Современные технологии реконструкции лиц умерших

Реконструкция лица используется преимущественно в двух областях: криминалистике и антропологии. Воссоздание внешнего вида человека помогает взглянуть в далекое прошлое человеческой расы и отдельной семьи, опознать и вернуть родственникам до неузнаваемости изуродованные тела, с высокой точностью составить визуальный портрет предполагаемого преступника. Современные общепринятые технологии основаны на ручном ваянии лица из пластичного вещества на копии исследуемого черепа с учётом анатомических особенностей и справочной информации. Это долгий и трудоемкий процесс, который может растянуться на несколько недель.

Благодаря развитию цифровых технологий процедуру лицевой реконструкции удалось частично автоматизировать. Несмотря на то, что для воссоздания отдельных особенностей лица по-прежнему требуется участие криминалистов и антропологов, компьютер может за считанные дни выполнить тяжелую работу и предоставить в распоряжение реконструкторов правдоподобную трехмерную модель человеческой головы.

Ранняя история лицевой реконструкции

Пластическая реконструкция лиц на основе черепа – наука сравнительно новая. Пионерами в этой области стали швейцарский анатом Вильгельм Гис и немецкий гистолог Юлиус Кольманн. Предоставив практическую работу скульпторам, они впервые смогли успешно воссоздать в гипсе приблизительный облик Иоганна Баха и Данте Алигьери. В 1895 году, используя собственные таблицы толщины лицевых тканей у трупов и прижизненные портреты, Гис с помощью Карла Зеффнера сумел реконструировать внешний вид Баха и подтвердить, что найденные останки действительно принадлежат именно ему. Тремя годами позднее по его стопам последовали Кольманн и Бакли, слепив бюст Данте на основе его посмертной маски. Эти работы были далеки от совершенства, однако они заложили фундамент для дальнейших исследований.

Метод Герасимова

В 50-х гг. XX века советский археолог и антрополог, Михаил Герасимов разработал первую научно обоснованную методику восстановления облика по останкам. Впоследствии эту работу продолжили и дополнили его ученики. Скульптурная реконструкция по методу Герасимова опирается на взаимосвязь толщины лицевых тканей на каждом конкретном участке с костной структурой черепа. Сперва ученые формируют карту лица: разбив его на отдельные зоны с вершинами, они делают замеры точек скелета головы с помощью пальпирования или ультразвука. В этой работе используется более сотни параметров, включая прижизненные дефекты, состояние швов черепной коры и ее морфологические особенности. Далее по контуру черепа воссоздают контуры лица и по ним восстанавливают жевательную мускулатуру, которая и определяет индивидуальные детали внешнего вида. В разных точках черепа размещают восковые колышки разной длины, пространство между которым заполняют скульптурным воском. На основе полученной модели затем изготавливают гипсовый слепок головы.

Не говоря о количестве времени и сил, которые отнимает такая работа, недостаток скульптурной реконструкции Герасимова заключается в том, что в ходе работы череп-образец может быть поврежден. Кроме того, наружная поверхность черепа не является абсолютно ровной и гладкой. Даже если слои пластилина максимально аккуратно удаляются после того, как голова была реконструирована и сфотографирована, остатки мастики остаются в неровностях, а потому использовать ее повторно с учетом новой информации уже затруднительно.

Разработка автоматических методов 3D реконструкции лица

Развитие графического программного обеспечения и 3D технологий позволило разработать автоматизированные способы реконструкции, которые позволяют воссоздать облик человека, физически не касаясь исследуемого черепа. Эти техники сочетают в себе наработки антропологов, вычислительные алгоритмы и высокоточные измерительные приборы для получения 3D-модели головы покойника. Несмотря на то, что они не позволяют заполнить «пробелы» в этой области, – так, до сих пор не существует способов с высокой точностью воссоздать, в частности, форму кончика носа, строение ушной раковины, особенности строения глазного яблока и пр., – они полностью устраняют влияние человеческого фактора на точность модели и значительно уменьшают необходимое для ее построения время.

Впервые компьютерная технология для создания 3D модели лица была применена в 1985 году в Университетском колледже Лондона британским физиологом Джеймсом П. Моссом и специалистом по обработке цифровой информации, Саймоном Р. Эрриджом. С помощью высокочувствительной лазерной камеры, подключенной или компьютерному томографу, ученые получили цифровое изображение головы, которое программа затем перевела в трехмерную модель. Затем ученые нанесли на полученную модель ключевые точки для измерения толщины тканей, которые та использовала для построения овала лица. Эффективность этого метода уступала ручному, однако эта техника была более гибкой и занимала значительно меньше времени.

В последующие годы методы автоматизированного получения 3D модели черепа и восстановления черепно-лицевой части головы были улучшены. Сегодня ученые преимущественно используют следующую модель: используя высокоточные 3D камеры, они оцифровывают голову, после чего программа находит грани лица, например, надбровные дуги и подбородок, и накладывает на нее пластичный трехмерный образец, который деформируется в зависимости от рельефа черепа, воссоздавая таким образом контур лица. Однако для точной реконструкции рта, глаз и носа по-прежнему необходимо привлекать криминологического эксперта.

Нейросети: новое слово в лицевой реконструкции

Изобретение глубинных нейронных сетей вывело вычислительные способности компьютерных систем, на новый уровень. Нейронная сеть – это самообучающаяся программа, работающая по принципу человеческого мозга: она прогоняет входные данные через систему более простых программ, взаимодействующих между собой, после чего с учетом предыдущего опыта выдаёт результат вычислений. Нейросети способны выявлять опасные болезни, прогнозировать изменения на финансовом рынке, обнаруживать угрозы для информационной безопасности компьютеров, при чем качество решения во многих случаях теперь сопоставимо, а в некоторых случаях превосходит эффективность человека.

Одним из основных областей применения нейронных сетей является распознавание и анализ изображений. Компьютерное зрение используется в самых разных сферах от медицины до распознавания лиц. Свое применение нейросети нашли в области криминалистики и антропологии. Алгоритмы реконструкции лиц на основе нейросетей намного опережают по эффективности и скорости все предыдущие программные методы автоматического воссоздания лиц по черепу. Благодаря вековому объему знаний и технологий, созданных учеными, они могут с высокой точностью измерять особенности головы и создавать реалистичные трехмерные модели. Вместе с тем, восстановление цвета кожи и волос, неглубоких шрамов, морщин, родинок и других внешних примет все еще остается не под силу машине. Для этого реконструкторам приходится обращаться к антропологическим и археологическим данным, чтобы в зависимости от возраста останков, места рождения и проживания умершего, его этнической принадлежности и культуры внести необходимые коррективы.

Автоматическая трехмерная реконструкция головы по 2D-фотографии

В случае, если в распоряжении криминалистов нет нужного черепа, для создания трехмерной модели головы может быть использована фотография. Данный способ является одной из сложнейших задач современных компьютерных систем. Хотя современные нейросети позволяют приблизительно построить 3D модель головы, используя только одно или несколько изображений, большинство систем требует для работы наличия множества фотографий одного лица с разных ракурсов. Индивидуальные особенности и вариации овала лица каждого человека, отражательные способности разных типов кожи и измерение толщины мягких тканей делают задачу точного восстановления черепно-лицевой структуры головы крайне затруднительной для современного оборудования. Часть этих проблем можно частично обойти с помощью анализа теней и контура лица, а также использования библиотеки трехмерных моделей, однако даже в этом случае череп дает гораздо более точную картину, чем фотография.