Abb. 4 traditionelle Technik der Gesichtsrekonstruktioncg/veranst/ws0001/sem/Petrick_FR.pdf · DNA...

Universität Koblenz–LandauFachbereich Informatik

Volumetric Facial Reconstruction for Forensic Identification

Marco PetrickMatrikelnummer 9720077

Seminar Computergraphikbetreut von Prof. Dr.-Ing. H. Giesen

Wintersemester 2000/2001

Vortrag vom 12.04.01

SEMINAR COMPUTERGRAPHIK, FACIAL RECONSTRUCTION 2

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung...................................................................................................................................................2

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

7. Literaturverzeichnis ............................................................................................................................25

8. Anhang......................................................................................................................................................26

1. Einleitung


Ziel jeder Gesichtsrekonstruktionstechnik ist es eine möglichst große Ähnlichkeit einesKopfes, der vielleicht skelletesiert, verbrannt, schwer beschädigt oder verfault ist, mit demGesicht eines Individuums vor dem Tod herzustellen. Diese Rekonstruktion in Verbindungmit anderen Informationen und Charakteristiken wie zahnärztliche Daten, Radiographien,DNA usw. soll eine positive Identifizierung unterstützten. Archäologen, Pathologen undAnthropologen im Bereich Forensik haben bereits sehr lange menschliche Skelette fürunterschiedliche Zwecke untersucht. Hierzu gehören z.B. das Verstehen von ausgestorbenenKulturen und Völkern, verschiedene Anwendungen in der Medizin und der Gerichtsmedizin,so wie das Identifiziern von Personen in einer polizeilichen Untersuchung. Das Ziel einerforensichen Untersuchung ist es Antworten auf einige Fragen zu gewinnen, zu denenfolgende 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 genauenAntworten auf all diese Fragen herauszufinden. Der Schädel ist jedoch sehr nützlich zumBestimmen von vielen dieser Faktoren. Merkmale des Schädels werden z.B. dazu verwendetdas Geschlecht und die Rasse zu identifizieren, während die dentalen Merkmale u.a. zumgroben Bestimmen des Alters verwendet werden..Traditionelle Molellierungs-Techniken zur Gesichtsrekonstruktion bauen ganz stark auf dieFähigkeit und das anatomische und anthropologische Wissen des ausführenden Künstlers auf.Es werden zahlreiche subjektive Interpretationen der Gesichtsform benötigt, um eineRekonstruktion eines unbekannten Schädels herzustellen. Diese Subjektivität ist bei diesenTechniken die Hauptfehlerquelle.Computerunterstützte Techniken sind sowohl schneller, als auch wesentlich flexibler alstraditionelle. Sie hängen aber ganz stark von der Größe und Qualität der Datenbasis vonGesichtern ab, mit deren Hilfe die Rekonstruktionen erschaffen werden.


Abb. 1 Amerindian skull

Abb. 2 Black American skull

Abb. 3 Caucasian skull

Abb. 1,2 und 3 verdeutlichen die Problematik der unterschiedlichen Schädelformen beiverschiedenen ethnischen Gruppen unterschiedlichen Geschlechts und Alters.


Gesichtsrekonstruktion allgemein ist die wissenschaftliche Kunst der Visualisierung vonGesichtern auf Schädeln zum Zwecke der individuellen Identifizierung. Es besteht einÜbereinkommen darin, dass man die Gesichtsrekonstruktion in vier verschiedene Ansätzeunterteilen kann:

i) die Widerherstellung durch Ersetzen und Repositionieren von Gesichtsgewebe, welchesbeschädigt oder in Auflösung begriffen ist, aber noch auf und um den Schädel existiert

ii) Überlagerungs-Techniken, der Vergleich des Schädels mit einer pre-mortem Fotografieoder Portrait unter Verwendung von fotografischen-, video- oder Computer-Techniken

iii) Zweidimensionale Gesichtsrekonstruktion, künstlerische Repräsentationen des Schädelsmit Transparenten und Zeichnungen

iv) Dreidimensionale Gesichtsrekonstruktion, die Modellierung eines Gesichts über einemSchädel unter Verwendung von z.B. Ton

2. Traditionelle Techniken derGesichtsrekonstruktion

Die Wissenschaft der Gesichtsrekonstruktion wird schon seit über einem Jahrhundertangewendet. Anfänglich diente sie lediglich zur Reproduktion von Büsten, mit deren Hilfeman die Schädel bedeutender historischer Persönlichkeiten nachmodellierte (Verweis auf dieTechnik der Totenmasken).

Um 1920 begann der russische Paläontologe Gerasimov seine Studien der menschlichenGesichtsform und entwickelte eine Technik der Gesichtsrekonstruktion, welche auf dieMuskulatur über dem Schädel und nicht auf Tiefenmessungen des weichen Gesichtsgewebesberuhte.

1940 entwickelte Krogman einen alternativen Ansatz, bei welchem Tonstreifen, begrenzt vonMarkierungen der Dicke des weichen Gesichtsgewebes, über dem Schädel plaziert wurden.Diese Technik der Gesichtsrekonstruktion mittels Tonstreifen und Markierungen desGesichtsgewebes wurde bei unzähligen archäologischen und historischen Schädeln verwendetz.B. auch bei der Gesichtsrekonstruktion des berühmten „Ötzi“.


Abb. 4 traditionelle Technik der Gesichtsrekonstruktion

Als erstes wird ein Abdruck des Schädels hergestellt und mit Gips ausgegossen. DiesesGipsduplikat, auf dem die Konstruktion stattfindet ist notwendig, da die archäologischenOriginale meist zu wertvoll sind. Als nächstes werden fundamentale Entscheidungen über dasAlter, Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit und Körperkonstituion des Subjekts getroffen.Diese Information wird vom Schädel, dem kompletten Skelett und erhaltenen Artefakten wieKleidung und andere Besitztümer, die sich in der Nähe des Fundortes befanden, extrahiert.Mit Hilfe eines Satzes von Messungen des Gesichtsgewebes wird der Schädel mit einergeeigneten Anzahl anatomischer Punkte markiert und kleine Löcher werden an diesen Stellengebohrt und mit kleinen hölzernen Dübeln gefüllt. Die Länge dieser Dübel wird mit Hilfe vondurchschnittlichen Messtabellen bestimmt und entspricht der Dicke des weichenGesichtsgewebes an dieser bestimmten Stelle. Diese kleinen Dübel formen die äußerenBegrenzungen des Gesichts welches rekonstruiert werden soll. Drei Beispieltabellen für dieDicke des Gesichtsgewebes von Kaukasiern, Schwarzen und Indianern befindet sich imAnhang. Die Abbildung 5 zeigt die anatomischen Punkte auf dem Schädel, an denen dieMessungen vorgenommen worden sind.


Abb. 5 Anatomische Punkte

Der Winkel der Nase wird vom Winkel des Nasenknochens und des Nasenrückensextrapoliert. Sukzessiv werden jetzt die Hauptmuskeln des Gesichts mit Ton oder einemähnlichen Modellierungsmaterial vom Schädel aus aufgetragen. Der Interpretationsspielraumist hierbei groß.

Das Ziel ist aber nicht die Herstellung eines in Bezug auf die Muskeln exakten anatomischenModells. Die exakten Dimensionen der einzelnen Muskeln sind nicht so wichtig für dieRekonstruktion, 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 Muskelnaufgetragen. Somit ist die Rekonstruktion auf der Ebene der Dübel-Begrenzungen angelangt.Zum Schluss werden die oberflächlichen Merkmale wie die genaue Nasenform undsorgfältige Ausformung von Lippen und Ohren durchgeführt. Im Weitern wird sich zeigen,dass es bei den Rekonstruktionstechniken mittels Computer durchaus Parallelen zu diesertraditionellen Technik existieren. Die anatomischen Punkte auf dem Schädel und die Dübelzur Simulation der Dicke des Gewebes werden in fast allen Lösungen verwendet.


Die Abbildungen 6 und 7 zeigen zwei weitere traditionelle Modellierungstechniken, auf dieallerdings nicht weiter eingegangen werden soll. Abb. 6 zeigt die Gesichtsrekonstruktionmittels Zeichnungen.

Abb. 6 Zeichentechnik

Abb. 7 Überlagerungstechnik


Die Abbildung 7 veranschaulicht die zweidimensionale Gesichtsrekonstruktion mittelsBildbearbeitungsprogrammen und Zeichnungen. Das Foto eines Schädels mit Holzdübelnwird mit einer Überlagerungstechnik durch eine künstlerische Zeichnung ergänzt.Bei beiden Abbildungen zeigt sich deutlich die Problematik der subjektiven künstlerischenInterpretation, die sehr von Rekonstruktionen mittels anderer Methoden abweichen kann.

3. ComputerunterstützteGesichtsrekonstruktionstechniken

In den letzten zehn Jahren wurden eine ganze Reihe von Systemen zur zwei- oderdreidimensionalen Rekonstruktion eines Schädels entwickelt. Diese Systeme zielen darauf abden kompletten Rekonstruktionsprozess schneller, flexibler und offener für Manipulationenzu gestalten. Ein großes Anliegen hierbei ist es gewesen, den Hauptnachteil der manuellenRekonstruktion, also die Ungenauigkeiten und Fehler, welche durch die Subjektivität derkünstlerischen Gestaltung auftraten, zu beseitigen.

3.1 2D Gesichtsrekonstruktion

So verwendeten Ubelaker und O’Donell [UO92] ein System, welches ursprünglich entworfenworden war, um den Alterungsprozess bei vermissten Kindern und flüchtigen Personen zusimulieren und adaptierten das System für die Gesichtsrekonstruktion von skelletiertenÜberresten.Evenhouse et al. [E92] projezierte die generalisierten Gesichtsmerkmale einesdurchschnittlichen Kopfes auf die Größe und Form eines bestimmten Schädels. Diesesdurchschnittliche Bild eines Gesichts ist das Ergebnis einer Komposition einer Reihe Fotosmit Frontalansichten von Personen desselben Geschlechts, ähnlichen Alters und ethnischerZugehörigkeit.Craig [C92] machte bei Test-Studien die wichtige Beobachtung, dass es eine höhereErkennungsrate gibt mit Gesichtsrekonstruktionen, die es den Testpersonen erlauben,fehlende Merkmale durch ihre Fantasie zu ergänzen. Eine eher generelle Rekonstruktion,


ohne z.B. Augen, Haare, Augenbrauen, Bart usw. bewirkte eher, dass eine Testperson glaubtedenjenigen identifizieren zu können als eine aufwendige Rekonstruktion, die eher einem Fotoähnelte. Die Ergebnisse aller bisherigen zweidimensionalen Techniken hängen sehr stark vonder Datenbasis der Merkmale ab oder von der Breite des Spektrums der Fotos, mit denen diedurchschnittlichen 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 Schädelmit Hilfe eines vollautomatischen 3D laser-scanners.

Die erste Arbeit auf dem Gebiet der dreidimensionalen Gesichtsrekonstruktion zuforensischen Zwecken stammte von Vanezis, Blowes et al. [B89]. Sie verwendeten eineMethode, welche ursprünglich geplant war Chirugen bei der Operationsplanung zuunterstützen. Ein realistisches dreidimensionales Abbild des Kopfes konnte vom Chirugenvia Computer manipuliert werden, um die Auswirkungen auf das weiche Gewebe, beichirugischen Eingriffen auf das harte Gewebe, einschätzen zu können.

Die Methode von Shahrom et al. [S96] sah eine manuelle Auswahl der jeweiligenanatomischen landmarks auf dem Schädel vor, nachdem die Oberflächenkoordinaten durcheinen 3D laser-scanner gewonnen wurden. Über diese anatomischen Punkte wurde eineglatte, merkmalslose Gesichtsmaske gelegt, ohne Augen, Ohren, Mund und Nase. DieGesichtsmerkmale wurden mit Hilfe einer Datenbank bereits gescannterOberflächenmerkmale lebender Personen, hinzugefügt.

Archer [A97] verwendete ein polygonales Model des Schädels, das durch einenDigitalisierungsprozess mit Hilfe eines laser-scannes gewonnen wurde. Ein hierarchisches B-spline Oberflächenmodell wurde verwendet, auf dem virtuelle Dübel zur Bestimmung derDicke des weichen Gewebes, manuell an bekannten anthropologischen landmarks gesetztwerden. Siehe die Abbildungen 8 und 9.


Abb. 8 polygonales Schädelmodell

Abb. 9 Schädel mit erweiterten Dübeln

Darüber wird die Gesichtsoberfläche an die Dübel angelegt, wobei geeignete Tiefen desweichen Gewebes berücksichtigt werden. Die Punkte zwischen den Dübeln werden glatt undebenmäßig interpoliert unter Verwendung eines multi-level B-spline Approxiamtions-Algorithmus. Abbildung 10 zeigt das verwendete Oberflächenmodell des Gesichts.


Abb. 10 B-spline Oberflächenmodell

Die Abbildungen 11 bis 13 zeigen das Raster, welches über den Schädel nach und nach inverschiedenen Layern gelegt wird, die angepasste B-spline Oberfläche und Variationen. Alleaaus 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


Alle diese Techniken, traditionelle wie computerunterstützte, sind auf einen Satz vonStandard Gesichtsgewebemessungen an bestimmten anatomischen Punkten des Schädelsangewiesen, als Basis für die Rekonstruktion. Diese ungenauen, da durchschnittlichenMessungen sind der Hauptgrund für die Ungenauigkeit dieser Techniken und derGesichtsrekonstruktion im Allgemeinen. (Drei Beispieltabellen befinden sich im Anhang.)

Die meisten Rekonstruktionen, die heutzutage durchgeführt werden, basieren noch aufGewebetiefemessungen, die an Leichen durchgeführt worden sind. Die Erstellung solcherDurchschnittstabellen ist sehr aufwendig und erfordert großes Geschick. Vor der Entwicklungdes Ultraschalls in der Medizin mussten die Messungen an Leichen durchgeführt werden:Deren weiches Gesichtsgewebe wurde an bestimmten bekannten anatomischen Stellenaufgeschnitten und die Tiefe bis zum Knochen dokumentiert. Die Untersuchungen an Leichenwarfen wieder andere Probleme auf, z.B. mussten die Leichen vor deren Einbalsamierung 24Stunden nach dem Tod untersucht werden und Fehler traten bei den Messungen auf, weil sichdie Haut bei den Messungen deformierte oder nicht die korrekten anatomischen Punkteverwendet wurden. Die Aufgabe anatomische Punkte auf Schädelknochen durch das weicheGesichtsgewebe zu lokalisieren, gestaltete sich für die Pathologen als nicht so einfach.

Die meisten der oben genannten Probleme wurden durch die Entwicklung und Verwendungvon neuer medizinischer Technologie wie Craniography, Computer Tomography undMagnetic Resonance Imgaging gelöst.

Die obigen Abbildungen zeigen jedoch deutlich, dass es noch Probleme gibt bei derVerwendung von virtuellen Dübeln und Tabellen zur Gewebedicke. An einigen Regionen desGesichts besteht ein akuter Mangel an Daten. Die komplexen Konturen des Gesichts könnenmit einem relativ kleinen Standardsatz von anatomischen Punkten nicht korrekt dargestelltwerden. Besonders auffällig ist dies im Bereich der Lippen (siehe Abbildung 13).


4. Hierarchical Volume Deformation (HVD)

Basierend auf den Arbeiten von Lee et al. [L96] ist ein neuer Ansatz zur Deformation vonDaten, beruhend auf Voxel-Basis entwickelt worden. Der Algorithmus der HierarchicalVolume Deformation (HVD) erreicht eine C2-Stetigkeit und eine Punkt zu PunktDeformation eines volumetric datasets. Das weiche Gewebe des Gesichts wird als eineEinheit betrachtet und manipuliert.

Die zu Grunde liegende Annahme ist , dass wenn Schädel ähnliche Formen besitzen, auch diedazugehörigen Gesichter einige Hauptcharakteristiken gemein haben müssen. Deswegen wirdeine Transformation auf ein Referenz-Gesicht aus einer Datenbank angewendet, um einGesicht auf einen Schädel zu approximieren.

Dieses Basiskonzept, auf welchem der Algorithmus beruht, ist die sogenannte Free FormDeformation (FFD), welche eine mächtige repräsentations-unabhängige Technik ist, um einObjekt im dreidimensionalen Raum zu verformen. Anstatt das Objekt direkt zu verformen,manipuliert der Benutzer ein dreidimensionales Gatter, in dem das jeweilige Objekteingebettet ist. Eine nützliche physikalische Analogie zum Verständnis der Deformation istdie Folgende: Man stelle sich das Objekt in einer klaren, durchsichtigen und flexiblenPlastikmasse vor, in welcher das Objekt eingebettet ist. Wenn man nun die umgebendePlastikmasse verformt deformiert sich das darin eingeschlossene Objekt ebenfalls in einerweichen 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 parallelenGatter von Kontrollpunkten eingebettet ist, zu manipulieren. Da durch die Manipulation dieDeformationsfunktion bestimmt wird, welche die jeweils neue Position für jeden Punkt desObjekts bestimmt, wird ein direktes Manipulationsschema mit B-spline Approximationverwendet, um eine lokale Kontrolle des Gatters von den Merkmalspunkten aus zugewährleisten.

Allgemein ist ein volume V eine Sammlung verstreuter Voxel, jedes mit einer zugehörigenDichte. Diese Voxel werden im Allgemeinen in Form eines regulären dreidimensionalenGatters mit der Dimension (dx*dy*dz) angeordnet. Jedes Voxel besitzt eine ihm zugeordneteDichte 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.


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 dieAnzahl der Unterteilungen sind, die vom gröbsten Gatter entlang der x, y und z Achsenbenötigt werden. Es existiert eine Hierarchie immer feiner werdender Kontroll-Gatter, umeine 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 jedesKontrollpunktes von seiner Anfangsposition bewerkstelligt. Als Deformationsfunktion wwird das trivariante kubische B-spline Tensorprodukt verwendet und alle 64 umliegendenKontrollpunkte beteiligen sich an der Deformation.


Sei v ein gegebenes Voxel im volume Vs und (u, v, w) die Gatter-Raum Koordinaten desVoxels v an der Position (x, y, z) dann ist die Deformationsfunktion w definiert als:

( ) ( ) ( ) ( ) mclbkamlmlk

k tBsBrBwvuw +++=

∑= ,,

3

1,,

,, ψ

wobeir = 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 zweizusätzliche Merkmalspunkt-Paare Cs = (cs1, cs2, ..., csn) und Cd = (cd1, cd2, ..., cdn) eingeführt.Sie spezifizieren die Quell- (source) und Ziel-Positionen (destination) von nMerkmalspunkten um die Daten des Objekts. Die Merkmalspunkt-Paare Cs und Cd

verschieben die Kontrollpunkte des Gatters in einer Art und Weise, die vollkommen dergewünschten Deformation gleichkommt.

Eine Hierarchie von Gattern ψ0, ψ1,..., ψk vom gröbsten bis zum feinsten wird verwendet, umeine Sequenz von Deformationsfunktionen wn, wn-1, ..., w0 abzuleiten. Durch diesewiederholte Anwendung des Deformationsprozesses wird die Bewegung jedes Punkts csn inCs so akkumuliert bis er seine endgültige Position cd erreicht hat. Die schrittweise feinerwerdenden Gatter werden hierbei verwendet, um die umliegenden Punkte so wenig wiemöglich zu beeinflussen.


Wenn δk als Raum zwischen den Kontrollpunkten in der Anfangskonfiguration des Gattersψk definiert ist, dann ist der Raum zwischen den Kontrollpunkten des (k+1)ten Gattersdefiniert als δk+1 = 0.5 δk. Mit jedem Schritt bewegt die Deformationsfunktion wi dieMerkmalspunkte näher an ihre Zielposition. Der Fehler ξ zwischen der neuen deformiertenPosition jedes Punktes und der gewünschten Zielposition ist definiert als:

( ) ( ) 2max dnsn ccww −=ξ

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. Wennjeder 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 solange fortgesetzt, bis der Fehler unter der vom Benutzer gesetzten Konstante α fällt.

Abb. 15 Anwendung der sukzessiv kleiner werdenden Gatter


5. Gesichtsrekonstruktion mittels HVD

Die Rekonstruktion eines Schädels wird mit Hilfe des oben beschriebenen hierarchischenDeformationsalgorithmus bewerkstelligt. Zwei Merkmalspunkt-Sätze werden verwendet, umdie Quell- und die gewünschten Zielpositionen auf bestimmten anatomischen Merkmalen desSchädels zu spezifizieren. Die eigentliche Gesichtsrekonstruktion eine Schädels Sd geschiehtdurch die Deformation eines Referenzkopfes Hs (bestehend aus dem Schädel Ss und GewebeTs) in Richtung der Form von Sd. Auf diese Art und Weise wird das Gesichtsgewebe Ts nebendem Referenzschädel Ss deformiert, um den endgültig rekonstruierten Kopf Hd zuproduzieren, 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 undeines Schädels Sd. Die Digitalisierung des Ursprungsschädels Sd wird mit Hilfe einesComputer Tomographie (CT) scanners, unter Verwendung einer sampling rate von jedemMilimeter bewerkstelligt. Auf diese Art und Weise entsteht eine Reihe gleichgeformterzweidimensionaler Abbildungen, die zu einem einzelnen Stack kombiniert werden können,der genau die dreidimensionale Struktur des Schädels in submilimeter genauer Detailsstufebeschreibt.

Die Verwendung von CT scannern zur Dateneingabe ist heutzutage noch größtenteils auf dasscannen von verstorbenen Subjekten beschränkt. Ein lebendes Subjekt in der benötigtenGenauigkeit zu scannen, würde bedeuten, es einer potenziell gefährlichen Strahlendosisauszusetzen. Einige Forschungsgruppen beschäftigen sich damit, die Knocheninformationenaus Datensätzen mittels Magnetic Resonance Imaging (MRI) zu extrahieren. Auf diesemWege kann eine detaillierte Repräsentation des Schädels ohne Risiko für das Subjektgewonnen werden. In den letzten Jahre werden aber auch CT Systeme mit verringertemStrahlen-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 anbekannten anatomischen Punkten plaziert. Dieser manuelle Ansatz ist zwar sehrzeitaufwendig, garantiert aber größtmögliche Genauigkeit für den späterenMerkmalsvergleich mit bekannten Schädeln.

Abb. 18 Bestimmung der anatomischen Punkte auf voxelisierte Darstellung des Schädels Sd


Als nächstes wird der Referenzkopf Hs (Schädel Ss und das darüber liegende Gewebe Ts),welcher zur Rekonstruktion verwendet werden soll, aus einer Datenbasis bekannter Köpfeausgesucht, die alle durch CT scannen gewonnen wurden. Um eine genaue und realistischeRekonstruktion Sd zu produzieren muss der Referenzkopf Hs eine möglichst genaueÜbereinstimmung in Bezug auf Geschlecht, Alter und Schädelform sein.Die Referenzköpfe H1, H2, H3,..., Hn werden in einer baumartigen Struktur gespeichert, umdas Vergleichen zu erleichtern. Dieser Baum besitzt zwei Hauptzweige: male und female,welche wieder in diverse Unterzweige unterteilt sind, die ein unterschiedlichesAltersspektrum repräsentieren z.B. young male, mature male und senile male. Am Ende einesjeden Zweiges befindet sich eine Untergruppe von Referenzköpfen, die sich in Bezug aufbestimmte Merkmale ähnlich sind und denen ein Satz von Merkmalen Fs zugeordnet sind.Diese Sätze von Merkmalen sind an bekannten anatomischen Positionen auf den Schädelnangeordnet. Der Baum muss traversiert werden, um einen Satz von Referenzköpfen gleichenAlters und Geschlecht zu bekommen. Der nächste Schritt der Rekonstruktion beinhaltet einenMerkmalsabgleich, um einen einzigen Kopf aus diesem Satz zu gewinnen, bei dem dieanatomischen Merkmale möglichst genau mit den gesetzten Merkmalen auf dem zurekonstruierenden Schädel übereinstimmen (siehe Abbildung 19).

Abb. 19 Referenzkopf Hs

Nachdem ein passender Referenzkopf Hs (mit Schädel Ss) gefunden wurde, wird er mit Hilfeder Merkmalspunkte deformiert, um die Form von Sd anzunehmen. Dabei werden lediglichdie Kontrollpunkte verschoben und manipuliert. Die Art und Weise der hierarchischenDeformation (HVD) wurde bereits oben erläutert (siehe Abbildung 20).


Abb. 20 Rekonstruierte Kopf Hd nach Deformation von Hs

Die Visualisierung des rekonstruierten Kopfes wurde durch ein angepasstes volume renderingPaket erreicht: Die endgültige Rekonstruktion konnte unter verschiedenenBeleuchtungsverhältnissen, verschiedener Orientierung und mit einstellbarer Transparenzbetrachtet werden. Die verschiedenen Transparenzstufen erlaubten sogar eine simultaneDarstellung sowohl des weichen Gewebes wie den darunter liegenden Knochenstrukturen.Die verschiedenen Stufen der Deformation des Referenzkopfes bis zum Endresultat wurdengespeichert und eine Animation der Deformation konnte erstellt werden, welche denIdentifizierungsprozess unterstützen sollte.


6. Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Simon D. Michael testete sein System an einem unbekannten Schädel eines 44 Jahre altenMannes. Er verwendete 50 anatomische Merkmalspunkte, die er auf dem computer-tomographierten Schädel positionierte, damit das System es mit der Datenbasis vonReferenzköpfen abgleichen konnte. Die generelle Form und Größe der Nase wurde bestimmtdurch die Prämisse, dass die Breite der Nasenöffnung im Schädel schätzungsweise 3/5 derGesamtlänge der rekonstruierten Nase ausmacht. Eine Linie an der Tangente des unterenDrittels des Nasenknochens wurde nach unten projeziert bis es die Linie halbierte, welcheentlang der Richtung des vorderen Nasenrückens verlief, um den Abstand der Nase vomGesicht zu bestimmen. Michael macht keine Angaben darüber, wie lange das Systembrauchte einen passenden Referenzkopf in der baumartigen Datenbasis zu finden und wielange es gedauert hat die 50 Merkmalspunkte manuell auf dem Schädel zu positionieren. ZurDeformation des gefundenen Referenzschädels mittels der multi-level Free FormDeformation (FFD) benötigte das System ca. zwei Stunden. Zur Beurteilung der endgültigenRekonstruktion und somit der Leistungsfähigkeit des Systems wurde jeweils ein pre-mortemFoto zum Vergleichen benötigt. Das System bewerkstelligte eine ziemlich genaueÜbereinstimmung mit der generellen Kopfform und Größe des Schädels. Besonders zufriedenzeigte sich Michael mit der Größe und der Positionierung der individuellenGesichtsmerkmale wie Augenhöhlen, Nase und Mund.

Die bisherigen Methoden der Gesichtsrekonstruktion basieren auf dem Verhältnis zwischendem Schädel und des darüber liegenden weichen Gewebes, weniger auf charakteristischeMerkmale des Schädels selbst. Bis vor einiger Zeit wurde dieses Verhältnis durch einen Satzvon spärlich gesetzten landmarks und Informationen über die Gewebedicke an diesenPunkten vereinfacht. Problematisch ist aber die Verwendung von durchschnittlichenTabellenwerten zur Gewebetiefe. Die komplexen Konturen eines individuellen Gesichtskönnen nicht mit ein paar Punkten und Durchschnittswerten erreicht werden - es kommtdabei immer ein “Durchschnittskopf“ heraus.

Die gravierenden Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen zeigt die Abbildung 21.


Abb. 21 Vergleich der Rekonstruktionen

Oben ist das Endergebnis mittels HVD gezeigt, dem CT gescannten Schädel wird praktischein Referenzkopf übergestülpt und dieser manipuliert, bis er zum Schädel passt und unten dasEndergebnis eines „bottom-up“ Ansatzes der skeletal reconstruction. Bei dieser Technikwerden traditionelle Gesichtsrekonstruktionstechniken am PC simuliert. Dem CT gescanntenSchädel werden an bestimmten Punkten virtuelle Dübel oder Pflöcke aufgesetzt, derenjeweilige 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 weicheGesichtsgewebe repräsentieren, deformiert werden, nicht nur die Oberfläche. DasGesichtsgewebe wird als eine Einheit betrachtet und verformt sich in enger Verbindung zuÄnderungen am Schädel selbst. Das Gesicht ist nicht einfach nur eine „Maske“ über einerAnzahl Referenzpunkten und kann so die individuellen Eigenschaften, Unregelmäßigkeitenund Asymmetrien des Schädels viel besser simulieren.


7. Literaturverzeichnis

[CM00] Chen, Min:Volume Graphics, Springer, London [u.a.], 2000 S.346-365: Simon D.Michael, Volumetric Facial Reconstruction.

[A97] Archer, Katrina Marie:Craniofacial Reconstruction using hierarchical B-spline Interpolation, MsThesis, University of British Columbia, 1997.

[B89] Blowes R.W., Vanezis P., et al.:Application of 3D computer graphics for facial reconstruction an comparisionwith sculpting techniques, Forensic Science International, 1989, 42:69-84.

[MY95] Miyasaka S., Yoshino M., et al.:The computer-aided facial reconstruction system, Forensic scienceInternational, 1995, 74:155-165.

[UO92] Ubelaker D., O’Donell G.:Computer assisted facial reproduction, Forensic Science, 1992, 37(1).

[S96] Shahrom A.W., Vanezis P., et al.:Techniques in facial identification: Computer-aided facial reconstructionusing a laser scanner an video superimposition, International Journal. LegalMed, 1996, 108.

[E92] Evenhouse R., et al.:Computer-aided forensic facial reconstruction, Journal Biocommunication,1992, 19(2).

[C92] Craig E.A.:Facial Reconstruction, J. Forensic Science, 1992, 37:

[L95] Lee S.Y., et al.:Image metamorphosis using snakes and free-form deformations, SIGGRAPH,1995,439-448.

[L96] Lee S.Y., et al.:Image metamorphosis with scattered feature constraints, IEEE Transactionson Visualization and Computer Graphics, 1996, 2(4).


8. Anhang

Abb. 22 Schädel mit einem Standard Dübelsatz und die Interpolation mit diesem


Abb. 23 Schädel mit Standard plus extrapolierten Dübeln und die Interpolation mit diesen


Quelle: Rhine Stanley, Tissue Thickness Measures, Physical Anthropology Laboratories,Maxwell Museum of Anthropology, University of New Mexico, 1982, 1983, 1984.


Messungen von „American Caucasoids“


Messungen von „American Blacks“


Messungen von „Southwestern Indians“

Date post:	01-Nov-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

Abb. 4 traditionelle Technik der Gesichtsrekonstruktioncg/veranst/ws0001/sem/Petrick_FR.pdf · DNA...

Documents