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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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.