Human Face Variation and Age-related Changes

Mgr. Marie Jandová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Lidský obličej je komplexním zdrojem informací o pohlaví, věku, etnickém původu, zdravotním či emocionálním stavu jednotlivce. Díky tomu je morfologie obličeje předmětem výzkumu řady vědních oborů. Během života každého jednotlivce se však obličej vyvíjí a jeho morfologie je ovlivněna mnoha faktory, a to jak vnitřními (genetickými), tak vnějšími (environmentálními). Cílem předkládané práce bylo prozkoumat variabilitu lidského obličeje a trendy v jeho růstu a vývoji z několika různých hledisek. Hlavní výzkumný vzorek se skládal z 553 jedinců (280 žen, 273 mužů) ve věku od 6,3 do 25 let. Doplňující studovaný vzorek zahrnoval 20 dospělých jedinců, pro něž bylo zaznamenáno 120 3D modelů s vybranými výrazy obličeje. Trojrozměrné modely obličeje všech jedinců byly získány z databáze 3D obličejů FIDENTIS. S ohledem na cíle této práce byly věkové změny a variabilita obličeje testovány zejména ve vztahu k pohlavnímu dimorfismu, vybraným sociálně-ekonomickým faktorům, tělesným parametrům (výška a BMI), vývojové nestabilitě a případné interakci těchto faktorů. Rozdíly v morfologii obličejů byly hodnoceny metodami geometrické morfometrie (s využitím význačných bodů) nebo pomocí porovnání povrchových sítí v programu FIDENTIS Analytik. Tato práce obsahuje pět různých studií, které reflektují její cíle. První manuskript představuje 3D databázi obličejů FIDENTIS (část zaměřenou na nedospělé jedince) a nastiňuje její možné použití. Druhá práce zkoumala morfologii obličeje ve vztahu k tělesným parametrům a socioekonomickým faktorům. Mimo jiné bylo zjištěno, že tvar obličeje je ovlivněn kuřáckými návyky rodičů (u dívek) a rozvodem rodičů. Morfologie obličeje byla v této studii asociována spíše s BMI než s výškou. Následující studie byla zaměřena na vztah morfologie obličeje a vývojové nestability. Výsledky ukázaly, že morfologie obličeje je silně integrována, zejména do období dospívání. Tato kovariance mezi jednotlivými částmi obličeje může usnadnit rozvoj fluktuační asymetrie (FA). Tato studie dále zjistila nelineární nárůst FA do věku 14 let. Čtvrtá publikace se věnovala možnému využití metody strojového učení „Náhodné lesy“ (Random forests) k vývoji a testování modelů pro klasifikaci věkových limitů s právním významem. Výsledky ukázaly, že pro klasifikaci jedinců mladších 15 let je výhodnější využít proměnné zahrnující informaci o velikosti (rozměry obličeje, forma obličeje), zatímco pro ověřování hranice 18 let jsou vhodnější tvarové proměnné. Poslední příspěvek byl zaměřen na variabilitu obličeje v kontextu sexuálního dimorfismu ve výrazech obličeje. Jedním z výsledků bylo, že muži měli tendence změny ve výrazu předvést více důrazněji v porovnání s ženami.

Abstract:

Facial morphology has assumed an important role in a variety of research fields, since the human face is a complex conveyor of information about individual’ sex, age, ethnicity, state of health and emotional condition. However, facial morphology of each individual evolves throughout individual’s life history and is influenced by many factors, both endogenous (genetic) and exogenous (environmental). The aim of presented thesis was to investigate the variability of the human face and trends in the facial growth and development from several diverse points of view. The main study sample composed of 553 individuals (280 females, 273 males) aged between 6.3 and 25 years. The complementary studied set comprised 20 adults for whom 120 3D models featuring grimaces were captured. The three-dimensional models of facial morphology were retrieved from FIDENTIS 3D Face Database. For the purposes of this thesis, the variability and age-related shape changes of face were further evaluated, particularly in conjunction to sexual dimorphism, selected socio-economic factors, body measurements (height and BMI), developmental instability and potential interaction of these factors. Differences among faces was assessed by landmark-based methods of geometric morphometrics, or by surface-mesh method in program FIDENTIS Analyst. This thesis contains five diverse studies that reflect these aims. The first paper introduced FIDENTIS 3D Face Database, particularly in relation to sub-adults’ facial models and their possible use in the various research fields. Second paper explored facial morphology in relation to body measurements and socio-economic factors. It was shown that facial shape is particularly influenced by the parents’ smoking habits (in girls), and the divorce of the parents. The shape variations correlated with BMI more than with height in this study. The third paper was focused on the relationship of facial morphology and developmental instability. Results showed that facial morphology is strongly integrated, particularly until adolescence. This covariation can facilitate an increase of fluctuating asymmetry (FA). In addition, results showed nonlinear increase of FA with age up to the age of 14 years. The next paper proposed an approach using random forests, a machine learning method, to develop and test models for classification of legal age thresholds. The results showed that for classifying individuals as under 15, size-variant variables yield better performance, whereas when age threshold of 18 years is considered, shape variables are more suitable. The last paper was focused on facial variability in relation to sexual dimorphism in facial expression. This study revealed that males showed a tendency towards extending their facial movements while females were generally more restrained.

Keywords

facial morphology, facial 3D models, facial variability, facial growth, sexual dimorphism, fluctuating asymmetry, FIDENTIS, morfologie obličeje, 3D modely obličeje, variabilita obličeje, růst obličeje, sexuální dimorfismus, fluktuační asymetrie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 1. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 23. 2. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Petra Urbanová, Ph.D.
• Reader: prof. MUDr. Taťjana Dostálová, DrSc., prof. Slawomir Marek Koziel, DSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Anthropology / Anthropology