顱面形態(tài)新用途 信息技術(shù)領(lǐng)方向
——周明全教授和他創(chuàng)建的“顱面形態(tài)信息學(xué)”

□文｜王霞

周明全，我國(guó)著名計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專家，教育部虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用工程研究中心主任，北京師范大學(xué)教授，先后主持多項(xiàng)國(guó)家重要科研項(xiàng)目，獲得10余項(xiàng)省部級(jí)科學(xué)研究成果的獎(jiǎng)勵(lì)，發(fā)表SCI/EI檢索論文220篇；授權(quán)發(fā)明專利14項(xiàng)，將顱面形態(tài)信息學(xué)很好地應(yīng)用到了考古、醫(yī)學(xué)、刑偵等諸多領(lǐng)域，有效促進(jìn)了信息技術(shù)的發(fā)展。

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是我國(guó)重大發(fā)展戰(zhàn)略之一。然而，要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，必須依靠科技的力量。以科技引領(lǐng)為核心動(dòng)力，才能不斷迎來技術(shù)的群體性突破和科技成果的快速轉(zhuǎn)化。將人的顱骨面貌與信息技術(shù)相結(jié)合，是一項(xiàng)特殊的創(chuàng)新，也是我國(guó)著名計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專家周明全和他的團(tuán)隊(duì)20余年矢志不渝的研究方向。他們的研究，填補(bǔ)了我國(guó)數(shù)字體質(zhì)人類學(xué)的領(lǐng)域空白，形成了“中國(guó)人”顱面形態(tài)信息技術(shù)的研究體系，多項(xiàng)研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，而且在公安刑偵、法醫(yī)學(xué)、人類學(xué)、考古學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等各方面得到廣泛應(yīng)用，是一項(xiàng)集技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用價(jià)值于一體的重要科技創(chuàng)新技術(shù)。

周明全教授是北京師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)科帶頭人，曾擔(dān)任信息學(xué)院院長(zhǎng)近10年。在過去的20多年里，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，一直關(guān)注如何用信息科學(xué)新技術(shù)，研究人類顱骨與面貌，進(jìn)而在多個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。顱骨形態(tài)決定了一個(gè)人的面貌，而面貌則是人類識(shí)別的最直接的外觀依據(jù)。通過研究面貌和顱骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀形態(tài)、生長(zhǎng)變化規(guī)律及其相互關(guān)系，便形成了顱面形態(tài)學(xué)的研究，而將蓬勃發(fā)展的信息技術(shù)和顱面形態(tài)學(xué)相結(jié)合，就構(gòu)成了信息技術(shù)應(yīng)用新領(lǐng)域：顱面形態(tài)信息學(xué)。

在周明全教授的研究工作推動(dòng)下，顱面形態(tài)信息學(xué)已經(jīng)成為影響人臉識(shí)別、面貌辨認(rèn)、表情合成、認(rèn)知計(jì)算等研究的熱門技術(shù)。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)輔助的顱面三維重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的研究，在國(guó)際信息學(xué)、人類學(xué)、法醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域引起高度重視，顱面形態(tài)與信息技術(shù)結(jié)合成為必然趨勢(shì)。

基于顱骨的面貌復(fù)原技術(shù)至今已有100余年，信息技術(shù)使得該項(xiàng)技術(shù)獲得新生。1895年，德國(guó)人對(duì)大音樂家巴赫遺骨的復(fù)原開辟了顱骨面貌復(fù)原應(yīng)用先例。傳統(tǒng)的應(yīng)用是人們?cè)诖B骨的基礎(chǔ)上，借助解剖和針刺途徑獲得對(duì)人臉和顱骨的測(cè)量數(shù)據(jù)，確定人臉軟組織的結(jié)構(gòu)規(guī)律，由藝術(shù)家雕塑而成。傳統(tǒng)的復(fù)原研究屬于人類學(xué)、藝術(shù)和醫(yī)學(xué)的交叉領(lǐng)域，較依賴復(fù)原者個(gè)人對(duì)顱面特征和藝術(shù)的把握。其復(fù)原周期長(zhǎng)，結(jié)果受主觀因素影響較大，造價(jià)高、操作復(fù)雜、手工計(jì)算誤差大，不具備科學(xué)推廣的價(jià)值。周明全教授講到，計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)的發(fā)展，為信息技術(shù)應(yīng)用于顱面形態(tài)學(xué)研究提供了新的技術(shù)和方法，可謂是真正意義上的進(jìn)步。1996年，周教授承擔(dān)了公安部立項(xiàng)的國(guó)家“九·五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，開啟了我國(guó)顱面形態(tài)信息學(xué)的研究，這一研究幾乎與國(guó)際同行研究同步。自此，項(xiàng)目組相繼得到國(guó)家“十·五”863項(xiàng)目、“十一·五”國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持，并開展了以人類學(xué)相關(guān)理論為依據(jù)，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化技術(shù)進(jìn)行的顱面形態(tài)信息學(xué)基礎(chǔ)理論、知識(shí)體系、基本方法和領(lǐng)域應(yīng)用等系列研究。

據(jù)周明全教授介紹，顱面形態(tài)信息學(xué)在人臉識(shí)別、面貌辨認(rèn)、表情合成、認(rèn)知計(jì)算等方面有直接的應(yīng)用價(jià)值，是人類生物身份識(shí)別的重要依據(jù)，同時(shí)在開顱手術(shù)和顱骨修復(fù)、整形領(lǐng)域，也需要掌握顱面形態(tài)的科學(xué)規(guī)律。另外，基于顱骨的面貌復(fù)原，是法醫(yī)學(xué)中對(duì)無源尸體查找的重要方法；在考古學(xué)中，基于遺骸再造出歷史名人面貌，對(duì)歷史問題的認(rèn)定、文化資源的挖掘，都有深遠(yuǎn)的意義。為此，課題組在不同領(lǐng)域形成了顱面復(fù)原、失蹤身份認(rèn)證、頜面外科、破損頭顱虛擬修復(fù)、考古面貌科學(xué)數(shù)據(jù)復(fù)原等系列計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程，并取得了一系列科研和應(yīng)用成果。

一方面，課題組構(gòu)建了顱面形態(tài)信息學(xué)體系。系統(tǒng)地提出了顱面關(guān)系的知識(shí)體系、顱面復(fù)原技術(shù)體系、顱面信息應(yīng)用體系；構(gòu)建了顱面信息庫、形態(tài)學(xué)建模、面貌計(jì)算重構(gòu)、真實(shí)感處理、結(jié)果評(píng)估、反饋修正的系統(tǒng)體系，將傳統(tǒng)的手工藝術(shù)雕塑變?yōu)榭茖W(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算、3D制作的規(guī)范工程。在顱骨面貌復(fù)原工程方面，課題組基于顱面形態(tài)的數(shù)字幾何表示方法，提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)分析的兩種顱面形態(tài)計(jì)算模型，使復(fù)原結(jié)果達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。截至目前，已完成兩千余套活體面貌復(fù)原，公安部重大刑事案件協(xié)助復(fù)原60余起。研制的Internet公安慧聯(lián)網(wǎng)，為公安尸源認(rèn)定提供了基于互聯(lián)網(wǎng)的尸源認(rèn)定應(yīng)用平臺(tái)，將復(fù)原時(shí)間從1個(gè)月下降到1個(gè)小時(shí)，大大提升了破案效率，有效地維護(hù)了國(guó)家公共安全。

重要的是，顱面形態(tài)的研究既是一個(gè)國(guó)際問題，也是特定的人種和民族問題。國(guó)際間關(guān)于不同人種的顱面形態(tài)研究，在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家之間存在嚴(yán)重的“技術(shù)鴻溝”。為此，針對(duì)黃種人顱面形態(tài)研究中存在的瓶頸問題，構(gòu)建了精度和數(shù)量屬國(guó)際領(lǐng)先水平的中國(guó)人顱面數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)了顱面數(shù)據(jù)采樣新技術(shù)，提出了顱面數(shù)據(jù)組織新方法。針對(duì)蒙古人種（中國(guó)人）研究，發(fā)現(xiàn)了多項(xiàng)人類學(xué)種族和性別特征差異，揭示了中國(guó)人顱面、性別、種族的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)群；突破了傳統(tǒng)人類學(xué)研究缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)、主觀性強(qiáng)的局限，填補(bǔ)了我國(guó)計(jì)算體質(zhì)人類學(xué)的領(lǐng)域空白。針對(duì)顱骨的性別計(jì)算達(dá)到了國(guó)際最好的辨認(rèn)率。

另一方面，顱面形態(tài)信息學(xué)也可用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，在數(shù)字頭顱虛擬醫(yī)學(xué)工程的建設(shè)中，通過字頭顱的可視化知識(shí)體系、虛擬解剖重構(gòu)體系、腦血管重構(gòu)分析系統(tǒng)、虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)解剖、虛擬內(nèi)窺、血管重構(gòu)、頜面整形、形態(tài)分析5個(gè)平臺(tái)。已和多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)院合作，提供了虛擬手術(shù)計(jì)劃、病例分析和個(gè)體器官制作百余例。

更重要的是，課題組建立了基于顱面庫稀有的古人類頭骨化石數(shù)據(jù)，周明全教授帶領(lǐng)課題組構(gòu)建了中華民族遠(yuǎn)古近古數(shù)字顱骨樣本體系；形成了從35萬年前的古人到春秋、秦漢、唐宋等不同時(shí)代人顱骨的實(shí)例面貌復(fù)原。應(yīng)用破碎顱骨虛擬修復(fù)與三維測(cè)量實(shí)現(xiàn)了約12萬年前“許昌人”頭骨復(fù)原與演化分析，得到東亞地區(qū)古人類演化模式，為東亞人的進(jìn)化提出了世界“人類起源”新看法。2009年，周明全教授在陜西省考古研究院的支持下，利用3D顱面復(fù)原技術(shù)，復(fù)原了1200多年前唐代公主李棰的容顏，這一結(jié)果在CAA的考古應(yīng)用國(guó)際會(huì)議報(bào)告后，得到了海內(nèi)外考古界和信息技術(shù)領(lǐng)域百余家媒體的一致好評(píng)和爭(zhēng)相報(bào)道，并認(rèn)為“中國(guó)該領(lǐng)域的研究工作處于國(guó)際領(lǐng)先水平”。

課題組構(gòu)建了顱面幾何測(cè)量、未知面貌復(fù)原、頜面整形等5個(gè)軟件平臺(tái)。創(chuàng)建了顱面形態(tài)信息學(xué)3個(gè)體系，授權(quán)發(fā)明專利15項(xiàng)，其中《一種基于分區(qū)統(tǒng)計(jì)模型的顱面復(fù)原方法》獲18屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)；2004年，《數(shù)字化頭顱的研究與應(yīng)用》項(xiàng)目獲得教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；2013年，《顱面形態(tài)信息學(xué)研究和應(yīng)用》獲得中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；2014年，獲得北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并于2017年獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)的提名。撰寫了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的《法庭科學(xué)顱骨面貌復(fù)原技術(shù)規(guī)范》，2014年作為公安部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，引領(lǐng)行業(yè)應(yīng)用；項(xiàng)目成果通過公安部驗(yàn)收和教育部鑒定，鑒定結(jié)果為國(guó)際領(lǐng)先水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，社會(huì)效益顯著。

如今，顱面形態(tài)信息學(xué)的研究已經(jīng)歷經(jīng)20多個(gè)春秋，這其中，飽含著周明全和耿國(guó)華教授的“伉儷情深”，也展現(xiàn)了近百名青年學(xué)子為科研獻(xiàn)身的激情歲月。周明全教授說，這是一代人的宿命，也孕育了一代人的成長(zhǎng)。正是他們將算法分析、數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)工程和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等各自所熟知的領(lǐng)域相互融合，共同發(fā)力，才有了今天顱面形態(tài)信息學(xué)完善理論系統(tǒng)與多樣的應(yīng)用工程。同時(shí)，他們幫助新一代不斷成長(zhǎng)，通過研究顱骨面貌，形成了系統(tǒng)的圖像技術(shù)基礎(chǔ)，開拓了虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、機(jī)器視覺的研究方向，讓他們成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的海內(nèi)外不同單位的科技中堅(jiān)，用新知識(shí)新思想結(jié)合顱面研究，從顱面分析、新技術(shù)運(yùn)用，展開新的研究課題。

周明全感嘆：顱面形態(tài)學(xué)在發(fā)展，信息技術(shù)在發(fā)展，人類對(duì)顱面的研究也在繼續(xù)，該學(xué)科造福人類的工作才剛剛開始。舊問題解決了，新問題又有發(fā)現(xiàn)。認(rèn)識(shí)顱面無止境，唯有苦戰(zhàn)可過關(guān)！