Proposta de TCC: Aproximação FacialAutomatizada

André Meneghelli Vale

Esta proposta visa descrever os principais objetivos da conclusão decurso, assim como estabelecer um cronograma inicial.

em

Instituto de Matemática e EstatísticaUniversidade de São Paulo

Supervisor: Prof. Roberto Hirata Junior

Abril 2016

Conteúdo

1 Introdução 31.1 Método Russo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Método Americano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 O problema computacional 52.1 Blender 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Dificuldades técnicas atuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Proposta 6

4 Melhorias 6

5 Resultados esperados 6

6 Cronograma 6

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1 Introdução

Uma das mais notáveis uniões entre arte e ciência é a aproximação facial forense. Envolvendo diversoselementos de arte, ciência forense, antropologia, osteologia e anatomia, as técnicas envolvidas visampossibilitar a identificação de indivíduos em avançado estado de decomposição ou até mesmo onde apenasas ossadas tenham sido encontradas.

Essas técnicas também são bastante utilizadas para se ter uma aproximação satisfatória de indiví-duos fossilizados, principalmente em estudos de filogenia envolvendo hominídeos e mais raramentereconstrução de seres humanos devido a valores históricos.

Figura 1: Aproximação facial de um primata.

As técnicas atuais começaram a ser desenvolvidas no final do século XIX, baseadas principalmenteem estudos de anatomistas e artistas anteriores. Sendo um dos exemplos mais antigos o trabalho doanatomista Wilhelm His, que estudou tecidos moles em cadáveres e realizou a reconstrução de JohannSebastian Bach, com base em uma reprodução do crânio dele.

Existem três formas principais de reconstrução forense:

• Desenho 2-D (bidimensional);

• Modelagem 3-D clássica;

• Modelagem 3-D com computação gráfica.

O TCC é focado em modelagem 3-D com computação gráfica (CG), no entanto aspectos elaboradosanteriormente na modelagem 3-D clássica podem ser relevantes para os métodos em CG. A seguir, umresumo dos dois principais métodos envolvidos na modelagem clássica.

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1.1 Método Russo

O método de reconstrução de Gerasimov, conhecido como método russo. Se baseia inicialmente namodelagem dos principais grupos musculares do crânio e na modelagem da pele sobre a musculatura.

Figura 2: Método russo implementado em CG.

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1.2 Método Americano

O método americano foi desenvolvido pelo antropólogo Wilton Krogman, que o descreveu em 1946 ebaseia-se na distância entre o crânio e a superfície da pele. Nesse método são dispostos cilindros auxiliaressobre o crânio, de forma a servir de gabarito para a quantidade de preenchimento de pele.

Figura 3: Método americano.

2 O problema computacional

Atualmente os programas utilizados para realizar a aproximação facial forense não possuem ferramentasapropriadas para este trabalho, fazendo com que os técnicos forenses envolvidos tenham que aprendertécnicas sofisticadas de modelagem 3D, assim como adquirir conhecimento a respeito de diferentesprogramas. Isso torna difícil a formação de novos técnicos e eleva o tempo gasto para realizar movasaproximações, podendo ser gasto um dia de trabalho por crânio.

A melhoria das ferramentas é um importante passo para a popularização da aproximação facialutilizando CG.

2.1 Blender 3D

Existem diversos métodos de obtenção de um modelo digital de um crânio, desde tomografias compu-tadorizadas até mesmo fotometria. O processo de tomada de imagens é importante, mas nem sempre érealizado pelo técnico forense. Portanto, o foco principal deste TCC são as ferramentas de modelagem 3Dutilizadas nas aproximações.

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O principal programa open source disponível para a modelagem é o Blender 3D. Existem ferramentasque utilizam o Blender 3D para automatizar partes do processo, tais como o Makehuman, que é capaz degerar a nuvem de pontos utilizada pelo Blender, baseada em algumas características iniciais do indivíduo.

No entanto, como na maioria das vezes a aproximação facial tem apenas o crânio como modelo inicial,essas ferramenstas, muitos utilizadas por artistas para desenvolvimentos de filmes e jogos, não são tãointeressantes para o método forense.

2.2 Dificuldades técnicas atuais

O método estudado para este TCC será o método americano e as principais dificuldades técnicas envolvidasse devem a limitações das ferramentas assim como limitação física.

A limitação física é um aspecto interessante que, infelizmente, demanda um grande gasto de tempo dotécnico forense, já que é necessário utilizar uma tela em duas dimensões e isso dificulta a aproximaçãodos cilindros guia, porque cada aproximação demanda a visualização da distância de diversas perspectivasdiferentes. Já as principais limitações de ferramenta são a não detecção de colisão durante a modelagem ea grande quantidade de elementos necessários pra cada aproximação.

3 Proposta

A proposta principal do TCC é a melhoria ou criação de novas ferramentas no Blender, facilitando otrabalho dos técnicos forenses. Prioritariamente melhorando a ferramenta utilizada pelos técnicos e,posteriormente, utilizando essas melhorias para um processo automatizado de aproximação facial.

4 Melhorias

A principal crítica apontada pelos técnicos até o momento é a dificuldade de colocação de cada um doscilindros. Portanto, a primeira abordagem é a criação de um método onde esses cilindros toquem asuperfície automaticamente, eliminando o tempo gasto ao se visualizar de diferentes perspectivas.

Após isso, desenvolve-se de um processo automático semi-assistido de point and click, onde o técnicoforense precisa apenas selecionar um dos cilindros e clicar no crânio no ponto onde ele deve ser movido.

Uma vez que os cilindros base estejam em suas posições finais no crânio, novos cilindros intermediáriosserão criados. Finalmente com base em todos os cilindros, uma malha superficial que representa a peleserá gerada através da ligação de todos os pontos. Essa malha deve possibilitar a inserção de uma pelerudmentar.

5 Resultados esperados

Os resultados esperados com as melhorias são a grande diminuição do tempo necessário para que umtécnico forense realize uma aproximação facial, assim como diminuição da necessidade de se ter grandeconhecimento técnico e perícia no uso do programa Blender 3D.

Eventualmente, o processo automatizado pode gerar por si só uma aproximação robusta da pele, epara tanto, será necessário o uso de técnicas de visão computacional e possível aprendizado de máquina(utilizando os dados gerados pelos processos semi-assistidos).

A eficácia do processo pode ser analisada através da reconstrução de pacientes vivos e comparando apele gerada com a pele real.

6 Cronograma

Seguem as atividades propostas em ordem cronológica:

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1. Continuamente - Entender as necessidades dos técnicos envolvidos;

2. Abril - Estudar os métodos nativos do Blender 3D, que podem ser utilizados sem a necessidade denovo desenvolvimento;

3. Abril a maio - Desenvolver o método para colocação dos cilindros, com base nos métodos nativosdo Blender;

4. Maio a junho - Desenvolver o método de point and click;

5. Julho a agosto - Estudar/desenvolver uma heurística para inserção dos cilindros intermediários;

6. Julho a agosto - Estudar/desenvolver uma heurística para ligação entre todos os cilindros, gerandoa malha;

7. Setembro a outubro - Desenvolver técnicas de análise em computação visual (CV) para automati-zar completamente o posicionamento dos cilindros;

8. Setembro a outubro - Caso necessário, analisar os resultados semi-assistidos com aprendizado demáquina, a fim de auxiliar a análise em CV;

9. Continuamente - Escrever monografia;

10. Outubro a novembro - Montar pôster e os slides para apresentação.

Referências

[1] Blender - addon tutorial,https://www.blender.org/api/blender_python_api_2_65_5/info_tutorial_addon.html.

[2] Blender and python tutorial,https://www.youtube.com/watch?v=1OePNW34-z4.

[3] Wikipedia - reconstrução facial,https://pt.wikipedia.org/wiki/Reconstruç~ao_facial_forense/.

[4] Jordan Kaufman and Justin Valencia, Blender meets python: Blender 2.6 unites with python 3 for acompletely 3d relationship, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2013.

[5] Cicero Moraes, Manual de reconstrução facial 3d digital,http://www.ciceromoraes.com.br/.

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