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

3,255
262
72
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
14
b mt tham s chọn các đường trc (spline) để mô hình hóa mặt người bi chúng đơn
gin và liên tc đạo hàm bc cao. Ví dụ, Billy, đứa con trong b phim “Tin Toy” của
Pixar (Reeves, 1990) [29] ban đầu được mô phng t các mnh tam giác Bezier. Hot
nh mô hình được dng không tht s hoàn ho do vn còn nhiu các nếp nhăn. Sau
đó, các mảnh tam giác được thay thế bng trc Bicubic Catmull-Rom, tuy nhiên vn
ch giảm được các nếp nhăn chứ chưa làm biến mt hoàn toàn. Facial Action Control
Editor, tm dch B son thảo điều khiển các hành động mt, được viết bi
Waite (1989) [36] mt d khác. Mng cong B-Spline được s dng vi 16*12
điểm điều khin. Do tính cht liên tc C
2
ca các mng cong B-Spline nên b mt to
được đã mịn và nhẵn hơn nhiều. Chúng ta gi b mặt được cu thành bi các mng
cong này là b mt B-Spline, được minh ha trong Hình 6. Chuyển động ca ming,
mt, và l mũi được x lý bằng thuật ct ta hình hc (geometric trimming). Bng
vic s dụng kĩ thuật này, chúng ta có th loi b các biu hin không mong mun ca
b mt và xây dng nhng mô t toán hc mi cho các mảnh được ct ta. Tuy nhiên,
kĩ thuật này cũng có vài đim hn chế, ví d như nó không thể mô phng mí mt hay
mt.
Hình 6. Mt b mt B-Spline
Để hình hóa tng th mặt người, thuật y điu chnh hình mt
người sao cho phù hp vi d liệu được cung cp bi máy quét laser. Quá trình điều
chỉnh đưc thc hin bng cách cc tiu hóa sai s bình phương trung bình giữa các
điểm trong d liu mẫu các điểm trên b mt với điều kin c điểm điều khin
phải được đặt đúng trong các vùng nơi đơn vị hành động (ví d c động ming)
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 14 bề mặt tham số chọn các đường trục (spline) để mô hình hóa mặt người bởi chúng đơn giản và liên tục ở đạo hàm bậc cao. Ví dụ, Billy, đứa con trong bộ phim “Tin Toy” của Pixar (Reeves, 1990) [29] ban đầu được mô phỏng từ các mảnh tam giác Bezier. Hoạt ảnh mô hình được dựng không thật sự hoàn hảo do vẫn còn nhiều các nếp nhăn. Sau đó, các mảnh tam giác được thay thế bằng trục Bicubic Catmull-Rom, tuy nhiên vẫn chỉ giảm được các nếp nhăn chứ chưa làm biến mất hoàn toàn. Facial Action Control Editor, tạm dịch là Bộ soạn thảo và điều khiển các hành động ở mặt, được viết bởi Waite (1989) [36] là một ví dụ khác. Mảng cong B-Spline được sử dụng với 16*12 điểm điều khiển. Do tính chất liên tục C 2 của các mảng cong B-Spline nên bề mặt tạo được đã mịn và nhẵn hơn nhiều. Chúng ta gọi bề mặt được cấu thành bởi các mảng cong này là bề mặt B-Spline, được minh họa trong Hình 6. Chuyển động của miệng, mắt, và lỗ mũi được xử lý bằng kĩ thuật cắt tỉa hình học (geometric trimming). Bằng việc sử dụng kĩ thuật này, chúng ta có thể loại bỏ các biểu hiện không mong muốn của bề mặt và xây dựng những mô tả toán học mới cho các mảnh được cắt tỉa. Tuy nhiên, kĩ thuật này cũng có vài điểm hạn chế, ví dụ như nó không thể mô phỏng mí mắt hay mắt. Hình 6. Một bề mặt B-Spline Để mô hình hóa từng cá thể mặt người, kĩ thuật này điều chỉnh mô hình mặt người sao cho phù hợp với dữ liệu được cung cấp bởi máy quét laser. Quá trình điều chỉnh được thực hiện bằng cách cực tiểu hóa sai số bình phương trung bình giữa các điểm trong dữ liệu mẫu và các điểm trên bề mặt với điều kiện các điểm điều khiển phải được đặt đúng ở trong các vùng nơi đơn vị hành động (ví dụ cử động ở miệng)
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
15
din ra. Điều này đảm bo rng các vùng ca da s được thiết lp li mt cách
chính xác do có s liên kết của các điểm điều khin với các đơn v hành động ơng
ng. Hơn nữa, d liu mu được quét bi máy quét laser có th được s dụng để dán
lên mt n (mt bên ngoài) ca phn mt.
Ưu điểm của phương pháp bề mt tham sx lí ít d liệu hơn và đưa ra một b
mặt mượt, mịn hơn so với phương pháp lưới đa giác. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn
còn tn ti vấn đề kết xut b mặt. Cho đến nay vẫn chưa thuật toán hiu qu để
gii quyết các vấn đề như bề mt n, kết xut b mt bc hai, Mahl, 1972 [23]; Weiss,
1966 [35]. Đối vi b mt bậc cao hơn, chúng ta cũng các thuật toán tương tự,
nhưng chúng phc tp và đòi hỏi chi phí cao. Do đó, các bề mt bậc cao thường được
dng mô hình bng ới đa giác. Quá trình này được gọi là đa giác hóa. Tuy nhiên, nếu
độ phân gii mẫu cao, phương pháp này vẫn cần đến khối lượng tính toán rt ln.
Thêm vào đó, nếu vùng mu trên mặt người nh, thì vic s dng nhiu trục điểm điều
khin tr nên không hiu quả. Phương pháp này cũng thiếu sót trong vic to ra các
nếp nhăn mờ trên khuôn mặt do độ t cao. Tuy nhiên, khi dng mô hình mt vùng
nh và mn trên mặt người, phương pháp này tỏ ra thích hp và hiu qu.
2.3 Các phƣơng pháp tái tạo khuôn mặt
Có hai phương pháp tái tạo khuôn mt chính:
Phương pháp hai chiều, 2-Dimension (2D): phương pháp này giúp tái tạo li
được bc nh chp khuôn mt
Phương pháp ba chiều, 3-Dimension (3D): phương phápy giúp tái to li
được hình ba chiu th hin rõ ràng chiều sâu đặc điểm ca khuôn
mt.
2.3.1 Các phƣơng pháp hai chiều (2D)
Tái to hình khuôn mt trong không gian hai chiu cn mt nhà họa
pháp y. Họa pháp y là người chuyên môn, am hiu v hp s, mối tương quan
gia hp s và dung nhan khuôn mt. H v phác tho bc v chân dung hoc quan sát
nh vi hp s để nhận xét độ chính xác cũng như những điểm cần điều chnh.
hai phương pháp 2D chính: phương pháp lồng s vào bc v chân dung
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 15 diễn ra. Điều này đảm bảo rằng các vùng mô của da sẽ được thiết lập lại một cách chính xác do có sự liên kết của các điểm điều khiển với các đơn vị hành động tương ứng. Hơn nữa, dữ liệu mẫu được quét bởi máy quét laser có thể được sử dụng để dán lên mặt nạ (mặt bên ngoài) của phần mặt. Ưu điểm của phương pháp bề mặt tham số là xử lí ít dữ liệu hơn và đưa ra một bề mặt mượt, mịn hơn so với phương pháp lưới đa giác. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn tồn tại vấn đề kết xuất bề mặt. Cho đến nay vẫn chưa có thuật toán hiệu quả để giải quyết các vấn đề như bề mặt ẩn, kết xuất bề mặt bậc hai, Mahl, 1972 [23]; Weiss, 1966 [35]. Đối với bề mặt bậc cao hơn, chúng ta cũng có các thuật toán tương tự, nhưng chúng phức tạp và đòi hỏi chi phí cao. Do đó, các bề mặt bậc cao thường được dựng mô hình bằng lưới đa giác. Quá trình này được gọi là đa giác hóa. Tuy nhiên, nếu độ phân giải mẫu cao, phương pháp này vẫn cần đến khối lượng tính toán rất lớn. Thêm vào đó, nếu vùng mẫu trên mặt người nhỏ, thì việc sử dụng nhiều trục điểm điều khiển trở nên không hiệu quả. Phương pháp này cũng thiếu sót trong việc tạo ra các nếp nhăn mờ trên khuôn mặt do độ mượt cao. Tuy nhiên, khi dựng mô hình một vùng nhỏ và mịn trên mặt người, phương pháp này tỏ ra thích hợp và hiệu quả. 2.3 Các phƣơng pháp tái tạo khuôn mặt Có hai phương pháp tái tạo khuôn mặt chính:  Phương pháp hai chiều, 2-Dimension (2D): phương pháp này giúp tái tạo lại được bức ảnh chụp khuôn mặt  Phương pháp ba chiều, 3-Dimension (3D): phương pháp này giúp tái tạo lại được mô hình ba chiều thể hiện rõ ràng chiều sâu và đặc điểm của khuôn mặt. 2.3.1 Các phƣơng pháp hai chiều (2D) Tái tạo mô hình khuôn mặt trong không gian hai chiều cần có một nhà họa sĩ pháp y. Họa sĩ pháp y là người có chuyên môn, am hiểu về hộp sọ, mối tương quan giữa hộp sọ và dung nhan khuôn mặt. Họ vẽ phác thảo bức vẽ chân dung hoặc quan sát ảnh với hộp sọ để nhận xét độ chính xác cũng như những điểm cần điều chỉnh. Có hai phương pháp 2D chính: phương pháp lồng sọ vào bức vẽ chân dung và
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
16
phương pháp lng s vào nh.
2.3.1.1 Phƣơng pháp lồng s vào bc v chân dung
Phương pháp này được Pearson đề xut vào nm 1926 [27]. Họa v phác tho
chân dung da trên các s đo hộp s, lng bc nh chân dung vào ri quan sát s phù
hp. Sau đó họa sĩ đính bức v lên hp s tht như Hình 7 để quan sát chnh sa
bc v cho phù hp.
Hình 7. Lng s vào bc v chân dung
2.3.1.2 Phƣơng pháp lồng s vào nh
Phương pháp này được các tác gi: Sen (1962), Gupta (1969) và Sekharan (1973)
[4] đề xut phát trin. Mục đích chính so sánh khuôn mặt vi hp s để ch ra
nhng nét phù hp, t đó kim tra xem chiếc s nguyên vn hoc không nguyên vn
(ví d trong Hình 8 ch có na s) có phi ngưi trong nh không.
Hình 8. nh na mt và na s
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 16 phương pháp lồng sọ vào ảnh. 2.3.1.1 Phƣơng pháp lồng sọ vào bức vẽ chân dung Phương pháp này được Pearson đề xuất vào nằm 1926 [27]. Họa sĩ vẽ phác thảo chân dung dựa trên các số đo hộp sọ, lồng bức ảnh chân dung vào rồi quan sát sự phù hợp. Sau đó họa sĩ đính bức vẽ lên hộp sọ thật như Hình 7 để quan sát và chỉnh sửa bức vẽ cho phù hợp. Hình 7. Lồng sọ vào bức vẽ chân dung 2.3.1.2 Phƣơng pháp lồng sọ vào ảnh Phương pháp này được các tác giả: Sen (1962), Gupta (1969) và Sekharan (1973) [4] đề xuất và phát triển. Mục đích chính là so sánh khuôn mặt với hộp sọ để chỉ ra những nét phù hợp, từ đó kiểm tra xem chiếc sọ nguyên vẹn hoặc không nguyên vẹn (ví dụ trong Hình 8 chỉ có nửa sọ) có phải người trong ảnh không. Hình 8. Ảnh nửa mặt và nửa sọ
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
17
Các kĩ thuật chính đã được phát trin s dụng phương pháp này bao gồm:
Lng s vào nh trên h thống gương bán mạ (Hình 9)
Lng s vào nh trên video
Lng s vào nh trên vi tính
Hình 9. Lng s vào nh trên h thống gương bán mạ ti viện Pháp y Quân Đội
(V xác không đầu ti h Văn Chương – Đống Đa – Hà Ni)
Năm 2007, Viện Công ngh thông tin Vin khoa hc công ngh Vit Nam
phi hp vi viện Pháp y Quân đội xây dng thành công phn mm RFFSkull là mt
phn mềm đồ ha theo không gian 3 chiu giúp cho vic lng s vào nh chân dung
mt cách t động vi tham s đầu vào là xương sọ mt và nh chân dung [4].
Nguyên tắc cơ bản để thc hiện các phương pháp 2D:
Chng tc, gii tính, tui và các thông s cn thiết ca hp s cần được cung cp.
Hp s phải được chp X-quang trên mt phng ngang frankfort, các phim trán
(trưc, sau) phim nghiêng to mt góc vuông vi nhau. Trong phim chp
thng, khay dng phim trưc mt, khong cách chp 152.4 cm ti trc
transmetal. Trong phim chụp nghiêng, khay đựng phim đặt bên trái và khong
cách t ng chụp đến mt phng dc gia 152.4 cm. Trong phim chụp trước
sau, ng chp nm sau hp s. C phim chp thng nghiêng cần được đánh
du chính xác các chi tiết v xương đã đưc mô t. Các mc này là nn tng cho
vic v ra các chi tiết nét mt.
Mt s thông s v hp s cn thiết cho phương pháp này:
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 17 Các kĩ thuật chính đã được phát triển sử dụng phương pháp này bao gồm:  Lồng sọ vào ảnh trên hệ thống gương bán mạ (Hình 9)  Lồng sọ vào ảnh trên video  Lồng sọ vào ảnh trên vi tính Hình 9. Lồng sọ vào ảnh trên hệ thống gương bán mạ tại viện Pháp y Quân Đội (Vụ xác không đầu tại hồ Văn Chương – Đống Đa – Hà Nội) Năm 2007, Viện Công nghệ thông tin – Viện khoa học và công nghệ Việt Nam phối hợp với viện Pháp y Quân đội xây dựng thành công phần mềm RFFSkull là một phần mềm đồ họa theo không gian 3 chiều giúp cho việc lồng sọ vào ảnh chân dung một cách tự động với tham số đầu vào là xương sọ mặt và ảnh chân dung [4]. Nguyên tắc cơ bản để thực hiện các phương pháp 2D:  Chủng tộc, giới tính, tuổi và các thông số cần thiết của hộp sọ cần được cung cấp.  Hộp sọ phải được chụp X-quang trên mặt phẳng ngang frankfort, các phim trán (trước, sau) và phim nghiêng tạo một góc vuông với nhau. Trong phim chụp thẳng, khay dựng phim ở trước mặt, khoảng cách chụp là 152.4 cm tới trục transmetal. Trong phim chụp nghiêng, khay đựng phim đặt ở bên trái và khoảng cách từ ống chụp đến mặt phẳng dọc giữa là 152.4 cm. Trong phim chụp trước sau, ống chụp nằm sau hộp sọ. Cả phim chụp thẳng và nghiêng cần được đánh dấu chính xác các chi tiết về xương đã được mô tả. Các mốc này là nền tảng cho việc vẽ ra các chi tiết nét mặt.  Một số thông số về hộp sọ cần thiết cho phương pháp này:
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
18
Kích thưc s:
o Chiu rng hp s
o Chiu rng hai mt
o Chiu rng liên mt
o Chiu rng l mũi
o Chiu rng hai gò má hoc chiu rng gia mt
o Chiu rng vùng mặt dưới
o Chiu cao mt
Kích thưc din mo
o Cao môi: t môi trên đến môi dưới
o Cao tai: t đỉnh tai đến dái tai
o Rng tai: nn tai trên và ch bám trên ca tai vào đầu, nền tai dưới
ch bám dưới ca tai vào đầu.
Bng 1 là tng kết ca TSKH. Lê Hữu Hưng trong lun án phó tiến sĩ khoa học y
được thc hin năm 1995 (s liệu được trình bày được trích dn t [5]).
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 18  Kích thước sọ: o Chiều rộng hộp sọ o Chiều rộng hai ổ mắt o Chiều rộng liên ổ mắt o Chiều rộng lỗ mũi o Chiều rộng hai gò má hoặc chiều rộng giữa mặt o Chiều rộng vùng mặt dưới o Chiều cao mặt  Kích thước diện mạo o Cao môi: từ môi trên đến môi dưới o Cao tai: từ đỉnh tai đến dái tai o Rộng tai: nền tai trên và chỗ bám trên của tai vào đầu, nền tai dưới và chỗ bám dưới của tai vào đầu. Bảng 1 là tổng kết của TSKH. Lê Hữu Hưng trong luận án phó tiến sĩ khoa học y được thực hiện năm 1995 (số liệu được trình bày được trích dẫn từ [5]).
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
19
Bng 1. Ch s s ca mt s dân tc khác nhau
STT
Các kích c
S Vit hiện đại
S Lào
S Thái Lan
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Dung tích s
Trọng lượng s
Dài s
Rng s
Rng trán
Cao s
Dài nn s
Dài nn mt
Cao mt trên
Rng mt gia
Rng liên mt
Cao mt
Rng mt
Cao mũi
Rộng mũi
1363.97±103.2
557.4 ± 108.6
175.22 ± 4.50
137.9 ± 5.58
92.36 ± 5.38
136.99 ± 3.26
98.69 ± 7.59
95.07 ± 6.57
65.77 ± 5.76
99.06 ± 4.41
96.54 ± 4.55
33.78 ± 1.58
41.89 ± 2.11
50.10 ± 3.80
26.16 ± 2.05
1379.5±55.2
549.2 ± 78.9
167.9 ± 7.8
144.5 ± 4.8
94.1 ± 3.1
132.7 ± 3.5
96.0 ± 2.8
89.2 ± 4.7
67.8 ± 4.4
97.7 ± 3.05
95.5 ± 4.6
33.54 ± 1.71
42.66 ± 1.93
51.3 ± 2.43
26.34 ± 1.65
1379.8±78.8
613.1±104.9
168.6 ± 7.45
141.4 ± 5.1
91.1 ± 5.2
135.9 ± 4.9
96.4 ± 4.4
93.7 ± 5.2
67.23 ± 4.5
98.9 ± 5.5
94.15 ± 4.2
32.69 ± 2.44
42.36 ± 1.78
51.21 ± 3.59
25.57 ± 1.94
Đơn vị: Dung tích (ml). Trọng lượng (g). Dài, rng và cao (mm)
Với phương pháp lng s vào nh, Krogman [20] cùng vi các nhà họa sĩ pháp y
đã cùng nhau xem xét, đo đạc tt c các kích thước s mt hin có. H đã chp và thu
thp rt nhiu các phim X-quang thng nghiêng, t đó tái to mt nhìn thng
nhìn nghiêng. S phác tho này phù hp vi c nam, n, da trắng và da đen.
Ví dụ, tháng 6 năm 1978, cảnh sát bang N.Y, Troop C. gi ti Krogman [20] cht
liệu xương của mt nam gii da trng tui khong 50 cùng vi hp s và xương hàm
dưới (không có răng) để phân tích. Cht liệu xương của một người nam gii da trng
không răng, tuổi khong 50; hp s xương hàm dưới nhng d liu để phân
tích. Nhng thông s đo được như sau:
B rng hp s 132mm; thêm vào 6-7mm b dày ca mô, bên phi, trái và
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 19 Bảng 1. Chỉ số sọ của một số dân tộc khác nhau STT Các kích cỡ Sọ Việt hiện đại Sọ Lào Sọ Thái Lan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Dung tích sọ Trọng lượng sọ Dài sọ Rộng sọ Rộng trán Cao sọ Dài nền sọ Dài nền mặt Cao mặt trên Rộng mặt giữa Rộng liên ổ mắt Cao ổ mắt Rộng ổ mắt Cao mũi Rộng mũi 1363.97±103.2 557.4 ± 108.6 175.22 ± 4.50 137.9 ± 5.58 92.36 ± 5.38 136.99 ± 3.26 98.69 ± 7.59 95.07 ± 6.57 65.77 ± 5.76 99.06 ± 4.41 96.54 ± 4.55 33.78 ± 1.58 41.89 ± 2.11 50.10 ± 3.80 26.16 ± 2.05 1379.5±55.2 549.2 ± 78.9 167.9 ± 7.8 144.5 ± 4.8 94.1 ± 3.1 132.7 ± 3.5 96.0 ± 2.8 89.2 ± 4.7 67.8 ± 4.4 97.7 ± 3.05 95.5 ± 4.6 33.54 ± 1.71 42.66 ± 1.93 51.3 ± 2.43 26.34 ± 1.65 1379.8±78.8 613.1±104.9 168.6 ± 7.45 141.4 ± 5.1 91.1 ± 5.2 135.9 ± 4.9 96.4 ± 4.4 93.7 ± 5.2 67.23 ± 4.5 98.9 ± 5.5 94.15 ± 4.2 32.69 ± 2.44 42.36 ± 1.78 51.21 ± 3.59 25.57 ± 1.94 Đơn vị: Dung tích (ml). Trọng lượng (g). Dài, rộng và cao (mm) Với phương pháp lồng sọ vào ảnh, Krogman [20] cùng với các nhà họa sĩ pháp y đã cùng nhau xem xét, đo đạc tất cả các kích thước sọ mặt hiện có. Họ đã chụp và thu thập rất nhiều các phim X-quang thẳng và nghiêng, từ đó tái tạo mặt nhìn thẳng và nhìn nghiêng. Sự phác thảo này phù hợp với cả nam, nữ, da trắng và da đen. Ví dụ, tháng 6 năm 1978, cảnh sát bang N.Y, Troop C. gửi tới Krogman [20] chất liệu xương của một nam giới da trắng tuổi khoảng 50 cùng với hộp sọ và xương hàm dưới (không có răng) để phân tích. Chất liệu xương của một người nam giới da trắng không răng, tuổi khoảng 50; hộp sọ và xương hàm dưới là những dữ liệu có để phân tích. Những thông số đo được như sau:  Bề rộng hộp sọ là 132mm; thêm vào 6-7mm bề dày của mô, bên phải, trái và
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
20
chiu rng ca đu là 144-146mm.
Chiu rng hai gò má là 121mm; cng thêm 4mm chiu dày mô, bên phi, trái và
chiu rng gia mt là 129mm.
Chiu rng Bigonial là 95mm; cng thêm 8-10mm b dày bên phi, trái và
chiu rng mt dưới (qua xương hàm dưới) 111-115mm.
Ti Nga (Liên Xô cũ), Graximov đưa ra phương pháp tìm mi liên quan gia
phn cng và phn mm ca hp sọ. Trên cơ sở đó ông tái to thành công mô hình đầu
người như trong v năm 1950 như đã giới thiu. Tuy vy, các công thc
Graximov đưa ra hiện không còn chính xác do s thay đổi ca mặt người theo thi
gian và không gian. Ví d hình dáng ca miệng được quyết định bi kiu răng, độ vu
xương hàm trên kiểu khuôn mặt. Độ vu của người da đen, người Nht Bn
người Malaysia quyết định kiu môi dày. S phát trin v kinh tế mang đến điều kin
sng tốt hơn, chăm sóc sức khe tốt hơn các vấn đề v di truyn đã làm thay đổi
mối tương quan giữa các phn cng và mm ca hp s con ngưi.
2.3.2 Các phƣơng pháp ba chiều (3D)
hai phương pháp chính trong vic tái to khuôn mt bằng phương pháp ba
chiu: phương pháp 3D truyn thng (th công) phương pháp 3D sử dng
Công ngh Thông tin (có s h tr ca máy tính).
2.3.2.1 Các phƣơng pháp 3D truyền thng
K thut ph biến nhất được s dng trong tái to khuôn mt bằng phương pháp
3D truyn thng là xây dng trong không gian ba chiều các đặc điểm khuôn mt trên
xương sọ. hai cách tiếp cn vi vic tái to khuôn mặt là: phương pháp giải phu
và phương pháp độ dày mô.
Phương pháp giải phu cn mô hình hóa từng cơ mặt và áp chúng vào hp sọ. Cơ
sthuyết của phương pháp này được mô t chi tiết phn 3.1 ca chương 3.
Phương pháp gii phẫu có ưu điểm là có th làm cho b mt sống động nhưng có
nhược đim là tn nhiu thời gian để mô hình hóa từng cơ.
Phương pháp độy mô: là phương pháp rất ph biến. Phương pháp này dựa vào
độ dày ca mô mm ti mt s điểm mốc. Người ta thường s dụng 32 điểm mc
(10 điểm trên đường gia khuôn mặt và 22 điểm đối xng hai bên mt).
nhiu yếu t ảnh hưởng đến độ dày mô mềm như: chng tc, giới tính, độ tui và
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 20 chiều rộng của đầu là 144-146mm.  Chiều rộng hai gò má là 121mm; cộng thêm 4mm chiều dày mô, bên phải, trái và chiều rộng giữa mặt là 129mm.  Chiều rộng Bigonial là 95mm; cộng thêm 8-10mm bề dày mô ở bên phải, trái và chiều rộng mặt dưới (qua xương hàm dưới) 111-115mm. Tại Nga (Liên Xô cũ), Graximov đưa ra phương pháp tìm mối liên quan giữa phần cứng và phần mềm của hộp sọ. Trên cơ sở đó ông tái tạo thành công mô hình đầu người như trong vụ ở năm 1950 như đã giới thiệu. Tuy vậy, các công thức mà Graximov đưa ra hiện không còn chính xác do sự thay đổi của mặt người theo thời gian và không gian. Ví dụ hình dáng của miệng được quyết định bởi kiểu răng, độ vẩu xương hàm trên và kiểu khuôn mặt. Độ vẩu của người da đen, người Nhật Bản và người Malaysia quyết định kiểu môi dày. Sự phát triển về kinh tế mang đến điều kiện sống tốt hơn, chăm sóc sức khỏe tốt hơn và các vấn đề về di truyền đã làm thay đổi mối tương quan giữa các phần cứng và mềm của hộp sọ con người. 2.3.2 Các phƣơng pháp ba chiều (3D) Có hai phương pháp chính trong việc tái tạo khuôn mặt bằng phương pháp ba chiều: phương pháp 3D truyền thống (thủ công) và phương pháp 3D sử dụng Công nghệ Thông tin (có sự hỗ trợ của máy tính). 2.3.2.1 Các phƣơng pháp 3D truyền thống Kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng trong tái tạo khuôn mặt bằng phương pháp 3D truyền thống là xây dựng trong không gian ba chiều các đặc điểm khuôn mặt trên xương sọ. Có hai cách tiếp cận với việc tái tạo khuôn mặt là: phương pháp giải phẫu và phương pháp độ dày mô.  Phương pháp giải phẫu cần mô hình hóa từng cơ mặt và áp chúng vào hộp sọ. Cơ sở lý thuyết của phương pháp này được mô tả chi tiết ở phần 3.1 của chương 3. Phương pháp giải phẫu có ưu điểm là có thể làm cho bộ mặt sống động nhưng có nhược điểm là tốn nhiều thời gian để mô hình hóa từng cơ.  Phương pháp độ dày mô: là phương pháp rất phổ biến. Phương pháp này dựa vào độ dày của mô mềm tại một số điểm mốc. Người ta thường sử dụng 32 điểm mốc (10 điểm trên đường ở giữa khuôn mặt và 22 điểm đối xứng ở hai bên mặt). Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ dày mô mềm như: chủng tộc, giới tính, độ tuổi và
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
21
th trng gy, béo khác nhau. Sau đây một s thc nghiệm, phương pháp
các nhà nghiên cứu đi trước đã đạt đưc nh s dụng phương pháp 3D này [33]:
Năm 1867, Paul Broca được cho người đầu tiên nghiên cu v mi quan
h giữa xương và độ dày ca các mô mm trên khuôn mt.
Năm 1883, Welker nghiên cứu độ dày mm trên t thi của 13 đàn ông
bng cách rch dao vào trong, xuyên qua da mt.
Năm 1885, phương pháp tái tạo đầu tiên được s dng bi His khi ông phi
tái to mt của Jean Sebastien Bach. Ông đã tăng số ng mu ca Welker
và tính toán chính xác mi quan h giữa xương và đ dày mô mm. His đã sử
dng mt kim sc và mỏng, đâm vào thịt góc bên phi của xương tại mt
s v trí cho đến khi đâm vào đến xương. Trước khi dùng kim đâm, ông dùng
mng cao su nh đặt sát mt da, sau đó ông cho kim đâm xuyên qua mảng
cao su đâm tiếp vào t chc mô mm vùng mặt cho đến tận xương. Ông
đo ly khong cách t đầu nhn của kim đến mnh cao su để ra được độ dày
ca mô ti chính v trí đó. Sau đó ông lp bng thng kê các s liệu đo được
để phân tích đánh giá.
Năm 1898, Kollman và Buchly đi sâu hơn vào phân tích thống kê. Kollman
và Buchly phát trin thêm công vic của His cũng tiến hành trên các xác
t thi và rút ra kết lun là có bn phân loi v dng mô của cơ thể: mng, rt
mỏng, được nuôi dưỡng tốt và được nuôi dưỡng rt tốt. Độ dày các lp ca
mô được tính trung bình mt cách phù hp. H cũng đã xem xét các lớp
ca nam gii và n gii ngưi Capca. H lập được bảng so sánh độ dày trung
bình ca mô nam gii và n gii vi các ch tiêu ln nht và bé nht ca c
hai gii tính. Kollman và Buchly đã so sánh kết qu nghiên cu ca h vi
nhng kết qu nghiên cu ca His. H kết hp các d liệu đưa ra được
nhng giá tr ý nghĩa: khoảng giá tr nh nht và ln nhất độ dày ca
tương ứng vi 45 ph n và 8 xác t thi n.
Nhng nghiên cu ca His, Kollman Buchly nn tảng bản cho
nhng công vic, nhng nghiên cu sau này như: Zieleler đã đưa ra những s
liu v nhng phn mô mm ca mt ca người da đen Châu Mỹ, Hearslem
Riémchneider báo cáo v các và cơ mt của 14 người Papu người
Melanêdi, Stadmuller kết hp nhng d liu chng tộc đã đ cp trên
trong bng so sánh và thêm thông tin liên quan mt người đàn ông từ Java.
Cùng thời điểm năm 1898 này, Merkel đã tái tạo được khuôn mt 3D nh
phương pháp đắp tượng bng cht do.
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 21 thể trạng gầy, béo khác nhau. Sau đây là một số thực nghiệm, phương pháp mà các nhà nghiên cứu đi trước đã đạt được nhờ sử dụng phương pháp 3D này [33]:  Năm 1867, Paul Broca được cho là người đầu tiên nghiên cứu về mối quan hệ giữa xương và độ dày của các mô mềm trên khuôn mặt.  Năm 1883, Welker nghiên cứu độ dày mô mềm trên tử thi của 13 đàn ông bằng cách rạch dao vào trong, xuyên qua da mặt.  Năm 1885, phương pháp tái tạo đầu tiên được sử dụng bởi His khi ông phải tái tạo mặt của Jean Sebastien Bach. Ông đã tăng số lượng mẫu của Welker và tính toán chính xác mối quan hệ giữa xương và độ dày mô mềm. His đã sử dụng một kim sắc và mỏng, đâm vào thịt ở góc bên phải của xương tại một số vị trí cho đến khi đâm vào đến xương. Trước khi dùng kim đâm, ông dùng mảng cao su nhỏ đặt sát mặt da, sau đó ông cho kim đâm xuyên qua mảng cao su và đâm tiếp vào tổ chức mô mềm vùng mặt cho đến tận xương. Ông đo lấy khoảng cách từ đầu nhọn của kim đến mảnh cao su để ra được độ dày của mô tại chính vị trí đó. Sau đó ông lập bảng thống kê các số liệu đo được để phân tích đánh giá.  Năm 1898, Kollman và Buchly đi sâu hơn vào phân tích thống kê. Kollman và Buchly phát triển thêm công việc của His và cũng tiến hành trên các xác tử thi và rút ra kết luận là có bốn phân loại về dạng mô của cơ thể: mỏng, rất mỏng, được nuôi dưỡng tốt và được nuôi dưỡng rất tốt. Độ dày các lớp của mô được tính trung bình một cách phù hợp. Họ cũng đã xem xét các lớp mô của nam giới và nữ giới người Capca. Họ lập được bảng so sánh độ dày trung bình của mô ở nam giới và nữ giới với các chỉ tiêu lớn nhất và bé nhất của cả hai giới tính. Kollman và Buchly đã so sánh kết quả nghiên cứu của họ với những kết quả nghiên cứu của His. Họ kết hợp các dữ liệu và đưa ra được những giá trị có ý nghĩa: khoảng giá trị nhỏ nhất và lớn nhất độ dày của mô tương ứng với 45 phụ nữ và 8 xác tử thi nữ. Những nghiên cứu của His, Kollman và Buchly là nền tảng cơ bản cho những công việc, những nghiên cứu sau này như: Zieleler đã đưa ra những số liệu về những phần mô mềm của mặt của người da đen Châu Mỹ, Hearslem – Riémchneider báo cáo về các mô và cơ ở mặt của 14 người Papu và người Melanêdi, Stadmuller kết hợp những dữ liệu và chủng tộc đã đề cập ở trên trong bảng so sánh và thêm thông tin liên quan một người đàn ông từ Java. Cùng thời điểm năm 1898 này, Merkel đã tái tạo được khuôn mặt 3D nhờ phương pháp đắp tượng bằng chất dẻo.
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
22
Năm 1921, Boule đã sử dụng phương pháp của Merkel tái to khuôn mt
người t hp s hóa thch.
Tuy nhiên cha đẻ ca ngành khoa hc v tái to khuôn mặt người đưc nhc
đến mt cách chính thc là nhà khoa học Gerasimov, người Nga. Ông là nhà
nhân chng hc, dân tc hc và họa sĩ. Ông là người đầu tiên tái to khuôn
mt trong pháp y.
Mùa xuân 1950, Gerasimov đã đắp hoàn chỉnh, sinh động tượng phn đầu
da theo xác ca một người đàn ông đã phân rã gn hết. Ông xác định được
đó là mt thanh niên tm 24-25 tui và ảnh tượng đầu này được gửi đi khắp
nơi để nhn dng. Ít lâu sau, mt bà m đã nhận ra đó là con mình, sinh năm
1925 và b mt tích t năm 1949. Sau việc này, phương pháp của Gerasimov
được tha nhn được khẳng định mt biện phápthuật hình s hiu
quđáng tin cậy. Sau đó, ông đã giúp cảnh sát dng li nhiu khuôn mt
t thi, xác định được nn nhân và t đó có thêm chng c để tìm ra hung th.
Năm 1955, Gerasimov đề xuất phương pháp của mình vào vic tái to mt
người c xưa. Ông đã khôi phục được nhiu khuôn mt ca các nhân vt lch
s.
Năm 1960, Ba Lan công bố tái to thành công khuôn mt của nhà thiên văn
hc Nicolas Copernic.
Vào gia những năm 1960 Betty Patt. Gatliff đã cùng vi Clyde Snow, mt
nhà nhân chng hc pháp y xây dựng phương pháp phục chế khuôn mt, gi
phương pháp Gatliff-Snow, da trên nhng d liu v độ dày mô mt
các đặc điểm v gii phẫu. Các bước chính trong phương pháp ca Gatliff-
Snowto ra b mt nn ca bức tượng da vào cấu trúc xương sọ, b dày
d tính ca lớp da và cơ. Để làm được vic này, bà phi dựa vào sơ đồ cơ từ
phía ngoài đến phía trong mà các nhà nhân chng học thường dùng. Khi ước
ợng được độ dày lớp da và cơ, đánh dấu nhng mc độ dày ca chúng,
sau đó tạo ra lp ph bằng đất sét trên khuôn mặt để ợng trưng cho từng
phn.
Để hoàn thành khuôn mt bc tượng, Gatliff thêm vào khuôn mặt đôi mắt.
Nếu như tìm thy vài si tóc xác chết, bà s to ra mt mái tóc nhân to có
cùng màu độ dày ca si tóc. Bức tượng của bà coi như đã hoàn thành
(Hình 10).
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 22  Năm 1921, Boule đã sử dụng phương pháp của Merkel tái tạo khuôn mặt người từ hộp sọ hóa thạch.  Tuy nhiên cha đẻ của ngành khoa học về tái tạo khuôn mặt người được nhắc đến một cách chính thức là nhà khoa học Gerasimov, người Nga. Ông là nhà nhân chủng học, dân tộc học và họa sĩ. Ông là người đầu tiên tái tạo khuôn mặt trong pháp y.  Mùa xuân 1950, Gerasimov đã đắp hoàn chỉnh, sinh động tượng phần đầu dựa theo xác của một người đàn ông đã phân rã gần hết. Ông xác định được đó là một thanh niên tầm 24-25 tuổi và ảnh tượng đầu này được gửi đi khắp nơi để nhận dạng. Ít lâu sau, một bà mẹ đã nhận ra đó là con mình, sinh năm 1925 và bị mất tích từ năm 1949. Sau việc này, phương pháp của Gerasimov được thừa nhận và được khẳng định là một biện pháp kĩ thuật hình sự hiệu quả và đáng tin cậy. Sau đó, ông đã giúp cảnh sát dựng lại nhiều khuôn mặt tử thi, xác định được nạn nhân và từ đó có thêm chứng cứ để tìm ra hung thủ.  Năm 1955, Gerasimov đề xuất phương pháp của mình vào việc tái tạo mặt người cổ xưa. Ông đã khôi phục được nhiều khuôn mặt của các nhân vật lịch sử.  Năm 1960, Ba Lan công bố tái tạo thành công khuôn mặt của nhà thiên văn học Nicolas Copernic.  Vào giữa những năm 1960 Betty Patt. Gatliff đã cùng với Clyde Snow, một nhà nhân chủng học pháp y xây dựng phương pháp phục chế khuôn mặt, gọi là phương pháp Gatliff-Snow, dựa trên những dữ liệu về độ dày mô mặt và các đặc điểm về giải phẫu. Các bước chính trong phương pháp của Gatliff- Snow là tạo ra bề mặt nền của bức tượng dựa vào cấu trúc xương sọ, bề dày dự tính của lớp da và cơ. Để làm được việc này, bà phải dựa vào sơ đồ cơ từ phía ngoài đến phía trong mà các nhà nhân chủng học thường dùng. Khi ước lượng được độ dày lớp da và cơ, bà đánh dấu những mốc độ dày của chúng, sau đó tạo ra lớp phủ bằng đất sét trên khuôn mặt để tượng trưng cho từng phần.  Để hoàn thành khuôn mặt bức tượng, Gatliff thêm vào khuôn mặt đôi mắt. Nếu như tìm thấy vài sợi tóc ở xác chết, bà sẽ tạo ra một mái tóc nhân tạo có cùng màu và độ dày của sợi tóc. Bức tượng của bà coi như đã hoàn thành (Hình 10).
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mt Nguyễn Đình Tư
23
Hình 10. Tái to mt dựa trên xương sọ mt ca nn nhân
Trái sang phải: Xương mặt s, khuôn mt tái to, khuôn mt tht.
Năm 1963, Altemus đo độ dày các mt t phim X quang s não
nghiên ca 50 tr em người M da đen ở Washington, D.C (25 nam, 25 n)
tui t 12 16. Sau đó ông rút ra kết lun: s biến thiên ln các
mm che ph mt các cá thể. Heglar cũng tiến hành nghiên cu các tr
em da trng (21 nam 27 n tui 10 18). Ông đã thực hiện 13 phép đo
phim X quang nghiêng, kết qu nghiên cứu tương t như nghiên cứu ca
Altemus.
Mt nghiên cu rt toàn din v độy mô mt người M da đen của
Rhine và Campbell (1980) [30]. H đã nghiên cứu mu gm 59 t thi da đen
không ướp (44 nam, 15 n) và đo kích thước 10 điểm giữa và 22 điểm bên và
cho ra các thông s độ dày mô mềm (mm) cho người M da đen như ở Bng
2.
Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 23 Hình 10. Tái tạo mặt dựa trên xương sọ mặt của nạn nhân Trái sang phải: Xương mặt sọ, khuôn mặt tái tạo, khuôn mặt thật.  Năm 1963, Altemus đo độ dày các mô ở mặt từ phim X – quang sọ não nghiên của 50 trẻ em người Mỹ da đen ở Washington, D.C (25 nam, 25 nữ) tuổi từ 12 – 16. Sau đó ông rút ra kết luận: Có sự biến thiên lớn ở các mô mềm che phủ mặt ở các cá thể. Heglar cũng tiến hành nghiên cứu ở các trẻ em da trắng (21 nam và 27 nữ tuổi 10 – 18). Ông đã thực hiện 13 phép đo phim X – quang nghiêng, kết quả nghiên cứu tương tự như nghiên cứu của Altemus.  Một nghiên cứu rất toàn diện về độ dày mô mặt ở người Mỹ da đen là của Rhine và Campbell (1980) [30]. Họ đã nghiên cứu mẫu gồm 59 tử thi da đen không ướp (44 nam, 15 nữ) và đo kích thước 10 điểm giữa và 22 điểm bên và cho ra các thông số độ dày mô mềm (mm) cho người Mỹ da đen như ở Bảng 2.