單相機(jī)攝影測量法在法醫(yī)學(xué)三維重構(gòu)中的影響因素分析

鄒冬華，王金明，陳憶九，李正東，汪家文，秦志強(qiáng)，黃江

（1.司法鑒定科學(xué)研究院 上海市法醫(yī)學(xué)重點實驗室 司法部司法鑒定重點實驗室 上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 200063；2.貴州醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，貴州 貴陽 550004）

以死后計算機(jī)體層成像（postmortem computed tomography，PMCT）和死后磁共振成像（postmortem magnetic resonance imaging，PMMR）為代表的虛擬解剖技術(shù)在尸體檢驗中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-5]，但由于計算機(jī)體層成像（computerized tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）影像學(xué)技術(shù)成像的特性，損傷形態(tài)學(xué)特征分析常常局限于體內(nèi)的實體組織，體表損傷的形態(tài)學(xué)特征和色彩信息缺乏真實的反映，極大限制了后續(xù)損傷與致傷工具的三維比對分析。近年來，各類光學(xué)掃描儀被應(yīng)用于體表三維重構(gòu)，但大多數(shù)商業(yè)掃描儀都存在著耗時長、價格高昂的缺點，一定程度上限制了法醫(yī)學(xué)記錄方式從二維走向三維。此外，光學(xué)掃描儀在操作時要求掃描對象保持相對靜止，在活體體表掃描范圍大和時間長的情形下會受到運動偽差的影響[6-7]。

數(shù)字?jǐn)z影測量法通過數(shù)碼相機(jī)獲取待測物體多個角度的數(shù)碼照片，提取其存在的共同特征及相互間的空間位置關(guān)系來完成三維重構(gòu)[8-9]，有著價格低廉、成像效果好的優(yōu)勢。相較于多相機(jī)攝影測量系統(tǒng)的開發(fā)，單相機(jī)攝影測量法更符合國內(nèi)法醫(yī)學(xué)實踐要求，但此方法的影響因素較多且缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。因此，本研究對單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)過程中可能產(chǎn)生影響的攝影設(shè)備、拍攝焦距、重建軟件內(nèi)的重建質(zhì)量選擇等因素進(jìn)行綜合分析，并探索其在骨骼三維重構(gòu)中的準(zhǔn)確性和應(yīng)用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象

成年女性尸體1具，顱骨19個。本研究所有實驗獲司法鑒定科學(xué)研究院科學(xué)與倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 主要設(shè)備和軟件

Go!SCAN 50手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀（加拿大Creaform公司），EOS 6D相機(jī)、EOS 7D相機(jī)、EOS 60D相機(jī)（日本Canon公司），ZBook 17移動工作站（美國HP公司），游標(biāo)卡尺（量程200 mm，中國得力集團(tuán)有限公司）和彎腳規(guī)（量程300 mm，北京恒奧德科技有限公司）各1把。

三維掃描及后處理軟件VXelement 6.1（加拿大Creaform公司），攝影測量法重建軟件Agisoft Photo-Scan Professional 1.4.3（俄羅斯Agisoft公司），逆向工程軟件Geomagic Studio 2014（美國3D Systems公司）。

1.3 研究方法

1.3.1 評估攝影設(shè)備和焦距對單相機(jī)攝影測量法的精度影響

顱骨對象測量組分為16組，分別是傳統(tǒng)測量方式組，佳能EOS 6D（焦距24、35、50、70mm組，變焦組），佳能EOS 7D（焦距24、35、50、85 mm組，變焦組），佳能EOS 60D（焦距24、35、50、85 mm組，變焦組）。變焦組在距離研究對象不同距離處進(jìn)行手動變焦以獲得研究對象合適的取景范圍。將傳統(tǒng)測量方法測得的特征值作為標(biāo)準(zhǔn)組，各組與標(biāo)準(zhǔn)組進(jìn)行對比分析。顱骨特征值指標(biāo)重復(fù)測量5次，取平均值作為測量值，數(shù)據(jù)保留至0.1 mm。每組分別測量19個顱骨，測量指標(biāo)包括顱最大長、上面寬、顴寬、左眶寬、右眶寬、眶間寬、兩眶寬、左眶高、右眶高、鼻高、鼻寬共11個。測量指標(biāo)選取基于便于計算機(jī)三維軟件中準(zhǔn)確、多次選取的原則，盡可能選取左右對稱具有較大跨度的解剖標(biāo)志點，屬于人類學(xué)測量常用指標(biāo)。

1.3.1.1 傳統(tǒng)測量法

應(yīng)用游標(biāo)卡尺和彎腳規(guī)按《法醫(yī)人類學(xué)》[10]中方法測量顱骨11個測量特征指標(biāo)。

1.3.1.2 單相機(jī)攝影測量法

應(yīng)用各組相機(jī)對研究對象進(jìn)行360°環(huán)繞攝影，每組選取24張照片，每張照片間隔約15°，照片重疊度在80%以上，應(yīng)用Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件對照片進(jìn)行三維建模，經(jīng)歷對齊照片、建立密集點云、生成網(wǎng)格、映射紋理4步后生成三維模型。由于照片重建模型不具有度量信息，以事先安放的標(biāo)尺為基準(zhǔn)確定縮放因子，對三維模型進(jìn)行縮放，以O(shè)BJ格式導(dǎo)出。利用軟件自帶分析工具選擇邊界點，自動計算兩點間的距離。

1.3.1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 24.0軟件（美國IBM公司）對各組之間的顱骨特征測量結(jié)果（均值）的組間差異進(jìn)行t檢驗和方差分析。檢驗水準(zhǔn)α=0.05。

1.3.2 評估Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件中重建質(zhì)量選擇對單相機(jī)攝影測量法的影響

以1例顱骨和1例尸體為研究對象，以Go!SCAN 50手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀重構(gòu)模型為參考模型，單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)的模型為測試模型，將兩者對比分析，研究Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件中的重建質(zhì)量選擇對重建結(jié)果產(chǎn)生的影響。

1.3.2.1 單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)

采用Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件對照片重建三維模型的質(zhì)量劃分為最低、低、中、高、最高5個等級。單相機(jī)攝影測量法同1.3.1.2，記錄耗時。

1.3.2.2 結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描

應(yīng)用Go!SCAN 50手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀對上述研究對象進(jìn)行掃描，設(shè)置掃描分辨率為1mm，連續(xù)掃描至無肉眼可見空洞。在VXelement 6.1軟件及后

式中，x1，i-x2，i為配準(zhǔn)過程中參考模型與測試模處理模塊VXmodel中優(yōu)化、簡化掃描網(wǎng)格，移除噪點及孤立面片，生成高質(zhì)量帶色彩紋理的三維模型，以O(shè)BJ格式導(dǎo)出，記錄耗時。

1.3.2.3 數(shù)字模型對齊及三維偏差分析

將各個質(zhì)量下的單相機(jī)測量法重構(gòu)的三維模型導(dǎo)入Geomagic Studio 2014軟件，以Go!SCAN 50手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀獲得的模型為參考模型，其余模型為測試模型。根據(jù)特征點進(jìn)行三點匹配，完成粗匹配后進(jìn)行最佳擬合對齊。最佳擬合對齊是檢測偏差平均到整體，以保證整體偏差最小為條件來終止迭代計算的對齊過程。

對配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行三維分析，生成結(jié)果對象以兩個圖形間誤差的均方根（root mean square，RMS）表示，計算公式為：型上歐氏距離最近的對應(yīng)點對之間的距離，n為測量的點對總數(shù)，距離越大，反映兩個模型在該處的差異越大[11-12]。

測試模型與參考模型之間的差異幅度可以通過三維彩色偏差圖不同顏色呈現(xiàn)。三維彩色偏差圖采用同一比例尺，顏色段選為15段，綠色往上到紅色代表正偏差，往下到藍(lán)色代表負(fù)偏差。

2 結(jié) 果

2.1 攝影設(shè)備和焦距對單相機(jī)攝影測量法的影響分析結(jié)果

對19個顱骨各11個顱骨特征指標(biāo)共計209個測量指標(biāo)進(jìn)行配對t檢驗，分析結(jié)果顯示，EOS 7D變焦組測量結(jié)果小于傳統(tǒng)測量法測量結(jié)果，其余組測量結(jié)果與傳統(tǒng)測量法測量結(jié)果差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。相同設(shè)備不同焦距組間的方差檢驗結(jié)果顯示，EOS 6D與EOS 60D各不同焦距組之間測量結(jié)果差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），EOS 7D各不同焦距組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。將變焦組排除之后，相同設(shè)備不同焦距組間測量結(jié)果差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（表1）。

表1 不同設(shè)備不同焦距測量顱骨特征指標(biāo)結(jié)果Tab.1 The results of skull characteristic index measured with different camera and different focal lengths（n=209，±s，mm）

表1 不同設(shè)備不同焦距測量顱骨特征指標(biāo)結(jié)果Tab.1 The results of skull characteristic index measured with different camera and different focal lengths（n=209，±s，mm）

注：傳統(tǒng)測量法（游標(biāo)卡尺和彎腳規(guī)）測量值為（68.0±50.5）mm；1）同一設(shè)備不同焦距組間一致性檢驗，P＜0.05；2）與傳統(tǒng)測量法（游標(biāo)卡尺和彎腳規(guī)）測量結(jié)果相比，P＜0.05。

設(shè)備EOS 6D EOS 7D1）EOS 60D焦距24mm 67.7±50.3 67.8±50.4 67.7±50.3 35mm 67.9±51.0 67.5±50.0 68.1±50.4 50mm 67.5±49.9 67.6±50.3 67.9±50.0 70mm 68.1±50.4 68.0±50.4 67.8±50.3變焦組67.1±50.6 66.4±46.52）67.9±50.0

2.2 Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件重建質(zhì)量選擇對單相機(jī)攝影測量法的影響

Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件中不同重建質(zhì)量下的重建過程耗時如表2所示，從數(shù)分鐘至數(shù)小時，Go!SCAN 50手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀的全身掃描與重建時間約為20min，顱骨掃描與重建時間約為4 min。隨著重建質(zhì)量的上升，單相機(jī)攝影測量法重建模型的頂點數(shù)目和三角面片數(shù)目逐漸增多，尸體重建模型頂點數(shù)目從8282上升至126022，三維模型面片數(shù)從15 584上升至246 600。表2中列出了最佳擬合對齊后單相機(jī)攝影測量法重建模型網(wǎng)格與掃描網(wǎng)格之間距離平均值和RMS值。RMS最小值出現(xiàn)在中等質(zhì)量組，顱骨組和尸體組趨勢基本一致。不同重建質(zhì)量下的重建效果見圖1，可見各組顱骨模型視覺效果均較好，而全身模型重建質(zhì)量最低、低等級出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變。三維彩色偏差圖顯示了攝影測量法各組模型與參考模型之間的配準(zhǔn)差異，顱骨模型總體誤差較小，而尸體全身模型四肢區(qū)域及邊緣處誤差較大。

表2 三維偏差分析結(jié)果Tab.2 Three dimension deviation analysis results

圖1 顱骨和尸體的結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描重構(gòu)模型及三維彩色偏差圖Fig.1 Reconstruction models and the three dimentional color deviation diagrams of skull and corpse

3 討論

體表損傷和骨骼的三維重構(gòu)可以在永久保存證據(jù)原始性的同時，完成致傷工具與損傷三維匹配、顱骨面貌復(fù)原等二維記錄不能完成的工作[13]，但購買光學(xué)掃描設(shè)備高昂的費用限制了三維重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用推廣。近10年來，為了提高體表三維重建的效率并降低設(shè)備的成本，出現(xiàn)了許多替代方案，如Kinect體感傳感器[14]、多相機(jī)的攝影測量系統(tǒng)Botscan[15]和Virtoscan等[16]。僅需單個數(shù)碼相機(jī)的單相機(jī)攝影測量法較適應(yīng)國內(nèi)檢案需求，無需額外購買設(shè)備，易于推廣。URBANOVá等[17]應(yīng)用尼康7000數(shù)碼相機(jī)對尸檢中各個階段進(jìn)行360°環(huán)繞拍攝照片，利用單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)生成三維模型，將其與手持式掃描儀Vectra H1做三維偏差分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間偏差在3.0～11.6mm，認(rèn)為單相機(jī)攝影測量法是光學(xué)掃描儀的一種低成本替代方案。BUCK等[14]應(yīng)用條紋式光學(xué)掃描儀、手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀、Kinect2傳感器和單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)尸體表面模型和測試模型，發(fā)現(xiàn)單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)模型在色彩紋理上表現(xiàn)更佳。SAPIRSTEIN[18]研究指出，在圖片質(zhì)量理想的條件下，2.5m范圍內(nèi)的單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)模型的偏差約為2mm。由于拍攝條件和設(shè)備的不同，不同研究并不具備可比性，但所有研究結(jié)果表明，單相機(jī)攝影測量是一種能夠精確和快速地完成三維構(gòu)模的方法，但此方法的影響因素較多。

本研究對可能影響單相機(jī)攝影測量法精度的攝影設(shè)備、攝影焦距及軟件中重建質(zhì)量選擇項等影響因素進(jìn)行綜合評估。研究中3個相機(jī)及每個相機(jī)的5種焦距下的15組顱骨特征長度測量結(jié)果與傳統(tǒng)測量法對比，僅EOS 7D變焦組差異有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)合單相機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量法計算被測量物體的三維空間點、對應(yīng)的二維照片像素點及相機(jī)鏡頭中心三點構(gòu)建共線性方程的原理，變焦攝影的方式可能一定程度增加了計算匹配點對空間位置誤差。除EOS 7D變焦組外，其余設(shè)備在不同焦距下的測量結(jié)果與傳統(tǒng)方式測量結(jié)果之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，說明不同相機(jī)設(shè)備對重建結(jié)果影響不大，但本研究均應(yīng)用同一品牌相機(jī)設(shè)備，尚未反映不同品牌相機(jī)設(shè)備差異對重建結(jié)果的影響。除去變焦組后，各設(shè)備組內(nèi)不同焦距組間的重建結(jié)果均無差異，說明焦距的選擇對重建結(jié)果影響不大，但焦距長短會影響相機(jī)的取景范圍，待測對象所占照片中比例越小，計算得到的匹配點對越少，構(gòu)成模型的三角面片數(shù)目減少。因此，雖然拍攝的焦距不影響重建結(jié)果，但仍需調(diào)整拍攝焦距和鏡頭與待測物體間的距離以保證合適的取景比例。

對Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3軟件中重建質(zhì)量選擇的影響評估分析中，不同組顱骨三維模型形態(tài)差距不大，僅質(zhì)量最高級別中顱骨眶內(nèi)出現(xiàn)一定程度的缺失，這與像素點匹配精度過高導(dǎo)致匹配的點對減少有關(guān)。尸體最低和低2種質(zhì)量等級下重建的模型產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，無法適應(yīng)重建需求，而顱骨最低和低2種質(zhì)量等級下重建的模型尚可，這與顱骨體積小、單幅圖像中即可包含整個待測對象、對圖像要求較低有關(guān)。隨著重建質(zhì)量的提高，三維模型周圍環(huán)境噪聲點逐漸減少，但模型內(nèi)由于點面數(shù)目增加，使得三角面片不規(guī)則性增加，幾何形態(tài)反而更加粗糙。RMS值被用于評估測量偏差大小，顱骨和尸體單相機(jī)攝影測量法重構(gòu)的模型與Go!SCAN 50手持式結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀重構(gòu)的參考模型相比較的RMS值的最小值均處于中等質(zhì)量。一種合理的解釋是，低質(zhì)量產(chǎn)生畸變較大導(dǎo)致測量偏差大，而隨著重建質(zhì)量增高模型的點面數(shù)增加，使得表面粗糙不平，偏差反而增大。模型邊緣偏差較大，與周圍環(huán)境及待測物體難以完全分離相關(guān)。同時隨著重建質(zhì)量的增高，計算機(jī)運算時間顯著增長，對計算機(jī)硬件要求也同步增加。因此，采用固定焦距的模式，選擇中等重建質(zhì)量是目前兼具效率和重建效果較合適的方案。

在理想的重建和操作條件下，單相機(jī)攝影測量法在測量精度上能夠滿足部分法醫(yī)學(xué)實踐場景要求，是光學(xué)掃描的一種廉價替代方案，色彩紋理更優(yōu)，在損傷與致傷工具的三維比對分析中可發(fā)揮重要的作用。但其組成幾何形態(tài)的三角網(wǎng)格和光學(xué)掃描重構(gòu)模型相比均一性和光順性均較差。待測物體邊界與背景相交界的區(qū)域仍存在一定程度畸變，仍具有一定的局限性。