吳秀杰 稅午陽

我們的祖先長什么樣？印象中的形象似乎是這樣：個(gè)子不高，面貌像黑猩猩（如臉黑、頜凸、前額低矮、眉脊粗壯），跑的比較快，手中拿著一塊石頭正投向前方的野獸！

其實(shí)，古人類并不都長這個(gè)樣！距今10萬年左右的早期現(xiàn)代人，其體質(zhì)特征已經(jīng)同我們接近，有些古人類長得還比較帥氣，身高和腦量甚至超過了我們！

古人類的面貌什么樣？古人類的遺骸形成化石后，因面部軟組織已不存在，只能根據(jù)保存下來的頭骨化石，參考現(xiàn)代人的顱面特征與軟組織厚度進(jìn)行推測，這項(xiàng)技術(shù)被稱作“顱骨面貌復(fù)原”，簡稱“顱面復(fù)原”。

顱面貌復(fù)原最早始于對音樂家巴赫顱骨的鑒定。1895，解剖學(xué)家海思等人根據(jù)現(xiàn)生人頭面部特征點(diǎn)處的軟組織厚度，采用手工雕塑技藝在疑似巴赫的顱骨上用可塑物質(zhì)(橡皮泥、粘土等) 生成了一個(gè)與巴赫生前肖像非常相似的三維塑像。此后，顱面復(fù)原技術(shù)被應(yīng)用到歷史名人、刑偵及古人類生前容貌的恢復(fù)上。

相比現(xiàn)代人，古人類的顱面復(fù)原難度更大些。古人類的體質(zhì)形態(tài)與現(xiàn)生人類差別較大，特別是古老型人類，以現(xiàn)生人類為模板復(fù)原出來的古人類的容貌易受人為因素的影響，難以對其正確性進(jìn)行判斷。例如，周口店北京猿人頭像的復(fù)原，歷史上先后出現(xiàn)了3種面貌形態(tài)相差較大的復(fù)原頭像：王存義復(fù)原的中國人類型頭像、魏敦瑞復(fù)原的美國人類型頭像、前蘇聯(lián)格拉西莫夫復(fù)原的俄國人類型頭像。

由于手工顱面復(fù)原結(jié)果易受主觀因素影響，古人類學(xué)家們在極力尋找相對客觀的面貌復(fù)原技術(shù)。近年來，隨著CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助3D虛擬顱骨面貌復(fù)原技術(shù)得到了應(yīng)用。1996年起，在北京師范大學(xué)周明全教授的帶領(lǐng)下，開發(fā)了基于顱骨的計(jì)算機(jī)虛擬面貌復(fù)原軟件，將其應(yīng)用到刑偵中的尸源鑒定上。2016年，中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所與北京師范大學(xué)合作，組建了“古人類顱面復(fù)原創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)”，通過對古人類頭骨與現(xiàn)代人頭骨形態(tài)特征的對比和分析，找出二者在頭骨上的主要差異點(diǎn)、差異程度及變異范圍，設(shè)計(jì)出適合古人類頭骨面貌復(fù)原的計(jì)算機(jī)三維虛擬軟件。目前，該軟件已經(jīng)成功地復(fù)原出“奇和洞人”的三維面貌形態(tài)，該文章發(fā)表在2018年第8期《科學(xué)通報(bào)》上。

周口店北京猿人三種不同類型的復(fù)原頭像左側(cè)：中國人類型；中間：美國人類型；右側(cè)：俄國人類型

奇和洞人頭骨（左側(cè)）和下頜骨（右側(cè)）

奇和洞人顱面復(fù)原步驟（a）:奇和洞顱骨外表面三維模型；（b）：奇和洞顱骨和現(xiàn)生人顱骨三維模型的非剛性配準(zhǔn)；（c）:奇和洞頭骨和面貌初步復(fù)原模型在同一坐標(biāo)系中顯示;(d)：奇和洞頭骨三維面貌交互復(fù)原結(jié)果

奇和洞人頭骨化石2011年發(fā)現(xiàn)于福建省漳平市象湖鎮(zhèn)灶頭村的一個(gè)喀斯特溶洞——奇和洞。碳十四測年結(jié)果顯示奇和洞人的生存年代為距今9500年左右，為新石器時(shí)代早期。研究顯示，奇和洞人為35歲左右的男性個(gè)體，腦量為1650毫升，顱骨較大。頭骨的形態(tài)兼有南、北方居民及更新世晚期人類的混合特點(diǎn)，包括顱骨較長、面部高而狹窄、眼眶低矮、鼻骨寬闊。

奇和洞人面貌復(fù)原結(jié)果

根據(jù)奇和洞人不同于近代人的形態(tài)特點(diǎn)，根據(jù)原有應(yīng)用于近代人的計(jì)算機(jī)顱面復(fù)原軟件的基礎(chǔ)上，課題組提出了一種基于最小二乘回歸和面貌統(tǒng)計(jì)形狀模型約束的顱面交互復(fù)原方法，將現(xiàn)生人的顱面形態(tài)關(guān)系用于奇和洞頭骨的三維面貌復(fù)原。1）首先，利用工業(yè)CT設(shè)備完成奇和洞頭骨的三維建模，采用射線與三維模型求交算法計(jì)算奇和洞頭骨的外表面點(diǎn)云將其變換至法蘭克福坐標(biāo)系下，完成奇和洞頭骨數(shù)據(jù)的處理；2）其次，針對現(xiàn)生人男性的顱骨和面貌三維模型，依據(jù)標(biāo)定特征點(diǎn)采用非剛性配準(zhǔn)方法建立顱骨和面貌規(guī)格化稠密點(diǎn)云；在此基礎(chǔ)上，采用主成分分析方法實(shí)現(xiàn)顱骨和面貌三維模型的表示；針對現(xiàn)生人每個(gè)顱骨和對應(yīng)面貌的主成分系數(shù)，采用最小二乘回歸方法實(shí)現(xiàn)顱面形態(tài)關(guān)系的定量表示；3）第三步，針對奇和洞頭骨的外表面模型，采用非剛性配準(zhǔn)和最小二乘方法計(jì)算其主成分系數(shù)，并利用該系數(shù)及現(xiàn)生人的顱面形態(tài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)奇和洞頭骨三維面貌的初步復(fù)原；4）第四步，針對現(xiàn)生人面貌的主成分，分析主成分（PC）與面貌幾何形狀的關(guān)系，從而通過交互地調(diào)整主成分系數(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)原面貌的交互編輯，最大程度再現(xiàn)奇和洞人生前的容貌；5）最后，利用手工繪圖方法對面貌復(fù)原結(jié)果進(jìn)行添加五官、皺紋和頭發(fā)等真實(shí)感處理, 實(shí)現(xiàn)奇和洞人面貌的虛擬復(fù)原，生動(dòng)形象地再現(xiàn)新石器早期人類的腦顱及面部的形態(tài)特征。

從面貌復(fù)原結(jié)果可以看出，復(fù)原面貌在前后方向偏長、面部顴骨區(qū)域大而突出、上面部扁平、臉頰瘦而窄、鼻寬闊、頭部長而大，與奇和洞頭骨的形狀基本一致。奇和洞人可進(jìn)行面貌復(fù)原的只有1例男性個(gè)體，其體質(zhì)特征雖然未必具有群體的代表性，但卻可以顯示出新舊石器過渡階段人類的面貌特點(diǎn)。

古人類頭骨的大小、粗壯度、凸凹曲度等同現(xiàn)代人有差別，不能完全按照現(xiàn)生人類的顱骨與其外表軟組織之間的形態(tài)關(guān)系進(jìn)行面貌復(fù)原，需要根據(jù)其演化地位及其獨(dú)特的顱骨解剖特征，有針對性地設(shè)計(jì)面貌復(fù)原方案。此外，古人類化石一般都不完整，在進(jìn)行CT掃描前需要對其缺失的地方進(jìn)行拼接和修補(bǔ)。

利用計(jì)算機(jī)三維虛擬世界重現(xiàn)幾萬年、幾十萬前古人類的面貌，可以生動(dòng)形象地展示人類進(jìn)化過程中體質(zhì)特征的演化過程，對于博物館展示、普及科普教育、激發(fā)人們熱愛自然歷史、滿足人類的好奇心等具有一定的科學(xué)意義。奇和洞人的顱面復(fù)原只是古人類面貌復(fù)原工作的開始，未來更多的古人類生前形象將會(huì)展示在大眾面前。