[发明专利]一种基于现代人软组织分布的古人类头骨颅面交互复原方法

说明书

本发明涉及一种基于现代人软组织分布的古人类头骨颅面交互复原方法，具体包括以下步骤：步骤1，古人类头骨的几何修复；步骤2，古人类头骨与现代人的颅骨的配准；步骤3，基于参考模型的软组织分布的颅面复原；步骤4，颅面复原结果候选数据集的构建；步骤5，基于统计形状模型的颅面交互复原。本发明所述基于现代人软组织分布的古人类头骨颅面交互复原方法的有益效果：提高基于颅骨配准的颅面复原方法的准确性；提高古人类头骨颅面复原结果的准确性；提高颅面复原结果的准确性。

技术领域

本发明涉及人类头骨颅面复原方法，更详细地说，涉及基于现代人软组织分布的古人类头骨颅面交互复原方法。

背景技术

人类的祖先长什么样，如何应用颅面复原技术进行古人类头骨的面貌复原是人类学家关注的热点问题之一。颅骨和面貌的几何形状具有相关性，颅骨的几何形状决定面貌的几何形状，因此可以利用颅骨面貌复原技术解决该问题。颅骨面貌复原是根据人体头面部软组织分布以及颅骨与面貌五官间的形态关系，在颅骨或颅骨的石膏模型上用可塑物质，例如橡皮泥、粘土、塑像蜡等生成颅骨生前面貌的技术，该技术已经应用于历史名人、古人类头骨、刑事案件中受害人等三维面貌的复原。

由于古人类与现代人的颅面形态关系并不完全一致，长期以来手工复原方法是古人类头骨化石面貌复原的主要技术。中国人类学家采用手工雕塑技艺相继复原了北京猿人、蓝田猿人、马坝人、金牛山人、大荔人等古老型人类，以及柳江人、扎赉诺尔人、丽江人等早期现代人的三维面貌。英国自然历史博物馆的研究人员也采用手工雕塑技艺完成了距今1万年的英格兰“切达人”的三维面貌复原。但是，手工复原方法也存在手工雕塑技术复杂、操作难度大、难掌握，复原过程周期长、复原结果易受复原人员主观经验影响等局限。为此，国内外学者利用图像处理软件实现了古人类头骨的二维复原。Susan Hayes等人依据现代人特征点处的面部软组织厚度以及颅骨与五官的关系，利用Adobe Photoshop CS软件实现了古人类头骨面貌图像的复原。然而，该方法的复原结果仍以二维平面形式呈现，缺少复原面貌的三维几何形状，未能实现古人类头骨三维面貌形状的复原，难以满足人们认识和感受远古人类面貌的需求。

近年来，随着计算机断层扫描和磁共振成像等医学影像技术的发展，活体人群已经被用于面部软组织的测量和分析，为计算机辅助颅面复原技术的发展和应用提供了大量基础数据。计算机图形学、机器学习等信息技术的应用为发现颅面形态关系和计算机辅助颅面复原提供了技术支持。计算机辅助颅骨面貌复原技术是将现代人的颅面形态关系(如面部软组织厚度、解剖结构等)用于待复原颅骨的面貌复原，具有复原速度快、复原结果客观等优势，已成为研究和应用的热点。

目前，计算机辅助颅面复原技术可分为三类：

(1)基于特征点的软组织分布的颅面复原方法，该方法是将特征点处的面部软组织平均分布作为待复原颅骨的软组织分布从而实现颅面复原。该方法首先统计不同年龄、性别、种族的少量面部特征点处的软组织厚度均值，然后将其作为待复原颅骨对应特征点处的软组织厚度，从而通过插值或蒙皮技术实现三维颅面复原。

(2)基于颅骨配准的颅面复原方法，该方法首先从颅面三维数据库中选择合适的颅骨和面貌模型作为参考颅骨和参考面貌，然后依据颅骨特征点或脊线等信息采用非刚性配准方法将参考颅骨向待复原颅骨进行几何变形，最后将该变形应用于参考面貌模型实现三维颅面复原。

(3)基于统计学习的颅面复原方法，该方法首先采用主成分分析技术实现颅骨和面貌稠密对应点云的降维表示，然后，采用线性回归、特征根回归、偏最小二乘回归等机器学习方法定量表示颅面形态关系，最后，将待复原颅骨的主成分系数作为输入，计算其对应的面貌模型的主成分系数，最终实现三维颅面复原。