互动科普

孩童时期，我们就发现每个人的长相都不相同，人的长相为什么如此千差万别？这里的长相主要是指人的面貌，面貌是由什么决定的？除了遗传基因和后天环境外，颅骨是决定面貌的主要因素。

颅面形态信息学概述

面貌是人与人之间识别的最直接依据，颅骨是人类面貌的内在生物特征，其形态决定了人的面部特征和五官的位置与结构。颅面形态研究包含多种方法，涉及多个应用领域。颅面形态信息学(Informatics Craniofacial Morphology)运用信息技术研究数字化的面貌和颅骨的生长变化规律、外观形态规律和颅骨面貌之间内在的相互关系，是对传统颅面形态学的深化和发展。颅骨和面貌复杂的特征结构使得颅面建模和形态分析一直是计算机图形学领域中一个极具挑战性的课题。信息技术的迅速发展，为颅面形态学提供了新的研究方法和实现技术。利用信息技术实现颅面数据采样、建立形态学计算模型、研究颅骨面貌生物特征理论与关键技术，揭示中国人颅面的本质关系，并借此有望解决该领域一系列重要的应用问题。

颅骨(skull)是人体最重要的器官，也是脊椎动物骨骼系统中最复杂的部分。颅骨分脑颅和面颅两部分。脑颅(cranium)呈卵圆形，位于颅的后上部，内有容纳脑的颅腔，起着保护和支持脑的作用。面颅(facial skeleton)为颅的前下部分，包含眼眶、鼻腔、口腔等结构，包含了人体对外交互的感觉、消化和呼吸的重要起始部分，这些“五官”器官构成面部的特征，决定了人的面貌形态。

面貌是指人的容貌、相貌，包括了人的五官，肤色。面貌是人与人之间识别的最直接依据，颅骨是面貌的内在生物特征。颅骨是形成面貌的基础。一个人的长相，头骨的结构形态、大小起伏等起决定性作用。例如，猿人的头骨就决定了他们的长相与现代人有根本的区别。

根据体质特征的差异，不同种族的人的面貌形态不同，其主要原因，也是其颅骨形态的差异。世界人种大致上分为3大人种，即黄色人种、白色人种（高加索人种）、黑色人种（尼格罗人种）。不同人种在额头的高度、凸起的程度、眉脊（眼眉皮下的骨头）的几何形态和分布高度等都是不一样的，见图1。我们中国的大多数民族是属于黄色人种，具有皮肤是淡黄棕色，毛发直而黑，脸宽平、宽额，眼眶较高、鼻骨高度稍低等面骨的重要特点。

图1　不同种族人的面貌形态

形态学（Morphology）是描述生物的形态和研究其规律性的学科。狭义的形态学主要是研究生物的成年个体的外形和器官构造(解剖学、组织学和器官学)。针对颅骨构成的几何形态复杂性，构成面貌的多样性，提出了颅面形态研究的领域，即颅面形态学（Craniofacial Morphology）。

颅面形态信息学是颅面形态学+信息技术。通过颅面的精细数字化方法、复杂三维数据结构和特征提取方法，以形成颅面的数据信息系统；从而借助信息技术的系统分析方法、人工智能的机器学习、离散群的统计分析方法得到颅面的特征和内部规律；运用图形学的三维建模造型技术、真实感输出显示技术、虚拟现实技术、增量制造的实体3D打印技术和其他技术方法，真实地展示颅面的原有形态。这些方法既有传统的数值计算，也有近年来的热点技术，这一借助发展中的信息技术研究颅面形态的方法，我们称之为颅面形态信息学。

颅面形态的认识和进步回顾

人类对颅骨的认识、研究和手术改变已有数千年的历史。

人类对颅骨面貌的认识

通过非自然的方法改变颅骨的形态是人类对自然和自身的探索，是出于健康或某种信仰追求医学和美容的需要。

颅面手术记载范例：山东省大汶口文化遗址距今约5000多年。2001年考古人员发掘出土遗骸，在整理人骨标本时，发现该颅骨右侧顶骨靠后部有一直径为31mm×25mm的近圆形颅骨缺损，如图2所示。经国内专家学者近年来的研究，认定该颅骨的近圆形缺损应系人工开颅手术所致，此缺损边缘的断面呈光滑均匀的圆弧状，应是手术后墓主长期存活，骨组织修复的结果。

图2　大汶口文化遗址发现的头骨手术存活例证

中国古代五术之一的摸骨术，就是从接触、抚摸一个人的头颅、手骨、身体骨架等等骨相，判断其个性、喜好、能力、专长、格局及未来成就的一种经验预测，这也是古代中国人对头骨的一种思考的总结。将婴幼儿枕头用硬的材料使孩子头型变的扁平以突出脸框的做法，在我国中原西北一带流传至今，目的是为改变颅骨形态达到臆想中的“美观”。

世界其他民族中也有头骨拉长的记载。如距今约3000年的秘鲁的帕拉卡斯文化时期，古代印第安人靠人工方法将孩子的头骨拉长，以形成长脸的形状，如图3所示。古代有改变头形习俗的不仅仅是帕拉卡斯印第安人。尤卡坦半岛上的玛雅人、墨西哥的萨波帖克人和托托纳克人也有这种习俗。公元前5000年美苏尔文化以前的人也有改变头形的做法。非洲苏丹和刚果的一些民族，还有太平洋新赫布里底群岛的瓦努阿图居民，不久前还保留这种风俗。尽管这些民族有时空和文化差异，目的都是千方百计把头拉长以示美。

图3　古代印第安人靠人工方法将头骨拉长示意图

颅骨面貌复原技术的发展

近代的颅骨面貌复原是一种以颅骨为基础，以人体头面部解剖学规律为依据，根据人体头面部软组织及五官的形态特征与颅骨形态特征间的相关关系，在颅骨上，或颅骨的石膏模型上，或颅骨的影像上，用可塑物质(橡皮泥、黏土、塑像蜡等)雕塑或其他方法(颅骨侧面描记、计算机颜面影像等)重建颅骨生前面貌形象的技术。人工颅面复原如图4所示。

图4　人工复原流程图

颅骨面貌复原的设想最早由解剖学家Schaffhasen在1877年提出的，他认为根据颅骨复原其生前面貌是完全可能的。1883年，德国学者Welcker首次对13具男性尸体头面部的软组织厚度进行了测定。

1895年在德国的莱比锡市因扩建圣约翰教堂，由于墓穴密集和棺木损坏，迁坟时许多白骨混在一起，以至无法辨认出哪一具是大音乐家巴赫的遗骸，于是人们便从这些白骨中选出了一件被认为可能是巴赫的颅骨来，交给解剖学教授His，要求他鉴定这颗颅骨是否属于巴赫。His试想在这颗颅骨表面塑上肌肤毛发，看是否能够得到和艺术家在巴赫生前为其所做的肖像相近似的面貌。于是His选出24具男性自杀尸体(考虑到病死尸体会因生前所患疾病的消耗而影响面部软组织的正常厚度，故选用自杀尸体)，在面部定出了15个定位点，并测出了各点的软组织厚度，再将这些厚度数据和那个颅骨交给了雕塑家Seffner，并在事先未说明颅骨可能属于谁的情况下要求Seffner用这些软组织厚度数据在颅骨上进行雕塑，结果得到了一个和巴赫的生前肖像非常相似的塑像，如图5所示。这是世界上第一次尝试用科学的方法复原颅骨的生前面貌。以后，又有Kollman和Buchly、Birkner、Fischer、von Eggeling、Stadnuller、铃木尚、Γерасимοв等学者对不同种族的颅骨面貌复原进行了研究，研究方法也逐渐成熟，从单纯研究软组织厚度发展到研究五官形态和软组织形态之间的相关关系。

图5　巴赫遗骨复原范例

中国人的颅骨面貌复原是1939年由苏联学者格拉西莫夫首次进行的，他制作了一男一女两个古代人的塑像，被认为是夸大了其原始特性。第二次是美国学者魏敦瑞及其助手斯旺夫人制作的猿人头骨复原，发表于1943年。第三次是20世纪50年代中国学者吴汝康、吴新智和王存义制作的，如图6所示。

图6　北京猿人复原图

1916年由美国纽约警察局首次将颅骨面貌复原用于犯罪侦查。1925年，日本警方在侦破著名的“杉并白骨案”中第一次使用了颅骨面貌复原技术。在苏联，颅骨面貌复原也在1939年被用于刑事侦察工作。1971年的“九·一三”事件发生后，林彪专机在蒙古出事，最先赶到现场的苏联克格勃专家把疑似林彪、叶群的头颅处理后带回莫斯科。随后，苏联宣布林彪、叶群在事故中死亡。克格勃是如何证实的？近年来公开的资料证明，对林彪、叶群的鉴定，也采用了基于颅骨的面貌复原技术和将颅骨与照片重合比照的颅像重合技术。在我国，颅骨面貌复原在20世纪80年代初被用于刑事侦察工作，现已成为侦破无名尸骨案的重要手段。

下面是公安部物证鉴定中心实际完成的中原许昌县一件案例。犯罪分子为了谋财害命，将被害者杀害后碎尸百块。公安部门发现受害者遗骸后，经物证中心专家三维雕塑复原，如图7所示，在社会大众和科技手段支持下很快破案，将犯罪分子绳之以法。

图7　三维面貌复原照片和本人照片

传统颅骨面貌复原瓶颈

1895年，德国人对大音乐家巴赫遗骨的复原开辟了颅骨面貌复原应用领域。传统的面貌形态学研究和应用是人们在待定颅骨的基础上，借助解剖测量和针刺测量途径而获得对人脸和颅骨的测量数据，确定人脸软组织的厚度规律，由艺术家雕塑而成。用雕塑法进行三维面貌复原，缺点是采集的颅面样本量小、手工制作速度慢、效率低，且有主观误差。传统的复原研究属于人类学、艺术和医学的交叉领域，较依赖复原者个人对颅面特征和艺术的把握，其复原周期长，结果受主观因素影响较大，造价高、操作复杂、手工计算误差大，并不具备科学推广的价值。人工颅面复原如图8所示。

图8　人工颅面复原现场

计算机辅助的颅面复原技术发展

近年来，随着现代科技发展及学科间的交叉渗透，特别是上世纪90年代前后CT、核磁共振扫描应用于临床医学，获取医学数据的能力空前进步，使获得大量活体头颅样本数据成为现实。计算机三维可视化技术的发展，为信息技术应用于颅面形态学研究提供了新的技术和方法。进入21世纪以来，计算机辅助的颅面三维重构关键技术的研究问题，已引起国际信息学、人类学、法医学等相关领域的高度重视，成为国际上研究的热点。人脸软组织重建国际会议已分别在英国、德国、比利时召开了三届。2006年，Journal of Computing and Information Technology这份信息技术的核心刊物，开始设立颅骨面貌复原技术专栏；2011年，顶级刊物ACM Computing Surveys中专题论述计算机辅助颅像重合技术，表明二十余年来人类颅面学研究已开始由传统技术走上了信息技术时代，由不确定的个例研究走上了科学体系的发展方向，科学问题已逐步明晰，信息技术的使用已初见成效。颅面形态信息学已成为信息处理领域和人类学领域的研究热点。

计算机三维复原是一种真正意义上的进步。第一，在研究样本上，它从以尸体作为研究样本变成了以活体作为研究样本，这样一方面避免了一些实际条件和社会伦理方面的限制，另一方面避免了因死后软组织变形而造成的误差极大地影响了研究样本的来源和质量；第二，在研究手段上，它使头面部软组织厚度测量从原始的针刺法发展到CT、核磁等现代技术方法，测量的软组织厚度点从有限的几十个点发展到大量点，实现了全部的数字覆盖，是一个巨大的进步；第三，在图像形式上，它从模拟图像变成数字图像，从二维变成三维，最大限度地减少了主观误差并提高了效率，是颅骨面貌复原技术的发展方向；第四，基于科学数据的复原，基本不受人的干扰，完全由数据程序智能生成。计算机数据生成3D面貌复原结果如图9所示。

图9　计算机数据生成3D面貌复原（来源于西北大学可视化技术研究所）

国际上关于不同人种的颅面形态研究主要集中在美国、德国、日本等发达国家。从20世纪90年代开始，我国公安部第二研究所、西北大学、北京师范大学等单位的人类学、法医学和计算机领域专家组成的团队，相继在国家“九五”科技攻关等项目的支持下，开展计算机辅助颅骨面貌复原技术的相关研究。针对黄种人颅面形态研究中存在的瓶颈问题，建立中国人的颅面样本库，发展颅面形态信息学新技术，形成中国人面貌形态学的科学体系，开展具有我国自主知识产权的中国人颅面形态规律研究，科学意义重大，应用前景广阔。

颅面形态信息学研究意义与应用价值

颅骨面貌研究是重大的科学问题。对于人体头骨，除了其重要的保护大脑器官的生物学作用之外，颅骨也是构成面貌的基础，面貌是人类识别的直接依据。颅面形态信息对人脸识别、面貌辨认、表情合成、认知计算等研究有直接的作用，是人类生物身份识别的重要根据。颅骨是保护人脑的，所以，对人脑的任何造访，先要经过颅骨。开颅手术和颅骨修复，均需要掌握颅面形态的科学规律。颅骨决定人的面貌，人们试图改变面貌，首先需要熟悉现有面貌和预测术后面貌。颅面形态信息是颅面修理、整容科学的重要基础。目前开展的任何有关颅面的虚拟手术，了解颅面形态信息学知识是必需的基础，图10是通过改变面骨形态来改变面貌的实例。对于人类的遗骸，颅骨是遗留信息的最重要部分。基于颅骨的面貌复原，在法医学上是对无源尸体查找的重要方法，对刑侦破案有时是至关重要的一步。在考古学中基于遗骸重构出历史名人面貌，对于历史问题的认定、大众新闻探知、历史文化资源开发，均有重要的社会意义和经济意义。

图10　通过改变面骨形态来改变面貌

颅骨面貌研究是社会安全的重大需求。近年来，随着国内外社会治安形势的变化以及国内人口流动性的日益提高，对社会治安提出了新的要求，对无名尸体身份进行认证是维护社会稳定需要解决的重要问题。在当前的社会发展和信息技术深入应用的背景下，基于颅骨的面貌复原技术社会需求广泛。颅面形态信息学研究中的典型应用——颅骨面貌复原技术是查找尸源的“最后一张王牌”，颅像重合是解决尸源身份认定的重要技术。这两项技术就是研究“颅面形态信息学”的基本动力，也是该项研究的主要内容。

颅骨面貌研究是人类学研究的重要基础。体质人类学中的颅骨面貌复原用于再现远古人类和历史名人，运用信息技术研究中国古人类的进化发展，其现实意义是使中华文明在世界舞台上得到展示，使我国的颅面形态研究在国际上取得领先地位，同时促进民族之间认同、交流、团结发展。法医人类学中的颅骨面貌复原是由体质人类学中的颅骨面貌复原派生而来的，用于查找高度腐败或白骨化的无名尸源的身份认证，为侦查工作提供线索。直接应用有：著名历史人物的面貌复原、刑侦中对面貌不确定的尸源鉴定、灾难现场的身份认证、颅骨和照片重合的法医鉴定。

颅骨面貌研究在医学领域具有重大的应用价值。头颅手术修补、虚拟手术计划、美容整形等颌面外科手术中，需要运用颅骨面貌研究的成果和技术降低手术的风险，减轻病人的痛苦，得到更好的手术效果。