3D facial images and phenotyping3D

3D facial images and phenotyping

3D images composed of surface and texture maps were taken using the 3dMDface system (3dMD, Atlanta, GA). Participants were asked to close their mouths and hold their faces with a neutral expression for the picture. Images were then exported from the 3dMD Patient software in OBJ file format and imported into a scan cleaning program for cropping and trimming, removing hair, ears, and any dissociated polygons. The complete work flow involved in processing face scans is depicted in Figure 1. Five positioning landmarks were placed on the face to establish a rough facial orientation. Subsequently, an anthropometric mask (7,150 quasi-landmarks) was non-rigidly mapped onto the original 3D images and their reflections [8], [9], [17], which were constructed by changing the sign of the x-coordinate [18], [32]. This established homologous spatially-dense quasi-landmark (Q-L) configurations for all original and reflected 3D images (8). Note that, by homologous, we mean that each quasi-landmark occupies the same position on each face relative to all other quasi-landmarks. Subsequently, a generalized Procrustes superimposition [18], [33] is used to eliminate differences in position, orientation, and scale of both original and reflected configurations combined was performed. This constructed a tangent space of the Kendall shape-space centered on the overall consensus configuration [25]. Procrustes shape coordinates, representing the shape of an object [34], were obtained for all 3D faces and their reflections. After Procrustes superimposition, the overall consensus configuration is perfectly symmetrical and a single shape can be decomposed into its asymmetric and its bilaterally symmetric part [18]. The average of an original and its reflected configuration constitutes the symmetric component while the difference between the two configurations constitutes the asymmetric component [19], [35]. The analyses in this report were all based on facial shape as represented using the component of symmetry only. Although deviations from bilateral symmetry are thought to be the effects of developmental noise and/or environmental factors [36], it is likely there are genetic effects on asymmetry, which would compel independent investigation.

Principal components analysis (PCA) [9] on the superimposed and symmetrized quasi-landmark configurations of the panel of 592 participants resulted in 44 PCs that together summarize 98% of the total variation in face space. To examine the effect of excluding lower PCs, we first reconstructed actual quasi-landmark configuration from the 44 PCs only and compared these to the original remapped face. We found that the average root mean squared error (RMSE) is as small as 0.2 mm per quasi-landmark. The localized differences between the original faces and the faces as represented by the first 44 PCs are largest around the iris, eyelids, under the nose, and the corners and opening of the mouth and are at most about 0.45 mm. How a PC or any other independent variable affects the face can be shown with heat maps and shape transformations: heat maps use contrasting colors to highlight the specific parts of the face that are affected, while shape transformations illustrate the changes in overall face shape with two or more images of the face at set intervals. Shape transformations are obtained from the average face in the direction of each PC at −3 and +3 times the accompanying standard deviation (square-root of the eigenvalue). Figure 2 shows how the first 10 PCs affect the face. Some of these PCs (e.g., PC1, PC2, PC3) summarize effects on many parts of the face, while other PCs (e.g., PC4, PC5) summarize the effects of changes in only particular parts of the face. The effects of each of the 44 PCs as well as the RIP variables can be visualized with a GUI software tool that we have written called DNA2FACEIN3D.EXE. The program and instruction manual can be downloaded here: http://tinyurl.com/DNA2FACEIN3D.

We have used three methods to visualize and quantify facial difference so that we can systematically express the effects of particular response-based imputed predictor (RIP) variables on the face into anatomically interpretable results. These are based on comparing faces pairwise, such as comparing the most feminine RIP-S to the most masculine RIP-S transformed consensus faces using three fundamental measures: area ratio, normal displacement, and curvature ratio. These two ratios and one displacement along with particular inter-landmark distances and angles can together be termed “face shape change parameters” (FSCPs) and are a means of translating face shape changes from the abstract face space into language of facial characteristics such that comparisons between clinical or anthropological descriptions of faces can be compared to bootstrapped response-based imputation modeling (BRIM) results. The statistical significance of these FSCPs can be estimated using permutation. A more detailed description on how this is done is given in the supplementary online material.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ภาพ 3 มิติหน้าและ phenotypingประกอบด้วยภาพ 3 มิติของพื้นผิว และพื้นผิวแผนที่ถูกนำมาใช้ระบบ 3dMDface (3dMD แอตแลนตา GA) ผู้เข้าร่วมได้ต้องปิดปากของพวกเขา และกดหน้ากับนิพจน์ที่มีความเป็นกลางสำหรับรูปภาพ ภาพที่ถูกส่งออกจากซอฟต์แวร์ของผู้ป่วย 3dMD ในรูปแบบไฟล์ OBJ แล้ว และเข้าโปรแกรมทำความสะอาดสแกนสำหรับการครอบตัดและการตัดแต่ง เอาผม หู และรูปหลายเหลี่ยมใด ๆ dissociated ขั้นตอนการทำงานเกี่ยวข้องในการประมวลผลการสแกนใบหน้าจะแสดงในรูปที่ 1 สถานที่วางตำแหน่งห้าถูกวางบนใบหน้าเพื่อสร้างการวางแนวหน้าหยาบ ในเวลาต่อมา รูปแบบการ anthropometric (สถาน quasi-7,150) ถูกไม่-rigidly ถูกแมปภาพ 3 มิติเดิมและการสะท้อน [8], [9], [17], ซึ่งถูกสร้าง โดยการเปลี่ยนเครื่องหมายของการ x-พิกัด [18], [32] นี้ก่อตั้งมาร์ค quasi-homologous spatially-หนาแน่น (Q-L) ตั้งค่าคอนฟิกสำหรับต้นฉบับทั้งหมด และแสดงภาพ 3 มิติ (8) หมายเหตุว่า โดย homologous เราหมายถึง ว่า มาร์คแต่ละ quasi-ใช้ตำแหน่งเดียวกันในแต่ละหน้าเมื่อเทียบกับสถาน quasi-อื่น ๆ ต่อมา การเมจแบบทั่วไป Procrustes superimposition [18], [33] ใช้เพื่อขจัดความแตกต่างในตำแหน่ง แนว และมีดำเนินการมาตราส่วนกำหนดค่าเดิม และสะท้อนรวม นี้สร้างพื้นที่สัมผัสรูปร่างพื้นที่เคนดัลที่แปลกในกำหนดมติทั้งหมด [25] Procrustes รูปร่างพิกัด แสดงรูปร่างของวัตถุ [34], ได้รับใบหน้า 3D ทั้งหมดและการสะท้อน หลังจาก Procrustes superimposition กำหนดค่ามติโดยรวมไม่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ และสามารถแยกรูปเดี่ยวของ asymmetric และส่วน bilaterally สมมาตร [18] ค่าเฉลี่ยของต้นฉบับและการตั้งค่าคอนฟิกสะท้อนถือส่วนประกอบสมมาตรในขณะที่ความแตกต่างระหว่างค่าสองถือ asymmetric ส่วนประกอบ [19], [35] วิเคราะห์ในรายงานนี้ได้ทั้งหมดตามรูปร่างหน้าตามที่แสดงโดยใช้คอมโพเนนต์ของสมมาตรเท่านั้น แม้ว่าความเบี่ยงเบนจากสมมาตร bilateral จะคิดว่า เป็น ลักษณะพิเศษของเสียงพัฒนาและ/หรือปัจจัยสิ่งแวดล้อม [36], มีแนวโน้มที่มีผลกระทบทางพันธุกรรม asymmetry ซึ่งจะกดดันตรวจสอบอิสระPrincipal components analysis (PCA) [9] on the superimposed and symmetrized quasi-landmark configurations of the panel of 592 participants resulted in 44 PCs that together summarize 98% of the total variation in face space. To examine the effect of excluding lower PCs, we first reconstructed actual quasi-landmark configuration from the 44 PCs only and compared these to the original remapped face. We found that the average root mean squared error (RMSE) is as small as 0.2 mm per quasi-landmark. The localized differences between the original faces and the faces as represented by the first 44 PCs are largest around the iris, eyelids, under the nose, and the corners and opening of the mouth and are at most about 0.45 mm. How a PC or any other independent variable affects the face can be shown with heat maps and shape transformations: heat maps use contrasting colors to highlight the specific parts of the face that are affected, while shape transformations illustrate the changes in overall face shape with two or more images of the face at set intervals. Shape transformations are obtained from the average face in the direction of each PC at −3 and +3 times the accompanying standard deviation (square-root of the eigenvalue). Figure 2 shows how the first 10 PCs affect the face. Some of these PCs (e.g., PC1, PC2, PC3) summarize effects on many parts of the face, while other PCs (e.g., PC4, PC5) summarize the effects of changes in only particular parts of the face. The effects of each of the 44 PCs as well as the RIP variables can be visualized with a GUI software tool that we have written called DNA2FACEIN3D.EXE. The program and instruction manual can be downloaded here: http://tinyurl.com/DNA2FACEIN3D.เราได้ใช้สามวิธีในการมองเห็นภาพ และกำหนดปริมาณความแตกต่างที่ใบหน้าเพื่อให้เราอย่างเป็นระบบสามารถแสดงผลของตัวแปรเฉพาะตอบสนองตามควาบผู้ทายผล (RIP) บนใบหน้าเป็นผลลัพธ์ anatomically interpretable เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบใบหน้า pairwise เช่นเปรียบเทียบมากที่สุด ริพ S ผู้หญิงกับผู้ชายสุดริพ S แปลงหน้ามติใช้มาตรการพื้นฐาน 3: อัตราส่วนพื้นที่ ปริมาณกระบอกสูบปกติ และอัตราส่วนโค้ง อัตราส่วนเหล่านี้สองและปริมาณกระบอกสูบหนึ่งมุมและระยะทางระหว่างดิฉันขอเฉพาะที่สามารถร่วมกันเรียกว่า "ใบหน้ารูปร่างเปลี่ยนพารามิเตอร์" (FSCPs) และวิธีการแปลหน้าเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากพื้นที่หน้าบทคัดย่อเป็นภาษาลักษณะใบหน้าที่เปรียบเทียบผลทางคลินิก หรือพัณฑ์คำอธิบายของใบหน้าสามารถเปรียบเทียบกับผลการสร้างโมเดล (เปี่ยม) imputation bootstrapped ที่ใช้ตอบสนองได้ นัยสำคัญทางสถิติของ FSCPs เหล่านี้สามารถประเมินได้โดยใช้การเรียงสับเปลี่ยน คำอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีนี้จะทำได้ในวัสดุส่งเสริมการขายออนไลน์

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

ภาพ 3 มิติและหน้าอ

ภาพ 3D ประกอบด้วยพื้นผิวและพื้นผิวแผนที่ถูกใช้ 3dmdface ระบบ ( 3dmd , แอตแลนตา , GA ) ผู้เข้าร่วมถูกขอให้ปิดปากและจับใบหน้าของพวกเขาด้วยสีหน้าที่กลางภาพ ภาพถูกส่งออกจาก 3dmd ผู้ป่วยซอฟต์แวร์ในรูปแบบไฟล์ OBJ นำเข้าสแกนและทำความสะอาดโปรแกรมสำหรับการปลูกพืชและการตัดแต่งเอาผม หู และทางใจรูปหลายเหลี่ยม เสร็จงานไหลที่เกี่ยวข้องในการประมวลผลการสแกนใบหน้าจะแสดงในรูปที่ 1 ห้าตำแหน่ง จึงถูกวางไว้บนใบหน้าสร้างหยาบหน้าเป้าหมาย ต่อมา , หน้ากากร่างกาย ( 7150 กึ่งจุด ) คือไม่ rigidly แมปไปยังภาพต้นฉบับ 3D และสะท้อน [ 8 ] , [ 9 ] , [ 17 ]ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนสัญลักษณ์ของกลไกควบคุมควบคุมจากภายใน [ 18 ] , [ 32 ] การสร้างความแตกต่างและคล้ายคลึงกันหนาแน่น แลนด์มาร์ค ( q-l ) การกำหนดค่าสำหรับต้นฉบับและสะท้อนให้เห็นภาพ 3 มิติ ( 8 ) โปรดทราบว่าโดยเปรียบเทียบ เราหมายความว่าแต่ละกึ่งสถานที่ตรงตำแหน่งเดียวกันบนใบหน้าของแต่ละอื่น ๆโดยเทียบกับจุด . ต่อมาทั่วไป procrustes ศึกษาตรงกัน [ 18 ] , [ 33 ] จะใช้ในการลดความแตกต่างในตำแหน่ง ทิศทาง และขนาดของทั้งสองฉบับ และสะท้อนแบบรวมการ นี้จะสร้างพื้นที่สัมผัสของ Kendall รูปร่างพื้นที่เป็นศูนย์กลางในการรับฉันทามติโดยรวม [ 25 ] procrustes รูปร่างพิกัดแสดงรูปทรงของวัตถุ [ 34 ]ส่วนใบหน้าทั้งหมด 3 มิติ และสะท้อนของพวกเขา หลังจาก procrustes ศึกษาตรงกัน , การตั้งค่ารับฉันทามติโดยรวมสมบูรณ์สมมาตรและรูปร่างเดียว สามารถย่อยสลายไป มันไม่สมมาตรและสมมาตรส่วนข้าง [ 18 ]ค่าเฉลี่ยของเดิมและของแต่งถือเป็นองค์ประกอบสมมาตรสะท้อนในขณะที่ความแตกต่างระหว่างสองรูปแบบถือเป็นองค์ประกอบแบบอสมมาตร [ 19 ] , [ 3 ] การวิเคราะห์ในรายงานนี้มีทั้งหมดขึ้นอยู่กับรูปทรงใบหน้าแทนการใช้องค์ประกอบสมมาตรเท่านั้นแม้ว่าการเบี่ยงเบนจากสมมาตรแบบคิดว่า เป็น ผลของสัญญาณรบกวนพัฒนาการและ / หรือปัจจัยสิ่งแวดล้อม [ 36 ] มันอาจจะมีผลทางพันธุกรรมในความไม่สมดุล ซึ่งจะกดดันให้สืบสวนอิสระ

การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก ( PCA ) [ 9 ] ในเท่ากัน symmetrized กึ่งสถานที่การกำหนดค่าของแผงของพวกผู้เข้าร่วมส่งผล 44 ชิ้นด้วยกันสรุป 98% ของการเปลี่ยนแปลงในหน้าพื้นที่ เพื่อศึกษาผลของการไม่รวมชิ้นล่าง เราแรกสร้างจริงและสถานที่จาก 44 ชิ้น เท่านั้น และการเปรียบเทียบเหล่านี้กับต้นฉบับแมปใบหน้าเราพบว่ารากเฉลี่ยค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อนกำลังสอง ( RMSE ) มีขนาดเล็กเป็น 0.2 มิลลิเมตรต่อ 1 อีกด้วย ความแตกต่างระหว่างภาษาท้องถิ่นใบหน้าเดิมและใบหน้าที่แสดงโดย 44 ชิ้นแรกที่ใหญ่ที่สุดรอบม่านตา เปลือกตา ใต้จมูก และมุมและการเปิดของปากและมีมากที่สุดประมาณ 0.45 มม.ว่า พีซี หรือตัวแปรอิสระอื่น ๆใด ๆ กับใบหน้าที่สามารถแสดงแผนที่ความร้อนและรูปร่างแปลง : แผนที่ความร้อนใช้สีตัดกันเพื่อเน้นเฉพาะส่วนของใบหน้า ที่ได้รับผลกระทบ ในขณะที่การแปลงแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างในรูปร่างของใบหน้าโดยรวมกับสองคนหรือมากกว่าภาพใบหน้าที่กำหนดช่วงเวลา