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警察科技

计算机面部构图与重建技术

来源:《人民公安》 作者:刘静坤 发布时间:2009-03-15 09:11:05 浏览次数: 【字体:

 

  人的面部特征非常复杂,即使是面部特征酷似的双胞胎,如果仔细观察,其面部特征仍然存在一定的差异。尽管人的面部仅仅包含几个基本特征,但是,这些特征的组合却能够产生千变万化的效果。人的面部特征生来就具有独特性,加上人类对面部特征的认知存在偏差,因此,通常很难准确地刻画人的面部特征。

  在日常的侦查工作中,侦查人员经常需要确定犯罪嫌疑人、无名尸体或者失踪人口的真实身份,不过,实践工作表明,我们通常很难对上述人员的面部特征进行准确的刻画。随着计算机技术的飞速发展,计算机制图技术开始被应用于面部特征的描绘,尽管该技术描绘面部图像的基本程序与传统上相差无几,但是,由于计算机制图技术的发展水平日新月异,其实际效果已经远远超乎预期的想像。

  作为目前世界上顶级的刑事鉴定部门,澳大利亚维多利亚市警察局刑事鉴定小组(CIS)自从1986年开始,就已经研发出全色调面部自动合成和编辑系统(FACE)。刑事鉴定小组的法庭科学家们研发出来的FACE系统,极大地满足了侦查工作的实践需要。

  FACE系统

  FACE系统是一个私人计算机系统,在一个主工作站与令牌网上的两个辅助工作站之间建立链接。每个工作站都拥有独立的私人计算机、高分辨率的彩色制图监控器和一个制图板,可以被用于询问被害人和证人。这两个小型工作站可以进入主工作站的数据库,该数据库的600兆硬盘区域存储着数以百计的面部组成要素。该数据库是彩色图库,包括男性和女性高加索人、土著人、亚洲人、南欧洲人和青少年的面部组成要素。

  每个面部组成要素数据库又被细分为若干子菜单。例如,眼睛被分为大眼睛、中等眼睛和小眼睛;嘴唇被分为薄嘴唇、中等嘴唇和厚嘴唇。法庭科学家可以使用一个便捷的菜单演示各个面部组成要素,既可以同时在一个页面上显示16个方格图像,也可以滚动显示各个类型的图像,确保证人能够动态地观察各个面部组成要素,同时与屏幕上的其他图像进行比较。一旦证人选择了特定的头发/前额图像,就可以接着滚动显示下颚的图像,直至选择合适的下颚图像。随后,可以将选定的下颚图像置于面部的适当位置,并且不断调适,直至最大限度地符合面部图像的形状。法庭科学家可以依次或者按照证人记忆的准确性程度先后选定眼睛、鼻子和嘴唇的图像,直至整个面部图像被合成完毕。

  在这个阶段,面部的附加特征,诸如眼镜、胡须等,可以分别加以演示。一旦选定了合适的图像之后,就将最初确定的面部图像再次显示到屏幕上,此时,选定的面部附加特征就会自动添加到最初面部图像的适当位置。如果某个面部组成要素的肤色显得比其他要素暗淡一些,就可以从菜单中选择定型功能,确定整个面部图像的整体色调,然后自动调整特定面部组成要素的色调,从而与其他组成要素的色调相一致。随后,可以从菜单中选择自动混合功能,消除各个组成要素连接处的痕迹,从而形成一个几乎达到照相质量的完整面部图像。法庭科学家会告知侦查人员,这些生动的图像并不是生活照片,而只是计算机制作的图像,其准确程度取决于被害人或者证人的描述。

  在这个阶段,FACE系统的操作非常简便,操作者无需掌握很多的计算机知识,由此得出的面部图像,其准确性仅仅受制于证人的记忆和回忆能力。然后,可以将彩色的图像储存起来,并且将报案人、犯罪、罪犯和侦查人员等相关数据输入到计算机之中,从而完成整个询问工作。操作者应当将全色调模式的图像打印出来,连同上述数据立即发放给侦查人员。操作者可以将任何面部图像存储到FACE系统之中,并且将整个面部图像分解后输入到相应的子数据库,以便在日后的工作中使用。

  面部特征识别  

  为了履行法庭科学家的职责,刑事鉴定小组的工作人员致力于通过深入的侦查工作,确保获得所有能够提高面部图像质量的信息,并且确保证人已经最大限度地提供了相应的信息。法庭科学家没有义务质疑证人的陈述,或者反驳侦查人员对案件情况的不同认识。法庭科学家需要铭记的一项规则就是:证人看见了犯罪嫌疑人,而侦查人员并未看见犯罪嫌疑人。因此,证人告诉法庭科学家的情况要比侦查人员获得的情况更加详细。

  然后,我们应当注意的是,许多因素都可能影响证人准确地回忆犯罪嫌疑人面部特征的能力。这些因素包括:在目击犯罪行为发生到接受询问之间的时间间隔;遭受身体损伤的程度;该人是被害人还是证人;白天还是夜晚———光照条件;距离犯罪行为人的距离;犯罪行为人使用的武器;犯罪行为人使用的伪装;犯罪行为持续的时间长度;观察犯罪行为人的时间长度;证人的观察能力;证人的记忆能力;证人的回忆和描述能力;证人的年龄或者行为举止;证人与警方合作的态度;证人是否多次看见犯罪行为人;证人是否认识犯罪行为人。

  法庭科学家在评估证人证言的证明力时,应当考虑上述因素的影响。在1990年至1991年间,维多利亚市警察局刑事鉴定小组询问了2600余名证人。其中,有许多证人能够帮助法庭科学家完成犯罪行为人面部图像的计算机制图工作。还有一些证人无法回忆起犯罪行为人的面部特征,但是,如果这些证人能够再次看见犯罪行为人,也能够对其进行辨认。

  在过去的侦查实践中,侦查人员将会向证人出示大量犯罪行为人的照片,并且要求其从中选择出各个面部组成要素。法庭科学家基于证人选择出来的各个面部组成要素,手工绘制犯罪行为人的面部图像,这种做法被称为"面部组成要素绘图法"。尽管这种绘图法作为一项替代性辨识技术,已经取得了一些成效,但是,该方法仅仅是人像拼图方法未能奏效之后的权宜之计。

  通过使用FACE系统,可以显著推进针对面部组成要素的绘图技术。法庭科学家不仅可以将选定的面部组成要素快速输入FACE系统,而且可以将各个组成要素合成为一张彩色图像。在FACE系统付诸实践之前,证人在观察手工绘制的组合图像之后,通常会指出,某个组成要素看起来与犯罪行为人相类似,但是,一旦将该组成要素置于整幅图像之中,就显得不大适合。现在,利用FACE系统,法庭科学家可以使用计算机软件制图技术,通过拉伸、修整或者艺术处理来改变已经选定的面部组成要素特征。在必要的情况下,法庭科学家可以将已经选定的面部组成要素特征始终显示在屏幕上,作为参考图像,随后将大量可选特征滚动显示,从而促使被害人观察不同的特征,不断修正面部图像。

  颜色与证言

  在询问犯罪行为人的面部特征时,面部颜色特征具有非常重要的价值。证人能否回忆起犯罪行为人的面部颜色特征,将对最终的面部组合图像产生非常重要的影响。

  最终获得的面部组合图像是否接近犯罪行为人,面部图像的颜色特征是一个基本的评估因素。基于传统的照片拼接图像方法,证人可以选定类似的前额,类似的发型,但是,如果照片中的头发是黑色的,而犯罪行为人的头发是棕色的,那么,最终获得面部组合图像很难取得预期的效果。为了取得理想的效果,可能需要成倍地增加照片拼接图像的数据库,同时,还需要不断改变头发的长度和其他特征。

  相比之下,FACE系统能够储存并演示大量的颜色数据,从而促使法庭科学家最大限度地按照证人的陈述选择合适的面部组成要素。如果图像颜色的改变能够提高证人的回忆能力,并且产生更加准确的图像,那么,法庭科学家就应当将之整合入整个辨认过程之中。

  不过,对警方来说,还是应当审慎地对待人类的脆弱性、情感影响、个体差异和具体情势,同时,每个犯罪行为都具有独特性。法庭科学家应当认识到与证人紧密合作的重要性,在维多利亚市警察局,法庭科学家每月都需要询问250余名证人,长时间与强奸案件被害人待在一起,并且在密切关注被害人情感变化的同时,获取案件的细节信息。法庭科学家通常会审慎地避免自己对证人或者被害人做出不当的暗示,并且注意减少侦查工作的紧迫性要求所带来的压力。

  法庭科学家应当表现出较高的职业素养,由于被害人通常需要警方提供帮助和支持,因此,与证人和被害人保持深入的接触,有助于获得他们的积极配合。如果证人感觉到环境舒适、安全,他们就会感觉到非常放松,从而愿意与警方展开合作。证人通常能够向警方提供大量的案件信息,包括犯罪行为人的面部特征、机动车辆、武器和其他相关物品,这些信息非常有助于警方辨认并且逮捕犯罪嫌疑人。在询问过程中,询问人员的职业素养和谈话艺术非常有助于获得良好的询问结果。

  无名尸体的面部重建

  为了顺应侦查实践对计算机面部图像处理技术提出的进一步要求,刑事鉴定小组与澳大利亚墨尔本大学牙科系的约翰·克莱门特博士以及墨尔本市彼得· 麦凯伦医院的五官科高级医师朗·泰勒展开合作,致力于针对无名尸体展开面部重建。之所以开展面部重建工作,其起因在于案件侦查工作的需要。

  警方在维多利亚市西北地区发现了一个颅骨,其他尸骨和衣物都已经被焚毁。专家们在这个颅骨上面发现了一个独特的人种学特征,表明这是一个高加索男性的颅骨。在墨尔本市杀人案件侦查部门的邀请下,朗·泰勒医师针对该颅骨展开了实验室分析,通过大量的测量和评估工作,并且使用有关软组织深度的国际标准图表,最终在这个颅骨上面确定了18个骨骼特征。然后,根据各个特征点的标示,将肌肉组织置于相应的位置。随后,又仔细地检查颅骨下颚部位的各个不规则之处,最终的重建结果表现为一个三维的白色石膏头像。

  接下来的面部重建步骤就是将图像输入到FACE系统之中,然后根据已有的面部组成要素数据库参数调整图像的位置。如果存在有关头发颜色与质地的相关证据,就可以选定一个合适的发型,然后添加到图像上面。随后,再添加皮肤颜色,并调整头发与皮肤的颜色搭配。随后,再添加嘴唇和眼镜的颜色,并在图像上添加睫毛和眉毛。最初的白色石膏像现在就更加栩栩如生了。

  值得指出的是,尽管这个图像得到了增强显示,仍然还存在一些未知的特征,诸如眼睛的细节特征、鼻子的特点、耳朵的形状以及特定的发型等。不过,尽管如此,这种面部重建工作仍然比此前的方法完善了许多。

  遭受外伤的死者面部图像重建  

  在某些情况下,对于杀人案件、自杀事件或者可疑死亡事件中的无名尸体,不适宜通过新闻媒体查找尸源。还有一些情况下,由于死者遭受严重的外伤,导致警方很难确定死者的身份。刑事鉴定小组立足于FACE系统,已经开始尝试着重建遭受外伤的死者面部头像。

  1991年10月,在维多利亚市的一个成年男子死亡事件中,该项重建技术得出了首次应用。一个过路人发现一座大桥的桥架处悬挂着一根绳子。该人就将绳子解下来交给当地警方,警方立即将该绳子提交犯罪实验室进行测试,结果表明绳子上面的残余物是人类所留。警方随即在该座大桥附近开展搜索,但是,并未发现被害人的尸体,只是找到了被害人的头部。被害人的颈部遭到了严重损伤,看起来是由于坠落距离较高、身体重量以及绳索尺寸等因素综合所致。此前,警方并没有便捷的方式通过被害人的头颅确定死者的身份。

  刑事鉴定小组使用离子摄像机从不同角度拍摄了大量有关死者头部的彩色照片。然后,将这些照片输入到FACE系统之中,并且选择了一个四分之三大小的面部和侧面图像,以便进行深加工处理。首先,这个四分之三大小的图像,双眼半闭着,下嘴唇被撕裂,舌头暴露在外面。法庭科学家将图像中的双眼向两边扩展并放大。通过一个全色调的调色板,法庭科学家对双眼进行了增强显示,并将眼皮打开,填充了眼球(增强显示了眼睛的活力),并且修饰了眼睛的细节特征,随后将双眼放回到面部的适当位置。随后,法庭科学家又对嘴唇进行了修正。通过选定面部皮肤的颜色,法庭科学家修补了撕裂的嘴唇,并调整了嘴唇的颜色,随后将嘴唇放回到面部的适当位置。最后,法庭科学家又修整了头发,并将原本显露出血肉的颈部位置替换成开领的衬衫。所有这些修饰工作仅仅花费了十五分钟,重建的头部图像用全彩色形式打印出来,及时地发送给当地的新闻媒体。这幅头部图像公之于众之后不久,警方就接到报案称有人认出了死者,并最终查明了死者的身份。

  这种计算机制图程序可以应用于各种头部图像的重建工作,在一个涉及毒品的谋杀案件中,一名死者的尸体遭到了严重的损伤,其脸部存在多次刺伤,双眼被戳穿,双耳严重破坏,鼻子被刺穿,整个脸部区域都遭到严重的软组织损伤。刑事鉴定小组在该案中面临着严峻的技术挑战,通过广泛地研究面部的彩色照片、X光照片、病理学报告和其他相关细节情况,法庭科学家开始了类似的重建过程。

  法庭科学家对死者的鼻子部位进行了细化处理,从而确定了鼻子的基本形状和长度。尽管死者的一个眼球已经深陷入眼窝之中,不过,仍然足以确定眼球的尺寸和颜色,从而进行复位处理和增强显示,同时,参照这个眼球复制了另外一个眼球。法庭科学家又对死者的眉毛进行恢复和复位处理。死者的嘴唇部位最难进行重建,因此,也是整个面部图像准确性程度最低的部位。总体的面部形状形成之后,还需要对头发进行适当的处理。在分析头骨结构的过程中,X光发挥了非常重要的作用,能够清晰地显示出眉骨、上牙床全部牙齿和下颚的形状,从而更好地刻画出上嘴唇的形状。最终获得的头部图像显示出,死者是一个30岁左右的男性。不过,尽管面部重建看起来像是一个奇迹,但是,最终重建的面部图像仍然与实际图像存在一定的距离。由于死者面部遭到了严重的损伤,因此,法庭科学家需要进行推测性解释和艺术化处理,从而获得最终的面部图像,以便提供相应的侦查线索,查明死者的身份。

  在面部识别领域,仍然存在许多需要继续探索的问题。不过,通过法庭科学家的开拓研究,在计算机技术的辅助下,面部构图和重建工作必将在未来的侦查工作中发挥重要的作用。

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