顱面形態信息學，恢復消失的面容，警察叔叔的好幫手

孩童時期，我們就發現每個人的長相都不相同，人的長相為什麼如此千差萬別？這裡的長相主要是指人的面貌，面貌是由什麼決定的？除了遺傳基因和後天環境外，顱骨是決定面貌的主要因素。

顱面形態信息學概述

面貌是人與人之間識別的最直接依據，顱骨是人類面貌的內在生物特徵，其形態決定了人的面部特徵和五官的位置與結構。顱面形態研究包含多種方法，涉及多個應用領域。顱面形態信息學(Informatics Craniofacial Morphology)運用信息技術研究數字化的面貌和顱骨的生長變化規律、外觀形態規律和顱骨面貌之間內在的相互關係，是對傳統顱面形態學的深化和發展。顱骨和面貌複雜的特徵結構使得顱面建模和形態分析一直是計算機圖形學領域中一個極具挑戰性的課題。信息技術的迅速發展，為顱面形態學提供了新的研究方法和實現技術。利用信息技術實現顱面數據採樣、建立形態學計算模型、研究顱骨面貌生物特徵理論與關鍵技術，揭示中國人顱面的本質關係，並藉此有望解決該領域一系列重要的應用問題。

顱骨(skull)是人體最重要的器官，也是脊椎動物骨骼系統中最複雜的部分。顱骨分腦顱和面顱兩部分。腦顱(cranium)呈卵圓形，位於顱的後上部，內有容納腦的顱腔，起著保護和支持腦的作用。面顱(facial skeleton)為顱的前下部分，包含眼眶、鼻腔、口腔等結構，包含了人體對外交互的感覺、消化和呼吸的重要起始部分，這些「五官」器官構成面部的特徵，決定了人的面貌形態。

面貌是指人的容貌、相貌，包括了人的五官，膚色。面貌是人與人之間識別的最直接依據，顱骨是面貌的內在生物特徵。顱骨是形成面貌的基礎。一個人的長相，頭骨的結構形態、大小起伏等起決定性作用。例如，猿人的頭骨就決定了他們的長相與現代人有根本的區別。

根據體質特徵的差異，不同種族的人的面貌形態不同，其主要原因，也是其顱骨形態的差異。世界人種大致上分為3大人種，即黃色人種、白色人種（高加索人種）、黑色人種（尼格羅人種）。不同人種在額頭的高度、凸起的程度、眉脊（眼眉皮下的骨頭）的幾何形態和分布高度等都是不一樣的，見圖1。我們中國的大多數民族是屬於黃色人種，具有皮膚是淡黃棕色，毛髮直而黑，臉寬平、寬額，眼眶較高、鼻骨高度稍低等面骨的重要特點。

形態學（Morphology）是描述生物的形態和研究其規律性的學科。狹義的形態學主要是研究生物的成年個體的外形和器官構造(解剖學、組織學和器官學)。針對顱骨構成的幾何形態複雜性，構成面貌的多樣性，提出了顱面形態研究的領域，即顱面形態學（Craniofacial Morphology）。

顱面形態信息學是顱面形態學+信息技術。通過顱面的精細數字化方法、複雜三維數據結構和特徵提取方法，以形成顱面的數據信息系統；從而藉助信息技術的系統分析方法、人工智慧的機器學習、離散群的統計分析方法得到顱面的特徵和內部規律；運用圖形學的三維建模造型技術、真實感輸出顯示技術、虛擬現實技術、增量製造的實體3D列印技術和其他技術方法，真實地展示顱面的原有形態。這些方法既有傳統的數值計算，也有近年來的熱點技術，這一藉助發展中的信息技術研究顱面形態的方法，我們稱之為顱面形態信息學。

顱面形態的認識和進步回顧

人類對顱骨的認識、研究和手術改變已有數千年的歷史。

人類對顱骨面貌的認識

通過非自然的方法改變顱骨的形態是人類對自然和自身的探索，是出於健康或某種信仰追求醫學和美容的需要。

顱面手術記載範例：山東省大汶口文化遺址距今約5000多年。2001年考古人員發掘出土遺骸，在整理人骨標本時，發現該顱骨右側頂骨靠後部有一直徑為31mm×25mm的近圓形顱骨缺損，如圖2所示。經國內專家學者近年來的研究，認定該顱骨的近圓形缺損應系人工開顱手術所致，此缺損邊緣的斷面呈光滑均勻的圓弧狀，應是手術後墓主長期存活，骨組織修復的結果。

圖2　大汶口文化遺址發現的頭骨手術存活例證

中國古代五術之一的摸骨術，就是從接觸、撫摸一個人的頭顱、手骨、身體骨架等等骨相，判斷其個性、喜好、能力、專長、格局及未來成就的一種經驗預測，這也是古代中國人對頭骨的一種思考的總結。將嬰幼兒枕頭用硬的材料使孩子頭型變的扁平以突出臉框的做法，在我國中原西北一帶流傳至今，目的是為改變顱骨形態達到臆想中的「美觀」。

世界其他民族中也有頭骨拉長的記載。如距今約3000年的秘魯的帕拉卡斯文化時期，古代印第安人靠人工方法將孩子的頭骨拉長，以形成長臉的形狀，如圖3所示。古代有改變頭形習俗的不僅僅是帕拉卡斯印第安人。尤卡坦半島上的瑪雅人、墨西哥的薩波帖克人和托托納克人也有這種習俗。公元前5000年美蘇爾文化以前的人也有改變頭形的做法。非洲蘇丹和剛果的一些民族，還有太平洋新赫布里底群島的萬那杜居民，不久前還保留這種風俗。儘管這些民族有時空和文化差異，目的都是千方百計把頭拉長以示美。

圖3　古代印第安人靠人工方法將頭骨拉長示意圖

顱骨面貌復原技術的發展

近代的顱骨面貌復原是一種以顱骨為基礎，以人體頭面部解剖學規律為依據，根據人體頭面部軟組織及五官的形態特徵與顱骨形態特徵間的相關關係，在顱骨上，或顱骨的石膏模型上，或顱骨的影像上，用可塑物質(橡皮泥、黏土、塑像蠟等)雕塑或其他方法(顱骨側面描記、計算機顏面影像等)重建顱骨生前面貌形象的技術。人工顱面復原如圖4所示。

圖4　人工復原流程圖

顱骨面貌復原的設想最早由解剖學家Schaffhasen在1877年提出的，他認為根據顱骨復原其生前面貌是完全可能的。1883年，德國學者Welcker首次對13具男性屍體頭面部的軟組織厚度進行了測定。

1895年在德國的萊比錫市因擴建聖約翰教堂，由於墓穴密集和棺木損壞，遷墳時許多白骨混在一起，以至無法辨認出哪一具是大音樂家巴赫的遺骸，於是人們便從這些白骨中選出了一件被認為可能是巴赫的顱骨來，交給解剖學教授His，要求他鑒定這顆顱骨是否屬於巴赫。His試想在這顆顱骨表面塑上肌膚毛髮，看是否能夠得到和藝術家在巴赫生前為其所做的肖像相近似的面貌。於是His選出24具男性自殺屍體(考慮到病死屍體會因生前所患疾病的消耗而影響面部軟組織的正常厚度，故選用自殺屍體)，在面部定出了15個定位點，並測出了各點的軟組織厚度，再將這些厚度數據和那個顱骨交給了雕塑家Seffner，並在事先未說明顱骨可能屬於誰的情況下要求Seffner用這些軟組織厚度數據在顱骨上進行雕塑，結果得到了一個和巴赫的生前肖像非常相似的塑像，如圖5所示。這是世界上第一次嘗試用科學的方法復原顱骨的生前面貌。以後，又有Kollman和Buchly、Birkner、Fischer、von Eggeling、Stadnuller、鈴木尚、Γерасимοв等學者對不同種族的顱骨面貌復原進行了研究，研究方法也逐漸成熟，從單純研究軟組織厚度發展到研究五官形態和軟組織形態之間的相關關係。

中國人的顱骨面貌復原是1939年由蘇聯學者格拉西莫夫首次進行的，他製作了一男一女兩個古代人的塑像，被認為是誇大了其原始特性。第二次是美國學者魏敦瑞及其助手斯旺夫人製作的猿人頭骨復原，發表於1943年。第三次是20世紀50年代中國學者吳汝康、吳新智和王存義製作的，如圖6所示。

1916年由美國紐約警察局首次將顱骨面貌復原用於犯罪偵查。1925年，日本警方在偵破著名的「杉並白骨案」中第一次使用了顱骨面貌復原技術。在蘇聯，顱骨面貌復原也在1939年被用於刑事偵察工作。1971年的「九·一三」事件發生後，林彪專機在蒙古出事，最先趕到現場的蘇聯克格勃專家把疑似林彪、葉群的頭顱處理後帶回莫斯科。隨後，蘇聯宣布林彪、葉群在事故中死亡。克格勃是如何證實的？近年來公開的資料證明，對林彪、葉群的鑒定，也採用了基於顱骨的面貌復原技術和將顱骨與照片重合比照的顱像重合技術。在我國，顱骨面貌復原在20世紀80年代初被用於刑事偵察工作，現已成為偵破無名屍骨案的重要手段。

下面是公安部物證鑒定中心實際完成的中原許昌縣一件案例。犯罪分子為了謀財害命，將被害者殺害後碎屍百塊。公安部門發現受害者遺骸後，經物證中心專家三維雕塑復原，如圖7所示，在社會大眾和科技手段支持下很快破案，將犯罪分子繩之以法。

圖7　三維面貌復原照片和本人照片

傳統顱骨面貌復原瓶頸

1895年，德國人對大音樂家巴赫遺骨的復原開闢了顱骨面貌復原應用領域。傳統的面貌形態學研究和應用是人們在待定顱骨的基礎上，藉助解剖測量和針刺測量途徑而獲得對人臉和顱骨的測量數據，確定人臉軟組織的厚度規律，由藝術家雕塑而成。用雕塑法進行三維面貌復原，缺點是採集的顱面樣本量小、手工製作速度慢、效率低，且有主觀誤差。傳統的復原研究屬於人類學、藝術和醫學的交叉領域，較依賴復原者個人對顱面特徵和藝術的把握，其復原周期長，結果受主觀因素影響較大，造價高、操作複雜、手工計算誤差大，並不具備科學推廣的價值。人工顱面復原如圖8所示。

圖8　人工顱面復原現場

計算機輔助的顱面復原技術發展

近年來，隨著現代科技發展及學科間的交叉滲透，特別是上世紀90年代前後CT、核磁共振掃描應用於臨床醫學，獲取醫學數據的能力空前進步，使獲得大量活體頭顱樣本數據成為現實。計算機三維可視化技術的發展，為信息技術應用於顱面形態學研究提供了新的技術和方法。進入21世紀以來，計算機輔助的顱面三維重構關鍵技術的研究問題，已引起國際信息學、人類學、法醫學等相關領域的高度重視，成為國際上研究的熱點。人臉軟組織重建國際會議已分別在英國、德國、比利時召開了三屆。2006年，Journal of Computing and Information Technology這份信息技術的核心刊物，開始設立顱骨面貌復原技術專欄；2011年，頂級刊物ACM Computing Surveys中專題論述計算機輔助顱像重合技術，表明二十餘年來人類顱面學研究已開始由傳統技術走上了信息技術時代，由不確定的個例研究走上了科學體系的發展方向，科學問題已逐步明晰，信息技術的使用已初見成效。顱面形態信息學已成為信息處理領域和人類學領域的研究熱點。

計算機三維復原是一種真正意義上的進步。第一，在研究樣本上，它從以屍體作為研究樣本變成了以活體作為研究樣本，這樣一方面避免了一些實際條件和社會倫理方面的限制，另一方面避免了因死後軟組織變形而造成的誤差極大地影響了研究樣本的來源和質量；第二，在研究手段上，它使頭面部軟組織厚度測量從原始的針刺法發展到CT、核磁等現代技術方法，測量的軟組織厚度點從有限的幾十個點發展到大量點，實現了全部的數字覆蓋，是一個巨大的進步；第三，在圖像形式上，它從模擬圖像變成數字圖像，從二維變成三維，最大限度地減少了主觀誤差並提高了效率，是顱骨面貌復原技術的發展方向；第四，基於科學數據的復原，基本不受人的干擾，完全由數據程序智能生成。計算機數據生成3D面貌復原結果如圖9所示。

圖9　計算機數據生成3D面貌復原（來源於西北大學可視化技術研究所）

國際上關於不同人種的顱面形態研究主要集中在美國、德國、日本等發達國家。從20世紀90年代開始，我國公安部第二研究所、西北大學、北京師範大學等單位的人類學、法醫學和計算機領域專家組成的團隊，相繼在國家「九五」科技攻關等項目的支持下，開展計算機輔助顱骨面貌復原技術的相關研究。針對黃種人顱面形態研究中存在的瓶頸問題，建立中國人的顱面樣本庫，發展顱面形態信息學新技術，形成中國人面貌形態學的科學體系，開展具有我國自主知識產權的中國人顱面形態規律研究，科學意義重大，應用前景廣闊。

顱面形態信息學研究意義與應用價值

顱骨面貌研究是重大的科學問題。對於人體頭骨，除了其重要的保護大腦器官的生物學作用之外，顱骨也是構成面貌的基礎，面貌是人類識別的直接依據。顱面形態信息對人臉識別、面貌辨認、表情合成、認知計算等研究有直接的作用，是人類生物身份識別的重要根據。顱骨是保護人腦的，所以，對人腦的任何造訪，先要經過顱骨。開顱手術和顱骨修復，均需要掌握顱面形態的科學規律。顱骨決定人的面貌，人們試圖改變面貌，首先需要熟悉現有面貌和預測術後面貌。顱面形態信息是顱面修理、整容科學的重要基礎。目前開展的任何有關顱面的虛擬手術，了解顱面形態信息學知識是必需的基礎，圖10是通過改變面骨形態來改變面貌的實例。對於人類的遺骸，顱骨是遺留信息的最重要部分。基於顱骨的面貌復原，在法醫學上是對無源屍體查找的重要方法，對刑偵破案有時是至關重要的一步。在考古學中基於遺骸重構出歷史名人面貌，對於歷史問題的認定、大眾新聞探知、歷史文化資源開發，均有重要的社會意義和經濟意義。

圖10　通過改變面骨形態來改變面貌

顱骨面貌研究是社會安全的重大需求。近年來，隨著國內外社會治安形勢的變化以及國內人口流動性的日益提高，對社會治安提出了新的要求，對無名屍體身份進行認證是維護社會穩定需要解決的重要問題。在當前的社會發展和信息技術深入應用的背景下，基於顱骨的面貌復原技術社會需求廣泛。顱面形態信息學研究中的典型應用——顱骨面貌復原技術是查找屍源的「最後一張王牌」，顱像重合是解決屍源身份認定的重要技術。這兩項技術就是研究「顱面形態信息學」的基本動力，也是該項研究的主要內容。

顱骨面貌研究是人類學研究的重要基礎。體質人類學中的顱骨面貌復原用於再現遠古人類和歷史名人，運用信息技術研究中國古人類的進化發展，其現實意義是使中華文明在世界舞台上得到展示，使我國的顱面形態研究在國際上取得領先地位，同時促進民族之間認同、交流、團結髮展。法醫人類學中的顱骨面貌復原是由體質人類學中的顱骨面貌復原派生而來的，用於查找高度腐敗或白骨化的無名屍源的身份認證，為偵查工作提供線索。直接應用有：著名歷史人物的面貌復原、刑偵中對面貌不確定的屍源鑒定、災難現場的身份認證、顱骨和照片重合的法醫鑒定。

顱骨面貌研究在醫學領域具有重大的應用價值。頭顱手術修補、虛擬手術計劃、美容整形等頜面外科手術中，需要運用顱骨面貌研究的成果和技術降低手術的風險，減輕病人的痛苦，得到更好的手術效果。

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