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3D landmark acquisition from photographs

a morphometric approach on human faces

Tobias Paul

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Gerhard Weber

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DOI

10.25365/thesis.29933

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29079.14621.219359-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das Ziel dieser Studie ist es, zu erforschen, ob es Software Alternativen zu 3D Oberflächenscannern gibt, die in der Lage sind, aus 2D Bildern 3D Modelle zu erstellen. Oberflächenscanner sind weit verbreitet und produzieren für gewöhnlich äußerst genaue Modelle von 3D Oberflächen. Die Nachteile solcher Scanner liegen in den hohen Kosten und der komplexen Handhabung und Wartung. Software Anwendungen dagegen sind kostengünstiger, einfacher zu bedienen (z.B. Transport) und zu warten. Darüber hinaus könnten sie in der Lage sein, schon vorhandenes Bildmaterial, z.B. von Verbrechensopfern oder Abbildungen historischer Persönlichkeiten, zu verarbeiten. Aus diesem Grund wurden zwei Software Lösungen, Eos systems PhotoModeler Scanner 2010 (Pm) und Singular Inversions FaceGen Modeller (Fg), in Hinblick auf Anwendbarkeit und Genauigkeit anhand einer realistischen Fragestellung der Anthropologie getestet: Dem Sexualdimorphismus in menschlichen Gesichtern. Die Ergebnisse der Software wurden gegen unseren "Goldstandard", den optoTop-He Oberflächenscanner der Firma Breuckmann GmbH (Br), getestet. Für diese Diplomarbeit wurden Oberflächenscans und sieben Fotos von insgesamt 65 Probanden (31 Frauen und 34 Männer) erfasst. Abhängig von dem verwendeten System wurden bis zu sieben Fotos benutzt, um die 3D Modelle zu erstellen. 12 Landmarks in den Modellen wurden benutzt, um eine Generalized Procrustes Analysis (GPA) der Daten zu rechnen. Procrustes Distances, centroid sizes und shape coordinates wurden für anschließende statistische Auswertungen herangezogen. Die Ergebnisse eines Permutationstests der shape space Daten zeigt signifikante Unterschiede in männlichen und weiblichen Gesichtern. Für Breuckmann sind die Unterschiede signifikant mit p < 0,006. PhotoModeler erreicht ähnliche, aber weniger signifikante Ergebnisse (p < 0,024). Im Gegensatz dazu konnte der FaceGen Modeller kein signifikanten Ergebnisse produzieren (p < 0,17). Die Analyse im form space wurde nur mit Breuckmann und PhotoModeler durchgeführt, da der FaceGen Modeller keine verwertbaren Größenangaben bereitstellt. Im form space sind die Ergebnisse für den Geschlechtsunterschied signifikant für die beiden übrigen Systeme (Breuckmann und PhotoModeler) mit p = 0,0001. Ein weiterführender Vergleich Breuckmann - FaceGen - PhotoModeler zeigte, dass die PhotoModeler Modelle signifikant näher am Breuckmann liegen, als die Modelle des FaceGen Modellers (p < 0,00005). Der Maximale Unterschied zwischen den PhotoModeler und Breuckmann Modellen lag bei 9,62 mm. Der durchschnittliche Unterschied ist mit 1,84 mm und einer Standardabweichung von 1,42 mm hingegen wesentlich geringer. Die Ergebnisse weisen darauf hin, daß der PhotoModeler eine ernsthafte Alternative sein kann, um 3D Modelle ohne einen Oberflächenscanner zu erstellen. Die Anwendbarkeit der Software ist nicht nur auf die Biologie beschränkt, sondern richtet sich an alle Gebiete, in denen die Verwendung von 3D Modellen notwendig ist.

Abstract

(Englisch)

This study has the aim to explore if software alternatives based on 2-D images could be used to generate and measure 3-D surface models of faces instead of using genuine 3-D surface scanners. The latter are widely used and usually produce quite accurate models of 3-D surfaces. However, the disadvantages of such scanning systems are that they are rather costly and complicated to use and to maintain. On the other hand, software applications are less costly and easier in the handling (e.g. transport) and maintaining. Furthermore they would potentially allow to work with prior existing image material, e.g., photos of crime victims or paintings of historic figures. Therefore the applicability and accuracy of two software solutions, Eos systems PhotoModeler Scanner 2010 (Pm) and Singular Inversions FaceGen Modeller 3.4(Fg), were tested in a lifelike question of physical anthropology: The sexual dimorphism in human facial shape and form. The software results were tested against our 'golden standard', the optoTop-HE optical surface scanner from Breuckmann GmbH (Br).\\ For the thesis 3-D surface scans and 7 photographs of 65 test persons (31 female and 34 male) were obtained. Depending on the system, the software used up to 7 images to create the 3-D models. A set of 12 landmark points on the models was used in the next step to compute a General Procrustes Analysis (GPA) of the data. Procrustes distances, centroid sizes, and shape coordinates were used for the subsequent statistical analysis.\\ The results of a permutation test of the shape space data show significant differences in male and female faces. While for the Breuckmann system differences were significant at p < 0.006, PhotoModeler software solution arrived at a similar but less significant result (p < 0.024). FaceGen Modeller, in contrast, wasn't able to show any significant differences (p < 0.17). The analysis in form space could only be performed with the Breuckmann and PhotoModeler data because FaceGen models do not contain any usable information about size. In form space, the results of the sexual dimorphism are significant for both remaining systems (Breuckmann and PhotoModeler) with p = 0.0001. A further test of the systems between Breuckmann - FaceGen - PhotoModeler revealed that the PhotoModeler models come significantly closer to Breuckmann models than the FaceGen models do (p < 0.00005). The maximum difference between the PhotoModeler and the Breuckmann models was 9.62 mm. However, the mean difference is much smaller, i.e. 1.84 mm with a standard deviation of 1.42 mm. These results indicate that at least the PhotoModeler scanner could be a serious alternative to produce 3-D models without the use of a surface scanner. The applicability of the software is not limited to the use in life sciences but a large number of scientific fields wherever the use of 3-D models is necessary.

Autor*innen

Tobias Paul

Haupttitel (Englisch)

3D landmark acquisition from photographs

Hauptuntertitel (Englisch)

a morphometric approach on human faces

Paralleltitel (Deutsch)

3D Landmark Erfassung an Fotografien

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

63 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Gerhard Weber

Klassifikation

42 Biologie > 42.88 Physische Anthropologie

AC Nummer

AC11148196

Utheses ID

26696

Studienkennzahl

UA | 442 | | |

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