Volumetric Facial Reconstruction for Forensic Identification

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Universität Koblenz–Landau
Fachbereich Informatik
Volumetric Facial Reconstruction for Forensic Identification
Marco Petrick
Matrikelnummer 9720077
Seminar Computergraphik
betreut von Prof. Dr.-Ing. H. Giesen
Wintersemester 2000/2001
Vortrag vom 12.04.01
SEMINAR COMPUTERGRAPHIK, FACIAL RECONSTRUCTION
2
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
3
2.
Traditionelle Techniken der Gesichtsrekonstruktion
5
3.
Computerunterstützte Gesichtsrekonstruktionstechniken
9
3.1
2D Gesichtsrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2
3D Gesichtsrekonstrukion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.
Hierarchical Volume Deformation (HVD)
15
5.
Gesichtsrekonstruktion mittels HVD
19
6.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
23
Literaturverzeichnis
25
Anhang
26
1.
3
Einleitung
Ziel jeder Gesichtsrekonstruktionstechnik ist es eine möglichst große Ähnlichkeit eines
Kopfes, der vielleicht skelletesiert, verbrannt, schwer beschädigt oder verfault ist, mit dem
Gesicht eines Individuums vor dem Tod herzustellen. Diese Rekonstruktion in Verbindung
mit anderen Informationen und Charakteristiken wie zahnärztliche Daten, Radiographien,
DNA usw. soll eine positive Identifizierung unterstützten. Archäologen, Pathologen und
Anthropologen im Bereich Forensik haben bereits sehr lange menschliche Skelette für
unterschiedliche Zwecke untersucht. Hierzu gehören z.B. das Verstehen von ausgestorbenen
Kulturen und Völkern, verschiedene Anwendungen in der Medizin und der Gerichtsmedizin,
so wie das Identifiziern von Personen in einer polizeilichen Untersuchung. Das Ziel einer
forensichen Untersuchung ist es Antworten auf einige Fragen zu gewinnen, zu denen
folgende zählen:
Was ist das genaue Alter des Individuums?
Welches Geschlecht gehörte das Individuum an?
Wie groß war die Person?
Welcher Rasse gehörte das Individuum an?
Welches Gewicht/Körperform hatte die Person?
Kann das Individuum identifiziert werden?
Welcher Art sind die Verletzungen?
Wie ist das Individuum verstorben?
Wie hat sich die Person ernährt?
...
Häufig sind die skeletalen Überreste unvollständig, was es schwer macht die genauen
Antworten auf all diese Fragen herauszufinden. Der Schädel ist jedoch sehr nützlich zum
Bestimmen von vielen dieser Faktoren. Merkmale des Schädels werden z.B. dazu verwendet
das Geschlecht und die Rasse zu identifizieren, während die dentalen Merkmale u.a. zum
groben Bestimmen des Alters verwendet werden..
Traditionelle Molellierungs-Techniken zur Gesichtsrekonstruktion bauen ganz stark auf die
Fähigkeit und das anatomische und anthropologische Wissen des ausführenden Künstlers auf.
Es werden zahlreiche subjektive Interpretationen der Gesichtsform benötigt, um eine
Rekonstruktion eines unbekannten Schädels herzustellen. Diese Subjektivität ist bei diesen
Techniken die Hauptfehlerquelle.
Computerunterstützte Techniken sind sowohl schneller, als auch wesentlich flexibler als
traditionelle. Sie hängen aber ganz stark von der Größe und Qualität der Datenbasis von
Gesichtern ab, mit deren Hilfe die Rekonstruktionen erschaffen werden.
Abb. 1
Amerindian skull
Abb. 2
Black American skull
Abb. 3
Caucasian skull
4
Abb. 1,2 und 3 verdeutlichen die Problematik der unterschiedlichen Schädelformen bei
verschiedenen ethnischen Gruppen unterschiedlichen Geschlechts und Alters.
5
Gesichtsrekonstruktion allgemein ist die wissenschaftliche Kunst der Visualisierung von
Gesichtern auf Schädeln zum Zwecke der individuellen Identifizierung. Es besteht ein
Übereinkommen darin, dass man die Gesichtsrekonstruktion in vier verschiedene Ansätze
unterteilen kann:
die Widerherstellung durch Ersetzen und Repositionieren von Gesichtsgewebe, welches
beschädigt oder in Auflösung begriffen ist, aber noch auf und um den Schädel existiert
ii) Überlagerungs-Techniken, der Vergleich des Schädels mit einer pre-mortem Fotografie
oder Portrait unter Verwendung von fotografischen-, video- oder Computer-Techniken
iii) Zweidimensionale Gesichtsrekonstruktion, künstlerische Repräsentationen des Schädels
mit Transparenten und Zeichnungen
iv) Dreidimensionale Gesichtsrekonstruktion, die Modellierung eines Gesichts über einem
Schädel unter Verwendung von z.B. Ton
i)
2.
Traditionelle Techniken der
Gesichtsrekonstruktion
Die Wissenschaft der Gesichtsrekonstruktion wird schon seit über einem Jahrhundert
angewendet. Anfänglich diente sie lediglich zur Reproduktion von Büsten, mit deren Hilfe
man die Schädel bedeutender historischer Persönlichkeiten nachmodellierte (Verweis auf die
Technik der Totenmasken).
Um 1920 begann der russische Paläontologe Gerasimov seine Studien der menschlichen
Gesichtsform und entwickelte eine Technik der Gesichtsrekonstruktion, welche auf die
Muskulatur über dem Schädel und nicht auf Tiefenmessungen des weichen Gesichtsgewebes
beruhte.
1940 entwickelte Krogman einen alternativen Ansatz, bei welchem Tonstreifen, begrenzt von
Markierungen der Dicke des weichen Gesichtsgewebes, über dem Schädel plaziert wurden.
Diese Technik der Gesichtsrekonstruktion mittels Tonstreifen und Markierungen des
Gesichtsgewebes wurde bei unzähligen archäologischen und historischen Schädeln verwendet
z.B. auch bei der Gesichtsrekonstruktion des berühmten „Ötzi“.
Abb. 4
6
traditionelle Technik der Gesichtsrekonstruktion
Als erstes wird ein Abdruck des Schädels hergestellt und mit Gips ausgegossen. Dieses
Gipsduplikat, auf dem die Konstruktion stattfindet ist notwendig, da die archäologischen
Originale meist zu wertvoll sind. Als nächstes werden fundamentale Entscheidungen über das
Alter, Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit und Körperkonstituion des Subjekts getroffen.
Diese Information wird vom Schädel, dem kompletten Skelett und erhaltenen Artefakten wie
Kleidung und andere Besitztümer, die sich in der Nähe des Fundortes befanden, extrahiert.
Mit Hilfe eines Satzes von Messungen des Gesichtsgewebes wird der Schädel mit einer
geeigneten Anzahl anatomischer Punkte markiert und kleine Löcher werden an diesen Stellen
gebohrt und mit kleinen hölzernen Dübeln gefüllt. Die Länge dieser Dübel wird mit Hilfe von
durchschnittlichen Messtabellen bestimmt und entspricht der Dicke des weichen
Gesichtsgewebes an dieser bestimmten Stelle. Diese kleinen Dübel formen die äußeren
Begrenzungen des Gesichts welches rekonstruiert werden soll. Drei Beispieltabellen für die
Dicke des Gesichtsgewebes von Kaukasiern, Schwarzen und Indianern befindet sich im
Anhang. Die Abbildung 5 zeigt die anatomischen Punkte auf dem Schädel, an denen die
Messungen vorgenommen worden sind.
Abb. 5
7
Anatomische Punkte
Der Winkel der Nase wird vom Winkel des Nasenknochens und des Nasenrückens
extrapoliert. Sukzessiv werden jetzt die Hauptmuskeln des Gesichts mit Ton oder einem
ähnlichen Modellierungsmaterial vom Schädel aus aufgetragen. Der Interpretationsspielraum
ist hierbei groß.
Das Ziel ist aber nicht die Herstellung eines in Bezug auf die Muskeln exakten anatomischen
Modells. Die exakten Dimensionen der einzelnen Muskeln sind nicht so wichtig für die
Rekonstruktion, vielmehr wird die Endform des Gesichts von der Dicke des aufgetragenen
„weichen“ Gesichtsgewebes bestimmt.
Nachdem die Hauptmuskelgruppen in strikter Reihenfolge, den anatomischen Regeln nach,
aufgetragen wurden, wird eine Lage Ton zur Simulation des Gewebes über den Muskeln
aufgetragen. Somit ist die Rekonstruktion auf der Ebene der Dübel-Begrenzungen angelangt.
Zum Schluss werden die oberflächlichen Merkmale wie die genaue Nasenform und
sorgfältige Ausformung von Lippen und Ohren durchgeführt. Im Weitern wird sich zeigen,
dass es bei den Rekonstruktionstechniken mittels Computer durchaus Parallelen zu dieser
traditionellen Technik existieren. Die anatomischen Punkte auf dem Schädel und die Dübel
zur Simulation der Dicke des Gewebes werden in fast allen Lösungen verwendet.
8
Die Abbildungen 6 und 7 zeigen zwei weitere traditionelle Modellierungstechniken, auf die
allerdings nicht weiter eingegangen werden soll. Abb. 6 zeigt die Gesichtsrekonstruktion
mittels Zeichnungen.
Abb. 6
Zeichentechnik
Abb. 7 Überlagerungstechnik
9
Die Abbildung 7 veranschaulicht die zweidimensionale Gesichtsrekonstruktion mittels
Bildbearbeitungsprogrammen und Zeichnungen. Das Foto eines Schädels mit Holzdübeln
wird mit einer Überlagerungstechnik durch eine künstlerische Zeichnung ergänzt.
Bei beiden Abbildungen zeigt sich deutlich die Problematik der subjektiven künstlerischen
Interpretation, die sehr von Rekonstruktionen mittels anderer Methoden abweichen kann.
3.
Computerunterstützte
Gesichtsrekonstruktionstechniken
In den letzten zehn Jahren wurden eine ganze Reihe von Systemen zur zwei- oder
dreidimensionalen Rekonstruktion eines Schädels entwickelt. Diese Systeme zielen darauf ab
den kompletten Rekonstruktionsprozess schneller, flexibler und offener für Manipulationen
zu gestalten. Ein großes Anliegen hierbei ist es gewesen, den Hauptnachteil der manuellen
Rekonstruktion, also die Ungenauigkeiten und Fehler, welche durch die Subjektivität der
künstlerischen Gestaltung auftraten, zu beseitigen.
3.1 2D Gesichtsrekonstruktion
So verwendeten Ubelaker und O’Donell [UO92] ein System, welches ursprünglich entworfen
worden war, um den Alterungsprozess bei vermissten Kindern und flüchtigen Personen zu
simulieren und adaptierten das System für die Gesichtsrekonstruktion von skelletierten
Überresten.
Evenhouse et al. [E92] projezierte die generalisierten Gesichtsmerkmale eines
durchschnittlichen Kopfes auf die Größe und Form eines bestimmten Schädels. Dieses
durchschnittliche Bild eines Gesichts ist das Ergebnis einer Komposition einer Reihe Fotos
mit Frontalansichten von Personen desselben Geschlechts, ähnlichen Alters und ethnischer
Zugehörigkeit.
Craig [C92] machte bei Test-Studien die wichtige Beobachtung, dass es eine höhere
Erkennungsrate gibt mit Gesichtsrekonstruktionen, die es den Testpersonen erlauben,
fehlende Merkmale durch ihre Fantasie zu ergänzen. Eine eher generelle Rekonstruktion,
10
ohne z.B. Augen, Haare, Augenbrauen, Bart usw. bewirkte eher, dass eine Testperson glaubte
denjenigen identifizieren zu können als eine aufwendige Rekonstruktion, die eher einem Foto
ähnelte. Die Ergebnisse aller bisherigen zweidimensionalen Techniken hängen sehr stark von
der Datenbasis der Merkmale ab oder von der Breite des Spektrums der Fotos, mit denen die
durchschnittlichen Gesichter erzeugt werden.
3.2 3D Gesichtsrekonstrukion
Die Grundlagen für die dreidimensionale Rekonstruktion lieferten Arridge, Moss et al.
[AM85] mit ihrer Arbeit über die dreidimensionale Digitalisierung von Gesicht und Schädel
mit Hilfe eines vollautomatischen 3D laser-scanners.
Die erste Arbeit auf dem Gebiet der dreidimensionalen Gesichtsrekonstruktion zu
forensischen Zwecken stammte von Vanezis, Blowes et al. [B89]. Sie verwendeten eine
Methode, welche ursprünglich geplant war Chirugen bei der Operationsplanung zu
unterstützen. Ein realistisches dreidimensionales Abbild des Kopfes konnte vom Chirugen
via Computer manipuliert werden, um die Auswirkungen auf das weiche Gewebe, bei
chirugischen Eingriffen auf das harte Gewebe, einschätzen zu können.
Die Methode von Shahrom et al. [S96] sah eine manuelle Auswahl der jeweiligen
anatomischen landmarks auf dem Schädel vor, nachdem die Oberflächenkoordinaten durch
einen 3D laser-scanner gewonnen wurden. Über diese anatomischen Punkte wurde eine
glatte, merkmalslose Gesichtsmaske gelegt, ohne Augen, Ohren, Mund und Nase. Die
Gesichtsmerkmale wurden
mit
Hilfe einer
Datenbank
bereits
gescannter
Oberflächenmerkmale lebender Personen, hinzugefügt.
Archer [A97] verwendete ein polygonales Model des Schädels, das durch einen
Digitalisierungsprozess mit Hilfe eines laser-scannes gewonnen wurde. Ein hierarchisches Bspline Oberflächenmodell wurde verwendet, auf dem virtuelle Dübel zur Bestimmung der
Dicke des weichen Gewebes, manuell an bekannten anthropologischen landmarks gesetzt
werden. Siehe die Abbildungen 8 und 9.
Abb. 8
11
polygonales Schädelmodell
Abb. 9 Schädel mit erweiterten Dübeln
Darüber wird die Gesichtsoberfläche an die Dübel angelegt, wobei geeignete Tiefen des
weichen Gewebes berücksichtigt werden. Die Punkte zwischen den Dübeln werden glatt und
ebenmäßig interpoliert unter Verwendung eines multi-level B-spline ApproxiamtionsAlgorithmus. Abbildung 10 zeigt das verwendete Oberflächenmodell des Gesichts.
Abb. 10
12
B-spline Oberflächenmodell
Die Abbildungen 11 bis 13 zeigen das Raster, welches über den Schädel nach und nach in
verschiedenen Layern gelegt wird, die angepasste B-spline Oberfläche und Variationen. Allea
aus der Arbeit von Archer [A97].
Abb. 11
Level 1 und 2 der Rekonstruktion
Abb.12
an die Dübel angepasstes Gesichtsgewebe
Abb. 13
Variationen unter zu Hilfenahme zusätzl. Anatomischer Punkte
13
14
Alle diese Techniken, traditionelle wie computerunterstützte, sind auf einen Satz von
Standard Gesichtsgewebemessungen an bestimmten anatomischen Punkten des Schädels
angewiesen, als Basis für die Rekonstruktion. Diese ungenauen, da durchschnittlichen
Messungen sind der Hauptgrund für die Ungenauigkeit dieser Techniken und der
Gesichtsrekonstruktion im Allgemeinen. (Drei Beispieltabellen befinden sich im Anhang.)
Die meisten Rekonstruktionen, die heutzutage durchgeführt werden, basieren noch auf
Gewebetiefemessungen, die an Leichen durchgeführt worden sind. Die Erstellung solcher
Durchschnittstabellen ist sehr aufwendig und erfordert großes Geschick. Vor der Entwicklung
des Ultraschalls in der Medizin mussten die Messungen an Leichen durchgeführt werden:
Deren weiches Gesichtsgewebe wurde an bestimmten bekannten anatomischen Stellen
aufgeschnitten und die Tiefe bis zum Knochen dokumentiert. Die Untersuchungen an Leichen
warfen wieder andere Probleme auf, z.B. mussten die Leichen vor deren Einbalsamierung 24
Stunden nach dem Tod untersucht werden und Fehler traten bei den Messungen auf, weil sich
die Haut bei den Messungen deformierte oder nicht die korrekten anatomischen Punkte
verwendet wurden. Die Aufgabe anatomische Punkte auf Schädelknochen durch das weiche
Gesichtsgewebe zu lokalisieren, gestaltete sich für die Pathologen als nicht so einfach.
Die meisten der oben genannten Probleme wurden durch die Entwicklung und Verwendung
von neuer medizinischer Technologie wie Craniography, Computer Tomography und
Magnetic Resonance Imgaging gelöst.
Die obigen Abbildungen zeigen jedoch deutlich, dass es noch Probleme gibt bei der
Verwendung von virtuellen Dübeln und Tabellen zur Gewebedicke. An einigen Regionen des
Gesichts besteht ein akuter Mangel an Daten. Die komplexen Konturen des Gesichts können
mit einem relativ kleinen Standardsatz von anatomischen Punkten nicht korrekt dargestellt
werden. Besonders auffällig ist dies im Bereich der Lippen (siehe Abbildung 13).
4.
15
Hierarchical Volume Deformation (HVD)
Basierend auf den Arbeiten von Lee et al. [L96] ist ein neuer Ansatz zur Deformation von
Daten, beruhend auf Voxel-Basis entwickelt worden. Der Algorithmus der Hierarchical
Volume Deformation (HVD) erreicht eine C2-Stetigkeit und eine Punkt zu Punkt
Deformation eines volumetric datasets. Das weiche Gewebe des Gesichts wird als eine
Einheit betrachtet und manipuliert.
Die zu Grunde liegende Annahme ist , dass wenn Schädel ähnliche Formen besitzen, auch die
dazugehörigen Gesichter einige Hauptcharakteristiken gemein haben müssen. Deswegen wird
eine Transformation auf ein Referenz-Gesicht aus einer Datenbank angewendet, um ein
Gesicht auf einen Schädel zu approximieren.
Dieses Basiskonzept, auf welchem der Algorithmus beruht, ist die sogenannte Free Form
Deformation (FFD), welche eine mächtige repräsentations-unabhängige Technik ist, um ein
Objekt im dreidimensionalen Raum zu verformen. Anstatt das Objekt direkt zu verformen,
manipuliert der Benutzer ein dreidimensionales Gatter, in dem das jeweilige Objekt
eingebettet ist. Eine nützliche physikalische Analogie zum Verständnis der Deformation ist
die Folgende: Man stelle sich das Objekt in einer klaren, durchsichtigen und flexiblen
Plastikmasse vor, in welcher das Objekt eingebettet ist. Wenn man nun die umgebende
Plastikmasse verformt deformiert sich das darin eingeschlossene Objekt ebenfalls in einer
weichen und konsistenten Art und Weise. Die Extended Free Form Deformation (EFD)
erlaubt zusätzlich die direkte Manipulation von Kontrollpunkten.
Der Algorithmus HVD erlaubt es, ein Objekt, welches in einem dreidimensionalen parallelen
Gatter von Kontrollpunkten eingebettet ist, zu manipulieren. Da durch die Manipulation die
Deformationsfunktion bestimmt wird, welche die jeweils neue Position für jeden Punkt des
Objekts bestimmt, wird ein direktes Manipulationsschema mit B-spline Approximation
verwendet, um eine lokale Kontrolle des Gatters von den Merkmalspunkten aus zu
gewährleisten.
Allgemein ist ein volume V eine Sammlung verstreuter Voxel, jedes mit einer zugehörigen
Dichte. Diese Voxel werden im Allgemeinen in Form eines regulären dreidimensionalen
Gatters mit der Dimension (dx*dy*dz) angeordnet. Jedes Voxel besitzt eine ihm zugeordnete
Dichte di, welche im Bereich [min, max] liegt. Das bedeutet:
V = (xi, yi, zi, di)
wobei (1 ≤ x i≤ dx), (1 ≤ y i≤ dy), (1 ≤ z i≤ dz) und (min ≤ d i≤ max) gilt.
16
Um ein source volume Vs zu deformieren, wird es zuerst in ein dreidimensionales
Kontrollpunkt Gatter ψ der Dimension (dx+2*dy+2*dz+2).
Das Anfangsgatter ψ0 hat (cx+1*cy+1*cz+1) Kontrollpunkte ψijk wobei cx, cy und cz die
Anzahl der Unterteilungen sind, die vom gröbsten Gatter entlang der x, y und z Achsen
benötigt werden. Es existiert eine Hierarchie immer feiner werdender Kontroll-Gatter, um
eine sanfte und kontinuierliche Deformation zu gewährleisten.
Abb. 14
Anfangskonfiguration des Gatters P um
die volumetric data Vs
Bei der Anfangskonfiguration des Gatters ψ0 liegt jeder Kontrollpunkt ψ0ijk an der ijkten
Position. Die gewünschte Deformation des Objektes wird durch Verschieben jedes
Kontrollpunktes von seiner Anfangsposition bewerkstelligt. Als Deformationsfunktion w
wird das trivariante kubische B-spline Tensorprodukt verwendet und alle 64 umliegenden
Kontrollpunkte beteiligen sich an der Deformation.
17
Sei v ein gegebenes Voxel im volume Vs und (u, v, w) die Gatter-Raum Koordinaten des
Voxels v an der Position (x, y, z) dann ist die Deformationsfunktion w definiert als:
w(u, v, w) =
3
∑ B (r )B (s )B (t )ψ
k
l
k ,l ,m =1
m
a + k ,b +l ,c + m
wobei
r = u – |_u_|, s = v – |_v_|, t = w – |_w_|, a = |_u_| – 1, b = |_v_| – 1, c = |_w_| – 1.
Die uniformen kubischen B-spline Basisfunktionen sind definiert als:
B0(t) = (-t3 + 3t2 - 3t +1)/6
B1(t) = (3t3 - 6t2 + 4)/6
B2(t) = (-3t3 + 3t2 + 3t +1)/6
B3(t) = t3/6
mit (0 ≤ t ≤ 1)
Um ein erhöhtes Maß an Kontrolle über die Deformation zu gewinnen, werden zwei
zusätzliche Merkmalspunkt-Paare Cs = (cs1, cs2, ..., csn) und Cd = (cd1, cd2, ..., cdn) eingeführt.
Sie spezifizieren die Quell- (source) und Ziel-Positionen (destination) von n
Merkmalspunkten um die Daten des Objekts. Die Merkmalspunkt-Paare Cs und Cd
verschieben die Kontrollpunkte des Gatters in einer Art und Weise, die vollkommen der
gewünschten Deformation gleichkommt.
Eine Hierarchie von Gattern ψ0, ψ1,..., ψk vom gröbsten bis zum feinsten wird verwendet, um
eine Sequenz von Deformationsfunktionen wn, wn-1, ..., w0 abzuleiten. Durch diese
wiederholte Anwendung des Deformationsprozesses wird die Bewegung jedes Punkts csn in
Cs so akkumuliert bis er seine endgültige Position cd erreicht hat. Die schrittweise feiner
werdenden Gatter werden hierbei verwendet, um die umliegenden Punkte so wenig wie
möglich zu beeinflussen.
18
Wenn δk als Raum zwischen den Kontrollpunkten in der Anfangskonfiguration des Gatters
ψk definiert ist, dann ist der Raum zwischen den Kontrollpunkten des (k+1)ten Gatters
definiert als δk+1 = 0.5 δk. Mit jedem Schritt bewegt die Deformationsfunktion wi die
Merkmalspunkte näher an ihre Zielposition. Der Fehler ξ zwischen der neuen deformierten
Position jedes Punktes und der gewünschten Zielposition ist definiert als:
ξ (w) = max w(csn ) − cdn
2
Ein Punkt csi in Cs eines Gatters ψk kann sich ein Maximum von (0.48δk, 0.48δk, 0.48δk)
bewegen, wenn alle 64 umliegenden Punkte die maximale Verschiebung besitzen. Wenn
jeder Punkt csi sich mit maximaler Distanz bewegt reduziert sich der Fehler ξ um wenigstens
(0.48δk)3 und das nächstkleinere Gatter wird verwendet. Die Iteration mit einem einzelnen
Gatter ψk wird fortgesetzt bis der Fehler unter 0.5(0.48δk)3 fällt. Wenn dies auftritt, wird das
nächstfeinere Gatter ψk+1 verwendet. Dieser Prozess, der in Abb. 15 dargestellt ist, wird so
lange fortgesetzt, bis der Fehler unter der vom Benutzer gesetzten Konstante α fällt.
Abb. 15
Anwendung der sukzessiv kleiner werdenden Gatter
5.
19
Gesichtsrekonstruktion mittels HVD
Die Rekonstruktion eines Schädels wird mit Hilfe des oben beschriebenen hierarchischen
Deformationsalgorithmus bewerkstelligt. Zwei Merkmalspunkt-Sätze werden verwendet, um
die Quell- und die gewünschten Zielpositionen auf bestimmten anatomischen Merkmalen des
Schädels zu spezifizieren. Die eigentliche Gesichtsrekonstruktion eine Schädels Sd geschieht
durch die Deformation eines Referenzkopfes Hs (bestehend aus dem Schädel Ss und Gewebe
Ts) in Richtung der Form von Sd. Auf diese Art und Weise wird das Gesichtsgewebe Ts neben
dem Referenzschädel Ss deformiert, um den endgültig rekonstruierten Kopf Hd zu
produzieren, welcher die spezifischen Gesichtsmerkmale des Schädels Sd aufweisen sollte.
Abb. 16 Schädel Sd der rekonstruiert werden soll
Der erste Schritt der Rekonstruktion beinhaltet das Gewinnen eines Referenzkopfes Hs und
eines Schädels Sd. Die Digitalisierung des Ursprungsschädels Sd wird mit Hilfe eines
Computer Tomographie (CT) scanners, unter Verwendung einer sampling rate von jedem
Milimeter bewerkstelligt. Auf diese Art und Weise entsteht eine Reihe gleichgeformter
zweidimensionaler Abbildungen, die zu einem einzelnen Stack kombiniert werden können,
der genau die dreidimensionale Struktur des Schädels in submilimeter genauer Detailsstufe
beschreibt.
Die Verwendung von CT scannern zur Dateneingabe ist heutzutage noch größtenteils auf das
scannen von verstorbenen Subjekten beschränkt. Ein lebendes Subjekt in der benötigten
Genauigkeit zu scannen, würde bedeuten, es einer potenziell gefährlichen Strahlendosis
auszusetzen. Einige Forschungsgruppen beschäftigen sich damit, die Knocheninformationen
aus Datensätzen mittels Magnetic Resonance Imaging (MRI) zu extrahieren. Auf diesem
Wege kann eine detaillierte Repräsentation des Schädels ohne Risiko für das Subjekt
gewonnen werden. In den letzten Jahre werden aber auch CT Systeme mit verringertem
Strahlen-Ausstoß und verbesserter Bildqualität immer mehr frei verfügbar.
Abb. 17 CT des Schädels Sd
Nach der Digitalisierung werden auf der Darstellung des Schädels Sd Punkte manuell an
bekannten anatomischen Punkten plaziert. Dieser manuelle Ansatz ist zwar sehr
zeitaufwendig, garantiert aber größtmögliche Genauigkeit für den späteren
Merkmalsvergleich mit bekannten Schädeln.
Abb. 18
Bestimmung der anatomischen Punkte auf voxelisierte Darstellung des Schädels Sd
20
21
Als nächstes wird der Referenzkopf Hs (Schädel Ss und das darüber liegende Gewebe Ts),
welcher zur Rekonstruktion verwendet werden soll, aus einer Datenbasis bekannter Köpfe
ausgesucht, die alle durch CT scannen gewonnen wurden. Um eine genaue und realistische
Rekonstruktion Sd zu produzieren muss der Referenzkopf Hs eine möglichst genaue
Übereinstimmung in Bezug auf Geschlecht, Alter und Schädelform sein.
Die Referenzköpfe H1, H2, H3,..., Hn werden in einer baumartigen Struktur gespeichert, um
das Vergleichen zu erleichtern. Dieser Baum besitzt zwei Hauptzweige: male und female,
welche wieder in diverse Unterzweige unterteilt sind, die ein unterschiedliches
Altersspektrum repräsentieren z.B. young male, mature male und senile male. Am Ende eines
jeden Zweiges befindet sich eine Untergruppe von Referenzköpfen, die sich in Bezug auf
bestimmte Merkmale ähnlich sind und denen ein Satz von Merkmalen Fs zugeordnet sind.
Diese Sätze von Merkmalen sind an bekannten anatomischen Positionen auf den Schädeln
angeordnet. Der Baum muss traversiert werden, um einen Satz von Referenzköpfen gleichen
Alters und Geschlecht zu bekommen. Der nächste Schritt der Rekonstruktion beinhaltet einen
Merkmalsabgleich, um einen einzigen Kopf aus diesem Satz zu gewinnen, bei dem die
anatomischen Merkmale möglichst genau mit den gesetzten Merkmalen auf dem zu
rekonstruierenden Schädel übereinstimmen (siehe Abbildung 19).
Abb. 19
Referenzkopf Hs
Nachdem ein passender Referenzkopf Hs (mit Schädel Ss) gefunden wurde, wird er mit Hilfe
der Merkmalspunkte deformiert, um die Form von Sd anzunehmen. Dabei werden lediglich
die Kontrollpunkte verschoben und manipuliert. Die Art und Weise der hierarchischen
Deformation (HVD) wurde bereits oben erläutert (siehe Abbildung 20).
Abb. 20
22
Rekonstruierte Kopf Hd nach Deformation von Hs
Die Visualisierung des rekonstruierten Kopfes wurde durch ein angepasstes volume rendering
Paket erreicht: Die endgültige Rekonstruktion konnte unter verschiedenen
Beleuchtungsverhältnissen, verschiedener Orientierung und mit einstellbarer Transparenz
betrachtet werden. Die verschiedenen Transparenzstufen erlaubten sogar eine simultane
Darstellung sowohl des weichen Gewebes wie den darunter liegenden Knochenstrukturen.
Die verschiedenen Stufen der Deformation des Referenzkopfes bis zum Endresultat wurden
gespeichert und eine Animation der Deformation konnte erstellt werden, welche den
Identifizierungsprozess unterstützen sollte.
6.
23
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Simon D. Michael testete sein System an einem unbekannten Schädel eines 44 Jahre alten
Mannes. Er verwendete 50 anatomische Merkmalspunkte, die er auf dem computertomographierten Schädel positionierte, damit das System es mit der Datenbasis von
Referenzköpfen abgleichen konnte. Die generelle Form und Größe der Nase wurde bestimmt
durch die Prämisse, dass die Breite der Nasenöffnung im Schädel schätzungsweise 3/5 der
Gesamtlänge der rekonstruierten Nase ausmacht. Eine Linie an der Tangente des unteren
Drittels des Nasenknochens wurde nach unten projeziert bis es die Linie halbierte, welche
entlang der Richtung des vorderen Nasenrückens verlief, um den Abstand der Nase vom
Gesicht zu bestimmen. Michael macht keine Angaben darüber, wie lange das System
brauchte einen passenden Referenzkopf in der baumartigen Datenbasis zu finden und wie
lange es gedauert hat die 50 Merkmalspunkte manuell auf dem Schädel zu positionieren. Zur
Deformation des gefundenen Referenzschädels mittels der multi-level Free Form
Deformation (FFD) benötigte das System ca. zwei Stunden. Zur Beurteilung der endgültigen
Rekonstruktion und somit der Leistungsfähigkeit des Systems wurde jeweils ein pre-mortem
Foto zum Vergleichen benötigt. Das System bewerkstelligte eine ziemlich genaue
Übereinstimmung mit der generellen Kopfform und Größe des Schädels. Besonders zufrieden
zeigte sich Michael mit der Größe und der Positionierung der individuellen
Gesichtsmerkmale wie Augenhöhlen, Nase und Mund.
Die bisherigen Methoden der Gesichtsrekonstruktion basieren auf dem Verhältnis zwischen
dem Schädel und des darüber liegenden weichen Gewebes, weniger auf charakteristische
Merkmale des Schädels selbst. Bis vor einiger Zeit wurde dieses Verhältnis durch einen Satz
von spärlich gesetzten landmarks und Informationen über die Gewebedicke an diesen
Punkten vereinfacht. Problematisch ist aber die Verwendung von durchschnittlichen
Tabellenwerten zur Gewebetiefe. Die komplexen Konturen eines individuellen Gesichts
können nicht mit ein paar Punkten und Durchschnittswerten erreicht werden - es kommt
dabei immer ein “Durchschnittskopf“ heraus.
Die gravierenden Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen zeigt die Abbildung 21.
Abb. 21
24
Vergleich der Rekonstruktionen
Oben ist das Endergebnis mittels HVD gezeigt, dem CT gescannten Schädel wird praktisch
ein Referenzkopf übergestülpt und dieser manipuliert, bis er zum Schädel passt und unten das
Endergebnis eines „bottom-up“ Ansatzes der skeletal reconstruction. Bei dieser Technik
werden traditionelle Gesichtsrekonstruktionstechniken am PC simuliert. Dem CT gescannten
Schädel werden an bestimmten Punkten virtuelle Dübel oder Pflöcke aufgesetzt, deren
jeweilige Länge der Dicke des Gewebes entspricht (mit besagten Durchschnittstabellen).
Über diesen „gespickten“ Schädel wird eine B-spline Oberfläche gelegt und interpoliert.
Der Vorteil der Rekonstruktion mittels HVD ist der, dass alle Daten, welche das weiche
Gesichtsgewebe repräsentieren, deformiert werden, nicht nur die Oberfläche. Das
Gesichtsgewebe wird als eine Einheit betrachtet und verformt sich in enger Verbindung zu
Änderungen am Schädel selbst. Das Gesicht ist nicht einfach nur eine „Maske“ über einer
Anzahl Referenzpunkten und kann so die individuellen Eigenschaften, Unregelmäßigkeiten
und Asymmetrien des Schädels viel besser simulieren.
25
Literaturverzeichnis
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Lee S.Y., et al.:
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Anhang
Abb. 22 Schädel mit einem Standard Dübelsatz und die Interpolation mit diesem
26
Abb. 23 Schädel mit Standard plus extrapolierten Dübeln und die Interpolation mit diesen
27
28
Quelle: Rhine Stanley, Tissue Thickness Measures, Physical Anthropology Laboratories,
Maxwell Museum of Anthropology, University of New Mexico, 1982, 1983, 1984.
Messungen von „American Caucasoids“
29
Messungen von „American Blacks“
30
Messungen von „Southwestern Indians“
31

Volumetric Facial Reconstruction for Forensic Identification

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