《科学通报》
开博时间：2019-09-06 16:50:00《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。
打开我们祖先面貌复原的密码
2020-11-19 20:54:00我们的祖先长什么样?如何应用颅面复原技术进行古人类头骨的面貌复原是人类学家关注的热点问题之一。手工复原长期以来一直是古人类头骨化石进行面貌复原的主要技术，我国人类学家采用此方法相继复原了北京猿人、蓝田猿人、马坝人、金牛山人、大荔人等古老型人类，以及柳江人、扎赉诺尔人、丽江人等早期现代人的面貌形态，满足了人们认识和感受远古人类面貌的需求。由于古人类头骨的面部软组织已经消失殆尽，如何依据古人类头骨的几何形状估计和猜测其面部形态成为亟待研究和解决的难题。
奇和洞头骨化石距今1万年左右，因兼有更新世晚期人类和全新世南、北方居民的混合体质特点备受关注，该头骨化石的发现为探讨华南地区新石器早期人类的体质特征和人群的迁徙、扩散提供了重要的研究材料。
► 吴秀杰研究员和税午阳博士将研究目光转向了“奇和洞人”头骨化石的面貌复原方法研究，提出了一种基于最小二乘回归和面貌统计形状模型约束的颅面交互复原方法，实现了奇和洞古人类头骨生前面貌的三维虚拟复原。研究人员依据三维复原面貌并结合美工绘画技巧，生动形象地再现新石器早期人类的脑颅及面部的形态特征。该研究以“奇和洞古人类头骨面貌的三维虚拟复原”为题发表于《科学通报》。
近年来，随着计算机断层扫描和磁共振成像等医学影像技术的发展，活体人群已经被用于面部软组织的测量和分析，为颅骨面貌复原技术的发展和应用提供了大量基础数据;计算机图形学、机器学习等信息技术的应用为发现颅面形态关系提供了技术支持。目前，针对现生人的计算机辅助颅面复原技术已经成为该领域国内外研究的热点问题。
我国自1996年开始了计算机辅助颅骨面貌复原技术的研究。北京师范大学、西北大学和公安部物证鉴定中心在国家“九五”科技攻关、国家自然科学基金重点项目的资助下，开展了颅面三维数据库构建、颅面数据配准、颅面数据测量和分析、颅骨面貌复原、复原结果客观评价等关键问题的研究，出版了《颅面形态信息学》专著、制定了《法庭科学颅骨面貌复原技术规范》。由于古人类头骨与现生人头骨的几何形状差异较大且颅面形态关系并不完全一致，对古人类头骨进行面貌复原具有很高难度。2016年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所与北京师范大学信息科学与技术学院合作建立了“古人类颅面复原创新交叉团队”，开展了古人类头骨化石的颅面复原方法研究，通过信息科学与人类学的交叉研究推动古人类头骨颅面复原技术的发展。
► 奇和洞头骨三维模型和三维面貌复原模型
奇和洞古人类头骨的面貌复原方法可以概括为六个步骤：
第一步，利用工业CT设备完成奇和洞头骨断层影像的采集和三维建模，采用射线与三维模型求交算法计算奇和洞头骨的外表面点云，并将其变换至法兰克福坐标系下，完成奇和洞头骨三维数据的处理;
第二步，针对现生人的颅骨和面貌三维模型以及标定的特征点，采用非刚性配准方法建立颅骨和面貌规格化稠密点云，采用主成分分析方法实现颅骨和面貌三维模型在统计形状空间的表示;
第三步，针对现生人的颅骨和面貌模型在统计形状空间的主成分系数，采用最小二乘回归方法实现颅面形态关系的定量表示;
第四步，计算奇和洞头骨外表面模型在统计形状空间的主成分系数，利用该系数及现生人的颅面形态关系实现奇和洞头骨三维面貌的初步复原;
第五步，分析现生人的面貌在统计形状空间的主成分与面貌几何形状的关系，从而通过交互地调整主成分系数实现面貌复原模型的交互编辑，最大程度再现奇和洞人生前的容貌;
最后，利用手工绘图方法对面貌复原结果进行真实感处理，完成奇和洞人生前面貌的再现。
► 手工绘画实现面貌复原结果的真实感处理(正侧面)
该研究依据现生人的颅面形态关系和人类学家的经验，提出了一种针对古人类的计算机辅助颅面交互复原方法，设计了计算机3D颅面复原软件，提高了古人类头骨面貌复原的效率、降低了复原难度。将现生人颅面形态间的定量关系用于古人类头骨三维面貌的初步复原，保证了复原结果的客观性。在面貌统计形状模型的约束下提供了面貌形状的交互编辑工具，克服了现生人与古人类颅面形态关系不一致的问题，人类学家可以根据经验交互地修改面貌复原结果，最大程度再现了古人类头骨的生前容貌，为重塑人类进化过程中面部形态特征的演化提供了技术支持和参考资料。
文/税午阳，吴秀杰
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