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

3,134
262
72
ĐẠI HC QUC GIA HÀ NI
TRƢỜNG ĐẠI HC CÔNG NGH
Nguyễn Đình Tƣ
TÁI TO MÔ HÌNH KHUÔN MT
T CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG
KHOÁ LUN TT NGHIỆP ĐẠI HC H CHÍNH QUY
Ngành: Công ngh Thông tin
HÀ NI - 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 HÀ NỘI - 2010
ĐẠI HC QUC GIA HÀ NI
TRƢỜNG ĐẠI HC CÔNG NGH
Nguyễn Đình Tƣ
TÁI TO MÔ HÌNH KHUÔN MT
T CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG
KHOÁ LUN TT NGHIỆP ĐẠI HC H CHÍNH QUY
Ngành: Công ngh Thông tin
Cán b ng dn: PGS.TS Bùi Thế Duy
HÀ NI - 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 to mô hình khuôn mt t các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư
i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày t lòng biết ơn sâu sắc ti thy giáo Bùi Thế Duy, thy
đã hướng dn em tn tình trong suốt năm học va qua. Em xin cm ơn cô giáo Ma Th
Châu đã trao đổi, tho lun và giúp đỡ em nhiu trong quá trình làm khóa lun này.
Em xin bày t lòng biết ơn tới các thy, cô giáo trong Khoa Công ngh thông tin
trường Đại hc Công ngh - ĐHQGHN. Các thầy cô đã dạy bo, ch dn em và luôn
tạo điều kin tt nht cho em hc tp trong sut quá trình học đại học, đặc bit là trong
thi gian làm khóa lun tt nghip.
Tôi xin cảm ơn các anh, chị khóa trên và các bạn K51 trường Đại hc Công ngh
đã chỉ dẫn cũng như cho những ý kiến đóng góp giá tr cho khóa lun này.
Cui cùng con xin gi ti Bà, B M, Cu M, Chú cùng toàn th Gia đình
lòng biết ơn và tình cảm yêu thương.
Hà Ni, ngày 20/05/2010
Nguyễn Đình Tư
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư i 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
Tái to mô hình khuôn mt t các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư
ii
TÓM TẮT
Tái to mô hình khuôn mt vic khôi phc li hình khuôn mt t hp s
của người chết hoc t nhiu nh hai chiu đầu vào. Tái to mô hình khuôn mt đã
đang trở thành mt vấn đề khoa hc máy tính hiện đại. Vấn đề (bài toán) này được áp
dng rng rãi trong nhiu ng dng thc tiễn. Bài toán được áp dụng và có ý nghĩa lớn
trong việc xác định danh tính của người chết t hp s ca h trong các v án hình s,
trong công cuc tìm m liệt hay trong khảo c học. Bài toán còn được ng dng
trong tương tác người máy nhm to ra nhng nhân vt o có khuôn mt ging nhân
vt thật đồng thi có kh năng giao tiếp, biu hin cảm xúc và thái độ qua gương mặt
giống như con người.
Hin nay Vit Nam, tái to mô hình khuôn mặt đang thu hút được s quan tâm
đặc bit. Các nhà nghiên cu và viện pháp y quân đội đang bước đầu xây dng mt h
thng tái to khuôn mt t hp s để ng dng vào việc xác định danh tính ca các lit
sĩ vô danh.
Trong khóa lun này, chúng tôi trình bày v mt h thng tái to mô hình khuôn
mt t các điểm đặc trưng trên khuôn mt. H thng s dụng mô hình đa mạng hàm cơ
s bán kính, Radial Basis Function (RBF) để biến đổi mt mô hình khuôn mt ngun
ra mô hình khuôn mặt đích. Mô hình đa mạng RBF đưc hun luyn bi tập các điểm
đặc trưng trên khuôn mặt ngun và tp các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích tương
ng. H thống đã được th nghim trên d liệu được to t nh ca nhng khuôn mt
tht và cho kết qu trin vng. Bên cạnh đó chúng tôi đã xây dựng đưc mt quy
trình tạo cơ sở d liu phc v cho vic thẩm định h thng và có th phc v cho các
nghiên cứu khác có cùng đối tưng nghiên cu.
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư ii 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.
Tái to mô hình khuôn mt t các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư
iii
MỤC LỤC
LI CẢM ƠN ......................................................................................................................................................... I
TÓM TT ............................................................................................................................................................. II
MC LC ........................................................................................................................................................... III
DANH SÁCH HÌNH V ..................................................................................................................................... IV
DANH SÁCH BNG ............................................................................................................................................ V
CHƢƠNG 1 GIỚI THIU ................................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP TÁI TO KHUÔN MT ....................................................................... 3
2.1 Gii thiu chung v gii phu khuôn mt ...............................................................................3
2.1.1 Xương mặt và hp s ....................................................................................................................... 3
2.1.2 Gii phẫu cơ mặt .............................................................................................................................. 6
2.2 Các phương pháp biểu din mô hình khuôn mt ....................................................................9
2.2.1 To mô hình khuôn mt vi lớp da là lưới đa giác ........................................................................ 10
2.2.2 To mô hình mặt người bng b mt tham s ................................................................................ 13
2.3 Các phương pháp tái tạo khuôn mt .....................................................................................15
2.3.1 Các phương pháp hai chiều (2D) ................................................................................................... 15
2.3.1.1 Phương pháp lồng s vào bc v chân dung ........................................................................ 16
2.3.1.2 Phương pháp lồng s vào nh .............................................................................................. 16
2.3.2 Các phương pháp ba chiều (3D) .................................................................................................... 20
2.3.2.1 Các phương pháp 3D truyền thng ...................................................................................... 20
2.3.2.2 Các phương pháp 3D sử dng công ngh thông tin ............................................................. 25
CHƢƠNG 3 H THNG TÁI TO MÔ HÌNH KHUÔN MT T CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG .............. 31
3.1 Mô hình h thng ..................................................................................................................31
3.2 Chun hóa d liu .................................................................................................................34
3.2.1 Các phép biến đổi trong không gian ba chiều được s dng ......................................................... 34
3.2.2 S dng các phép biến đổi để chun hóa d liu ........................................................................... 40
3.3 Biến đổi khuôn mt ...............................................................................................................41
3.3.1 Mô hình khuôn mt ngun ............................................................................................................. 42
3.3.2 Biến đổi mô hình khuôn mt ......................................................................................................... 42
3.4 Chnh sa khuôn mt ............................................................................................................44
3.4.1 Chnh sửa theo điểm ...................................................................................................................... 44
3.4.2 Chnh sa theo vùng ...................................................................................................................... 45
3.5 Thiết kế h thng ...................................................................................................................49
CHƢƠNG 4 THC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................................................................. 54
4.1 Các bước tiến hành thc nghim ..........................................................................................54
4.2 Kết qu và đánh giá ..............................................................................................................55
CHƢƠNG 5 TỔNG KT .................................................................................................................................... 62
TÀI LIU THAM KHO ................................................................................................................................... 63
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư iii 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 2.1 Giới thiệu chung về giải phẫu khuôn mặt ...............................................................................3 2.1.1 Xương mặt và hộp sọ ....................................................................................................................... 3 2.1.2 Giải phẫu cơ mặt .............................................................................................................................. 6 2.2 Các phương pháp biểu diễn mô hình khuôn mặt ....................................................................9 2.2.1 Tạo mô hình khuôn mặt với lớp da là lưới đa giác ........................................................................ 10 2.2.2 Tạo mô hình mặt người bằng bề mặt tham số ................................................................................ 13 2.3 Các phương pháp tái tạo khuôn mặt .....................................................................................15 2.3.1 Các phương pháp hai chiều (2D) ................................................................................................... 15 2.3.1.1 Phương pháp lồng sọ vào bức vẽ chân dung ........................................................................ 16 2.3.1.2 Phương pháp lồng sọ vào ảnh .............................................................................................. 16 2.3.2 Các phương pháp ba chiều (3D) .................................................................................................... 20 2.3.2.1 Các phương pháp 3D truyền thống ...................................................................................... 20 2.3.2.2 Các phương pháp 3D sử dụng công nghệ thông tin ............................................................. 25 CHƢƠNG 3 HỆ THỐNG TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG .............. 31 3.1 Mô hình hệ thống ..................................................................................................................31 3.2 Chuẩn hóa dữ liệu .................................................................................................................34 3.2.1 Các phép biến đổi trong không gian ba chiều được sử dụng ......................................................... 34 3.2.2 Sử dụng các phép biến đổi để chuẩn hóa dữ liệu ........................................................................... 40 3.3 Biến đổi khuôn mặt ...............................................................................................................41 3.3.1 Mô hình khuôn mặt nguồn ............................................................................................................. 42 3.3.2 Biến đổi mô hình khuôn mặt ......................................................................................................... 42 3.4 Chỉnh sửa khuôn mặt ............................................................................................................44 3.4.1 Chỉnh sửa theo điểm ...................................................................................................................... 44 3.4.2 Chỉnh sửa theo vùng ...................................................................................................................... 45 3.5 Thiết kế hệ thống ...................................................................................................................49 CHƢƠNG 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................................................................. 54 4.1 Các bước tiến hành thực nghiệm ..........................................................................................54 4.2 Kết quả và đánh giá ..............................................................................................................55 CHƢƠNG 5 TỔNG KẾT .................................................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................................... 63
Tái to mô hình khuôn mt t các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư
iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc xương đầu người ............................................................................................. 4
Hình 2. Các nhóm cơ mặt ........................................................................................................... 7
Hình 3. Các loại cơ mặt .............................................................................................................. 8
Hình 4. Các phiên bn khác nhau ca CANDIDE ................................................................... 11
Hình 5. Mô hình Greta .............................................................................................................. 12
Hình 6. Mt b mt B-Spline ................................................................................................... 14
Hình 7. Lng s vào bc v chân dung .................................................................................... 16
Hình 8. nh na mt và na s ................................................................................................ 16
Hình 9. Lng s vào nh trên h thống gương bán mạ ti viện Pháp y Quân Đội ................... 17
Hình 10. Tái to mt dựa trên xương sọ mt ca nn nhân ...................................................... 23
Hình 11. Mô hình khuôn mt vi việc đắp đất sét lên hp s, s dng ................................... 25
Hình 12. Quá trình tái to khuôn mt t hp s ....................................................................... 27
Hình 13. nh chụp đầu của xác ướp Florence (inv. N. 8643) (a) và nh chp ct lp xon c
(b) ............................................................................................................................................. 28
Hình 14. Dng li khuôn mt ca Pharaoh Tutankhamun. ...................................................... 29
Hình 15. Mô hình h thng tái to mô hình khuôn mt t các điểm đặc trưng ........................ 33
Hình 16. Phép quay chiều dương, trục quay Ox, hướng nhìn là hướng âm trc Ox ................ 35
Hình 17. Phép quay quanh mt trc bt kì ............................................................................... 37
Hình 18. Quay vec- v trc Oz .......................................................................................... 38
Hình 19. Cách tính góc α .......................................................................................................... 39
Hình 20. Chọn 4 điểm mốc để chun hóa d liu qua các phép biến đổi 3D ........................... 40
Hình 21. Mô-đun chỉnh sa khuôn mt theo từng điểm đặc trưng ........................................... 44
Hình 22. Mô-đun chỉnh sa khuôn mt theo vùng ................................................................... 45
Hình 23. Chnh sa mt to nh ................................................................................................. 46
Hình 24. Chnh sửa mũi dài ngắn ............................................................................................. 46
Hình 25. Chỉnh độ rộng cánh mũi ............................................................................................ 47
Hình 26. Chnh sa ming nh, rng ........................................................................................ 47
Hình 27. Chnh sa cm dài, ngn............................................................................................ 48
Hình 28. Chnh sa tai to, nh .................................................................................................. 48
Hình 29. Biểu đồ UML th hin thết kế phần điều khin, hin th khuôn mt ......................... 49
Hình 30. Biểu đồ UML th hin thiết kế phần điều khin các thao tác biến đổi mô hình khuôn
mt ............................................................................................................................................ 51
Hình 31. Giao din ca h thng tái to và chnh sa mô hình khuôn mt .............................. 53
Hình 32. Các điểm đặc trưng được chọn để th nghim .......................................................... 55
Hình 33. Kết qu tái to khuôn mt của người th nht ........................................................... 56
Hình 34. Điều chỉnh cánh mũi hẹp hơn .................................................................................... 57
Hình 35. Điều chnh ming nh hơn ........................................................................................ 57
Hình 36. Kết qu tái to khuôn mt của người th hai ............................................................. 58
Hình 37. Điều chnh cho mt nh ............................................................................................. 59
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1. Cấu trúc xương đầu người ............................................................................................. 4 Hình 2. Các nhóm cơ mặt ........................................................................................................... 7 Hình 3. Các loại cơ mặt .............................................................................................................. 8 Hình 4. Các phiên bản khác nhau của CANDIDE ................................................................... 11 Hình 5. Mô hình Greta .............................................................................................................. 12 Hình 6. Một bề mặt B-Spline ................................................................................................... 14 Hình 7. Lồng sọ vào bức vẽ chân dung .................................................................................... 16 Hình 8. Ảnh nửa mặt và nửa sọ ................................................................................................ 16 Hình 9. Lồng sọ vào ảnh trên hệ thống gương bán mạ tại viện Pháp y Quân Đội ................... 17 Hình 10. Tái tạo mặt dựa trên xương sọ mặt của nạn nhân ...................................................... 23 Hình 11. Mô hình khuôn mặt với việc đắp đất sét lên hộp sọ, sử dụng ................................... 25 Hình 12. Quá trình tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ ....................................................................... 27 Hình 13. Ảnh chụp đầu của xác ướp ở Florence (inv. N. 8643) (a) và ảnh chụp cắt lớp xoắn ốc (b) ............................................................................................................................................. 28 Hình 14. Dựng lại khuôn mặt của Pharaoh Tutankhamun. ...................................................... 29 Hình 15. Mô hình hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng ........................ 33 Hình 16. Phép quay chiều dương, trục quay Ox, hướng nhìn là hướng âm trục Ox ................ 35 Hình 17. Phép quay quanh một trục bất kì ............................................................................... 37 Hình 18. Quay vec-tơ  về trục Oz .......................................................................................... 38 Hình 19. Cách tính góc α .......................................................................................................... 39 Hình 20. Chọn 4 điểm mốc để chuẩn hóa dữ liệu qua các phép biến đổi 3D ........................... 40 Hình 21. Mô-đun chỉnh sửa khuôn mặt theo từng điểm đặc trưng ........................................... 44 Hình 22. Mô-đun chỉnh sửa khuôn mặt theo vùng ................................................................... 45 Hình 23. Chỉnh sửa mắt to nhỏ ................................................................................................. 46 Hình 24. Chỉnh sửa mũi dài ngắn ............................................................................................. 46 Hình 25. Chỉnh độ rộng cánh mũi ............................................................................................ 47 Hình 26. Chỉnh sửa miệng nhỏ, rộng ........................................................................................ 47 Hình 27. Chỉnh sửa cằm dài, ngắn............................................................................................ 48 Hình 28. Chỉnh sửa tai to, nhỏ .................................................................................................. 48 Hình 29. Biểu đồ UML thể hiện thết kế phần điều khiển, hiển thị khuôn mặt ......................... 49 Hình 30. Biểu đồ UML thể hiện thiết kế phần điều khiển các thao tác biến đổi mô hình khuôn mặt ............................................................................................................................................ 51 Hình 31. Giao diện của hệ thống tái tạo và chỉnh sửa mô hình khuôn mặt .............................. 53 Hình 32. Các điểm đặc trưng được chọn để thử nghiệm .......................................................... 55 Hình 33. Kết quả tái tạo khuôn mặt của người thứ nhất ........................................................... 56 Hình 34. Điều chỉnh cánh mũi hẹp hơn .................................................................................... 57 Hình 35. Điều chỉnh miệng nhỏ hơn ........................................................................................ 57 Hình 36. Kết quả tái tạo khuôn mặt của người thứ hai ............................................................. 58 Hình 37. Điều chỉnh cho mắt nhỏ ............................................................................................. 59
Tái to mô hình khuôn mt t các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư
v
DANH SÁCH BẢNG
Bng 1. Ch s s ca mt s dân tc khác nhau...................................................................... 19
Bng 2. Các thông s độ dày mô mềm (mm) cho người M da đen ........................................ 24
Bng 3. Bảng đánh giá độ chính xác ca các vùng trên khuôn mt tái tạo được ..................... 60
Tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư v 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
Chương 1. Giới thiu Nguyễn Đình Tư
1
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU
Tái to mô hình khuôn mặt (nói chính xác hơn là tái tạo hình dng khuôn mt) t
hp s hoc t nhiu nh hai chiu là mt bài toán được ng dụng và có ý nghĩa quan
trng trong nhiều lĩnh vực. Mt s lĩnh vực áp dng tiêu biu ca bài toán có th k
đến như khảo c hc, nhân chng học và giám định pháp y. Trong kho c hc, nhân
chng hc, nhiu khi ta cn tái to khuôn mt của người xưa dựa vào các hp s khai
quật được. Trong giám định pháp y, các v án hình s nghiêm trng vt chng có
th ch là s ca nn nhân, vic tái to lại được khuôn mt ca nn nhân t s giúp tìm
ra danh tính ca nn nhân nhanh chóng hơnt đó đề ra sở, phương hướng cho
việc điều tra. Ngoài ra bài toán còn có th được áp dng trong công cuc tìm danh tính
ca các lit sĩ vô danh dựa vào hài ct ca họ. Đây là ý nghĩa nhân văn cao cả mà bài
toán có th đem lại. Vic xây dựng được h thng tái to mô hình khuôn mặt như vậy
s giúp chúng ta tiết kiệm được nhiu chi phí công sc hơn so vi các h thng
giám định gen.
Tái to hình khuôn mặt được nghiên cu t cui thế k 19, m đầu bng
nghiên cu v mi quan h giữa xương và độ dày ca các mô mm trên khuôn mt ca
Paul Broca [12] vào năm 1867. Tuy nhiên công trình hoàn thiện đầu tiên và chính thc
được ghi nhn thuc v nhà khoa hc Nga, Gerasimov [33]. Mùa xuân năm 1950,
Gerasimov đã đắp hoàn chỉnh tượng đầu da vào xác ca một người đàn ông đã phân
rã gn hết. Quá trình nghiên cứu và đắp tượng giúp Gerasimov chuẩn đoán đó là xác
ca mt thanh niên khong 24-25 tui. nh ca tượng do ông đắp đã đưc gửi đi khắp
nơi để tìm tung tích của người chết. Ít lâu sau mt bà m đã nhận ra đó là con mình,
sinh năm 1925 và mất tích t năm 1949. Sau việc này, phương pháp của Gerasimov
được tha nhn là mt biện pháp kĩ thuật hình s hiu qu đáng tin cậy. Nhà nhân
chng hc, dân tc hc kiêm họa sĩ này được coi là cha đ ca ngành khoa hc v tái
to khuôn mt.
Ngày nay vi s phát trin ca ngành gii phu hc cùng s tr giúp đắc lc ca
máy tính, vic tái to khuôn mặt được thc hin nhanh chóng hiu qu hơn. Khoa
hc máy tính hiện đại tha nhn tái to khuôn mt là một lĩnh vực nghiên cu hp dn
và đầy trin vng bi tính ng dng thc tin cao ca bài toán. Nhiu h thng tái to
khuôn mt t hp s đã được phát triển như hệ thng do Björn Anderson Martin
Chương 1. Giới thiệu Nguyễn Đình Tư 1 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
Chương 1. Giới thiu Nguyễn Đình Tư
2
Valfridson phát triển năm 2005 [6]; h thng ca Kolja Kahler và Jörg Haber xây dng
vào năm 2003 [19]; phn mm FACES ca nhóm tác gi thuộc Đại hc Salerno, Italy,
năm 2004; h thng ca nhà khoa học GosNIIAS, năm 2001.
Vit Nam cũng có một s tác gi đã nghiên cứu đặc điểm ca hình thái s mt
người Việt Nam như GS Đỗ Xuân Hp (Hc vin Quân y), TS Lê Hữu Hưng (Trường
Đại hc Y khoa Ni), GS Nguyễn Lân Cưng (Vin kho c Việt Nam), Năm
2007, Viện Pháp y Quân đội đã phối hp vi Vin Công ngh thông tin t chc hi
thảo “Ứng dng công ngh thông tin trong khôi phc din mo khuôn mặt ngưi da
trên hình thái xương sọ mt” để bước đầu nhng tiếp cn vi bài toán này cho
người Vit [2]. Tuy nhiên tái to mô hình khuôn mt da trên s h tr ca công ngh
thông tin thì chưa nghiên cứu trong nước nào thc hin. Do chưa được trang b
phương tiện thuật đầy đủ, chúng ta gp rt nhiều khó khăn trong việc hình
khuôn mt bao gm đầy đủ mi liên h gia phn cng và phn mm ca khuôn mt
t các thông s v hp s. Trên cơ sở đó chúng tôi quyết định nghiên cu và phát trin
mt h thng tái to mô hình khuôn mt t c điểm đặc trưng. H thng s dng mt
mô hình khuôn mt nguồn và các điểm đặc trưng nguồn trên khuôn mặt đó. Hệ thng
s dụng hình đa mạng RBF để biến đổi hình khuôn mt ngun này thành mô
hình khuôn mặt đích. Mô hình đa mạng RBF này được hun luyn bng tập điểm đặc
trưng nguồn và đích.
Phn còn li ca khóa lun bao gm 4 chương. Chương 2: trình bày tng quan v
các phương pháp tái tạo khuôn mt và các kiến thức liên quan, như giải phu khuôn
mt. Chương 3: t chi tiết v h thng tái to và chnh sa hình khuôn mt t
các điểm đặc trưng mà chúng tôi phát triển. Chương 4: trình bày v phương pháp xây
dựng sở d liu th nghim. Chương 5: tng kết nhng kết qu đã đạt được
hướng phát trin tiếp theo.
Chương 1. Giới thiệu Nguyễn Đình Tư 2 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.
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
3
Chƣơng 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP TÁI TẠO
KHUÔN MẶT
Bài toán tái to khuôn mt là mt bài toán phc tp, yêu cu kiến thc ca nhiu
ngành liên quan như gii phu hc, toán hc khoa hc máy tính. Khuôn mt con
người muôn hình vn trng, mt hp s th khp vi nhiu khuôn mt khác
nhau. Bên cạnh đó, việc thay đổi mt chi tiết nh, ví d thay đổi mt chút v v trí ca
một điểm đặc trưng, cũng có thể làm cho khuôn mt dng lại được khác đi nhiều.
khía cnh toán học, đây một bài toán ngược, th nhiu li gii. Tuy nhiên,
chính s phc tp và tính ng dng thc tin cao của bài toán đã không ngừng thu hút
s quan tâm đặc bit ca các nhà nghiên cu. Trong thc tế đã có nhiều phương pháp
gii quyết t nhiu góc độ ngh nghiệp khác nhau cũng đã những kết qu kh
quan được ghi nhn.
Trong chương này, chúng tôi trình bày cơ sở thuyết v gii phu khuôn mt,
các phương pháp biểu din mô hình khuôn mt, sau đó chúng tôi trình bày các phương
pháp tái to khuôn mt da trên nhng nn tng lý thuyết đó.
2.1 Giới thiệu chung về giải phẫu khuôn mặt
2.1.1 Xƣơng mặt và hp s
Hp s mang nhiu tính chất và đặc điểm ảnh hưởng trc tiếp đến độ chính xác
ca vic tái to khuôn mt. Ta cn nắm được đặc điểm và tính cht ca hp s để
th tái to khuôn mt mt cách chuẩn xác hơn. Xương sọ mặt là xương tầm quan
trng nht trong vic cung cp các thông tin v tui, gii tính, chng tc, và làm nn
tng quan trọng để xác định khuôn mặt. Sau đây là một s đặc đim tng quát v hp
s và xương mặt t các nghiên cu ca Nguyn Trng Toàn [3][4].
Kích thước chính ca hp s được đặc trưng bởi: chiu cao, chiu rng và chiu
sâu.
8 đặc đim chính ca hp s được mô t theo chun Quc tế bao gm:
Hình dáng s gm 5 dng: Hình xoan, hình trứng, hình năm góc, hình tròn và
hình tròn thót
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 3 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