Komputerowa rekonstrukcja przyżyciowego wyglądu twarzy na podstawie czaszki

Tadeusz Kozieł

Komputerowa rekonstrukcja

przyżyciowego wyglądu twarzy

na podstawie czaszki

nich mogą mieć różne cechy, np. typ subnordyczny, najliczniejszy w popu­ lacji polskiej, składający się z typu nor- dycznego i laponoidalnego, może być jasnopigmentowany (nordyczny) albo ciemnopigmentowany (laponoidalny). Z dużą tolerancją (10 i więcej lat) okre­ ślany jest wiek. W wielu przypadkach, na podstawie badań czaszki, nie moż­ na określić jednoznacznie, czy pocho­ dzi ona od kobiety, czy od mężczyzny. Wiele danych odnoszących się do: ust, nosa, oczu, brwi, koloru włosów, antropolog podaje z dużą tolerancją, np. kolor włosów od ciemnych do jas­ nych. Na podstawie tych badań nie można ustalić, np. kształtu brwi i uszu, zarostu twarzy, a także w większości przypadków znaków charakterystycz­ nych: blizn, plam na skórze, fałd, zmarszczek etc.

Rekonstrukcja głowy (twarzy) czło­ wieka na podstawie czaszki, do nie­ dawna wykonywana była metodą: pla­ styczną (rzeźbiarską) i rysunkową (graficzną). Pierwsza polega na nakła­ daniu, bezpośrednio na czaszkę lub jej replikę, miękkiej warstwy tworzywa (gliny, plasteliny), z uwzględnieniem średniej grubości tkanki miękkiej po­ krywającej czaszkę za życia człowieka oraz cech charakterystycznych, zgod­ nie z metodą Gierasimowa. Metoda graficzna opiera się na tych samych zasadach, jakie stosowane są w me­ todzie plastycznej z tym, że wygląd twarzy rekonstruowany jest techniką rysunkową.

Od kilku lat prowadzone są badania nad możliwościami dokonywania re­ konstrukcji głowy na podstawie czasz­ ki z zastosowaniem techniki kompute­ rowej [5].

Obecnie w praktyce stosowane są dwie techniki komputerowej rekon­

strukcji głowy (twarzy), z wykorzysta­ niem grafiki komputerowej dwuwymia­ rowej i trójwymiarowej.

Pierwsza polega na odtwarzaniu wyglądu twarzy w rzucie na płaszczy­ znę w osi x, y, w pozie en face i ewen­ tualnie z profilu. Metoda ta stosowana jest w USA i w Polsce.

Obraz czaszki do pamięci kompute­ ra może być wprowadzany za pomocą kamery telewizyjnej, z wykorzysta­ niem cyfrowego przetwornika obrazu, aparatu fotograficznego elektronicz­ nego lub też pośrednio ze zdjęć foto­ graficznych za pomocą skanera. Na­ stępnie, przy uwzględnieniu średniej grubości tkanki miękkiej oraz danych z badań antropologicznych, kompono­ wany jest przyżyciowy wygląd twarzy osoby.

Kontrola zgodności tkanki miękkiej weryfikowana jest poprzez przenika­ nie obrazu czaszki albojej graficznego obrysu i rekonstrukcji, lub też cięcia obrazu w osi x, y, podobnie jak w przypadku superprojekcji, z zastoso­ waniem techniki wideo.

Technika komputerowa z wykorzy­ staniem grafiki trójwymiarowej jest bardziej złożona, pozwala na rekon­ strukcję głowy w formie przestrzennej w osi x, y, z. Jest to metoda skomp­ likowana, wymagająca programu da­ jącego możliwość wprowadzenia peł­ nego obrazu czaszki oraz ogromnego zbioru danych o budowie głowy i róż­ nic występujących między poszcze­ gólnymi osobami. Tworzenie takiego systemu, niezależnie od wysoko spe­ cjalizowanego programu, wymaga szerokich badań antropologicznych oraz określenia, na obszernym mate­ riale, korelacji cech, jaka zachodzi między budową czaszki i przyżycio­ wym wyglądem głowy człowieka [6]. Pierwsze udane próby rekonstruo­

wania twarzy na podstawie czaszki podjęto pod koniec XIX wieku. Zagad­ nieniem tym m.in. zajmowali się: Schauffhausen (1877), H. Welcker (1888), W. His (1894), J, Tanddler, J. Talko Hryniewicky, którzy podejmo­ wali próby rekonstruowania głów sław­ nych osób, m.in. J. Sebastiana Bacha, Józefa Haydna, Piotra Skargi, Juliu­ sza Słowackiego [1],

Podstawy naukowe rekonstrukcji, z uwzględnieniem grubości tkanki mięk­ kiej, stosowane do obecnej chwili opracowali Kollman (1898) [2], F. Mer- kel, K.M. Furst (1900), F. Birkner (1907), Hans Virchow oraz M. M. Gie- rasimow (1927/55) [3]. Ustalili oni da­ ne o średniej grubości tkanki miękkiej, pokrywającej głowę człowieka, z uwz­ ględnieniem płci, wieku i urzeźbienia czaszki. W Polsce rekonstrukcję me­ todą Gierasimowa wykonywali: M. Go- dycki i W. Pławiński [4],

Rekonstrukcja głowy człowieka na podstawie czaszki metodą Gierasimo­ wa od 1963 roku wykonywana jest w Centralnym Laboratorium Kryminali­ stycznym Komendy Głównej Policji (do 1990 w Zakładzie Kryminalistyki KG MO).

Podstawą do wykonania rekonstru­ kcji i pierwszą jej fazą są badania an­ tropologiczne czaszki. Biegły antropo­ log określa: typ rasowy, cechy typolo­ gii indywidualnej, płeć, wiek i inne da­ ne o przyżyciowym wyglądzie osobni­ ka.

Typ rasowy, pozwalający na uzyski­ wanie cech charakterystycznych dla danej odmiany, w większości przypad­ ków analizowany jest pod różnym ką­ tem. Wynika to z faktu, że w ciągu tysiącleci rasy krzyżowały się i w za­ leżności od przewagi cech jednej z

l

;

w systemie FACETTE poprzez przeni-Ryc. Z Pozycja czaszki, w jakiej powinna być wpro­ wadzona do pamięci komputera

Fig. 2. Position of a skuli accepleil for enlering bilo the computefs ntemory

(dzielenie) tych obrazów. Ponadto róż­ nica polega na sposobie nanoszenia elementów twarzy. W FACETTE

ele-Ryc. 3. Normalizacja obrazu czaszki. Nr 1-3 ozna­ czono kolejność nanoszenia Unii normalizacji Fig. 3. Normalization of the image of the skuli. Nos. 1-3 setpienceof norma! ization lines

2. Znormalizowanie obrazu czaszki odpowiednio do formatu elementów portretu. Zadanie to realizowane jest automatycznie po wyznaczeniu długo­ ści czaszki i jej centralnej pozycji (ryc.

sposobie weryfikacji (kontroli) popra­ wności nałożenia elementów. W sy­ stemie POL-SIT zadanie to realizowa­ ne jest poprzez przenikanie obrazu graficznego czaszki i rekonstrukcji, a

Ryc. 1. Zestaw komputerowy do rekonstrukcji twarzy na podstawie czaszki w systemie POL-SIT Fig. 1. The Computer system useil for reconstruclion of face on thebasis of skuli in POL-SITsystem

e

... /tg

wił

T

ó

a

t

A

' ś.

W dużym stopniu problem ten roz­ wiązuje opracowanie korelacji cech kraniometrycznych i kranioskopowych czaszki z cechami kefaloskopowymi głowy ludzkiej. Dane tabelaryczne oraz program komputerowy ułatwiają sporządzenie rysopisu osoby (także automatyczne wydrukowanie), na podstawie danych pomiarowych kra­ niometrycznych i kranioskopowych

[7]-Rekonstrukcja komputerowa głowy (twarzy) człowieka wykonywana jest metodą kompozycyjną, podobnie jak portret obrazowy [8]. Na obraz czasz­ ki, po wyznaczeniu obrysu średniej grubości tkanki miękkiej i rozmiesz­ czenia podstawowych elementów (oczy, nosy, usta, uszy), nanosi się elementy twarzy z bazy danych, odpo­ wiednio do ustaleń antropologicznych, danych o średniej grubości tkanki

miękkiej i korelacji między budową

elementów kostnych czaszki i elemen­

tów zewnętrznego ukształtowania gło­ wy (twarzy) ludzkiej.

Rekonstrukcja komputerowa, podo­ bnie jak rekonstrukcja wykonana me­ todą plastyczną lub rysunkową, po­ zwala na uzyskanie tylko ogólnego po­ dobieństwa do przyżyciowego wyglą­ du. Z dużądokładnościąrekonstrukcja oddaje kształt głowy (twarzy), propo­ rcje oraz rozmieszczenie elementów twarzy (oczy, nos, usta). Inne elemen­ ty wyglądu twarzy dobierane są, z uwzględnieniem stopnia prawdopodo­ bieństwa ich wystąpienia, w konkret­ nym przypadku.

Od 1993 roku w Polsce, do rekon­ strukcji twarzy na podstawie czaszki stosowana jest technika komputero­ wa, oparta na grafice dwuwymiarowej. Metoda ta opracowana została w Ce­

ntralnym Laboratorium Kryminalisty- w systemie FACETTE poprzez przeni- do pamięci komputera i wyświetlenie

cznym KGP przez T. Kozieła i Z. Dę- kanie obrazu czaszki i rekonstrukcji go na ekranie monitora (ryc. 2).

bińskiego, w ramach systemu identy- wyglądu twarzy oraz zestawienie fikacji twarzy POL-SIT, a program

komputerowy przez mgra inż. Z. Ja­ gielskiego [9].

Rekonstrukcja w systemie POL-SIT menty te wykonane są metodą graficz- jest podobna do systemu FACETTE ną, a w POL-SIT metodą fotograficzną 3).

(USA). Różnica między nimi polega na (ryc. 1). 3. Wyznaczenie punktów

warunku-Proces rekonstrukcji w systemie jących poprawne rozmieszczenie ele-

POL-SIT dokonywany jest etapowo i mentów twarzy znajdujących się w ba-

sklada się z następujących faz: zie danych (oczy, uszy, nosy, usta).

1. Wprowadzenie za pomocą ska- Do realizacji tego celu służą specjalne nera zdjęcia czaszki w pozie en face wyznaczniki (markiery), które

pozwą-Umiejscowienie szpary ust

Umiejscowienie oczu

Umiejscowienie nosa

Umiejscowienie uszu lają na wyznaczenie punktu centralne­

go, poziomu i pionu oraz kąta ustawie­ nia elementu.

niżej górnej krawędzi dołeczka wore­ czka łzowego (będącego jednocześ­ nie przyśrodkowym kątem oka) oraz w punkcie na niewielkiej wypukłości zewnętrznej strony wyrostka czołowe­ go kości jarzmowej (miejsce przycze­ pu mięśni zewnętrznego kącika oka).

Przy ustalaniu miejsca położenia ust linię poziomą znacznika ustawia się na 1/3 wysokości centralnych sie­ kaczy szczęki, licząc od dołu. Długość szpary ust wyznacza się również za pomocą linii poziomej znacznika. Jej długość (może być regulowana) odpo­ wiada długości linii, która powinna obejmować odcinek między kłami (tuż za nimi).

Za pomocą linii pionowej znacznika wyznaczana jest grubość czerwieni wargowej oraz środek szpary ust. Li­ nia ta ustawiana jest pionowo, między

Miejsce położenia uszu wyznacza się przy uwzględnieniu otworów słu­ chowych. W tym celu linie poziome znaczników ustawia się tuż przy kra­ wędzi czaszki, na wysokości dolnej granicy oczodołów.

Po zatwierdzeniu miejsca położenia markierów wybrany fragment, np. oczodół, może być powiększony, po ustawieniu końcówki piórka na środku krzyżujących się linii znacznika i przy­ ciśnięciu Esc (ryc. 4a, b, c).

4. Wyznaczanie w sposób automa­ tyczny średniej grubości tkanki mięk­ kiej wg Gierasimowa, będącej jedno­ cześnie obrysem kształtu twarzy. Pro­ gram pozwala również na dokonywa­ nie korekty obrysów, co umożliwia uwzględnienie grubości tkanki w za­ leżności od płci, wieku itp.

5. Komponowanie wyglądu twarzy poprzez wybór z bazy danych elemen­ tów i nakładanie ich na obraz czaszki, tzn. masek twarzy (kształt), włosów, brwi, oczu, nosów, ust i uszu, a także, o ile zachodzi uzasadniona potrzeba, to również elementów dodatkowych: wąsów, bród, bokobrodów, nakryć gło­ wy etc. (ryc. 5a, b, c, d, e, f, g).

Każdy z elementów, po nałożeniu na obraz czaszki, może być modyfiko­ wany. Służy do tego opcja programo­ wa transformacji, za pomocą której element może być powiększany i po­ mniejszany, przemieszczany w osi x,y i skręcany.

W końcowym etapie rekonstrukcji wyglądu twarzy dokonywane są po-Prawidłowy wybór oczu, ich osa­

dzenie zależy od kształtu i wielkości oczodołu, jego nachylenia w płaszczyźnie bocznej oraz od budowy jego zewnętrznych i wewnętrznych brzegów. Punkt przecięcia się linii zna­ cznika wyznacza centralny punkt po­ łożenia oka. W płaszczyźnie czołowej gałka oczna najczęściej położona jest centralnie w orbicie oczodołu, co wy­ znacza linia pionowa znacznika. W przypadku, gdy oczodół ma kształt po­ ziomego, wydłużonego prostokąta, gałka oczna jest przesunięta niezna­ cznie w kierunku nasady nosa. W celu wyznaczenia szpary ocznej linię po­ ziomą znacznika ustawia się nieco

po-Miejsce położenia nosa (podstawa i kątowe ustawienie) dokonywane jest za pomocą znaczników linii poziomej i pionowej. Podstawę nosa wyznacza linia pozioma, kąt ustawienia nosa li­

nia pionowa. W celu wyznaczenia centralnymi siekaczami szczęki, podstawy nosa pozioma linia znaczni­

ka powinna być ustawiona nieco poni­ żej kolca nosowego. Na linii tej, pod­ czas rekonstrukcji umieszcza się pod­ stawę skrzydełek nosa. Czubek nosa nie musi pokrywać się z tą linią.

Ryc.4. Wyznaczenie miejsca położenia oczu, nosa, ustiuszu Fig.4.Marking ofposil ions ofeyes,nose, mouthand cars

Ryc. 5.Etapy wykonywaniarekonstrukcji wyglądu

twarzy

Fig. 5. Stages for recoristrudionofaface

Metodą komputerową od 1992 roku wykonano 23 rekonstrukcje, w tym w systemie POL-SIT-14. W ośmiu przy­ padkach rekonstrukcję wykonano w kilku wersjach (od dwóch do czterech) (ryc. 6 i 7). W czterech sprawach, na podstawie wykonanych rekonstrukcji, wytypowano osoby zaginione, które zostały z kolei zidentyfikowane meto­ dą superprojekcji (ryc. 8 i 9). W jednym przypadku wytypowano osobę, której tożsamości nie potwierdzono.

Z uwagi na krótki okres stosowania rekonstrukcji komputerowej oraz duży procent czaszek osób, których śmierć nastąpiła stosunkowo dawno, niekie­ dy kilka wieków temu, nie można w chwili obecnej ocenić w sposób jedno­ znaczny skuteczności tej metody. Zdaniem autorów dorównuje ona me­ todom plastycznej i rysunkowej, ajed-prawki i uzupełnienia za pomocą opcji

transformacji oraz palety narzędzi re­ tuszu (skali szarości, pisaka o różnej grubości, pędzla, wałka wyrównujące­ go kontrasty, gumki i sprayu).

W wielu przypadkach zachodzi ko­ nieczność rekonstruowania wyglądu twarzy najczęściej w dwóch wersjach. Jest to uzasadnione, ponieważ nie za­ wsze można uzyskać odzwierciedle­ nia oddające w pełni przyżyciowy wy­ gląd osoby, ajedynie przybliżony. Naj­ częstszą przyczyną wykonania rekon­ strukcji w więcej niż jednej wersji jest niejednoznaczne oznaczenie typu ra­ sowego, przynależności płciowej, wie­ ku itp.

Technika komputerowa ułatwia do­ konywanie zmiany wersji, uzupełnia­ nie wyglądu dodatkowymi elementa­ mi, dodawanie wąsów, bród, zmianę linii włosów, fryzury etc.

n n n n n.n c

i

■

wykorzystaniem nakrycia głowyujawnionego

Ryc. >. Dwie wersje rekonstrukcji twarzyna podstawieczaszki

Fig.6. Twovcrsions ofreconstrucfionofface onIhe basisofskuli

namiejscu Ryc.7.Trzy wersje rekonstrukcji, trzecia z

znalezienia zwłok

SUMMARY

BIBLIOGRAFIA

■'

nocześnie jest znacznie mniej praco­

chłonna.

Ryc. 9. Czaszka i wykonana na jej podstawie rekon­ strukcja wyglądu twarzy oraz zdjęcie zidentyfiko­ wanej osoby

Fig. 9. A skuli and reconstruction of face madę on ils basis

as ivell as a piclure of an idenlified indwidunl

1. Niziałek Z.:Odtwarzanie przyżyciowego wyglądu głowy metodą rekonstrukcji

plastycznej.Wyd.ZakładuKryminalisty­ ki KG MO. Warszawa 1984.

2. KollmanJ., Buchly W.:Die Persitenz der Rassen und die Reconstruction der

Physiognomie prahistorischer Schadel "Arch.Anthrop", 1898,25,329.

3. Gierasimow M. M.: Wostanowlienijelica po czierepu. Wyd. Akademia Nauk SSSR. Moskwa 1955.

The author describes different com-

puter-aided methods of ante-mortem

face reconstruction on the basis of skuli.

Concentrating on generał considera-tions and shortly discussing Com­ puter systems the POL-SIT system,

developed by the experts,employed in the CentralForensic Laboratoryof the Police in Warsaw,comprisesboth

image portrait and reconstruction. Computer-aided reconstruction ofthe

ante-mortem image of face in the POL-SIT system depends on super-imposition of components stored in

the data-base onto the image ofskuli,

enteredto the computers memory.

Ryc. 8. Zdjęcia czaszki i wykonanego na jej podsta­ wie portretu oraz zdjęcia osoby, która została wyty­ powana do identyfikacji na podstawie rekonstrukcji,

a następnie zidentyfikowana metodą superprojekcji

Fig. 8. Piclurcs of a skuli and a porlait madę on its basis and a piclure of a person, selected for identification on the basis of reconstruction, and further idenlified by superint- position

i

•i

4.Pławiński W.: Metoda rekonstrukcji wy­

glądu głowy wpraktyceśledczej, „Pro­ blemy Kryminalistyki" 1961, nr 31, s.

339.

5. Kozieł T., Dębiński Z.: Portretpamię­

ciowy - rekonstrukcja przyżyciowego

wyglądutwarzy na podstawie czaszki,

„ProblemyKryminalistyki"1993,nr 202,

s.25.

6.VanezisP., BlowesR.W., Linney A.D., Tan A.C.,RichardsR., Neave R.: Ap­

plication of 3-DComputer Graphics for

FacialReconstruction and Comparison

with Sculpting Techniąues. "Forensic Science International" 1983, t. 42, nr 1,2,s.74.

7. Kozieł T, Dębiński Z.: Komputerowy

portret obrazowy w systemie „POL-

SIT",„ProblemyKryminalistyki" 1994, nr 206, s.32.

8.Dębiński Z.,Kozieł T., NiziałekZ.:

An-troposkopia kryminalistyczna, Wyd.

CLK KGP Warszawa 1994,s.168 i nast. 9. Douglas H. Ubelaker,GeneODonnell:

Computer -AssistedFacial Reproduc- tion, "Journal of Forensic Sciences", 1992, t.37, nr1,s. 156.