從奇和洞人顱面復(fù)原看我們的祖先長什么樣

吳秀杰 稅午陽

我們的祖先長什么樣？印象中的形象似乎是這樣：個子不高，面貌像黑猩猩（如臉黑、頜凸、前額低矮、眉脊粗壯），跑的比較快，手中拿著一塊石頭正投向前方的野獸！

其實，古人類并不都長這個樣！距今10萬年左右的早期現(xiàn)代人，其體質(zhì)特征已經(jīng)同我們接近，有些古人類長得還比較帥氣，身高和腦量甚至超過了我們！

古人類的面貌什么樣？古人類的遺骸形成化石后，因面部軟組織已不存在，只能根據(jù)保存下來的頭骨化石，參考現(xiàn)代人的顱面特征與軟組織厚度進行推測，這項技術(shù)被稱作“顱骨面貌復(fù)原”，簡稱“顱面復(fù)原”。

顱面貌復(fù)原最早始于對音樂家巴赫顱骨的鑒定。1895，解剖學(xué)家海思等人根據(jù)現(xiàn)生人頭面部特征點處的軟組織厚度，采用手工雕塑技藝在疑似巴赫的顱骨上用可塑物質(zhì)(橡皮泥、粘土等) 生成了一個與巴赫生前肖像非常相似的三維塑像。此后，顱面復(fù)原技術(shù)被應(yīng)用到歷史名人、刑偵及古人類生前容貌的恢復(fù)上。

相比現(xiàn)代人，古人類的顱面復(fù)原難度更大些。古人類的體質(zhì)形態(tài)與現(xiàn)生人類差別較大，特別是古老型人類，以現(xiàn)生人類為模板復(fù)原出來的古人類的容貌易受人為因素的影響，難以對其正確性進行判斷。例如，周口店北京猿人頭像的復(fù)原，歷史上先后出現(xiàn)了3種面貌形態(tài)相差較大的復(fù)原頭像：王存義復(fù)原的中國人類型頭像、魏敦瑞復(fù)原的美國人類型頭像、前蘇聯(lián)格拉西莫夫復(fù)原的俄國人類型頭像。

由于手工顱面復(fù)原結(jié)果易受主觀因素影響，古人類學(xué)家們在極力尋找相對客觀的面貌復(fù)原技術(shù)。近年來，隨著CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助3D虛擬顱骨面貌復(fù)原技術(shù)得到了應(yīng)用。1996年起，在北京師范大學(xué)周明全教授的帶領(lǐng)下，開發(fā)了基于顱骨的計算機虛擬面貌復(fù)原軟件，將其應(yīng)用到刑偵中的尸源鑒定上。2016年，中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所與北京師范大學(xué)合作，組建了“古人類顱面復(fù)原創(chuàng)新交叉團隊”，通過對古人類頭骨與現(xiàn)代人頭骨形態(tài)特征的對比和分析，找出二者在頭骨上的主要差異點、差異程度及變異范圍，設(shè)計出適合古人類頭骨面貌復(fù)原的計算機三維虛擬軟件。目前，該軟件已經(jīng)成功地復(fù)原出“奇和洞人”的三維面貌形態(tài)，該文章發(fā)表在2018年第8期《科學(xué)通報》上。

周口店北京猿人三種不同類型的復(fù)原頭像左側(cè)：中國人類型；中間：美國人類型；右側(cè)：俄國人類型

奇和洞人頭骨（左側(cè)）和下頜骨（右側(cè)）

奇和洞人顱面復(fù)原步驟（a）:奇和洞顱骨外表面三維模型；（b）：奇和洞顱骨和現(xiàn)生人顱骨三維模型的非剛性配準；（c）:奇和洞頭骨和面貌初步復(fù)原模型在同一坐標系中顯示;(d)：奇和洞頭骨三維面貌交互復(fù)原結(jié)果

奇和洞人頭骨化石2011年發(fā)現(xiàn)于福建省漳平市象湖鎮(zhèn)灶頭村的一個喀斯特溶洞——奇和洞。碳十四測年結(jié)果顯示奇和洞人的生存年代為距今9500年左右，為新石器時代早期。研究顯示，奇和洞人為35歲左右的男性個體，腦量為1650毫升，顱骨較大。頭骨的形態(tài)兼有南、北方居民及更新世晚期人類的混合特點，包括顱骨較長、面部高而狹窄、眼眶低矮、鼻骨寬闊。

奇和洞人面貌復(fù)原結(jié)果

根據(jù)奇和洞人不同于近代人的形態(tài)特點，根據(jù)原有應(yīng)用于近代人的計算機顱面復(fù)原軟件的基礎(chǔ)上，課題組提出了一種基于最小二乘回歸和面貌統(tǒng)計形狀模型約束的顱面交互復(fù)原方法，將現(xiàn)生人的顱面形態(tài)關(guān)系用于奇和洞頭骨的三維面貌復(fù)原。1）首先，利用工業(yè)CT設(shè)備完成奇和洞頭骨的三維建模，采用射線與三維模型求交算法計算奇和洞頭骨的外表面點云將其變換至法蘭克福坐標系下，完成奇和洞頭骨數(shù)據(jù)的處理；2）其次，針對現(xiàn)生人男性的顱骨和面貌三維模型，依據(jù)標定特征點采用非剛性配準方法建立顱骨和面貌規(guī)格化稠密點云；在此基礎(chǔ)上，采用主成分分析方法實現(xiàn)顱骨和面貌三維模型的表示；針對現(xiàn)生人每個顱骨和對應(yīng)面貌的主成分系數(shù)，采用最小二乘回歸方法實現(xiàn)顱面形態(tài)關(guān)系的定量表示；3）第三步，針對奇和洞頭骨的外表面模型，采用非剛性配準和最小二乘方法計算其主成分系數(shù)，并利用該系數(shù)及現(xiàn)生人的顱面形態(tài)關(guān)系實現(xiàn)奇和洞頭骨三維面貌的初步復(fù)原；4）第四步，針對現(xiàn)生人面貌的主成分，分析主成分（PC）與面貌幾何形狀的關(guān)系，從而通過交互地調(diào)整主成分系數(shù)，實現(xiàn)復(fù)原面貌的交互編輯，最大程度再現(xiàn)奇和洞人生前的容貌；5）最后，利用手工繪圖方法對面貌復(fù)原結(jié)果進行添加五官、皺紋和頭發(fā)等真實感處理, 實現(xiàn)奇和洞人面貌的虛擬復(fù)原，生動形象地再現(xiàn)新石器早期人類的腦顱及面部的形態(tài)特征。

從面貌復(fù)原結(jié)果可以看出，復(fù)原面貌在前后方向偏長、面部顴骨區(qū)域大而突出、上面部扁平、臉頰瘦而窄、鼻寬闊、頭部長而大，與奇和洞頭骨的形狀基本一致。奇和洞人可進行面貌復(fù)原的只有1例男性個體，其體質(zhì)特征雖然未必具有群體的代表性，但卻可以顯示出新舊石器過渡階段人類的面貌特點。

古人類頭骨的大小、粗壯度、凸凹曲度等同現(xiàn)代人有差別，不能完全按照現(xiàn)生人類的顱骨與其外表軟組織之間的形態(tài)關(guān)系進行面貌復(fù)原，需要根據(jù)其演化地位及其獨特的顱骨解剖特征，有針對性地設(shè)計面貌復(fù)原方案。此外，古人類化石一般都不完整，在進行CT掃描前需要對其缺失的地方進行拼接和修補。

利用計算機三維虛擬世界重現(xiàn)幾萬年、幾十萬前古人類的面貌，可以生動形象地展示人類進化過程中體質(zhì)特征的演化過程，對于博物館展示、普及科普教育、激發(fā)人們熱愛自然歷史、滿足人類的好奇心等具有一定的科學(xué)意義。奇和洞人的顱面復(fù)原只是古人類面貌復(fù)原工作的開始，未來更多的古人類生前形象將會展示在大眾面前。