Proposta de TCC: Aproximação Facial Automatizada

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Ricardo Belo Lombardi
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1 Proposta de TCC: Aproximação Facial Automatizada André Meneghelli Vale Esta proposta visa descrever os principais objetivos da conclusão de curso, assim como estabelecer um cronograma inicial. em Instituto de Matemática e Estatística Universidade de São Paulo Supervisor: Prof. Roberto Hirata Junior Abril 2016

2 Conteúdo 1 Introdução Método Russo Método Americano O problema computacional Blender 3D Dificuldades técnicas atuais Proposta 6 4 Melhorias 6 5 Resultados esperados 6 6 Cronograma 6 2

3 1 Introdução Uma das mais notáveis uniões entre arte e ciência é a aproximação facial forense. Envolvendo diversos elementos de arte, ciência forense, antropologia, osteologia e anatomia, as técnicas envolvidas visam possibilitar a identificação de indivíduos em avançado estado de decomposição ou até mesmo onde apenas as ossadas tenham sido encontradas. Essas técnicas também são bastante utilizadas para se ter uma aproximação satisfatória de indivíduos fossilizados, principalmente em estudos de filogenia envolvendo hominídeos e mais raramente reconstrução 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 principalmente em estudos de anatomistas e artistas anteriores. Sendo um dos exemplos mais antigos o trabalho do anatomista Wilhelm His, que estudou tecidos moles em cadáveres e realizou a reconstrução de Johann Sebastian 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 elaborados anteriormente na modelagem 3-D clássica podem ser relevantes para os métodos em CG. A seguir, um resumo dos dois principais métodos envolvidos na modelagem clássica. 3

4 1.1 Método Russo O método de reconstrução de Gerasimov, conhecido como método russo. Se baseia inicialmente na modelagem dos principais grupos musculares do crânio e na modelagem da pele sobre a musculatura. Figura 2: Método russo implementado em CG. 4

1.2 Método Americano O método americano foi desenvolvido pelo antropólogo Wilton Krogman, que o descreveu em 1946 e baseia-se na distância entre o crânio e a superfície da pele.

5 1.2 Método Americano O método americano foi desenvolvido pelo antropólogo Wilton Krogman, que o descreveu em 1946 e baseia-se na distância entre o crânio e a superfície da pele. Nesse método são dispostos cilindros auxiliares sobre 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 ferramentas apropriadas para este trabalho, fazendo com que os técnicos forenses envolvidos tenham que aprender técnicas sofisticadas de modelagem 3D, assim como adquirir conhecimento a respeito de diferentes programas. Isso torna difícil a formação de novos técnicos e eleva o tempo gasto para realizar movas aproximações, podendo ser gasto um dia de trabalho por crânio. A melhoria das ferramentas é um importante passo para a popularização da aproximação facial utilizando CG. 2.1 Blender 3D Existem diversos métodos de obtenção de um modelo digital de um crânio, desde tomografias computadorizadas até mesmo fotometria. O processo de tomada de imagens é importante, mas nem sempre é realizado pelo técnico forense. Portanto, o foco principal deste TCC são as ferramentas de modelagem 3D utilizadas nas aproximações. 5

6 O principal programa open source disponível para a modelagem é o Blender 3D. Existem ferramentas que utilizam o Blender 3D para automatizar partes do processo, tais como o Makehuman, que é capaz de gerar 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 tão interessantes para o método forense. 2.2 Dificuldades técnicas atuais O método estudado para este TCC será o método americano e as principais dificuldades técnicas envolvidas se devem a limitações das ferramentas assim como limitação física. A limitação física é um aspecto interessante que, infelizmente, demanda um grande gasto de tempo do técnico forense, já que é necessário utilizar uma tela em duas dimensões e isso dificulta a aproximação dos cilindros guia, porque cada aproximação demanda a visualização da distância de diversas perspectivas diferentes. Já as principais limitações de ferramenta são a não detecção de colisão durante a modelagem e a 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 o trabalho 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 dos cilindros. Portanto, a primeira abordagem é a criação de um método onde esses cilindros toquem a superfície 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 técnico forense 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 intermediários serão criados. Finalmente com base em todos os cilindros, uma malha superficial que representa a pele será gerada através da ligação de todos os pontos. Essa malha deve possibilitar a inserção de uma pele rudmentar. 5 Resultados esperados Os resultados esperados com as melhorias são a grande diminuição do tempo necessário para que um técnico forense realize uma aproximação facial, assim como diminuição da necessidade de se ter grande conhecimento técnico e perícia no uso do programa Blender 3D. Eventualmente, o processo automatizado pode gerar por si só uma aproximação robusta da pele, e para 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 a pele gerada com a pele real. 6 Cronograma Seguem as atividades propostas em ordem cronológica: 6

7 1. Continuamente - Entender as necessidades dos técnicos envolvidos; 2. Abril - Estudar os métodos nativos do Blender 3D, que podem ser utilizados sem a necessidade de novo desenvolvimento; 3. Abril a maio - Desenvolver o método para colocação dos cilindros, com base nos métodos nativos do 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, gerando a malha; 7. Setembro a outubro - Desenvolver técnicas de análise em computação visual (CV) para automatizar completamente o posicionamento dos cilindros; 8. Setembro a outubro - Caso necessário, analisar os resultados semi-assistidos com aprendizado de máquina, 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, tutorial_addon.html. [2] Blender and python tutorial, [3] Wikipedia - reconstrução facial, [4] Jordan Kaufman and Justin Valencia, Blender meets python: Blender 2.6 unites with python 3 for a completely 3d relationship, CreateSpace Independent Publishing Platform, [5] Cicero Moraes, Manual de reconstrução facial 3d digital, 7

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