计算机辅助颅像重合技术.doc

特约稿
计算机辅助颅像重合技术
周明全 刘晓宁
（西北大学 可视化技术研究所，陕西 西安，710069）
摘 要：从计算机辅助颅像重合的角度，对采用计算机辅助的颅像重合的关键技术进行了分析，研究了计算机辅助的颅像重合系统中用到的三维重构技术、颅骨校准方法、面部特征提取以及加权颅像配准算法等关键技术，同时给出了颅像配准的结果。试验表明，加权颅像配准算法效果比较理想。
关 键 词：颅像重合；份认证；颅像配准
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1000-274X(2003)0004-06
1 颅像重合原理及可信度
1.1 颅像重合与颅骨复原的关系
基于颅骨的身份认证[1]是一个国际范围的研究领域，已有百多年的研究历史，过去基本上是采用解剖学的方法研究面貌与颅骨的相互关系，主要存在的问题是活体解剖不可能，尸体解剖其面貌往往有一定的变化，而且采样的数量限制很大。近年来，随着现代科技的发展与各学科的交叉渗透，尤其是计算机图形学和图像技术的发展，为这项研究提供了新的手段。
目前，国内在基于颅骨的身份认证技术研究方面主要有两种途径：① 采用手工颅像重合的方法进行身源鉴定；② 采用雕塑法进行颅骨面貌复原，提供身份认证的依据，即传统的粘土三维复原的经典方法。西北大学可视化研究所研制的计算机辅助颅骨面貌复原系统[2]在该领域已取得了突破性的进展。
颅骨复原是指根据颅骨和颜面软组织的解剖关系的实测值，直接用石膏、粘土、塑泥等可塑性物质，填塑出近似于该人的相貌。颅骨面貌复原后的认定，是一种同一性认证，不能作为司法鉴定的依据，仅作为认定的线索，为查明无名颅骨的身份提供参考。
颅像重合（Superposition technique）是指对一张失踪人留下的头部照片与一个身源不明的颅骨，根据人类头部颜面与颅骨的法医人类学解剖投影关系所确立的一系列科学的鉴定指标，进行影像重叠检验。以重叠时能否达到解剖学关系上的一致，来确定颅骨与照片是否出自一人，从而达到身份鉴定。
2.1 颅像重合原理[3]
颅像重合技术基于如下原理：人的头、面部是由肌肤、毛发等包裹着的颅骨组成的，颅骨是面貌的骨质内核，五官和其他软组织都按各自的解剖学位置固定在颅骨的相应部位上，因此，颜面的形态特征基本上由颅骨的形态特征所决定。由于每个人的颅骨形态的差异性决定着颜面形态的个体
特定性(人像照片就是这个特定性的客观反映)，所以，同一人的颅骨及其生前人像照片的影像在相同的成像条件下通过特殊装置、按正确的解剖位置重合，会显现出颜面形态特征和颅骨形态特征的一致性。如果不是出自同一人的颅骨和人像照片，即使还原了人像照片的成像条件，也不可能使颅骨的影像和人像照片的影像按正确的解剖位置全部重合。
1.3 可信度分析
由于人类颅骨形态的相似性，对颅像重合认定同一性的可信性历来都是争论的焦点。持否定态度的学者认为，目前尚无科学的证据证明一个人的颅骨不会和另一个人的照片重合，因而不能排除一个颅骨和两个以上照片重合的可能性。而且，即使颅像能够重合，也只能说明有很大的可能性，并不能得出确定的结论，因为现在还没有完全可靠的解剖标志来证明其可靠性。持赞同态度的学者认为，通过大量实际测量，没有发现各种尺寸完全相同的颅骨，而仅发现相似的颅骨。因此，完全可以根据颅像重合来进行同一性认定，如果不能重合或有假重合现象，应该首先质疑操作是否产生误差或其他一些人为因素造成的。
虽然颅像重合目前不能得到世界公认的具有同一性认定作用，但我们参考案情，同样可以能够做出同一认定，为司法提供依据。
2 传统的手工颅像重合
传统的颅像重合技术(superimposing, superposition)是用未知身源的颅骨和失踪人在失踪前的照片，在一个特殊装置上使两者的影像按相同的偏转、仰俯角度和焦距互相重叠，以重叠时能否达到解剖关系的一致，来确定颅骨与照片是否出自同一人的一种技术，是个人身份识别的一种方法。
1935年，人类首次用颅像重合技术成功地鉴定了无名颅骨的身源，以后世界各国都对颅像重合法进行了不同程度的研究与应用。1981年，我国学者才东升、兰玉文等人首次提出了一套应用颜面解剖投影的平面数据指标对重合照片进行测量比较的方法[4]，这种方法由原来的颅像重合只靠对外缘轮廓评价重合结果变为综合考察数据和外缘轮廓，从而使颅像重合更趋科学性。
近年来，在计算机图像处理、可视化技术领域已经取得了一批高质量的研究成果，但在基于颅骨的身份认证技术方面的成果还未见报道。目前，在计算机辅助的颅骨身份认证技术研究中，国外相继成立了人类身份认证实验室（中心），其研究仍基本处于实验室阶段，而国内主要以手工实现方法为主。然而，手工颅像重合存在如下缺点：① 需要特定的颅骨装置，能够自由移动颅骨；② 需要与照相技术相结合，多次翻拍，时间长，代价高；③ 凭经验，以手工选择特征点误差大；④ 手工计算复杂，误差大。
3 计算机辅助的颅像重合技术
随着计算机图像处理技术的发展，采用计算机辅助来实现颅像重合已经成为可能。计算机辅助颅像重合是指应用虚拟颜面解剖方式，实现解剖投影的平面数据指标与重合照片进行自动测量比较的辅助手段，通过对三维颅骨的平移、旋转、缩放等操作，准确标出被检颅骨与被检照片面部的标志点与标志线，检查颅骨轮廓曲线和照片人像轮廓曲线形态的对应关系。实现计算机辅助的三维颅骨与二维照片结合的颅像重合，可大大缩减颅像重合的时间和代价，同时提高了颅像重合精度。
计算机辅助颅像重合，是基于西北大学可视化研究所承担的“九五”国家重点攻关项目“计算机辅助的颅骨复原技术研究”来展开的。计算机辅助颅骨面貌复原是根据人类法医学的知识，应用计算机知识建立起颅骨与面皮的软组织数据库，然后对不同的颅骨数据，根据相应的软组织数据库中的数据来恢复面皮。
在计算机辅助颅骨复原项目中，应用了三维重构、三维切分、三维显示、三维交互处理、厚度统计、三维编辑、图形图像技术等计算机学科技术，同时结合人类法医学知识、统计学和美学等多学科的知识。计算机辅助颅骨面貌复原技术的研究，使我国在计算机三维面貌复原领域的研究处于世界前列，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。在该项目的研究过程中，我们已经建立了一个初具规模的蒙古人种颅骨面部信息样本数据库，由CT机上获取活体颅骨数据与面部信息（面部软组织厚度、面部五官构架关系）建立黄种人面部软组织厚度样本数据库，通过分析得到黄种人各年龄段软组织厚度的分布规律，构建黄种人软组织厚度标准模型。为我们后续展开计算机辅助的颅像重合技术研究提供了宝贵的经验和数据。
计算机辅助的颅像重合技术研究是国家“十五”863项目，该项目已经通过中期检查，其系统主要界面如图1所示。

图1 颅像重合系统主要界面
Fig.1 The main interface of photographic superimposition system
计算机辅助颅像重合的技术研究主要解决了如下关键问题：
3.1 三维重构
颅骨数据的获取有两种手段：① 先对颅骨做CT，由于对颅骨做CT不担心副作用，因此，CT切片尽可能密集，这样CT切片重构出来的颅骨会更接近真实颅骨；② 直接采用三维扫描仪获取颅骨的三维形态。
三维重构[5，6]主要针对第一种颅骨获取方式。其重构过程分为两大步：① 拓扑重构，主要是推导实体的拓扑关系；② 几何重构，建立实体的几何表示。
拓扑重构的目的，是对三维断层数据集中的每一断层的轮廓线进行分类，确定各轮廓线所属的实体，即确定上下断层轮廓线相互之间的关系，保证几何重构的正确性。因此，拓扑重构是断层重构的基础，我们在图形处理中采用凸包等处理，实际上已经解决了拓扑重构的关系，经过二维图像图形的处理，提取出的断层轮廓线只包含人的面皮与骨骼的信息。
几何重构的任务，是在拓扑分类的基础上建立对象的几何表面关系，对象的实体表面可以看成是由相邻断层间的插值表面段组合而成的。三角片表面重构，是面向曲线的表面插值中使用最广泛的一种，对于骨骼等复杂物体更为适合。我们主要采用的是三角片的表面重构，主要采用的方法是曲线的点约化。点约化的目的是在允许的误差范围内，尽量减少多边形链的顶点数。
3.2 颅骨位置校准
颅像重合的前提条件，是颅骨与人像照片的位置要一致，或者误差尽可能小。由于人像很难进行变换，所以主要对颅骨进行三维编辑，来达到颅像位置的一致。在人脸的正面图像中，人脸姿态的变化可分为平面旋转、垂直深度旋转和侧深度旋转。其中：垂直深度旋转对应仰俯角度，可利用仰俯角度与仰俯指数之间的关系调整颅骨；侧深度旋转对应于水平偏转角度，可利用水平偏转角度与水平偏转指数之间的关系调整颅骨；对于平面旋转，利用两外眼点间的关系对照片进行平面旋转即可达到要求。
在对颅骨进行调整之前，必须将颅骨放在正确的初始位置，这个位置即耳眼平面OAE（ohr-augenebene），又称为法兰克福平面FH（Frankfurt horizontal plane）。即颅骨左、右耳门上的点和左侧眼眶下的点确定的平面，如果左眼眶损坏，则采用右侧眼眶下点。处于法兰克福平面的颅骨相当于活体直立两眼平视前方时头部所处的位置。
3.3 标志点选取
在颅像重合系统中，标志点的准确与否至关重要。目前存在的颅像重合系统，都是采用手工在真实颅骨和二维照片上选取标志点，但手动选取对于操作者在医学以及颅骨方面的要求非常高，而且误差很大，因此不是理想的方法。要在计算机上对颅骨进行标点，不可能进行触摸式的标定。近几年，人脸识别领域得到了突飞猛进的发展，人脸器官的自动检测也有很多成熟的技术与方法。但是，经过试验，采用自动的方式来标定标志点不是很理想，因为标志点相差几个毫米，也会大大影响鉴定结果。后来，采用以手动标定为主，以计算机校对为辅助，效果比较理想。
首先确定一个标志点模板，对于特定的人脸或者颅骨，我们只需稍微进行调整，然后采用三停五眼规则以及标志点之间的关系进行自动校准。
3.4 颅像配准
颅像配准，即颅像重合鉴定，是将图像配准技术用于颅像重合。颅像重合最终是一组标志点和标志线的重合，根据这一特点，我们选取了基于点映射的颅像配准方法。同时，针对标志点对颅像重合作用的大小，提出了基于加权值的颅像配准算法，效果比较理想。颅像重合结果如图2所示。

图2 颅像重合结果
Fig.2 The result of photographic superimposition
4 结 语
本文首先对颅像重合与颅骨复原的区别及作用做了简要分析，并给出了颅像重合的原理和可信度分析。针对传统手工颅像重合的种种缺点，给出了我们实现的计算机辅助的颅像重合系统中的关键技术研究与进展。计算机辅助的颅像重合技术研究是基于颅骨的身份认证中一个非常重要的研究方向，具有其他生物特征无法比拟的优点，研究意义与应用价值重大。

参考文献：
[1] 耿国华，周明全. 基于颅骨的身份认证技术研究[A].第6届国际青年计算机工作者会议暨第二届生物特征识别研讨会，杭州：2001.
[2] 周明全，耿国华，范江波.计算机辅助的颅骨面貌复原技术[J].西北大学学报(自然科学版)，1997，27(5): 375-378
[3] 陈世贤.法医人类学[M]. 北京：人民卫生出版社，1998.
[4] 兰玉文.颅像重合法研究与应用（上下册）[M]. 北京：群众出版社，1999.
[5] 耿国华，周明全，吕 科.CT轮廓线数据重构曲面的方法[J].系统仿真学报, 2001，13(4)： 196-198.
(编辑：曹大刚)

The research of computer-aided photographic superimposition
ZHOU Ming-quan LIU Xiao-ning
(Visualization Technology Institute , Northwest University, Xi'an 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 adjusting 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 简 介
周明全,男，陕西西安人，生于1954年11月。西北大学教授，博士生导师，现任计算机科学系主任、陕西省计算机软件工程研究中心主任、兼任中国计算机学会理事、中国中文信息学会理事、陕西省中文信息专业学会主任委员。获“陕西省优秀留学回国人员”称号，被评为“陕西省有突出贡献的专家”。
他长期以来从事计算机可视化技术、软件工程、中文信息处理等重要领域的基础理论及其应用工程的创新性研究。承担多项国家级、省级科技攻关项目、横向课题的研究。他主持和完成国家“九五”科技攻关、“863”高技术、国家自然科学基金等重要科研项目，针对三维可视化的难点技术，取得突破性的进展，多项创造性成果产生了显著的社会经济效益，获得省级科技进步奖4项，2002年获得教育部科技进步二等奖，西安市科技进步一等奖。
他为本科生、研究生开设可视化技术、高级图形设计、虚拟现实、计算机原理、程序设计基础等多门课程，目前指导的在校硕士博士生、研究生30余人；学术思想活跃，以创新思维为特点，教书育人，受到学生的欢迎。在《计算机研究与发展》、《中国图像图形学报》、《计算机科学》、《小型微型计算机系统》、《西北大学学报》(自然科学版)等期刊上发表学术论文50余篇，合作编写专著2部，译著1部。多次为校内外学生干部举办讲座，积极推动信息科技普及与发展。
在计算机图像处理与可视化技术方面的研究与进展：2001年11月28日与2002年5月10日分别以“虚拟内窥镜技术”、“数字复原兵马俑”为题，在CCTV-1《科技博览》节目连续两次报道了周明全教授领导的西北大学可视化技术研究所在虚拟内窥镜技术与计算机辅助文物复原技术的研究成果，并在2002年6月CCTV-10《走进科学》节目中就这些科研成果进行了半个小时的专题报道，引起了社会的强烈反响，反映了他在可视化技术研究上取得的突破与进展。