ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ "ОПТЭЛ" ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

   Уфимский государственный авиационный технический университет ( УГАТУ, г.Уфа ),
   Научно - внедренческое предприятие " ОПТЭЛ "

С дальнейшим развитием новых информационных технологий и CAD / CAM систем возрастает актуальность создания компьютерных систем для проведения бесконтактных измерений геометрических параметров объектов сложной формы не только в машиностроении [ 1 ], но и в антропологии, криминалистике и медицине. В этих областях требуется проводить быстрые измерения геометрии биологических объектов сложной формы - частей тела человека: черепов, зубов, костей и др.

Используемые традиционные контактные методы и средства измерений геометрических параметров изделий не отвечают возросшим требованиям и часто неприменимы. Они имеют низкую производительность измерений, высокую стоимость и др.

В криминалистике актуальна задача реконструкции облика человека по черепу, а также ведения базы данных криминальных черепов.

Череп является наиболее информативным объектом для идентификации личности. Однако, успешная идентификация возможна только при тщательном анализе всех особенностей данного черепа ( наличие деформаций, следов травм, несимметричностей и т.д.)

Результаты реконструкции также имеют большое значение в антропологии. К примеру, представляют научный интерес реконструкции лиц многих представителей древнейших и древних людей, а также скульптурные портреты исторических деятелей, выполненных отечественным ученым Герасимовым М.М.

Другими важными областями применения результатов реконструкции лица человека являются: пластическая хирургия, морфология человека, этнография, расоведение.

Известен способ объемной реконструкции облика человека по методу М.М. Герасимова [1], однако он сложен и имеет большую трудоемкость. Специалист тратит на обработку одного черепа до двух месяцев.

Известен способ реконструкции облика человека, при котором с черепа получают видеокамерой изображение в заданном ракурсе, выводят изображение на экран компьютера и с помощью специальной программы типа фоторобота "надевают" на него лицо. Однако этот способ обладает рядом существенных недостатков:

   - съем информации непосредственно с объекта с помощью видеокамеры хотя и позволяет преобразовать объемное изображение черепа в плоское изображение на экране компьютера, но c потерей важной информации об объемной форме объекта и искажениями

   - от угла зрения на объект при съемке зависит вид получаемого плоского изображения.

   - при заданном ракурсе видеосъемки, некоторые области черепа, например одна височная и вся затылочная части, не попадают в поле зрения.

Кроме того, зрительное ощущение по поводу одного и того же образа может отличаться у разных экспертов в силу особенностей психики, т.е субъективно.

Разработка объективных информационных технологий и средств реконструкции лица человека является актуальной проблемой в информатике.

Для этого необходимо проводить автоматизированные измерения объектов с созданием в памяти компьютера базы данных оцифрованных трехмерных точек поверхности и их автоматическим поиском.

Использование триангуляционного и теневого способов измерений в сочетании с лазерным источником с малым диаметром луча, преобразованием оптического сигнала в видеосигнал и обработкой его в большом динамическом диапазоне позволяет проводить измерения изделий, изготовленных из различных материалов, в том числе из хрупких и мягких.

Система "ОПТЭЛ" обладает возможностью проводить без воздействия на объект автоматические прямые и быстрые бесконтактные трехмерные компьютерные измерения практически любых объектов сложной формы, выполненных из различных материалов,

Благодаря специальному программному обеспечения системы имеется возможность дополнительного анализа изучаемого объекта с получением линейных и угловых размеров, графического отображения и табличного протокола измерения параметров.

Съем информации с измеряемого объекта осуществляется при вращении его и сканирования поверхности узким лазерным лучом и вводом координат в компьютер.
   Информация на экране компьютера отображается в необходимом для работы виде: в виде профилей развертки черепа в оцифрованном виде или в виде плоского изображения конкретного сектора черепа.

Система позволяет регистрировать профилограммы и электронные фотоснимки с круговой разверткой объектов по секторам, измерять смещения и развороты профилей сечений. Система позволяет в десятки раз повысить оперативность экспертиз.

Рис.1. Результаты лазерного трехмерного измерения человеческого лица

Рис. 2. Результаты восстановления поверхности измерения
человеческого лица по его измеренным сечениям

Рис.3. Результат измерения поперечного сечения человеческого лица в области носа

На рис. 3 показана профилограмма поперечного сечения лица (включающую и область носа) и измеренные параметры носа (ширина, верхушка и радиус сопряжения от поверхности лица к носу): а) ширина носа на высоте 50 мм - 36,27 мм; б) радиус верхушки носа - 7,457 мм; в) радиус сопряжения лицо-нос - 18,78 мм.

Результаты сканирования отображаются на дисплее компьютера в наглядной форме (в виде цветной профилограммы) в большом диапазоне масштабов по вертикали и горизонтали, задаваемых пользователем, и могут использоваться для дальнейшей обработки и проведения при необходимости сравнительного исследования [ 2 - 4].

Ведется работа по компьютерной реконструкции лица по результатам 3-х мерных измерений (сканирования) черепа. Время измерений черепа по 100… 150 сечениям с разрешающей способностью 0,01 мм составляет 3 … 5 минут.

Визуализация измерительной информации в виде точек черепа показана на рис. 4а. Каркасная модель поверхности черепа показана на рис. 4б. Результат автоматизированного реконструкции лица по черепу показан на рис. 4б как пример набора элементов лица.

в