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 24 Bảng 2. Các thông số độ dày mô mềm (mm) cho người Mỹ da đen STT Tên thông số Gầy Bình thường Béo Nam Nữ Nam Nữ Nam Nữ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Supraglabella Glabella Nasion End of Nasals Mid Philtrum Upper Lip Margin Lower Lip Margin Chin-Lip Fold Mental Eminence Beneath Chin Frontal Eminence Supraorbital Suborbital Inferior Malar Lateral Orbit Zygomatic Arch Supraglenoid Gonion Supra M 2 Occlusal Line Sub M 2 2.25 2.50 4.25 2.50 6.25 9.75 9.50 8.75 7.00 4.50 3.00 6.25 2.75 8.50 5.00 3.00 4.25 4.50 12.00 12.00 10.00 2.50 4.00 5.25 2.25 5.00 6.25 8.50 9.25 8.50 3.75 2.75 5.25 4.00 7.00 6.00 3.50 4.25 5.00 12.00 11.00 9.50 4.25 5.25 6.50 3.00 10.00 9.75 11.00 10.75 11.25 7.25 4.25 8.25 5.75 13.25 10.00 7.25 8.50 11.50 19.50 18.25 16.00 3.50 4.75 5.50 2.75 8.50 9.00 10.00 9.50 10.00 5.75 3.50 7.00 6.00 12.75 10.75 7.50 8.00 12.00 19.25 17.00 15.50 5.50 7.50 7.50 3.50 11.00 11.00 12.75 12.25 14.00 10.75 5.50 10.25 8.25 15.25 13.75 11.75 11.25 17.50 25.00 23.50 19.75 4.25 7.50 7.00 4.25 9.00 11.00 12.25 13.75 14.25 9.00 5.00 10.00 8.50 14.00 14.75 13.00 10.50 17.50 23.75 20.25 18.75  Một cách sử dụng phương pháp độ dày các mô để tái tạo khuôn mặt là đắp đất sét lên hộp sọ. Đầu tiên là chuẩn bị hộp sọ, ta cần phải chú ý đến các phần mỏng, dễ vỡ như mũi và hốc mắt. Bộ răng thường cung cấp rất nhiều thông tin hữu ích, lúc này lại cần đến kinh nghiệm nha khoa. Với việc tái tạo phần dưới của mặt, hàm dưới cần được điều chỉnh vị trí đảm bảo chính xác với hộp sọ. Kết hợp với một nhà nhân loại học, ta có thể nhận định được độ tuổi, giới tính và vóc người. Khi có được các dữ liệu đo đạc được này, người

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 25 ta sẽ đắp đất sét lên hộp sọ để tạo thành khuôn mặt sao cho các điểm và khoảng cách được khớp. Hình 11 mô tả quá trình khôi phục khuôn mặt như trên. Hình 11. Mô hình khuôn mặt với việc đắp đất sét lên hộp sọ, sử dụng phương pháp độ dày các mô 2.3.2.2 Các phƣơng pháp 3D sử dụng công nghệ thông tin Phương pháp 3D sử dụng công nghệ thông tin chính là phương pháp tái tạo khuôn mặt với sự trợ giúp của máy tính. Thông thường phương pháp này gồm các bước sau:  Bước 1: Tạo mô hình 3D từ hộp sọ Sử dụng các thiết bị số hóa như chụp cắt lớp, Computerized Axial Tomography Scan (CT-scan), chụp cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging - MRI), hoặc các thiết bị số hóa ba chiều khác để tạo ra mô hình 3 chiều của hộp sọ. Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính cho phép đo đạc chính xác chiều dày của các mô mềm vùng đầu mặt. Một số lượng lớn các số đo chiều dày mô mềm được thu thập với các thuộc tính liên quan như tuổi, giới, tầm vóc, nhóm chủng tộc. Những dữ liệu thu được có thể là một tập các ảnh hai chiều (với phương pháp chụp cắt lớp và chụp cộng hưởng từ) hoặc một tập các điểm 3 chiều chưa theo cấu trúc chứ chưa phải là mô hình 3 chiều của hộp sọ ngay. Vì vậy, để thu được mô hình 3 chiều cần thiết, chúng ta lại phải nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật xây dựng

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 26 mô hình 3 chiều từ nhiều ảnh [22], các kỹ thuật tổ chức lại tập các điểm 3 chiều thành cấu trúc. Tuy nhiên các kĩ thuật đã đề xuất còn có độ chính xác chưa cao nên công việc này vẫn còn đang là vấn đề cần nghiên cứu nhiều hơn.  Bước 2: Xác định các điểm mốc, các điểm đặc trưng tương ứng trên da và dựng mô hình khuôn mặt Trên mô hình 3D có được sau bước đầu tiên của hộp sọ, người ta xác định được các điểm mốc, sau đó tại các điểm mốc này, người ta xác định các điểm tương ứng trên da (các điểm đặc trưng của khuôn mặt) nhờ vào độ dày của mô. Xác định chính xác các điểm đặc trưng này một cách tự động cũng là một công việc được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm và đã giải quyết được phần nào. Dựa vào các điểm đặc trưng này, người ta có thể thực hiện phép nội suy nhờ các công cụ như mạng hàm cơ sở bán kính (Radial Basis Functions - RBF), B-spline, Non- uniform rational B-spline (NURBS), Spline phân cấp,.. để tạo ra lưới 3 chiều của bề mặt khuôn mặt tương ứng [10][11]. Một phương pháp khác dùng các phương pháp xác suất thống kê dựa trên tập cơ sở dữ liệu đã có để tính ra được lưới 3 chiều của bề mặt khuôn mặt [8]. Người ta cũng có thể tạo ra một lưới 3 chiều mẫu cùng với các điểm điều khiển trên đó. Sử dụng các kĩ thuật biến dạng dựa trên điểm điều khiển, người ta thay đổi điểm điều khiển một cách hợp lý để tạo được lưới 3 chiều của bề mặt khuôn mặt tương ứng [28]. Một số nhà nghiên cứu còn sử dụng phương pháp mô phỏng các vùng phần mềm trên khuôn mặt người, như các cơ mặt, lớp da,… để tái tạo lại được toàn bộ vùng đầu và mặt một cách hoàn chỉnh dựa trên mô hình 3D của hộp sọ và độ dày các mô mềm tương ứng, không những vậy họ còn có thể tái tạo lại được các chuyển động trên khuôn mặt [19].  Bước 3: Làm đẹp khuôn mặt tái tạo được Mô hình 3D của khuôn mặt sau khi được tái tạo cũng có thể được làm chân thật hơn bằng cách thêm các bộ phận trên mặt như mắt, mũi, tai, môi; và dán bề mặt da. Tuy nhiên có khó khăn là các bộ phận như mắt, mũi, và miệng không đoán biết được từ xương sọ mặt. Công việc làm đẹp khuôn mặt này đòi hỏi việc nghiên cứu các kỹ thuật mô phỏng lớp da và các kỹ thuật ghép ảnh 2 chiều vào 3 chiều.

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 27 Hình 12. Quá trình tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ a) Quét hộp sọ b) Thêm các điểm đặc trưng c) Khớp các cơ vào hộp sọ d) Dán bề mặt và với biểu hiện cười. Hình 12 cho ta hình dung về một quá trình tái tạo khuôn mặt từ khâu đầu tiên quét hộp sọ (a), sau đó thêm các điểm đặc trưng lên ảnh thu được (b), kế tiếp là khớp các cơ vào hộp sọ (c) và cuối cùng là làm mịn, đẹp khuôn mặt tái tạo được (d). Một ví dụ vào năm 1997, Francesco Mallegni cùng các nhà Ai Cập học đã sử dụng kĩ thuật cắt lớp vi tính xoắn ốc (Hình 14b) để tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ trong xác ướp một hoàng tử Ai Cập. Xác ướp có niên đại vào khoảng 339-201 trước Công Nguyên và được lưu giữ trong bảo tàng khảo cổ học ở Florence (Hình 13a) . Các nhà khoa học Ai Cập cũng đã tạo được hình ảnh kĩ thuật số đầu tiên về khuôn mặt của Pharaoh huyền thoại Tutankhamun (Hình 14a) sau khi chụp cắt lớp xác ướp 3000 tuổi. Sau đó họ dựng lên khuôn mặt như Hình 14b và cuối cùng là dán bề mặt mô mềm như Hình 14c.

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 28 (a) (b) Hình 13. Ảnh chụp đầu của xác ướp ở Florence (inv. N. 8643) (a) và ảnh chụp cắt lớp xoắn ốc (b) (a) (b)

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 29 (c) Hình 14. Dựng lại khuôn mặt của Pharaoh Tutankhamun. (a) Mô hình kĩ thuật số của xác ướp. Bề mặt mô mềm (trái), mô cứng (phải). (b) Khuôn mặt dựng được. (c) Gương mặt tái tạo được sau khi dán bề mặt mô hình mô mềm. Một số hệ thống phần mềm tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ:  Hệ thống do Björn Anderson, Martin Valfridson phát triển năm 2005 [6]. Hệ thống sử dụng phần mềm đồ họa 3DS MAX. Quá trình hoạt động của hệ thống như sau:  Bước 1: Thu thập dữ liệu từ quét CT. Hộp sọ được quét bởi CT-scanner. Các lớp cắt được lưu ở định dạng DICOM.  Bước 2: Phân đoạn dữ liệu. Phần mềm phân đoạn được sử dụng để chỉnh sửa các lớp nhằm loại bỏ các thứ dính vào các hốc. Phần mềm phân đoạn này cũng được sử dụng để tạo ra mô hình 3D để nhập vào 3DS MAX.  Bước 3: Nhập mô hình vào 3DS MAX và thực hiện tiền xử lý như chuẩn hóa và quay mô hình.  Bước 4: Đặt vị trí các mốc nhờ giao diện đồ họa.  Bước 5: Phủ các hốc trên hộp sọ  Bước 6: Thực hiện các tính toán trên lưới dựa trên độ dày của mô tại các mốc nội suy độ dày mô tại các điểm khác.  Bước 7: Tạo cằm, cổ, mũi, mắt, tai và môi.  Bước 8: Hậu xử lý mô hình. Chỉnh sửa mô hình dựa trên các hiểu biết về

Chương 2. Các phương pháp tái tạo khuôn mặt Nguyễn Đình Tư 30 diện mạo mặt người.  Bước 9: Dán bề mặt (texture) và tạo ảnh.  Phần mềm của Kolja Kähler và Jörg Haber (Viện khoa học máy tính Max Plank ở Saarbrucken, 2003) [19] Tháng 12/2003, trong luận án tiến sĩ về đề tài “Mô hình hóa đầu với cấu trúc giải phẫu để mô hình hóa và làm sống động khuôn mặt”, Kolja Kähler đã nghiên cứu các cơ mặt, hoạt động và sự biến dạng của chúng và đã xây dựng phần mềm tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ. Sau đó phần mềm này đã được tác giả và cộng sự tại Đại học Saarland phát triển thành một hệ thống. Hệ thống cho phép tái tạo nhanh chóng một khuôn mặt và làm sống dậy những nét cá tính riêng dựa trên việc xây dựng 24 kiểu co dãn cơ trên khuôn mặt. Hệ thống cho phép thay đổi sắc thái tình cảm trên khuôn mặt.  Phần mềm FACES của nhóm tác giả thuộc Đại học Salerno, Italy, 2004 Phần mềm tái tạo khuôn mặt từ hộp sọ của những người cổ đại dựa trên việc nắn chỉnh (warping), biến dạng mô hình mặt được chọn từ tập các mô hình với các giới tính, sắc tộc khác nhau để phù hợp với các điểm mốc trên hộp sọ. Nhiều thuật toán nắn chỉnh khác nhau được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ này. Hệ thống sử dụng hai Cơ sở dữ liệu (CSDL): CSDL kích thước hộp sọ (Craniometrical Database) và CSDL các khuôn mặt (Pictorial Physiognomic Database).  Hệ thống của các nhà khoa học thuộc Viện nghiên cứu các hệ thống hàng không Nga (GosNIIAS), 2001. Hệ thống được xây dựng dựa trên cách tiếp cận biến đổi mô hình khuôn mặt 3 chiều để thỏa mãn các điều kiện về khoảng cách từ các điểm mốc trên hộp sọ tới các điểm trên bề mặt.

Chương 3. Hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư 31 Chƣơng 3 HỆ THỐNG TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG Chúng tôi phát triển một hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng trên khuôn mặt bằng cách sử dụng các mạng RBF. Hệ thống sử dụng một mô hình khuôn mặt nguồn, trên khuôn mặt gốc đã xác định sẵn các điểm đặc trưng. Đầu vào của hệ thống là tọa độ các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích, ở bước đầu tiên hệ thống sẽ chuẩn hóa lại tập tọa độ này, đưa chúng về hệ tọa độ mà hệ thống sử dụng. Các mạng RBF được huấn luyện bằng tập điểm đặc trưng nguồn và tập điểm đặc trưng đích. Sau đó, các mạng RBF sẽ biến đổi mô hình khuôn mặt nguồn thành mô hình khuôn mặt đích cần tái tạo. Nếu mô hình khuôn mặt đích này có điểm bất hợp lý hoặc muốn chỉnh lại cho đẹp mắt hơn, nó có thể được chỉnh sửa theo từng vị trí có điểm đặc trưng hoặc theo đặc điểm của cả một vùng trên khuôn mặt để cho một mô hình khuôn mặt đẹp và chính xác hơn. Trong chương này, chúng tôi mô tả cụ thể về hệ thống này. 3.1 Mô hình hệ thống Hệ thống này sử dụng mô hình khuôn mặt xây dựng theo phương pháp biểu diễn mô hình khuôn mặt với lớp da là lưới tam giác. Quá trình tái tạo mô hình khuôn mặt của hệ thống được chia thành các bước chính sau:  Chuẩn hóa dữ liệu: Mô-đun này có nhiệm vụ chuẩn hóa dữ liệu đầu vào, tức là đưa tọa độ các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích về cùng một hệ tọa độ chứa các điểm đặc trưng trên khuôn mặt nguồn mà hệ thống sử dụng.  Biến đổi khuôn mặt: Đây là mô-đun quan trọng nhất của hệ thống. Module này có nhiệm vụ tìm ra các tham số của các hàm RBF để biến đổi các điểm đặc trưng trên khuôn mặt nguồn về các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích, từ đó xây dựng mô hình khuôn mặt đích.  Chỉnh sửa khuôn mặt: Mô-đun này có nhiệm vụ điều chỉnh các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích dựa trên phản hồi của người dùng đối với khuôn mặt vừa tái tạo được. Các tọa độ sau khi thay đổi được đưa lại vào module biến đổi khuôn mặt để tái tạo một mô hình khuôn mặt đích mới. Quá trình

Chương 3. Hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư 32 tiếp tục như vậy cho đến khi người dùng thỏa mãn với mô hình khuôn mặt đích được xây dựng. Mô hình khuôn mặt đích này là đầu ra cuối cùng của hệ thống. Như vậy hệ thống mà chúng tôi xây dựng cho phép người dùng can thiệp, điều chỉnh vào đầu ra tạm thời cho tới khi mô hình khuôn mặt đích xây dựng được phù hợp nhất có thể. Mô hình hệ thống được minh họa trong Hình 15. Các mục tiếp theo của chương sẽ đi sâu vào mô tả chi tiết từng bước (mô-đun) của hệ thống.

Chương 3. Hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng Nguyễn Đình Tư 33 Hình 15. Mô hình hệ thống tái tạo mô hình khuôn mặt từ các điểm đặc trưng (*Nếu người dùng không có yêu cầu chỉnh sửa gì thêm thì Mô hình khuôn mặt đích nhận được sau “Biến đổi” là đầu ra cuối cùng của hệ thống) HỆ THỐNG TÁI TẠO MÔ HÌNH KHUÔN MẶT TỪ CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG Các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích Mô hình khuôn mặt đích* Chuẩn hóa Tọa độ các điểm đặc trưng trên khuôn mặt đích Biến đổi Tọa độ các điểm đặc trưng trên khuôn mặt nguồn Mô hình khuôn mặt nguồn Chỉnh sửa