Obecná antropologie
Mgr. Mikoláš Jurda, Ph.D.
Nové trendy v biologické antropologii
o rozvoj záznamových, analytických a interpretačním metod při výzkumu
biologických vlastností člověka a jeho materiální kultury
o důraz na neinvazivní zobrazovací a rekonstrukční postupy a na aplikaci metod
kvantitativní analýzy tvaru. Spadají tak do oblasti, kterou dnes zastřešuje pojem
virtuální antropologie
Laboratoř morfologie a forenzní antropologie
Trojrozměrná reprezentace skutečného či uměle vytvořeného tvaru ve formě digitálních dat
věrný - reálný upravený smyšlený
Co to je digitální model?
Počítačový soubor, případně více vzájemně propojených souborů
digitální záznam obsahující informace o
tvaru objektu a dalších
vlastnostech
zobrazitelný ve
speciálních aplikacích
Co to je digitální model?
snadné sdílení
bez ohledu na
geografickou
vzdálenost
široké vizualizační a
analytické možnosti
animace a
náhledy
měření a
analýzy
3D tisk
snadná archivace s ohledem
na prostorové možnosti,
hygienické a etické otázky
vs.
Proč 3D digitální data používáme?
práce s digitálními
modely ve virtuálním
prostředí
Neexistuje jediná metoda, vhodná pro všechny typy objektů a zaznamenávající všechny složky jejich
podoby!!!
vnitřní strukturavnější tvarbarevná informace
objemové snímání (CT a MRI)povrchové skenery a fotogrammetrie
Záznam zkoumaných objektů
o omezeno na povrch objektů
o primárním výstupem jsou přímo 3D modely
o přesnost a rozlišení skenerů jsou dány technickými možnostmi použitých přístrojů - až setiny mm
Povrchové skenování
dotykové skenery fotogrammetriespecializované skenery
TOF
triangulační
laserové
pasivní
strukturované světlo
o efektivní metoda pro záznam prostorové polohy diskrétních
bodů a křivek na principu fyzického kontaktu
o přesný záznam malého objemu dat
o použitelné na všechny pevné materiály
o pro snímání živých osob pomalé
Povrchové snímání – kontaktní skenery
o měří scénu na základě doby letu laserového paprsku od skeneru k cíli
nebo změny jeho fáze během této cesty
o používáno pro větší scény (archeologie, památky)
o pro kosterní pozůstatky nevhodné – designováno především pro účely
mimolaboratorní 3D dokumentace
Povrchové snímání – TOF a fázové skenery
o z jednoho bodu promítají jednu či více linií a z druhého bodu snímají
deformaci jejich obrazu na povrchu objektu
o rozlišení až v řádu setin mm
o záznam zpravidla v řádu jednotek či desítek sekund
o v Lamorfě skener NextEngine
Povrchové snímání – aktivní triangulační skenery
Snímání živých lidí – pasivní/optické skenery
o triangulují prostorové souřadnice z dvou a více snímků, pořízených
synchronizovanými kamerami z různých úhlů
o rozpoznávají specifické prvky na fotografiích, ztotožňují je a z rozdílů v jejich
vzájemné pozici na jednotlivých snímcích počítají jejich 3D souřadnice
o velmi rychlé, designováno především na snímání živého člověka
Povrchové snímání – pasivní/optické skenery
o mobilní verze – Vectra H1
o obličejová verze
Povrchové snímání – pasivní/optické skenery
o soustavy synchronizovaných fotoaparátů
o přístroje konstruované pro snímání omezených oblastí povrchu těla
Povrchové snímání – pasivní/optické skenery
o generování 3D dat ze série fotografií pořízených
fotoaparátem z různých úhlů
Software
o rozezná stejné prvky na různých fotografiích
o na základě vzájemné polohy bodů na různých snímcích uspořádá fotografie v
prostoru
o trianguluje trojrozměrnou podobu zaznamenaného, včetně barevné informace
Povrchové snímání – fotogrammetrie
o metody zaznamenávají rozložení hmoty ve snímaném objemu
o záznam vnitřní struktury, vnější podoby, ale ne barevnosti
o produktem nejsou 3D digitální modely, ale objemový záznam
o relativně velké a finančně náročné (umístění, personál atd.)
výpočetní tomografie magnetická rezonance
Objemové snímání
snímání řezů modelem
o měří pracovní pole pomocí rtg paprsků –
ionizující a potenciálně nebezpečné
o běžné lékařské přístroje rozlišení do ca 0,35
mm, specializované uCT a nanoCT až do
desetin mikrometru
Kováčová 2016
jazylka
CT, voxel 0,01mm
Objemový záznam - výpočetní tomografie
Objemový záznam - výpočetní tomografie
Analýza vývoje, morfologie a funkce kosterní
soustavy, její variability a vztahu mezi
morfologií, biologickými vlastnostmi
organizmu a vnějšími faktory
o studium biologické variability (růstu, vývoje
a funkce) a života minulých populací
prostřednictvím kosterního materiálu
o odhad biologických charakteristik původce
pozůstatků, identifikace, rekonstrukce příčin
a okolností smrti a tafonomické historie
pozůstatků (forenzní a historická
antropologie)
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Kosterní antropologie
Antropologické zpracování a identifikace
kosterních pozůstatků
Kosterní antropologie
Odhad pohlaví a pohlavní dimorfizmus
Kosterní antropologie
Odhad etnického původu
Kosterní antropologie
a odhad věku
Studium ontogeneze lidské kostry
Kosterní antropologie
Výzkum biomechaniky kosti a mechanismu vzniku pre-, peri- a post-mortem poškození
Kosterní antropologie
Analýza vývoje, funkce a variability
těla a jeho dynamiky v širším
měřítku
kinantropologie – vztah mezi
účelově zaměřeným lidským
pohybem a člověkem jako
biosociálním subjektem
vývojová antropologie
hodnocení výživového stavu
ergonomie
dermatoglyfika
Antropologie živého člověka
Návrh ochranných pomůcek a jejich
testování
Antropologie živého člověka
RP94-3D pro dospělé osoby
RP94-3D pro nedospělé osoby
Databáze 3D obličejů fidentis
populační průměry pro optimalizaci
tvaru respirátoru
Počátky (1999) - poloautomatická aplikace
Photomodeler (v současnosti 1145 $)
Veškerá geometrie výsledného modelu je editována ručně
Výstupem jsou jednoduché modely, vhodné například k
měření
Fotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentaci
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Ping-pongový stolek – 649 polygonů (ca stejný počet minut)
3D dokumentace nálezové situaceFotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentaci nálezové situace
+ vysoce flexibilní
metoda povrchového
skenování
+ minimální finanční
náročnost
Fotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentaci nálezové situace
Dobronín (okres Jihlava)
Masový hrob obětí poválečného násilí z 19. května 1945
Dětkovice
Jednotlivé fáze odkryvu dětského hrobu
Fotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentaci nálezové situace
Dokumentace nálezové situace v širším kontextu s pomocí
UAV – možnost snadno modelovat nález v kontextu širšího
okolí (přístupové cesty atd.)
Fotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentaci nálezové situace
o dokumentace povrchové morfologie a
barevnosti
o problémy se záznamem ochlupených částí
a vnitřních struktur
Fotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentace těl v soudním lékařství
o dokumentace povrchové morfologie a barevnosti
o problémy se záznamem ochlupených částí a vnitřních
struktur
Fotogrammetrie jako metoda pro 3D dokumentace těl v soudním lékařství
CT a MRI mohou zpřístupnit podobu kostí krytých měkkými
tkáněmi (živé osoby, neskeletonizované pozůstatky) a dalšími
překážkami (rakev, beton)
Jejich použití je alternativou k časově a „organizačně“ náročné
maceraci
(Urbanová et al. 2010)
Lékařské zobrazovací přístroje jako alternativa macerace
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Lékařské zobrazovací přístroje jako alternativa macerace
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
(Dedouit et al. 2011)
o CT – velmi dobrý záznam kosterních pozůstatků bez měkkých
tkání a také kosterních pozůstatků krytých měkkými tkáněmi
a dalšími materiály
o rozlišení až na úroveň desetin mikrometru
Kováčová 2015
Kostěný labyrint
CT, voxel 0,125mm
Kováčová 2016
Jazylka
CT, voxel 0,01mm
3D zobrazení na mikroskopické úrovni
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
o Veronika Kováčová – výzkum mikrofraktur v souvislosti se
střelným poraněním kostí
3D zobrazení na mikroskopické úrovni
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
o velmi dobrý záznam kosterních pozůstatků bez měkkých tkání
a také kosterních pozůstatků krytých měkkými tkáněmi a
dalšími materiály
o rozlišení až na úroveň desetin mikrometru
3D zobrazení na mikroskopické úrovni
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Trasologické analýzy – stopy po řezných
nástrojích
(Plisson a Zotkina 2015)
Restaurace fragmentárního materiálu
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Restaurace fragmentárního materiálu
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Využití virtuální reality
Restaurace fragmentárního materiálu
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Využití virtuální reality
FIDENTIS databáze 3D obličejů
o tisíce 3D modelů lidských obličejů
o nasnímáno skenery Vectra v téměř fotorealistické kvalitě
Statický záznam podoby živého člověka
Statický záznam podoby živého člověka – FIDENTIS databáze
Motion capture
4D záznam povrchové morfologie
4D záznam lidského těla
Metrické metody
Časté chyby v důsledku odchylky od definovaného způsobu měření
(definice předepisují i instrumentář), přesto použitelné
68,8 mm
Přenesení tradičních metod do virtuálního prostředí
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
vs.
Vizuální metody
Rozhodující je zkušenost hodnotitele s prací ve virtuálním prostředí
Přenesení tradičních metod do virtuálního prostředí
Stoupající pozornost je věnována novým proměnných a
samotné tvarové informaci, která tvoří digitální model
Trendem souvisejícím s digitalizací a automatizací je
stoupající počet zpracovávaných proměnných
Geometrická morfometrie
Geometrická morfometrie
Geometrická morfometrie - HIP
68,8 mm
Geometrická morfometrie - Dermatoglyphix
Porovnávání polygonálních sítí
Výpočet vzdáleností mezi
vrcholy modelů (closest
vertex-to vertex distance)
Popisná statistika
vypočtených vzdáleností –
distanční matice
Vizualizace rozdílů za
pomoci gradientu
Průměrný
model
Využití virtuálních nástrojů ke kvantifikaci morfologie
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Správnost odhadu pohlaví na základě automaticky
vypočtených parametrů nepřesáhla 82,5 %
Využití virtuálních nástrojů ke kvantifikaci morfologie
Tvarová variabilita lebky v souvislosti s pohlavím a populační
příslušností
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Výzkum vyjadřování emocí – porovnávání polygonálních sítí
Porovnání neutrálního obličeje
s obličejem s výrazem
Pohlavní dimorfismus intraindividuálních
změn morfologie
Využití virtuálních nástrojů ke kvantifikaci morfologie
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Automatické generování 3D obličejů z fotografií
Využití virtuálních nástrojů ke kvantifikaci morfologie
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Identifikace těla podle morfologie povrchu (Černý a Urbanová
2017)
Využití virtuálních nástrojů ke kvantifikaci morfologie
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Využití virtuálních nástrojů při řešení forenzních případů
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Virtuální rekonstrukce – Jošt Moravský (2016)
Virtuální rekonstrukce – Jošt Moravský (2016)
Virtuální rekonstrukce – Jošt Moravský (2016)
Virtuální rekonstrukce – Jošt Moravský (2016)
Virtuální rekonstrukce – baron Trenck
Virtuální rekonstrukce – baron Trenck
Virtuální rekonstrukce – baron Trenck
Základní principy 3D tisku
Nejběžnější je metoda tzv. Fused decomposition modeling spočívající v postupném přidávání
vrstev materiálu na sebe (aditivní výroba)
MakerBot 2 (LaMorFA) – termoplastický PLA
ABS (Akrylonitrilbutadienstyren)
o odolný vůči vysokým (pevný do 105
stupňů) i nízkým teplotám a
mechanickému poškození, nasákání,
kyselinám, hydroxidům i tukům
o lego, dřevotříska, kojenecké lahve…
PLA (Polylaktid – polymer kyseliny mléčné)
o biologicky odbouratelný materiál
o začíná měknout při teplotách kolem 60°, tisk ca
230°
o zdravotně nezávadný
Základní principy 3D tisku
3D tisk v LaMorFA
vnitřní ucho čáslavská kalva
3D tisk v LaMorFA
vnitřní ucho
Využití 3D tištěných modelů pro rekonstrukci těl poškozených devastujícími zraněními
3D výtisk busty Jošta (PLA)
3D tisk v LaMorFA
3D tisk v LaMorFA
StrataSys J750
o tloušťka vrstvy 14 um
o > 500 000 barev, gradient
průhlednosti a pevnosti
Sbírky digitálních modelů bez nároků na prostor
Sbírka 72 lidských lebek
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza
Uložení a sdílení dat
Ale nároky na zálohování digitálních dat
V případě kosterních pozůstatků je výhodou jejich maximální
ochrana, v případě živých probandů například snížení časové
náročnosti jejich výzkumu
Na všech úrovních možnost sdílet morfologii pozůstatků bez
ohledu na geografickou vzdálenost
Uložení a sdílení dat
Dokumentace
Tvorba výstupů
Uložení (pohřbení,
tvorba sbírek,
repatriace)
Dokumentace místa
nálezu a vyzvednutí
Očištění (macerace)
Analýza