LUẬN VĂN:TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG

Chia sẻ: Lan Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

137
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tái tạo mô hình khuôn mặt là việc khôi phục lại mô hình khuôn mặt từ hộp sọ của người chết hoặc từ nhiều ảnh hai chiều đầu vào. Tái tạo mô hình khuôn mặt đã và đang trở thành một vấn đề khoa học máy tính hiện đại. Vấn đề (bài toán) này được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Bài toán được áp dụng và có ý nghĩa lớn trong việc xác định danh tính của người chết từ hộp sọ của họ trong các vụ án hình sự, trong công cuộc tìm mộ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN:TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đình Tƣ TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ Thông tin HÀ NỘI - 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đình Tƣ TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ Thông tin Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS Bùi Thế Duy HÀ NỘI - 2010
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Bùi Thế Duy, thầy đã hướng dẫn em tận tình trong suốt năm học vừa qua. Em xin cảm ơn cô giáo Ma Thị Châu đã trao đổi, thảo luận và giúp đỡ em nhiều trong quá trình làm khóa luận này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin – trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN. Các thầy cô đã dạy bảo, chỉ dẫn em và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho em học tập trong suốt quá trình học đại học, đặc biệt là trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các anh, chị khóa trên và các bạn K51 trường Đại học Công nghệ đã chỉ dẫn cũng như cho những ý kiến đóng góp giá trị cho khóa luận này. Cuối cùng con xin gửi tới Bà, Bố Mẹ, Cậu Mợ, Chú Dì cùng toàn thể Gia đình lòng biết ơn và tình cảm yêu thương. Hà Nội, ngày 20/05/2010 Nguyễn Đình Tư i
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư TÓM TẮT Tái tạo mô hình khuôn mặt là việc khôi phục lại mô hình khuôn mặt từ hộp sọ của người chết hoặc từ nhiều ảnh hai chiều đầu vào. Tái tạo mô hình khuôn mặt đã và đang trở thành một vấn đề khoa học máy tính hiện đại. Vấn đề (bài toán) này được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Bài toán được áp dụng và có ý nghĩa lớn trong việc xác định danh tính của người chết từ hộp sọ của họ trong các vụ án hình sự, trong công cuộc tìm mộ liệt sĩ hay trong khảo cổ học. Bài toán còn được ứng dụng trong tương tác người máy nhằm tạo ra những nhân vật ảo có khuôn mặt giống nhân vật thật đồng thời có khả năng giao tiếp, biểu hiện cảm xúc và thái độ qua gương mặt giống như con người. Hiện nay ở Việt Nam, tái tạo mô hình khuôn mặt đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Các nhà nghiên cứu và viện pháp y quân đội đang bước đầu xây dựng một hệ thống tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ để ứng dụng vào việc xác định danh tính của các liệt sĩ vô danh. Trong khóa luận này, chúng tôi trình bày về một hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng trên khuôn mặt. Hệ thống sử dụng mô hình đa mạng hàm cơ sở bán kính, Radial Basis Function (RBF) để biến đổi một mô hình khuôn mặt nguồn ra mô hình khuôn mặt đích. Mô hình đa mạng RBF được huấn luyện bởi tập các điểm đặc trưng trên khuôn mặt nguồn và tập các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích tương ứng. Hệ thống đã được thử nghiệm trên dữ liệu được tạo từ ảnh của những khuôn mặt thật và cho kết quả có triển vọng. Bên cạnh đó chúng tôi đã xây dựng được một quy trình tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc thẩm định hệ thống và có thể phục vụ cho các nghiên cứu khác có cùng đối tượng nghiên cứu. ii
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................................................................I TÓM TẮT ............................................................................................................................................................. II MỤC LỤC ........................................................................................................................................................... III DANH SÁCH HÌNH VẼ ..................................................................................................................................... IV DANH SÁCH BẢNG............................................................................................................................................ V CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU ................................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP TÁI TẠO KHUÔN MẶT ....................................................................... 3 Giới thiệu chung về giải phẫu khuôn mặt ...............................................................................3 2.1 Xương mặt và hộp sọ ....................................................................................................................... 3 2.1.1 Giải phẫu cơ mặt .............................................................................................................................. 6 2.1.2 Các phương pháp biểu diễn mô hình khuôn mặt ....................................................................9 2.2 Tạo mô hình khuôn mặt với lớp da là lưới đa giác ........................................................................ 10 2.2.1 Tạo mô hình mặt người bằng bề mặt tham số ................................................................................ 13 2.2.2 Các phương pháp tái tạo khuôn mặt.....................................................................................15 2.3 Các phương pháp hai chiều (2D) ................................................................................................... 15 2.3.1 Phương pháp lồng sọ vào bức vẽ chân dung ........................................................................ 16 2.3.1.1 Phương pháp lồng sọ vào ảnh .............................................................................................. 16 2.3.1.2 Các phương pháp ba chiều (3D) .................................................................................................... 20 2.3.2 Các phương pháp 3D truyền thống ...................................................................................... 20 2.3.2.1 Các phương pháp 3D sử dụng công nghệ thông tin ............................................................. 25 2.3.2.2 CHƢƠNG 3 HỆ THỐNG TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN M ẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG .............. 31 Mô hình hệ thống ..................................................................................................................31 3.1 Chuẩn hóa dữ liệu.................................................................................................................34 3.2 Các phép biến đổi trong không gian ba chiều được sử dụng ......................................................... 34 3.2.1 Sử dụng các phép biến đổi để chuẩn hóa dữ liệu ........................................................................... 40 3.2.2 Biến đổi khuôn mặt ...............................................................................................................41 3.3 Mô hình khuôn mặt nguồn ............................................................................................................. 42 3.3.1 Biến đổi mô hình khuôn mặt ......................................................................................................... 42 3.3.2 Chỉnh sửa khuôn mặt ............................................................................................................44 3.4 Chỉnh sửa theo điểm ...................................................................................................................... 44 3.4.1 Chỉnh sửa theo vùng ...................................................................................................................... 45 3.4.2 Thiết kế hệ thống ...................................................................................................................49 3.5 CHƢƠNG 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................................................................. 54 Các bước tiến hành thực nghiệm ..........................................................................................54 4.1 Kết quả và đánh giá ..............................................................................................................55 4.2 CHƢƠNG 5 TỔNG KẾT .................................................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................... 63 iii
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. Chỉ số sọ của một số dân tộc khác nhau...................................................................... 19 Bảng 2. Các thông số độ dày mô mềm (mm) cho người Mỹ da đen ........................................ 24 Bảng 3. Bảng đánh giá độ chính xác của các vùng trên khuôn mặt tái tạo được ..................... 60 v
Chương 1. Giới thiệu Nguyễn Đình Tư Chƣơng 1 GIỚI THIỆU Tái tạo mô hình khuôn mặt (nói chính xác hơn là tái tạo hình dạng khuôn mặt) từ hộp sọ hoặc từ nhiều ảnh hai chiều là một bài toán được ứng dụng và có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Một số lĩnh vực áp dụng tiêu biểu của bài toán có thể kể đến như khảo cổ học, nhân chủng học và giám định pháp y. Trong khảo cổ học, nhân chủng học, nhiều khi ta cần tái tạo khuôn mặt của người xưa dựa vào các hộp sọ khai quật được. Trong giám định pháp y, ở các vụ án hình sự nghiêm trọng mà vật chứng có thể chỉ là sọ của nạn nhân, việc tái tạo lại được khuôn mặt của nạn nhân từ sọ giúp tìm ra danh tính của nạn nhân nhanh chóng hơn và từ đó đề ra cơ sở, phương hướng cho việc điều tra. Ngoài ra bài toán còn có thể được áp dụng trong công cuộc tìm danh tính của các liệt sĩ vô danh dựa vào hài cốt của họ. Đây là ý nghĩa nhân văn cao cả mà bài toán có thể đem lại. Việc xây dựng được hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt như vậy sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được nhiều chi phí và công sức hơn so với các hệ thống giám định gen. Tái tạo mô hình khuôn mặt được nghiên cứu từ cuối thế kỉ 19, mở đầu bằng nghiên cứu về mối quan hệ giữa xương và độ dày của các mô mềm trên khuôn mặt của Paul Broca [12] vào năm 1867. Tuy nhiên công trình hoàn thiện đầu tiên và chính thức được ghi nhận thuộc về nhà khoa học Nga, Gerasimov [33]. Mùa xuân năm 1950, Gerasimov đã đắp hoàn chỉnh tượng đầu dựa vào xác của một người đàn ông đã phân rã gần hết. Quá trình nghiên cứu và đắp tượng giúp Gerasimov chuẩn đoán đó là xác của một thanh niên khoảng 24-25 tuổi. Ảnh của tượng do ông đắp đã được gửi đi khắp nơi để tìm tung tích của người chết. Ít lâu sau một bà mẹ đã nhận ra đó là con mình, sinh năm 1925 và mất tích từ năm 1949. Sau việc này, phương pháp của Gerasimov được thừa nhận là một biện pháp kĩ thuật hình sự hiệu quả và đáng tin cậy. Nhà nhân chủng học, dân tộc học kiêm họa sĩ này được coi là cha đẻ của ngành khoa học về tái tạo khuôn mặt. Ngày nay với sự phát triển của ngành giải phẫu học cùng sự trợ giúp đắc lực của máy tính, việc tái tạo khuôn mặt được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả hơn. Khoa học máy tính hiện đại thừa nhận tái tạo khuôn mặt là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn và đầy triển vọng bởi tính ứng dụng thực tiễn cao của bài toán. Nhiều hệ thống tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ đã được phát triển như hệ thống do Björn Anderson và Martin 1
Chương 1. Giới thiệu Nguyễn Đình Tư Valfridson phát triển năm 2005 [6]; hệ thống của Kolja Kahler và Jörg Haber xây dựng vào năm 2003 [19]; phần mềm FACES của nhóm tác giả thuộc Đại học Salerno, Italy, năm 2004; hệ thống của nhà khoa học GosNIIAS, năm 2001. Ở Việt Nam cũng có một số tác giả đã nghiên cứu đặc điểm của hình thái sọ mặt người Việt Nam như GS Đỗ Xuân Hợp (Học viện Quân y), TS Lê Hữu Hưng (Trường Đại học Y khoa Hà Nội), GS Nguyễn Lân Cường (Viện khảo cổ Việt Nam), … Năm 2007, Viện Pháp y Quân đội đã phối hợp với Viện Công nghệ thông tin tổ chức hội thảo “Ứng dụng công nghệ thông tin trong khôi phục diện mạo khuôn mặt người dựa trên hình thái xương sọ mặt” để bước đầu có những tiếp cận với bài toán này cho người Việt [2]. Tuy nhiên tái tạo mô hình khuôn mặt dựa trên sự hỗ trợ của công nghệ thông tin thì chưa có nghiên cứu trong nước nào thực hiện. Do chưa được trang bị phương tiện kĩ thuật đầy đủ, chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc mô hình khuôn mặt bao gồm đầy đủ mối liên hệ giữa phần cứng và phần mềm của khuôn mặt từ các thông số về hộp sọ. Trên cơ sở đó chúng tôi quyết định nghiên cứu và phát triển một hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng. Hệ thống sử dụng một mô hình khuôn mặt nguồn và các điểm đặc trưng nguồn trên khuôn mặt đó. Hệ thống sử dụng mô hình đa mạng RBF để biến đổi mô hình khuôn mặt nguồn này thành mô hình khuôn mặt đích. Mô hình đa mạng RBF này được huấn luyện bằng tập điểm đặc trưng nguồn và đích. Phần còn lại của khóa luận bao gồm 4 chương. Chương 2: trình bày tổng quan về các phương pháp tái tạo khuôn mặt và các kiến thức liên quan, như giải phẫu khuôn mặt. Chương 3: mô tả chi tiết về hệ thống tái tạo và chỉnh sửa mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng mà chúng tôi phát triển. Chương 4: trình bày về phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu thử nghiệm. Chương 5: tổng kết những kết quả đã đạt được và hướng phát triển tiếp theo. 2
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư Chƣơng 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP TÁI TẠO KHUÔN MẶT Bài toán tái tạo khuôn mặt là một bài toán phức tạp, yêu cầu kiến thức của nhiều ngành liên quan như giải phẫu học, toán học và khoa học máy tính. Khuôn mặt con người có muôn hình vạn trạng, một hộp sọ có thể khớp với nhiều khuôn mặt khác nhau. Bên cạnh đó, việc thay đổi một chi tiết nhỏ, ví dụ thay đổi một chút về vị trí của một điểm đặc trưng, cũng có thể làm cho khuôn mặt dựng lại được khác đi nhiều. Ở khía cạnh toán học, đây là một bài toán ngược, có thể có nhiều lời giải. Tuy nhiên, chính sự phức tạp và tính ứng dụng thực tiễn cao của bài toán đã không ngừng thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu. Trong thực tế đã có nhiều phương pháp giải quyết từ nhiều góc độ nghề nghiệp khác nhau và cũng đã có những kết quả khả quan được ghi nhận. Trong chương này, chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết về giải phẫu khuôn mặt, các phương pháp biểu diễn mô hình khuôn mặt, sau đó chúng tôi trình bày các phương pháp tái tạo khuôn mặt dựa trên những nền tảng lý thuyết đó. 2.1 Giới thiệu chung về giải phẫu khuôn mặt 2.1.1 Xƣơng mặt và hộp sọ Hộp sọ mang nhiều tính chất và đặc điểm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của việc tái tạo khuôn mặt. Ta cần nắm được đặc điểm và tính chất của hộp sọ để có thể tái tạo khuôn mặt một cách chuẩn xác hơn. Xương sọ mặt là xương có tầm quan trọng nhất trong việc cung cấp các thông tin về tuổi, giới tính, chủng tộc, và làm nền tảng quan trọng để xác định khuôn mặt. Sau đây là một số đặc điểm tổng quát về hộp sọ và xương mặt từ các nghiên cứu của Nguyễn Trọng Toàn [3][4].  Kích thước chính của hộp sọ được đặc trưng bởi: chiều cao, chiều rộng và chiều sâu.  8 đặc điểm chính của hộp sọ được mô tả theo chuẩn Quốc tế bao gồm:  Hình dáng sọ gồm 5 dạng: Hình xoan, hình trứng, hình năm góc, hình tròn và hình tròn thót 3
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư  Cung mày có 3 mức độ: mờ, trung bình và rõ  Glabella: 6 mức độ lồi.  Hố trước mũi.  Rãnh trước mũi: 4 mức độ.  Đường khớp metopique có 2 mức độ: có hoặc không.  Gai mũi trước: 5 mức độ  Lồi ụ chẩm: 6 mức độ dô của ụ chẩm.  Khoảng cách giữa hai xương gò má là thông số chính để xác định mặt người trên phương diện hình học: hình e-lip, hình vuông, hình tròn…  Mặt người bao gồm ba phần: phần trên – từ trán đến lông mày, phần giữa – từ lông mày đến lỗ mũi, và phần dưới – từ lỗ mũi đến cằm. Hình 1. Cấu trúc xương đầu người  Xương đầu người chia ra 9 xương: xương đỉnh, xương trán, xương mũi, xương bướm, xương hàm trên, xương gò má, xương thái dương, xương chẫm và xương hàm dưới như trên Hình 1. Các xương tiếp khớp với nhau bởi các khớp bất động (trừ khớp thái dương với khớp hàm dưới) để tạo nên hộp sọ chứa não và liên hệ với vòm miệng, mũi, mắt, tai. 4
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư  Nền: do xương gò má (mặt ngoài), xương hàm trên (mặt sau) và quai hàm tạo thành. Ở nền có: hố thái dương, khuyết Zigma với mỏm vẹt ở trước, lồi cầu ở sau, mỏm tiếp.  Mặt:  Mặt trước: Giới hạn trên là đường ngang nối liền hai đường khớp trán gò má; ở dưới là bờ dưới thân xương hàm. Mặt trước có: o Phần giữa: - Đường khớp mũi trán, đường khớp hai xương sống mũi - Lỗ trước của hố mũi - Cằm o Phần bên: - Xương sống mũi (mặt ngoài) - Mỏm lên của xương hàm trên - Lỗ dưới ổ mắt - Hố và ụ nanh - Mặt ngoài xương hàm.  Mặt trên: liên quan với nền sọ. o Phần giữa: là đường khớp của xương lá mía với mảnh thẳng xương sàng và mào bướm dưới. o Phần bên: là vòm mũi ở trong và nền ổ mắt ở ngoài.  Mặt sau: là một hõm sâu, xung quanh là bờ dưới của xương hàm dưới. o Phần giữa: - Bờ sau xương lá mía. - Gai mũi sau - Đường khớp giữa hai xương khẩu cái - Lỗ khẩu cái trước - Mặt sau cằm o Phần bên: - Lỗ mũi sau - Vòm khẩu cái - Mặt sau xương hàm dưới  Về dung tích, sọ của người trung bình là 1450ml (nam) và 1300ml (nữ).  Về kích thước:  Chỉ số đầu, còn gọi là chỉ số sọ là tỷ lệ giữa chiều rộng tối đa (từ 10-17cm) và 5
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư chiều dọc tối đa (từ 14-22cm) nên ta phân sọ ra làm 3 loại: o Sọ dài: Khi chỉ số sọ dưới 0.76. o Sọ tròn: Khi chỉ số sọ từ 0.76-0.81. o Sọ ngắn: Khi chỉ số sọ trên 0.81.  Chỉ số cao: Là tỷ lệ giữa chiều cao (đo từ điểm Bregma nơi mà xương trán tiếp xúc với hai xương đỉnh, tới điểm Basion ở bờ trước lỗ chấm) và chiều dọc tối đa. Ta phân chia sọ ra làm 3 loại: o Sọ bẹt: Khi chỉ số cao trên 0.719. o Sọ vừa: Khi chỉ số cao từ 0.72 đến 0.749. o Sọ cao: Khi chỉ số cao trên 0.75.  Chỉ số mặt: Là tỷ lệ giữa chiều cao tối đa và chiều ngang tối đa: o Mặt ngắn: Khi chỉ số mặt từ 0.45-0.50. o Mặt tròn: Khi chỉ số mặt từ 0.50-0.55. o Mặt dài: Khi chỉ số mặt trên 0.55.  Góc mặt: Là góc giữa bình diện ngang (đường đi từ lỗ tai ngoài tới gai mũi) và bình diện thẳng (đường tiếp giáp ở trên với ụ trán giữa và ở dưới với răng cửa giữa ở hàm trên). Mặt thẳng khi chỉ số trên 0.80 và mặt nhô, hàm vẩu khi chỉ số dưới 0.70. 2.1.2 Giải phẫu cơ mặt Các biểu hiện trên khuôn mặt được tạo ra bởi sự co rút các cơ mặt. Cơ mặt gắn trực tiếp hoặc gián tiếp vào xương hoặc da mặt. Độ dài của cơ có thể giảm xuống còn một nửa giữa co rút cực đại và giãn ra cực đại. Các cơ được phân biệt với nhau bởi các đặc trưng: các điểm gắn vào xương, hướng co rút, cấu trúc, kích cỡ và dạng hình học. Hình dạng cơ được quyết định bởi chức năng của chúng. Chức năng của cơ phụ thuộc vào độ dài, tốc độ, và vùng ảnh hưởng trên bề mặt da. Khi các cơ co rút, một vùng mặt biến dạng. Có hai loại co rút cơ: Co cơ đẳng cự và co cơ không đẳng cự. Trong co cơ đẳng cự, độ dài của cơ không thay đổi khi co rút. Ngược lại, trong co cơ không đẳng cự, độ dài của cơ thay đổi khi co rút. Điểm gốc của cơ được gắn vào xương và điểm cuối của cơ được gắn vào mô. Các cơ mặt được phân chia thành năm nhóm dựa trên vị trí và chức năng: Cơ trán, cơ thái dương, cơ vòng miệng, cơ cắn và cơ mút như trong Hình 2. 6
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư Hình 2. Các nhóm cơ mặt 7
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư Hình 3. Các loại cơ mặt Hình 3 cho ta phân loại các cơ trên khuôn mặt, và dưới đây là mô tả cụ thể hơn cho các cơ được minh họa trong hình trên [4]:  Cơ trán: Gồm có cơ chẩm dính ở phía sau vào đường cong chẩm trên và cơ trán dính ở phía trước vào da cung mày và cân sọ (ở dưới da, dưới cân sọ là xương sọ) nối liền hai cơ đó vào nhau.  Cơ vòng mắt: là cơ vòng quanh khe ổ mắt.  Cơ cau mày: là một cơ nhỏ đi từ đầu trong cung mày ra phía ngoài, tới da ở giữa cung mày.  Cơ mũi: gồm các loại cơ:  Cơ tháp: Bám từ ống mũi tới da ở giữa hai cung mày.  Cơ ngang mũi: Đi từ giữa ống mũi tới da ở rãnh mũi má. 8
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư  Cơ nở mũi: Đi từ rãnh mũi má tới da ở cánh mũi.  Cơ lá: Là một cơ dẹt hình 4 cạnh, đi từ hố lá và ụ nanh, đi lên trên tới lỗ mũi và lá mía, tiếp tục với các thớ cơ ngang mũi.  Cơ môi gồm hai loại: Có cơ há miệng và cơ mím miệng:  Cơ mím miệng, còn gọi là cơ vòng môi, gồm có cơ vòng trong và cơ vòng ngoài.  Cơ há miệng bao gồm: o Cơ mút: Ở mặt sâu của má, đi từ bờ xương chân răng của hàm trên và hàm dưới và dây chằng chân hàm tới mép. o Cơ nanh: Đi từ hố nanh ở hàm trên tới mép và môi trên. o Cơ tiếp lớn: Đi từ xương gò má tới mép. o Cơ tiếp nhỏ: Ở phía trong cơ tiếp lớn, đi từ gò má tới môi trên. o Cơ nông kéo cánh mũi và môi trên: Đi từ mỏm lên của xương hàm trên tới da của cánh mũi và của môi trên. o Cơ kéo môi sâu: Đi từ bờ dưới ổ mắt tới cánh mũi và môi trên o Cơ cười: Đi từ cân cắn ở má tới mép. o Cơ vuông cằm: Đi từ hàm dưới và cằm, lên trên và vào trong để tới môi dưới. o Cơ chòm râu: Đi từ bờ của chân răng cửa tới da ở cằm. o Cơ tam giác môi: Đi từ xương hàm dưới tới mép.  Cơ tai gồm 3 cơ: cơ tai trước, cơ tai trên và cơ tai sau. Ba cơ này bám xung quanh vành tai.  Cơ cổ: Là một thảm cơ rộng, hình 4 cạnh, đi từ da ở hàm dưới tới da ở cùng cổ và ngực trên.  Cơ thái dương: Là một cơ rộng hình quạt đi từ hố thái dương tới mỏm vẹt xương hàm dưới.  Cơ cắn: Là một cơ ngắn, dày, đi từ mỏm tiếp tới mặt ngoài xương hàm dưới. 2.2 Các phƣơng pháp biểu diễn mô hình khuôn mặt Khuôn mặt của con ngnười rất đặc biệt. Đó là bộ phận cơ thể quan trọng để giúp nhận diện một người bằng mắt thường. Trong hàng trăm khuôn mặt quen thuộc, chúng ta vẫn có thể nhận ra một khuôn mặt cụ thể. Khuôn mặt là một bề mặt ba chiều linh hoạt và phức tạp. Khuôn mặt thường mang một số nếp nhăn cố định, còn những chỗ 9
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư phình và nếp nhăn tạm thời được tạo ra trong quá trình biểu đạt của khuôn mặt. Những đặc điểm này tạo nên thách thức đặc thù cho bài toán biểu diễn mô hình khuôn mặt: làm sao để tạo được bề mặt biểu diễn khuôn mặt một cách sắc nét và chân thực nhất. 2.2.1 Tạo mô hình khuôn mặt với lớp da là lƣới đa giác Gouraud (1971) [16] là người đầu tiên giới thiệu phương pháp giác biểu diễn mô hình mặt người sử dụng một bề mặt lưới đa giác. Phương pháp này sử dụng lưới đa giác để mô phỏng trực tiếp bề mặt khuôn mặt. Sau đó, khuôn mặt đầy đủ được tạo ra bằng cách dịch chuyển các điểm trên đỉnh của các đa giác ở bề mặt. Lưới đa giác ban đầu được xây dựng bằng cách lấy mẫu một số điểm trên mặt rồi kết nối chúng lại với nhau. Sử dụng phương pháp này, Parker (1972) [26] đã tạo ra mô hình khuôn mặt. Đó là một trong những công trình đầu tiên trong lĩnh vực nghiên cứu hoạt ảnh khuôn mặt của con người. Ông dựng mô hình mặt người với khoảng 250 đa giác được ghép nối từ 400 đỉnh. Khuôn mặt con người hầu như đối xứng nên mô hình một bên mặt được dựng bằng tay, bên còn lại được tạo nên nhờ phép đối xứng qua trục thẳng đứng dọc sống mũi. Tốc độ và chất lượng là hai cống hiến lớn của Parker với nghiên cứu này. Số lượng các đa giác sử dụng đã được giảm xuống tối đa để rút ngắn thời gian nhưng vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh được dựng. Các vùng có độ cong lớn như mũi, miệng, vùng xung quanh mắt và vùng cằm được dựng lên bởi nhiều đa giác hơn các vùng có độ cong nhỏ như trán, má và cổ. Tại những vùng mặt có các nếp nhăn như mặt, cánh mũi, viền môi và khóe miệng, các đa giác được sắp đặt sao cho các cạnh trùng khớp với các nếp nhăn. Tại những vùng có các đường biên màu như lông mày và môi, các đa giác được sắp xếp sao cho cạnh của chúng trùng vào các đường biên đó. Kết quả, khuôn mặt dựng lên có độ bóng, mượt và sinh động. Ngoài ra còn nhiều hệ thống, phương pháp sử dụng lưới đa giác để mô phỏng lớp da của khuôn mặt như: phương pháp dựng mô hình mặt người CANDIDE (Rydfalk, 1987) [31] và phương pháp dựng mô hình Greta (Pasquariello và Pelachaud, 2001) [17]. Lúc đầu, CANDIDE là một mặt nạ được tham số hóa do Rydfalk [31] của Linkoping Image Coding Group thực hiện. Nhóm đã phát triển nghiên cứu này cho việc lập trình dựng mô hình mặt người. Phương pháp này sử dụng 75 đỉnh và 100 tam giác nên mang đến hiệu quả dựng mô hình nhanh chóng với máy tính thông thường với dung lượng và tốc độ xử lý thấp. Có một vài phiên bản nâng cấp của CANDIDE như: Phiên bản CANDIDE-2 và CANDIDE-3. Trong CANDIDE-2, Welsh (1991) [34] 10
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư đã thêm các đỉnh vào để phủ kín toàn bộ phần mặt phía trước (gồm cả tóc, răng) và vai. Phiên bản CANDIDE-3 được J.Ahlberg (2001) [7] đơn giản hóa hoạt ảnh bằng các tham số hoạt ảnh mặt MPEG-4, khoảng 20 đỉnh đã được thêm vào. Hình 4 thể hiện các phiên bản khác nhau của CANDIDE, cho thấy sự khác biệt về số lượng đỉnh và tam giác, đặc biệt là ở các vùng nhỏ. CANDIDE-1 CANDIDE-2 CANDIDE-3 Hình 4. Các phiên bản khác nhau của CANDIDE Mô hình Greta [17] là mô hình với sự cố gắng lớn nhằm nâng cao chất lượng hiển thị các chi tiết phức tạp của khuôn mặt. Greta bao gồm khoảng 15000 đa giác. Mục đích của Greta là biểu hiện xúc cảm trên khuôn mặt trong quá trình giao tiếp và trao đổi thông tin. Greta tập trung đưa ra hình ảnh chi tiết của những vùng quan trọng nhất như trán, mắt, miệng và nhân trung. Ở phương pháp này, các vùng quan trọng hơn được xếp nhiều đa giác hơn. Hơn nữa, phần trán và nhân trung được chú ý đặc biệt. Trong lúc lông mày nhướn lên, các nếp nhăn nằm ngang được tạo ra do sự tổ chức các đa giác ở vùng trán sang một mạng lưới ngang thông thường dựa trên kĩ thuật tạo bề mặt sần (Bump mapping techniques, Moubaraki et al., 1995) [24]. Để có được một rãnh lõm phẳng trong quá trình cười, các đa giác ở vùng nhân trung được tổ chức sao cho có thể phân biệt riêng rẽ giữa phần da căng ra ở gần miệng và phần da ở dưới cằm. 11
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư Hình 5 cho chúng ta thấy độ mịn vượt trội của mô hình Greta (hình bên trái là mặt trước, bên phải là mặt bên). Hình 5. Mô hình Greta Ở dưới lớp da đa giác vừa dựng, ta cần dựng mô hình các cơ bằng cách thêm vào các lớp như lớp mỡ dưới da, lớp cơ và hộp sọ (Kahler et al., 2001 [18]; Lee et al., 1995 [21]; Terzopoulos và Waters, 1990 [32]). Để dựng mô hình của một khuôn mặt cụ thể, có ba phương pháp chính đã được giới thiệu. Phương pháp đầu tiên là sử dụng công cụ dựng hình 3D như 3DS MAX và AutoCAD để dựng mô hình bằng tay. Phương pháp này tốn rất nhiều thời gian và đòi hỏi sự kiên trì. Phương pháp thứ hai là phương pháp quang trắc (photogrammetric measurement), cụ thể là đo ảnh, dựng mô hình mặt người từ các hướng nhìn khác nhau. Phương pháp này vẫn yêu cầu xác định bằng tay các điểm trên tấm hình để tìm mối quan hệ giữa tấm hình và mô hình 3D. Phương pháp thứ ba là sử dụng máy quét laser để có dữ liệu từ ảnh thật, sau đó sử dụng các hình ảnh này để dựng kết cấu cho mô hình đầu người. Lợi thế của phương pháp này khả năng đưa ra hình 3D và màu sắc các điểm rất chi tiết. Các dữ liệu này có thể được tổng hợp để tạo nên một mô hình mặt người tĩnh rất giống với mặt thật. Các phương pháp tạo mô hình khuôn mặt trình bày ở trên đã sử dụng phép xấp xỉ để dựng bề mặt khuôn mặt bằng lưới đa giác. Các phương pháp này có một vài lợi thế. Thứ nhất, các tính toán với bề mặt lưới đa giác như (i) xác định một phần hay toàn bộ 12