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

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 4  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.

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 5  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

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 6 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.

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 7 Hình 2. Các nhóm cơ mặt

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 8 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.

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 9  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

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 10 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]

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 11 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.

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 12 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

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 13 một vật thể nằm trong một khoảng không gian, (ii) tìm ra các bề mặt ẩn, và (iii) xác định độ bóng của các bề mặt nhìn thấy được đã giải quyết được bởi nhiều thuật toán đồ họa (Mahl, 1972 [23]; Weiss, 1966 [35]). Thứ hai là về tốc độ: các thuật toán này nhanh hơn và tiết kiệm hơn các thuật toán bậc cao. Do đó có thể cài đặt trực tiếp vào phần cứng của máy tính. Ngoài ra, chúng ta có thể áp dụng một số thuật toán tạo bóng như thuật toán tạo bóng Gouraud [16] hay thuật toán tạo bóng Phong (Bui, 1975) [9] để làm mượt một mặt đa giác. Tuy nhiên cần lưu ý rằng các thuật toán tạo bóng có thể mắc lỗi làm phẳng mặt lưới đa giác nếu sử dụng ít đa giác như trong các phương pháp của Parker [26] và phương pháp CANDIDE-1 [31]. 2.2.2 Tạo mô hình mặt ngƣời bằng bề mặt tham số Thay vì sử dụng lưới đa giác để mô hình hóa bề mặt của mặt người, chúng ta có thể sử dụng bề mặt tham số. Bề mặt tham số là một hàm toán học. Tuy nhiên, không dễ dàng để tìm được một hàm biểu diễn bề mặt của mặt người một cách chính xác. Vì vậy chúng ta tiếp cận một hướng khả thi hơn là ghép nối một tập các “mảng” tham số để tạo nên phần bề mặt. Các mảng này liên kết, ảnh hưởng đến nhau ở phần viền của chúng. Phần viền chính là các đường biên và có tính chất liên tục C 0 . Độ mịn của bề mặt được đánh giá thông qua tính liên tục ở các đạo hàm bậc cao hơn. Bề mặt đạt được liên tục C 1 khi các mảng (biểu diễn bằng đạo hàm bậc nhất của các mảng ban đầu) đạt liên tục tại các đường biên, đạt liên tục C 2 là liên tục đối với đạo hàm bậc hai… Bề mặt liên tục ở bậc càng cao thì bề mặt của mặt người dựng lên càng mịn. Cả bề mặt được điều khiển bởi một tập các điểm gọi là “điểm điều khiển”. Khi các điểm điều khiển bị điều chỉnh, cả bề mặt sẽ chuyển động theo. Để sắp xếp các điểm điều khiển, chúng ta sử dụng ma trận có kích thước (n+1)*(m+1) : W[i, j] với 0 ≤ i ≤ n, 0 ≤ j ≤ m. Mỗi điểm trên bề mặt có một trọng số là W(u, v), được tính theo công thức là tổng có trọng số của các điểm điều khiển W i,j : (, ) =    ()  ()  =0  =0  , Trong đó N i (u) và N j (v) là các hàm cơ bản. Một hàm cơ bản tạo nên một đường cong trong không gian 2 chiều. Vì vậy chúng ta có thể tạo nên bề mặt bằng rất nhiều các đường cong. Chúng được chọn lựa cẩn thận từ tính đơn giản, liên tục của đạo hàm các cấp sao cho bề mặt được tạo nên đạt độ mịn cần thiết. Vì bề mặt của mặt người nhẵn, trơn và dễ thay đổi, nên nhiều hệ thống dựa trên