Sistema de identificación forense por superposicion craneofacial basado en soft computing.

Sistema de identificación forense por superposición craneofacial basado en soft computing. Sector de la técnica La presente patente de invención se refiere a la resolución del problema de superposición craneofacial para la identificación forense. En términos generales tiene aplicación directa en el estudio de personas desaparecidas, grandes desastres de masas y catástrofes naturales. Como tal, puede ser de interés para los cuerpos y fuerzas de seguridad del estado (concretamente, la policía judicial y científica de la Policía Nacional y Guardia Civil, respectivamente) y los institutos de medicina legal y forense. Asimismo, tiene aplicación directa en dispositivos de adquisición y reconstrucción de modelos de objetos tridimensionales cómo los escáneres láser de rangos. Estado de la técnica Una de las tareas más importantes de la Antropología Forense es la identificación de seres humanos a partir de sus restos óseos. Este trabajo requiere la comparación de datos ante-mortem (los cuales se obtienen de material visual y de entrevistas con parientes y testigos) y post-mortem. Una de las técnicas de identificación forense de mayor éxito es la superposición craneofacial, en la que se comparan fotografías o fotogramas de vídeo de una persona desaparecida con el cráneo encontrado. Proyectando ambas fotografías una sobre otra (o, mejor, emparejando la foto con un modelo tridimensional del cráneo) se puede establecer si pertenecen a la misma persona. Este proceso se realiza de forma manual, empleando habitualmente el ordenador para representar las imágenes de ambos objetos. El procedimiento es iterativo y finaliza cuando el experto forense estima que se ha obtenido la mejor superposición posible desde una perspectiva global. Finalmente, a la vista de las características antropométricas específicas de la superposición obtenida, dicho experto proporciona una decisión del proceso de identificación en uno de los siguientes términos: positiva, negativa, probable positiva, probable negativa, incierta. La presente invención viene dada por un nuevo método sistema automático que da soporte al antropólogo forense en la tarea de identificación por superposición craneofacial. Nótese que no existe ninguna metodología que proporcione una solución integral para abordar la resolución de dicho problema. Además, la presente invención permite la formulación de hipótesis sobre la posible relación entre el cráneo y la fotografía, considerando para ello la incertidumbre presente en el proceso. La precisión de los resultados proporcionados es tan alta que permite su uso en casos reales de identificación forense. Es importante distinguir el problema que resuelve la presente invención de una serie de técnicas relacionadas, ya sea en cuanto a los principios que los fundamentan (estudios antropológicos que relacionan cráneo y cara) o en cuanto a la formulación del problema (emparejamiento de imágenes): Por un lado, la reconstrucción facial parte de los mismos principios que la superposición craneofacial pero tiene como objetivo el representar el posible aspecto de la cara de una persona a partir de su cráneo. Para ello se aplican una serie de marcas en los principales puntos craneométricos, que aportan el grosor de los tejidos blandos de la cara, y se modelan el resto de las estructuras faciales sobre ellos. La solicitud de patente americana US0111631 describe un sistema de reconstrucción facial. Uno de los principales problemas de esta técnica es que se ha comprobado que hay muchas variaciones de los diferentes rasgos morfológicos faciales que confieren singularidad a la cara. Por otro lado, también hay diferencias en los tejidos faciales que están en relación con la edad, cambios de peso, estados anímicos, etc. Destaca la utilidad de la reconstrucción facial para recreaciones de homínidos (Atapuerca/antecessor) o de personajes históricos (Galileo Galilei, Tutankamón), que tienen un gran valor desde el punto de vista divulgativo o didáctico. Sin embargo, desde el campo de la Antropología Forense la técnica tiene muchas limitaciones y sólo se utiliza para hacer aproximaciones que sirven para iniciar una investigación pero nunca para realizar una identificación. Por otro lado, existen varias propuestas automáticas de superposición de modelos 3D de la cara sobre fotografías 2D también de la cara [Patentes US0196000 o US7421097], Una revisión del estado del arte puede encontrarse en [K.W. Bowyer, K. Chang y P. Flynn, A survey of approaches and challenges in 3D and multi-modal 3D + 2D face recognition Computer Vision and Image Understanding, Vol. 101, pp. 1-15, 2006]. Sin embargo, se trata de un problema totalmente diferente, el reconocimiento facial, que conlleva la superposición de un objeto 30 (el modelo 3D de la cara) con una proyección 2D (la fotografía de la cara) del mismo objeto. Nótese que la superposición craneofacial es un problema mucho más complicado donde los dos objetos a emparejar son diferentes (un modelo 3D del cráneo y una fotografía 2D de la cara). En el reconocimiento facial no hay necesidad de abordar la incertidumbre presente en casos reales de superposición craneofacial, donde se tiene que tener en cuenta el grosor de los tejidos que recubren el cráneo. Además, al contrario que en los casos reales de identificación forense, en los problemas de reconocimiento facial, todos los datos relativos a la cámara son conocidos. En los casos de identificación forense, la familia de la persona desaparecida es la que suele proporcionar la/las fotografías sin información adicional y, en algunos casos, modificadas mediante algoritmos de preprocesado (recorte, reescalado, transformaciones en el color y en el contraste, etc.), lo que puede afectar negativamente a los resultados de la superposición. 2 ES 2 353 099 A1 No existe una metodología general para el proceso de identificación por superposición craneofacial. Esto se debe tanto a la complejidad del procedimiento de proyección (cráneo y cara son dos objetos diferentes cuya correlación no es directa debido a la presencia de carne y piel en el segundo) como a la incertidumbre inherente al proceso de decisión (con varios niveles de confianza dependiendo del grado de conservación de la muestra y de la calidad de las fotos disponibles del proceso analítico realizado por el forense). Existen algunos métodos de superposición craneofacial que emplean ordenadores para ayudarse en el proceso de superposición y/o para la visualización del cráneo y la cara. Sin embargo, el tamaño y la orientación del cráneo se cambian manualmente para ajustarlo correctamente a la pose de la cabeza en la fotografía. Esto se hace bien moviendo físicamente el cráneo, empleando el ordenador solo para visualizarlo en el monitor, o bien moviendo una imagen digital por la pantalla hasta lograr un emparejamiento bueno (con ayuda de un software comercial). Estos métodos trabajan con imágenes digitales pero, como se ha dicho, no son para nada automáticos, ya que necesitan hacer manualmente las tareas de redimensionado, traslación y rotación mediante prueba y error, algo muy costoso en tiempo y que conlleva un proceso afectado por múltiples errores. Vale la pena comentar que los expertos forenses pueden emplear del orden de 24 horas para cada caso. Los trabajos de Ubelaker et al. [D.H. Ubelaker, E. Bubniak, G. ODonnel, Computer-assisted photographic superimposition, Journal of Forensic Sciences Vol. 37 (3), pp. 750-762, 1992], Yoshino et al. [M. Yoshino, H. Matsuda, S. Kubota, K. Imaizumi, S. Miyasaka, S. Seta, Computer-assisted skull identification system using video superimposition, Forensic Science International Vol. 90, pp. 231-244, 1997] y Ricci et al. [A. Ricci, G.L. Marella, M.A. Apóstol, A new experimental approach to computer-aided face/skull identification in forensic anthropology, American Journal of Forensic Medicine and Pathology Vol. 27 (1), pp. 46- 49, 2006] son ejemplos típicos de lo que consideramos superposiciones asistidas por ordenador. Encontramos también un número limitado de métodos automáticos donde las dos primeras etapas del proceso de superposición craneofacial, el modelado tridimensional del cráneo y la proyección cráneo-cara, pueden formularse como un problema de registrado de imágenes. En este caso, se trata de aprovechar la capacidad de cómputo del ordenador para hallar la transformación espacial que logre el mejor emparejamiento entre dos imágenes (Figura 1), ya sea para reconstruir el modelo 3D del cráneo o para encontrar automáticamente la superposición óptima entre dicho modelo y la fotografía 2D de la cara mediante algoritmos informáticos. Hasta la fecha, no se han usado métodos automáticos en aplicaciones reales a pesar del alto número de casos examinados [D.H. Ubelaker, A history of Smithsonian-FBI coliaboration in forensic anthropology, especially...

1. Sistema de identificación forense que realiza un proceso de superposición craneofacial de un cráneo y una fotografía en la que se incluye la cara de un individuo, caracterizado por: (a) un subsistema de modelado 3D de cráneos, que proporciona un modelo 3D del cráneo a partir de vistas parciales del mismo mediante un algoritmo de optimización y búsqueda (b) un subsistema de proyección cráneo-cara, que empareja el modelo 3D del cráneo con la cara de la fotografía mediante un algoritmo de optimización y búsqueda (c) un subsistema de ayuda a la toma de decisiones, que emite una valoración sobre la relación de correspondencia entre el cráneo y la cara emparejados (d) un subsistema de posicionamiento inicial del modelo 3D del cráneo, que hace una primera estimación de la mejor posición del modelo del cráneo en la fotografía (e) un subsistema de refinamiento manual de la superposición craneofacial que modifica, según las preferencias del usuario, el emparejamiento cráneo-cara llevado a cabo por el sistema. 2. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque el subsistema de modelado 3D de cráneos usa un dispositivo óptico que proporciona varias vistas parciales del cráneo y que comprende las siguientes fases: (a) adquisición de las diferentes vistas parciales del cráneo, donde cada vista es una imagen parcial de la superficie del cráneo, (b) síntesis de la información de cada vista parcial del cráneo mediante la extracción de características de la imagen invariantes a la transformación que relaciona cada par de vistas adyacentes, (c) prealineamiento de las diferentes imágenes obtenidas mediante un algoritmo de optimización, (d) refinamiento del modelo 3D obtenido en la etapa anterior mediante un algoritmo de búsqueda local. 3. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque el subsistema de proyección cráneo-cara comprende las siguientes fases: (a) codificación de la transformación proyectiva 3D-2D, (b) establecimiento de los intervalos de posibles valores para cada una de las incógnitas de la transformación proyectiva elegida, (c) búsqueda de la transformación 3D-2D (combinación de valores para las incógnitas) que conlleve una adecuada superposición, mediante un algoritmo de optimización y búsqueda. 4. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque se logra la superposición en la etapa (c) de la reivindicación 3, minimizando una de las siguientes funciones: (a) la media de la suma de las distancias Euclídeas entre pares de puntos de referencia cefalométricos y sus correspondientes craneométricos una vez transformados a 2D, si no se tiene en cuenta la incertidumbre, (b) las distancias difusas entre pares de puntos de referencia cefalométricos y sus correspondientes craneométricos una vez transformados a 2D, si sólo se tiene en cuenta la incertidumbre en la localización de los marcadores, (c) la diferencia entre las distancias fisonómicas aproximadas entre pares de puntos craneométricos-cefalométricos y las distancias entre pares de puntos cefalométricos y sus correspondientes craneométricos una vez transformados a 2D, si se tiene en cuenta la incertidumbre en la localización y emparejamiento de los marcadores. 11 ES 2 353 099 A1 5. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque el subsistema de proyección cráneo-cara muestra gráficamente el resultado de la superposición del modelo 3D del cráneo proyectado sobre la fotografía objetivo. 6. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque el subsistema de proyección cráneo-cara presenta una interfaz que interactúa con el usuario para que éste pueda ajustar los parámetros que intervienen en el proceso de superposición para la obtención de superposiciones diferentes a las propuestas por dicho sistema. 7. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque el subsistema de ayuda a la toma de decisiones comprende las siguientes etapas: (a) propagación de la incertidumbre obtenida en el subsistema de proyección cráneo-cara, (b) análisis del emparejamiento de la superposición obtenida en el subsistema de proyección cráneo-cara, (c) emisión de una recomendación. 8. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa de propagación de la incertidumbre del subsistema de ayuda a la toma de decisiones, se propaga la incertidumbre relativa a la localización imprecisa de los puntos craneométricos y cefalométricos. 9. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa de propagación de la incertidumbre del subsistema de ayuda a la toma de decisiones, se propaga la incertidumbre relativa al emparejamiento impreciso entre pares de puntos cefalométricos y craneométricos. 10. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa de análisis del emparejamiento de la superposición obtenida del subsistema de ayuda a la toma de decisiones, se utiliza un sistema difuso que modela el conocimiento experto de los antropólogos forenses. 11. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa de emisión de una recomendación del subsistema de ayuda a la toma de decisiones, se emite una de las siguientes recomendaciones sobre la superposición craneofacial (correspondencia de fotografía de la caramodelo 3D del cráneo) obtenida: identificación positiva, negativa, probable positiva, probable negativa o incierta, y se proporciona un grado de confianza asociado. 12. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque el subsistema de posicionamiento inicial del modelo 3D del cráneo comprende las siguientes fases: (a) obtención de la posición del modelo 3D del cráneo respecto a la cámara mediante tres ángulos de Euler, (b) aplicación de los tres ángulos de Euler calculados en (a) para el posicionamiento del cráneo en una posición frontal a la cámara, (c) obtención de la orientación de la cara en la fotografía mediante tres ángulos de Euler, (d) aplicación de los tres ángulos de Euler calculados en (c) para el posicionamiento del cráneo en la misma pose que la estimada para la cara en la fotografía. 13. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicaciones 1 y 12, caracterizado porque la obtención de la posición del modelo 3D del cráneo respecto a la cámara comprende las siguientes fases: (a) cálculo del plano facial del modelo 3D del cráneo a partir de los puntos craneométricos frontales, (b) cálculo del vector normal al plano facial, (c) cálculo de las rotaciones necesarias para que el vector normal al plano facial esté orientado hacia el eje de la cámara. 14. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicaciones 1 y 12, caracterizado porque la obtención de la orientación de la cara en la fotografía comprende las siguientes fases: (a) cálculo del eje vertical central de la cara y del eje horizontal que pasa por el centro de los ojos, 12 (b) cálculo de la base y la punta de la nariz, ES 2 353 099 A1 (c) cálculo de los tres ángulos de Euler que definen la orientación de la cara en la fotografía a partir de los puntos y ejes calculados en (a) y (b) además de las ecuaciones que definen las relaciones geométricas de una cara. 15. Sistema de identificación forense mediante superposición craneofacial según reivindicación 1, caracterizado porque el subsistema de refinamiento manual de la superposición craneofacial es una herramienta de edición de imágenes 3D/2D que permite: (a) manipular el modelo 3D del cráneo partiendo de una posición inicial dada por el subsistema de proyección cráneo-cara de la reivindicación 1, (b) rotar, escalar y trasladar el modelo 3D del cráneo, (c) ajustar la transformación perspectiva del modelo 3D del cráneo, (d) modificar los parámetros intrínsecos y extrínsecos de la cámara, (e) guardar la superposición craneofacial lograda y el correspondiente valor de los parámetros de la transformación. 13 ES 2 353 099 A1 14 ES 2 353 099 A1 ES 2 353 099 A1 16 ES 2 353 099 A1 17 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA