摘  要： 主要介紹了基于顱骨配準的顱面復原方法，其中顱骨配準算法采用ICP+CPD方法。試驗表明，該方法復原效果良好，并對缺損顱骨具有一定的魯棒性。
關(guān)鍵詞： 三維顱面復原; 顱骨配準

    顱面復原是對人類的顱骨進行面部容貌復原的技術(shù),該技術(shù)以法醫(yī)學、人類學和解剖學中的頭骨與面貌相互關(guān)系規(guī)律為科學依據(jù)，廣泛應(yīng)用于刑偵、考古等領(lǐng)域。三維顱面復原有手工顱面復原和計算機輔助三維顱面復原兩種主要方式。手工顱面復原過程就是專家在受害人顱骨石膏模型上，根據(jù)經(jīng)驗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。手工復原耗時長，缺乏質(zhì)感，且復原效果不理想。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了借助計算機技術(shù)復原顱骨面貌的虛擬三維技術(shù),即計算機輔助顱面復原技術(shù)[1]。
1 計算機輔助顱面復原技術(shù)
    計算機輔助的三維顱面復原技術(shù)一般要經(jīng)過復原重建、構(gòu)建面部表情以及五官組合修飾與添加毛發(fā)3個過程。復原重建過程包括：三維顱骨模型的重建，顱骨模型頂點相應(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行顱面復原。在構(gòu)建面部表情過程中，需要在復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，從而得到一個形象更加逼真的三維人臉模型。在上述模型的基礎(chǔ)上進行五官組合修飾，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)計厚度為依據(jù)，采用一定的算法適當添加顱骨上的軟組織，從而達到面貌復原的目的[2]。目前，在已知軟組織數(shù)據(jù)的情況下，顱面復原的方法有很多種,如對照匹配法，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]，這種方法得到的復原顱面的頭頂和下巴經(jīng)常是缺失的，是不完整的；特征點法，這種方法最早是由英國BULLOCK D W和ARCHER K M[5]等人研究的，是計算機輔助的以少量特征點及對應(yīng)軟組織厚度值為依據(jù)進行的三維顱面復原；二維凸包法[6]，該方法首先在待復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，從而實現(xiàn)顱面復原；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。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現(xiàn)顱面復原，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)實現(xiàn)基于解剖學結(jié)構(gòu)的顱面復原。
    目前,研究比較廣泛的復原方法采用顱骨變形技術(shù)，即以顱骨配準為基礎(chǔ)實現(xiàn)顱面復原。基于顱骨配準的計算機輔助三維顱面復原方法過程如圖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顱骨S1，即T(S2)≈S1，因此可以得到T(F2)與未知的目標頭部模型很相似。該方法中最重要的就是對參考顱骨與目標顱骨進行配準，得到變形函數(shù)T，因此，顱骨配準對顱骨面貌復原有著重要的意義。

2 基于ICP+CPD顱骨自動配準的顱面復原方法
    通過分析目前國內(nèi)外流行的三維點云配準算法[10-11]，比較了這些算法的復雜性、精確性和魯棒性后，確定了用ICP和CPD 作為顱骨配準的基礎(chǔ)算法[12]能有效提高顱骨配準的準確性并對缺損顱骨具有一定的魯棒性。
    基于以上顱骨自動配準算法，將參考顱骨到目標顱骨的變形函數(shù)應(yīng)用于參考顱面，最終得到待復原顱骨的復原顱面，如圖2所示。但是，在刑偵事件中發(fā)現(xiàn)的待復原顱骨大都不完整，其中有些部位是缺損的，這就要求顱面復原的方法有一定的魯棒性，在顱骨某些部位不完整時，也能得到比較準確的結(jié)果。本文實驗了在待復原顱骨嘴部缺損的情況下顱面復原的結(jié)果，如圖3所示。實驗結(jié)果表明，本文采用的復原方法中無論待復原顱骨是否完整都能得到較好的結(jié)果。

    計算機輔助顱骨面貌復原在人類學研究、法醫(yī)學研究和刑事偵察等中都有重要的研究價值。本文首先根據(jù)顱骨形態(tài)學結(jié)構(gòu)，采用ICP和CPD算法對參考顱骨與目標顱骨進行自動配準，得到參考顱骨到目標顱骨的變形關(guān)系，最后將變形關(guān)系作用于參考顱面，從而實現(xiàn)顱面復原。
    目前對顱骨特征點的標定主要是手動標定，自動標定方式還不夠成熟，因此，顱骨特征點的自動標定方法是今后研究的重點。在顱骨配準算法方面，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算法，以提高配準的效率及復原的準確率。
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