顱面形態新用途　信息技術領方向

創新驅動是我國重大發展戰略之一。然而，要實現創新驅動發展戰略，必須依靠科技的力量。以科技引領為核心動力，才能不斷迎來技術的群體性突破和科技成果的快速轉化。將人的顱骨面貌與信息技術相結合，是一項特殊的創新，也是我國著名計算機應用技術專家周明全和他的團隊20余年矢志不渝的研究方向。他們的研究，填補了我國數字體質人類學的領域空白，形成了“中國人”顱面形態信息技術的研究體系，多項研究成果達到國際領先水平，而且在公安刑偵、法醫學、人類學、考古學、現代醫學等各方面得到廣泛應用，是一項集技術創新和應用價值于一體的重要科技創新技術。

周明全教授是北京師范大學計算機學科帶頭人，曾擔任信息學院院長近10年。在過去的20多年里，他帶領團隊，一直關注如何用信息科學新技術，研究人類顱骨與面貌，進而在多個領域推廣應用。顱骨形態決定了一個人的面貌，而面貌則是人類識別的最直接的外觀依據。通過研究面貌和顱骨的內部結構、外觀形態、生長變化規律及其相互關系，便形成了顱面形態學的研究，而將蓬勃發展的信息技術和顱面形態學相結合，就構成了信息技術應用新領域：顱面形態信息學。

在周明全教授的研究工作推動下，顱面形態信息學已經成為影響人臉識別、面貌辨認、表情合成、認知計算等研究的熱門技術。尤其是進入21世紀后，計算機輔助的顱面三維重構關鍵技術的研究，在國際信息學、人類學、法醫學等相關領域引起高度重視，顱面形態與信息技術結合成為必然趨勢。

基于顱骨的面貌復原技術至今已有100余年，信息技術使得該項技術獲得新生。1895年，德國人對大音樂家巴赫遺骨的復原開辟了顱骨面貌復原應用先例。傳統的應用是人們在待定顱骨的基礎上，借助解剖和針刺途徑獲得對人臉和顱骨的測量數據，確定人臉軟組織的結構規律，由藝術家雕塑而成。傳統的復原研究屬于人類學、藝術和醫學的交叉領域，較依賴復原者個人對顱面特征和藝術的把握。其復原周期長，結果受主觀因素影響較大，造價高、操作復雜、手工計算誤差大，不具備科學推廣的價值。周明全教授講到，計算機三維可視化技術的發展，為信息技術應用于顱面形態學研究提供了新的技術和方法，可謂是真正意義上的進步。1996年，周教授承擔了公安部立項的國家“九·五”科技攻關項目，開啟了我國顱面形態信息學的研究，這一研究幾乎與國際同行研究同步。自此，項目組相繼得到國家“十·五”863項目、“十一·五”國家自然科學基金重點項目的支持，并開展了以人類學相關理論為依據，以社會需求為導向，運用計算機圖形學、虛擬現實、可視化技術進行的顱面形態信息學基礎理論、知識體系、基本方法和領域應用等系列研究。

據周明全教授介紹，顱面形態信息學在人臉識別、面貌辨認、表情合成、認知計算等方面有直接的應用價值，是人類生物身份識別的重要依據，同時在開顱手術和顱骨修復、整形領域，也需要掌握顱面形態的科學規律。另外，基于顱骨的面貌復原，是法醫學中對無源尸體查找的重要方法;在考古學中，基于遺骸再造出歷史名人面貌，對歷史問題的認定、文化資源的挖掘，都有深遠的意義。為此，課題組在不同領域形成了顱面復原、失蹤身份認證、頜面外科、破損頭顱虛擬修復、考古面貌科學數據復原等系列計算機應用工程，并取得了一系列科研和應用成果。

一方面，課題組構建了顱面形態信息學體系。系統地提出了顱面關系的知識體系、顱面復原技術體系、顱面信息應用體系;構建了顱面信息庫、形態學建模、面貌計算重構、真實感處理、結果評估、反饋修正的系統體系，將傳統的手工藝術雕塑變為科學數據計算、3D制作的規范工程。在顱骨面貌復原工程方面，課題組基于顱面形態的數字幾何表示方法，提出基于機器學習和統計分析的兩種顱面形態計算模型，使復原結果達到了國際領先水平。截至目前，已完成兩千余套活體面貌復原，公安部重大刑事案件協助復原60余起。研制的Internet公安慧聯網，為公安尸源認定提供了基于互聯網的尸源認定應用平臺，將復原時間從1個月下降到1個小時，大大提升了破案效率，有效地維護了國家公共安全。

重要的是，顱面形態的研究既是一個國際問題，也是特定的人種和民族問題。國際間關于不同人種的顱面形態研究，在發達國家和發展中國家之間存在嚴重的“技術鴻溝”。為此，針對黃種人顱面形態研究中存在的瓶頸問題，構建了精度和數量屬國際領先水平的中國人顱面數據庫，設計了顱面數據采樣新技術，提出了顱面數據組織新方法。針對蒙古人種（中國人）研究，發現了多項人類學種族和性別特征差異，揭示了中國人顱面、性別、種族的關鍵特征數據群;突破了傳統人類學研究缺乏科學數據、主觀性強的局限，填補了我國計算體質人類學的領域空白。針對顱骨的性別計算達到了國際最好的辨認率。

另一方面，顱面形態信息學也可用于現代醫學，在數字頭顱虛擬醫學工程的建設中，通過字頭顱的可視化知識體系、虛擬解剖重構體系、腦血管重構分析系統、虛擬內窺鏡系統，構建了結構解剖、虛擬內窺、血管重構、頜面整形、形態分析5個平臺。已和多家醫療機構、醫院合作，提供了虛擬手術計劃、病例分析和個體器官制作百余例。

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據，周明全教授帶領課題組構建了中華民族遠古近古數字顱骨樣本體系;形成了從35萬年前的古人到春秋、秦漢、唐宋等不同時代人顱骨的實例面貌復原。應用破碎顱骨虛擬修復與三維測量實現了約12萬年前“許昌人”頭骨復原與演化分析，得到東亞地區古人類演化模式，為東亞人的進化提出了世界“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顱面復原技術，復原了1200多年前唐代公主李棰的容顏，這一結果在CAA的考古應用國際會議報告后，得到了海內外考古界和信息技術領域百余家媒體的一致好評和爭相報道，并認為“中國該領域的研究工作處于國際領先水平”。

課題組構建了顱面幾何測量、未知面貌復原、頜面整形等5個軟件平臺。創建了顱面形態信息學3個體系，授權發明專利15項，其中《一種基于分區統計模型的顱面復原方法》獲18屆中國專利優秀獎;2004年，《數字化頭顱的研究與應用》項目獲得教育部科技進步二等獎;2013年，《顱面形態信息學研究和應用》獲得中國計算機學會科技進步二等獎;2014年，獲得北京市科技進步二等獎，并于2017年獲得國家科技進步獎的提名。撰寫了國家標準的《法庭科學顱骨面貌復原技術規范》，2014年作為公安部行業標準實施，引領行業應用;項目成果通過公安部驗收和教育部鑒定，鑒定結果為國際領先水平，填補了國內空白，社會效益顯著。

如今，顱面形態信息學的研究已經歷經20多個春秋，這其中，飽含著周明全和耿國華教授的“伉儷情深”，也展現了近百名青年學子為科研獻身的激情歲月。周明全教授說，這是一代人的宿命，也孕育了一代人的成長。正是他們將算法分析、數據挖掘、知識工程和計算機圖形學等各自所熟知的領域相互融合，共同發力，才有了今天顱面形態信息學完善理論系統與多樣的應用工程。同時，他們幫助新一代不斷成長，通過研究顱骨面貌，形成了系統的圖像技術基礎，開拓了虛擬現實、人工智能、機器視覺的研究方向，讓他們成為計算機應用技術領域的海內外不同單位的科技中堅，用新知識新思想結合顱面研究，從顱面分析、新技術運用，展開新的研究課題。

周明全感嘆：顱面形態學在發展，信息技術在發展，人類對顱面的研究也在繼續，該學科造福人類的工作才剛剛開始。舊問題解決了，新問題又有發現。認識顱面無止境，唯有苦戰可過關！