颅面形态新用途 信息技术领方向——周明全教授和他创建的“颅面形态信息学”

□文｜王霞

周明全，我国著名计算机应用技术专家，教育部虚拟现实应用工程研究中心主任，北京师范大学教授，先后主持多项国家重要科研项目，获得10余项省部级科学研究成果的奖励，发表SCI/EI检索论文220篇；授权发明专利14项，将颅面形态信息学很好地应用到了考古、医学、刑侦等诸多领域，有效促进了信息技术的发展。

创新驱动是我国重大发展战略之一。然而，要实现创新驱动发展战略，必须依靠科技的力量。以科技引领为核心动力，才能不断迎来技术的群体性突破和科技成果的快速转化。将人的颅骨面貌与信息技术相结合，是一项特殊的创新，也是我国著名计算机应用技术专家周明全和他的团队20余年矢志不渝的研究方向。他们的研究，填补了我国数字体质人类学的领域空白，形成了“中国人”颅面形态信息技术的研究体系，多项研究成果达到国际领先水平，而且在公安刑侦、法医学、人类学、考古学、现代医学等各方面得到广泛应用，是一项集技术创新和应用价值于一体的重要科技创新技术。

周明全教授是北京师范大学计算机学科带头人，曾担任信息学院院长近10年。在过去的20多年里，他带领团队，一直关注如何用信息科学新技术，研究人类颅骨与面貌，进而在多个领域推广应用。颅骨形态决定了一个人的面貌，而面貌则是人类识别的最直接的外观依据。通过研究面貌和颅骨的内部结构、外观形态、生长变化规律及其相互关系，便形成了颅面形态学的研究，而将蓬勃发展的信息技术和颅面形态学相结合，就构成了信息技术应用新领域：颅面形态信息学。

在周明全教授的研究工作推动下，颅面形态信息学已经成为影响人脸识别、面貌辨认、表情合成、认知计算等研究的热门技术。尤其是进入21世纪后，计算机辅助的颅面三维重构关键技术的研究，在国际信息学、人类学、法医学等相关领域引起高度重视，颅面形态与信息技术结合成为必然趋势。

基于颅骨的面貌复原技术至今已有100余年，信息技术使得该项技术获得新生。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先例。传统的应用是人们在待定颅骨的基础上，借助解剖和针刺途径获得对人脸和颅骨的测量数据，确定人脸软组织的结构规律，由艺术家雕塑而成。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，不具备科学推广的价值。周明全教授讲到，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，可谓是真正意义上的进步。1996年，周教授承担了公安部立项的国家“九·五”科技攻关项目，开启了我国颅面形态信息学的研究，这一研究几乎与国际同行研究同步。自此，项目组相继得到国家“十·五”863项目、“十一·五”国家自然科学基金重点项目的支持，并开展了以人类学相关理论为依据，以社会需求为导向，运用计算机图形学、虚拟现实、可视化技术进行的颅面形态信息学基础理论、知识体系、基本方法和领域应用等系列研究。

据周明全教授介绍，颅面形态信息学在人脸识别、面貌辨认、表情合成、认知计算等方面有直接的应用价值，是人类生物身份识别的重要依据，同时在开颅手术和颅骨修复、整形领域，也需要掌握颅面形态的科学规律。另外，基于颅骨的面貌复原，是法医学中对无源尸体查找的重要方法；在考古学中，基于遗骸再造出历史名人面貌，对历史问题的认定、文化资源的挖掘，都有深远的意义。为此，课题组在不同领域形成了颅面复原、失踪身份认证、颌面外科、破损头颅虚拟修复、考古面貌科学数据复原等系列计算机应用工程，并取得了一系列科研和应用成果。

一方面，课题组构建了颅面形态信息学体系。系统地提出了颅面关系的知识体系、颅面复原技术体系、颅面信息应用体系；构建了颅面信息库、形态学建模、面貌计算重构、真实感处理、结果评估、反馈修正的系统体系，将传统的手工艺术雕塑变为科学数据计算、3D制作的规范工程。在颅骨面貌复原工程方面，课题组基于颅面形态的数字几何表示方法，提出基于机器学习和统计分析的两种颅面形态计算模型，使复原结果达到了国际领先水平。截至目前，已完成两千余套活体面貌复原，公安部重大刑事案件协助复原60余起。研制的Internet公安慧联网，为公安尸源认定提供了基于互联网的尸源认定应用平台，将复原时间从1个月下降到1个小时，大大提升了破案效率，有效地维护了国家公共安全。

重要的是，颅面形态的研究既是一个国际问题，也是特定的人种和民族问题。国际间关于不同人种的颅面形态研究，在发达国家和发展中国家之间存在严重的“技术鸿沟”。为此，针对黄种人颅面形态研究中存在的瓶颈问题，构建了精度和数量属国际领先水平的中国人颅面数据库，设计了颅面数据采样新技术，提出了颅面数据组织新方法。针对蒙古人种（中国人）研究，发现了多项人类学种族和性别特征差异，揭示了中国人颅面、性别、种族的关键特征数据群；突破了传统人类学研究缺乏科学数据、主观性强的局限，填补了我国计算体质人类学的领域空白。针对颅骨的性别计算达到了国际最好的辨认率。

另一方面，颅面形态信息学也可用于现代医学，在数字头颅虚拟医学工程的建设中，通过字头颅的可视化知识体系、虚拟解剖重构体系、脑血管重构分析系统、虚拟内窥镜系统，构建了结构解剖、虚拟内窥、血管重构、颌面整形、形态分析5个平台。已和多家医疗机构、医院合作，提供了虚拟手术计划、病例分析和个体器官制作百余例。

更重要的是，课题组建立了基于颅面库稀有的古人类头骨化石数据，周明全教授带领课题组构建了中华民族远古近古数字颅骨样本体系；形成了从35万年前的古人到春秋、秦汉、唐宋等不同时代人颅骨的实例面貌复原。应用破碎颅骨虚拟修复与三维测量实现了约12万年前“许昌人”头骨复原与演化分析，得到东亚地区古人类演化模式，为东亚人的进化提出了世界“人类起源”新看法。2009年，周明全教授在陕西省考古研究院的支持下，利用3D颅面复原技术，复原了1200多年前唐代公主李棰的容颜，这一结果在CAA的考古应用国际会议报告后，得到了海内外考古界和信息技术领域百余家媒体的一致好评和争相报道，并认为“中国该领域的研究工作处于国际领先水平”。

课题组构建了颅面几何测量、未知面貌复原、颌面整形等5个软件平台。创建了颅面形态信息学3个体系，授权发明专利15项，其中《一种基于分区统计模型的颅面复原方法》获18届中国专利优秀奖；2004年，《数字化头颅的研究与应用》项目获得教育部科技进步二等奖；2013年，《颅面形态信息学研究和应用》获得中国计算机学会科技进步二等奖；2014年，获得北京市科技进步二等奖，并于2017年获得国家科技进步奖的提名。撰写了国家标准的《法庭科学颅骨面貌复原技术规范》，2014年作为公安部行业标准实施，引领行业应用；项目成果通过公安部验收和教育部鉴定，鉴定结果为国际领先水平，填补了国内空白，社会效益显著。

如今，颅面形态信息学的研究已经历经20多个春秋，这其中，饱含着周明全和耿国华教授的“伉俪情深”，也展现了近百名青年学子为科研献身的激情岁月。周明全教授说，这是一代人的宿命，也孕育了一代人的成长。正是他们将算法分析、数据挖掘、知识工程和计算机图形学等各自所熟知的领域相互融合，共同发力，才有了今天颅面形态信息学完善理论系统与多样的应用工程。同时，他们帮助新一代不断成长，通过研究颅骨面貌，形成了系统的图像技术基础，开拓了虚拟现实、人工智能、机器视觉的研究方向，让他们成为计算机应用技术领域的海内外不同单位的科技中坚，用新知识新思想结合颅面研究，从颅面分析、新技术运用，展开新的研究课题。

周明全感叹：颅面形态学在发展，信息技术在发展，人类对颅面的研究也在继续，该学科造福人类的工作才刚刚开始。旧问题解决了，新问题又有发现。认识颅面无止境，唯有苦战可过关！