Validace trojrozměrného modelování v kosterní antropologii

Mgr. Mikoláš Jurda, Ph.D.

Doctoral thesis

Validation of three-dimensional modeling in skeletal anthopology

Abstract:

Více než dvacet let využívají kosterní antropologové technologie pro záznam prostorových dat, které jim umožňují převést podobu kosterních pozůstatků do formy trojrozměrných digitálních modelů. Digitální kopie uchovávají trojrozměrnou podobu kosterních pozůstatků pro další výzkumy, mohou být analyzovány tradičními vizuálními a metrickými osteologickými metodami, stejně jako pokročilými postupy vázanými na virtuální prostředí. Mohou také sloužit pro tvorbu informativních a atraktivních výstupů představujících výsledky výzkumu veřejnosti. Na straně nevýhod takto širokého zapojení výpočetních technologií do kosterně-antropologické praxe je především časová náročnost některých úkonů ve srovnání s tradičními postupy a nedostatečné množství validovaných nástrojů a metod. Na poli záznamu prostorových dat se v čím dál větší míře uplatňují fotogrammetrické aplikace. Tyto nástroje generují trojrozměrné modely objektů ze sérií fotografických snímků pořízených digitálními fotoaparáty a jsou proto velmi přizpůsobivou a finančně dostupnou metodou záznamu 3D dat. Podle provedených testů je fotogrammetrie schopna poskytnout nejen digitální kopie kosterních pozůstatků, ale také modely vnějšího tělesného povrchu v rámci soudně-lékařského vyšetření a nálezových situací. Pokud jde o digitalizaci kostí, je podle provedených analýz přesnost fotogrammetrie zcela srovnatelná s přesností používaných laserových skenerů. Na současném stupni vývoje je tvorba digitálních kopií kostí časově velmi náročným procesem. V případě záznamu tělesného povrchu nebo nálezových situací je však fotogrammetrie minimálně stejně efektivní jako 3D skenery. Z celkového pohledu je fotogrammetrie spolehlivou alternativou specializovaných skenerů. S ohledem na své přednosti má potenciál zpřístupnit výhody virtuálních postupů širokému okruhu vědeckých pracovišť. Modely kosterních pozůstatků jsou považovány za spolehlivý zdroj proměnných pro tradiční vizuální a metrické osteologické analýzy. V souvislosti s rozvojem výpočetních technologií se však ve výzkumu lidské kosterní morfologie čím dál více uplatňují pokročilé digitální analytické nástroje. Reprezentantem těchto nástrojů je přímé srovnávání polygonálních sítí. Tato metoda kvantifikuje tvarové rozdíly mezi zarovnanými digitálními modely na základě vzdáleností mezi prvky, které je tvoří. Srovnávání sítí se ukázalo jako metoda umožňující rychlý a důkladný vhled do tvarové variability polygonálních modelů. Umožnilo například zhodnotit přesnost různých metod povrchového skenování na úrovni geometrie jimi produkovaných modelů. Hlavně však tato polo-automatická metoda ukázala schopnost analyzovat tvarovou variabilitu v souboru modely zastoupených kostí. V případě kolekce lidských lebek poskytlo srovnávání sítí číselné i vizuální výstupy umožňující zhodnotit a interpretovat přítomný pohlavní dimorfizmus a také variabilitu spojenou s etnickým původem. Nastínilo tak potenciál těchto pokročilých analytických nástrojů umožňujících studovat kosterní morfologii na velmi komplexní úrovni.

Abstract:

For more than twenty years anthropologists take advantage of three-dimensional scanning technologies that transform skeletal remains to the form of three-dimensional digital models. The digital models allow the examiners to re-access the original morphology of the remains including the depth information, assess their biological variability by using traditional visual and metric methods and advanced computer-based analyses and present the findings in a form of informative and attractive visualizations. The cons of the virtual approach include higher time demands of some of the virtual procedures and relative shortage of validated and solid software tools and methods. On the field of the surface data acquisition single camera photogrammetry recently gained a momentum. As this method generates three-dimensional digital models by processing series of images captured by a digital camera, it offers high levels of versatility and cost-effectiveness. In the performed tests, the photogrammetry showed its capability to provide not only accurate digital three-dimensional replicas of skeletal remains, but also models of cadavers and uncovered remains in-situ. At the present stage of development, the models that depict whole outer surface of the skeletal remains can only be achieved at the expense of extensive time and labor demands. On the contrary, when it comes to the in-situ and forensic post-mortem documentation, the photogrammetry represents relatively time-efficient surface scanning method. In conclusion, photogrammetry could be considered as a reliable alternative to the 3D scanners. With respect to its qualities it has full potential to make the virtual approaches accessible to a wide range of research groups. Once produced, the digital models are considered as a reliable source of linear measurements and other variables such as three-dimensional landmarks, curves and outlines. Recently, following the advances in computational technologies, the anthropologists started to analyze the unreduced spatial information that constitutes the digital models. One of the proposed approaches is a mesh-to-mesh comparison. The method quantifies differences between aligned polygonal models in terms of spatial distances between their components. The mesh-to-mesh comparison proved itself to be a powerful tool for exhaustive and automated analysis of the shape variability in the polygonal models. It showed, for example, capability to evaluate accuracy of different surface scanning methods on the level of the provided models. When applied on digital replicas of human crania it allowed to assess craniofacial variation in the sample including manifestation of sexual dimorphism and ancestry-related traits. It provided hard numerical data as well as highly informative visual outputs and outlined potential of these advanced mesh-oriented techniques.

Keywords

Kosterní antropologie, Virtuální antropologie, Digitální modely, Polygonální síť, Povrchové skenování, Objemová data, Srovnávání sítí, Fotogrammetrie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 8. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 23. 9. 2016
• Supervisor: doc. RNDr. Petra Urbanová, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Václav Vančata, CSc., doc. MUDr. Petr Hejna, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Anthropology