行图像的处理，提取出颅骨和面皮的边缘，即从图像信息中提取图形数据。( 3 ) 对提取出的图形信息进行三维模型的构造，重构出颅骨和面皮的三维体数据。( 4 ) 实现对体数据的三维显示。( 5 ) 将三维颅骨数据转换到法兰克福坐标系中。( 6 ) 基于人的颅骨的形态特征点，应用不同的测量方法，确定不同的三维测量点。( 7 ) 根据这些测量点，计算颅骨与面皮的厚度数据，将厚度数据保存到数据库。2 2 2 2 三维颅骨面貌复原模型三维颅骨面貌复原的模型的具体步骤如下：( 1 ) 通过三维扫描设备，输入三维颅骨数据。( 2 ) 对三维颅骨数据进行三维模型的构造，重构出待复原的颅骨三维体数据。( 3 ) 实现对体数据的三维显示。( 4 ) 将三维颅骨数据转换到法兰克福坐标系中。( 5 ) 基于人的颅骨的形态特征点，对三维体数据做纵向和横向切分，确定三维测量点。( 6 ) 根据这些测量点，同时读出这些测量点的多个样本的统计值然后按照测量点的对应关系和统计的厚度值生长出对应的表皮点。( 9 ) 对生长出的表皮数据进行三维重构，构造出复原体的三维模型。( 1 0 ) 对复原的三维模型进行滤噪平滑处理。( 1 1 ) 对复原体进行真实感三维面皮的光1 滑显示。2 2 2 3 小结通过对软组织厚度关系模型和三维颅骨面貌复原模型的分析，可以看出，面部软组织的测量是三维颅骨面貌复原的物质基础，也就是说我们应用不同的测量方法和不同的铡量点决定了我们要采用的复原方法和复原效果，测量的方法是复原的方法的基础，测量厚度的那些人的颅骨的形态特征点也就是复原面貌时候要生