nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt

Thực tại ảo là một lĩnh vực trong công nghệ thông tin, với sứ mệnh lớn lao là mô phỏng các hệ thống thông minh, có tính tương tác linh hoạt, sinh động như thế giới thực, điều mà các nhà

thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi suốt thời gian nghiên cứu và phát triển luận văn Thầy đã luôn nhiệt tình, tận tâm chỉ bảo cho tôi những kiến thức bổ ích, những nhận xét quý giá kịp thời Thầy là người trực tiếp giúp đỡ tôi tìm hiểu và hoàn thành đề tài, trong khi lĩnh vực mà tôi nghiên cứu hoàn toàn là một lĩnh vực mới

Xin cảm ơn trường Đại học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, Viện Công Nghệ Thông Tin đã mang lại cho tôi những điều kiện học tập tốt nhất Có thể nói đây là môi trường học tập tốt cho tôi, giúp tôi nghiên cứu và tìm hiểu nhiều tri thức có giá trị cho chuyên môn công nghệ thông tin của mình cũng như các kỹ năng khác Ở môi trường đào tạo này tôi đã gặp được những người thầy hết sức tận tâm,

có tác phong làm việc khoa học chuyện nghiệp, giúp tôi học hỏi được nhiều điều quý giá Đặc biệt xin cảm ơn các anh chị ở Viên công nghệ thông tin đã hỗ trợ giúp

đỡ để tôi hoàn thành sản phẩm đề mô

Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp, đồng nghiệp và đơn vị nơi tôi công tác đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi đã động viên tôi trong suốt quá trình học và hoàn thành luận văn

Thanh Hóa, tháng 10 năm 2011

Mai Tiến Dũng

túc, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt” hoàn thành đúng kế hoạch đăng ký làm luận văn cao học

Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã tìm hiểu, nghiên cứu, tổng hợp nhiều nguồn tài liệu khác nhau, với sự chỉ đạo, giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, kết quả của đề tài là sản phẩm lao động của cá nhân tôi và sự Các nguồn tài liệu

sử dụng được trích dẫn rõ ràng, khoa học

Tôi xin cam đoan những điều trên là hoàn toàn đúng

Thanh Hóa, tháng 10 năm 2011

Mai Tiến Dũng

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DẠNH MỤC CÁC HÌNH ii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÔ PHỎNG KHUÔN MẶT NGƯỜI 4

1.1 Khái quát về thực tại ảo 4

1.1.1 Thực tại ảo là gì? 5

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo 11

1.2 Biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo 23

1.2.1 Mô hình hóa khuôn mặt 23

1.2.2 Hoạt hóa khuôn mặt 29

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG THÁI KHUÔN MẶT NGƯỜI 31

2.1 Các trạng thái cơ bản khuôn mặt 31

2.2 Biểu diễn trạng thái khuôn mặt nhờ hàm biến đổi 33

2.3 Biểu diễn trạng thái khuôn mặt nhờ kỹ thuật hoạt hóa 43

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM 50

3.1 Bài toán 50

3.2 Phân tích bài toán 51

3.3 Chương trình biểu diễn trạng thái cơ bản của khuôn mặt 52

PHẦN KẾT LUẬN: TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DẠNH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 JWARS Mô phỏng không gian chiến trường thực - ảo 12

Hình 1.2 Một số phần cứng trong hệ thống hiện thực tại ảo 14

Hinh 1.3 Mô phỏng không gian nội thất bằng phần mềm autocad 16

Hình 1.4 Mô phỏng gương mặt bệnh nhân trước và sau phẫu thuật 17

Hình 1.5 Mô hình cơ cánh tay 18

Hình 1.6 Phòng học trực tuyến topica được thiết kể trong thế giới ảo 19

Hình 1.7 Phòng thí nghiệm vẽ 3D trên mặt phẳng 2 chiều 20

Hình 1.8 Huấn luyện lính tăng bằng hệ mô phỏng 22

Hình 1.9 Mô hình khu đô thị Mỹ Đình – Từ Liêm –Hà Nội 23

Hình 1.10 Găng tay cảm xúc 25

Hình 1.11 Mô phỏng bảo tàng Chăm 26

Hình 1.12: Đắm chìm trong thế giới ảo của game 3D 27

Hình 1.13 Phòng họp hội thảo từ xa, trực tuyến 28

Hình 1.14 Các cảm xúc cơ bản thể hiên trên nét mặt 30

Hình 1.15 Mô phỏng khuôn mặt 3D từ ảnh 2D 31

Hình 1.16 Mô hình mặt theo CANDIDE và GRETA 32

Hình 1.17 Tô bóng theo Gaurund 33

Hình 1.18 Bề mặt B-spline 35

Hình 2.1 Trạng thái vui 37

Hình 2.2 Trạng thái buồn 37

Hình 2.3: Trạng thái căm gét 38

Hình 2.4 Trạng thái sợ 38

Hình 2.5 Trạng thái ngạc nhiên 39

Hình 2.6 Trạng thái giận 39

Hình 2.7 Phép nội suy tuyến tính thực hiện trên các giá trị kết hợp cơ mặt 41

Hình 2.8 Các điểm đặc trưng trong MPEG-4 45

Hình 2.9 Một số FAP 46

Hinh 2.10 Các đơn vị tham số hoạt ảnh khuôn mặt 47

Hình 2.11 Lược đồ hoạt ảnh theo chuẩn MPEG-4 48

Hình 2.12 Mô hình khuôn mặt có thể morphing do Blanz và Vetter đưa ra 50

Hình 2.13 Các cơ chính trên mặt 51

Hình 2.14 Mô hình da ba tầng được sử dụng bởi Terzopoulos và Waters 52

Hình 2.15 Một số đơn vị hành động 54

Hình 3.1 Khung hình khuôn mặt 3D ban đầu 60

Hình 3.2 Khung hình khuôn mặt nhìn nghiêng 61

Hình 3.3 Trạng thái mỉm cười của khuôn mặt 62

Hình 3.4 Trạng thái ngạc nhiên của khuôn mặt 63

MỞ ĐẦU

Thế giới luôn luôn vận động phát triển, và tất nhiên công nghệ thông tin cũng trong trào lưu đó Trong quá trình vận động, ngành công nghệ thông tin có những bước phát triển mang tính cách mạng, từ việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc thấp chuyển sang ngôn ngữ bậc cao thông minh, từ việc dùng hệ điều hành MS- Dos chuyển sang dùng hệ điều hành Windows một trong những cuộc cách mạng của công nghệ thông tin đó là phát triển môi trường đồ họa trong máy tính Đồ họa máy tính có tính ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin như hỗ trợ thiết kế, biểu diễn thông tin, ứng dụng trong giải trí - nghệ thuật, giáo dục - đào tạo, hỗ trợ giao tiếp người và máy tính…

Tất cả ứng dụng đồ họa đều có giao diện giao tiếp với người dùng, các giao diện

đồ họa tạo nên sự thuận tiện và thoải mái trong quá trình giao tiếp người – máy Các ứng dụng chạy trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa mang tính thuyết phục, trực quan về đóng góp của đồ họa máy tính Các chức năng, thay vì thể hiện qua các yêu cầu, dòng lệnh phức tạp, ngày nay nó được thể hiện qua các biểu tượng do đồ họa hỗ trợ, việc thực hiện các chức năng chỉ cần thông qua các thao tác cơ bản của của con trỏ chuột Với sự hỗ trợ của đồ họa, việc hỗ trợ tối đa trong không gian biểu diễn là hoàn toàn có thể được, sẽ giúp người dùng dễ dàng

sử dụng hơn

Mô phỏng thế giới thực tại, và đưa ra những quyết định mang tính chuyên gia luôn luôn là mục tiêu của các hệ thống thông minh có hỗ trợ đồ họa Điều đó sẽ làm cho tính ứng dụng mềm mại hơn, có hiệu quả và thực sự hữu ích hơn, giải quyết triệt để hạn chế của các ứng dụng đồ họa hiện nay Thực tế, nhiều ứng dụng với quá trình tương tác người máy thông qua các thiết bị hỗ trợ như chuột, bàn phím, màn hình, các núm cầm, từ các thao tác trên các thiết bị đó sẽ là thông tin đầu vào

ra quyết định thực hiện chức năng trên giao diện đồ họa Việc mà người dùng quan tâm đó là tìm hiểu chức năng của các biểu tượng, và làm thế nào để thao tác nhanh

với các thiết bị cung cấp dữ liệu vào cho máy tính Máy tính thật sự vẫn phải chờ đợi dữ liệu mang tính thao tác cơ học của người dùng, thực tế các trạng thái cảm xúc chưa có vai trò thông tin để máy tính xử lý Tiếp nhận thông tin cảm xúc con người và thể hiện thông tin cảm xúc đó vẫn còn là hạn chế

Vấn đề biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo là rất khó khăn, vì ngoài phần khung xương còn có các mô, phần mềm của khuôn mặt Nhiều khuôn mặt, về cấu trúc xương là giống nhau, nhưng phần mềm trên khuôn mặt, có sự khác nhau, dẫn đến khuôn mặt có sự khác nhau Điều này rất khó trong quá trình thể hiện Chính vì thế, giải pháp sử dụng máy tính để mô phỏng, cho phép tạo ra các kiểu mặt khác nhau trong một cấu trúc, từ đó so sánh với mô tả từ đời sống thực để nhận dạng Nhận dạng khuôn mặt có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, nhất là trong khoa học hình sự và trong y học

Xây dựng thư viện khuôn mặt là một việc khó, thể hiện trạng thái khuôn mặt lại càng khó hơn Chúng ta có thể xây dựng cho kết cấu khung xương của khuôn mặt, nhưng việc đắp phần mềm cho khuôn mặt theo mô tả là rất khó Từ đó, xác định trạng thái của khuôn mặt, thể hiện những thông tin cảm xúc càng khó hơn Tuy nhiên nếu xác định rõ trạng thái cảm xúc trên khuôn mặt, sẽ giúp chúng ta có những kết luận chính xác trong cuộc sống để hỗ trợ nhiều vấn đề như khám chữa bệnh cho người bệnh từ xa, hay đàm phán kinh doanh, hoặc tìm hiểu tâm lý

Xuất phát trong hoàn cảnh đó việc nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt trong thực tại ảo là vấn đề không chỉ có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thời

sự mà còn mang đậm tính thực tiễn

Luận văn được tổ chức gồm 3 chương, trong đó chương 1 giới thiệu về thực tại ảo

và các ứng dụng của thực tại ảo, từ khung nhìn tổng quan của thực tại ảo, để tiếp cận nghiên cứu biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo Chương 2 nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn khuôn mặt, tập trung miêu tả các trạng thái cơ bản của khuôn mặt, dùng một số kỹ thuật điền hình để biểu diễn trạng thái khuôn mặt

Chương 3 cài đặt ứng dụng thử nghiệm, biểu diễn trạng thái cơ bản của khuôn mặt Phần kết luận sẽ tổng kết những kết quả nghiên cứu và phân tích ưu điểm, nhược điểm và đề xuất hướng nghiên cứu và cải tiến trong tương lai cho sự nghiên cứu này

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÔ PHỎNG KHUÔN MẶT NGƯỜI

Công nghệ thông tin ra đời đánh dấu một cuộc cách mạng lớn về công nghệ Ngày nay công nghệ thông tin được áp dụng hầu hết trong các lĩnh vực của xã hội Mục tiên của các ứng dụng công nghệ thông tin là tự động hóa các vấn đề trong thực tế, một ứng dụng thông minh là ứng dụng hỗ trợ tối đa, linh hoạt với người dùng Thực tại ảo là một lĩnh vực trong công nghệ thông tin, với sứ mệnh lớn lao là mô phỏng các hệ thống thông minh, có tính tương tác linh hoạt, sinh động như thế giới thực, điều mà các nhà khoa học luôn mong muốn, vì thực sự đó là cái đích phục vụ hiệu quả mà công nghệ thông tin mang lại cho con người

1.1 Khái quát về thực tại ảo

Thực tại ảo là một ngành công nghệ có nhiều tiềm năng và ứng dụng vô cùng to lớn

Ra đời vào những năm đầu thập kỷ 90, khái niệm thực tai ảo xuất hiện vào năm

1950, với sự ra đời của hệ thống ảo nguyên sơ đầu tiên do Morton Heilig thiết kế Mười năm sau, giáo sư Sutherland đã quản lý xây dựng thành công hệ thống thực tại ảo cơ bản đầu tiên có tên gọi là “Sword of Damocles” [15] trên máy vi tính

“Sword of Damocles” bao gồm: một màn hình máy tính, một hệ thống máy điều chỉnh, một máy tính để làm mọi thứ Thành công của hệ thống này, là đã đưa ra khái niệm làm việc cơ bản của hệ thống thực tại ảo, tương tác với người xem

và thuyết phục người xem bằng các cảm giác thực trong một hệ thống mô phỏng với đầu ra có tính tương tác Tiếp sau thành công đó, các nhà nghiên cứu và phát triển đã tiến hành xây dựng các thiết bị hỗ trợ hệ thống, sử dụng không gian để

mô phỏng, hệ thống thực tại ảo luôn được thúc đẩy nghiên cứu, xây dựng và

áp dụng

Ngày nay, việc áp dụng thực tại ảo luôn được áp dụng rông rãi, đi đầu trong lĩnh vực này là Mỹ và Châu Âu, việc áp dụng thực tại ảo ở Việt Nam cũng đang được phát triển, và hy vọng sẽ được áp dụng rộng rãi và phát huy vai trò thực sự

góp phần phát triển khoa học – kỹ thuật, giáo dục-đào tạo, kinh tế - xã hội Không

ai, phủ nhận vai trò của thực tại ảo trong quá trình phát triển và áp dụng, ngay cả trong tương lai, thực tại ảo vẫn đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống Nghiên cứu về thực tại ảo là rất phức tạp và đòi hỏi hệ thống có sự phối hợp đồng

bộ Bản chất thực tế ảo là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được

sử dụng để mô phỏng thế giới với sự tương tác thật, ta có thể gọi đó là thế giới ảo

1.1.1 Thực tại ảo là gì?

Thực tại ảo là một lĩnh vực mô phỏng môi trường thế giới thực trong không gian

ba chiều thể hiện trên máy tính Trong thế giới mô phỏng (thế giới ảo), bằng việc quan sát và thực hiện những tương tác con người có thể làm thay đổi thế giới đó theo mong muốn giống như tương tác với thế giới thực Thông qua thiết bị đầu vào,

hệ thống sẽ mô phỏng và biến đổi môi trường thế giới ảo, con người có thể quan sát

và cảm nhận sự biến đổi thông qua các thiết bị đầu ra

Thế giới ảo là một hệ thống mô phỏng sinh động, tuy nhiên nó không hạn chế như một bộ phim để con người chỉ cảm nhận và chiêm ngưỡng, nó là một hệ thống có tính tương tác phong phú, cho phép con người có thể xây dựng và phát triển hệ thống đó, bản thân hệ thống cũng có trí tuệ, nó có thể tạo nên những sản phẩm

mô phỏng, hoặc cung cấp những quyết định, mô phỏng tình huống theo yêu cầu đầu vào Với đặc tính tương tác thông minh, hệ thống thực tại ảo, thực chất có vai trò lớn với những lĩnh vực có tính giả định và đòi hỏi rút trích tri thức thực nghiệm cao

Hệ thống thực tại ảo là hệ thống tương tác thời gian thực Bản thân thế giới ảo, có thể thay đổi khi nhận tín hiệu vào, chủ yếu tín hiệu vào qua hệ thống máy tính Đối tượng tương tác sẽ thấy hệ thống thay đổi ngay khi đối tượng cung cấp tín hiệu cho hệ thống Đặc tính này mang đến cho hệ thống sự sinh động của một thế giới thể hiện tương tác linh hoạt, nó cho phép đối tượng tương tác có thể biến đổi

thế giới ảo theo ý tưởng định hình sẵn, trong mô hình chủ đề đã được tạo nên của

hệ thống

Hình 1.1 JWARS Mô phỏng không gian chiến trường thực - ảo

Tính tương tác của hệ thống mang đến sự cuốn hút kỳ lạ, điều này làm cho đối tượng tương tác có sự chú ý và hài lòng về thế giới ảo Hệ thống hiển thị thế giới ảo thông qua màn hình hiển thị, tuy nhiên hệ thống không bị hạn chế bởi không gian và kích thước vật lý của màn hình hiển thị, bản thân người tương tác sẽ cảm thấy đắm chìm thực sự trong thế giới ảo, vì đơn giản thế giới ảo tác động hầu hết các giác quan của đối tượng tương tác Trong thực tế người dùng không những nhìn thấy các đối tương 3D, mà còn sờ, điều khiển, cảm nhận được các đối tượng Ngoài các khả năng nhìn, nghe và hơn nữa là sờ, đó là một khả năng

cơ bản trong các hệ thống 3D, các nhà nghiên cứu không dừng ở đó, họ còn tạo nên các cảm giác phức tạp khác như ngửi, nếm…

Tập trung vào các đặc tính của thực tế ảo, có nhiều ý kiến đưa ra khái quát về công nghệ này Một trong những định nghĩa có tính chính xác, thực tế và hay dùng,

đó là của C Burdea và P Coiffet Theo C Burdea và P Coiffet thực tế ảo là một

hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng và máy tính [13] Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác

Ngoài đặc tính Tương tác và Đắm chìm hệ thống thực tại ảo còn có đặc tính tưởng tượng, đó là một đặc tính mà ít người để ý tới, nhưng chính đặc tính này giúp con người có những phỏng đoán và suy luận tốt cho thực tế Thực tế ảo không chỉ là một hệ thống tương tác Người- Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự,…Các ứng dụng này

do các nhà phát triển thực tế ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người Tri thức tưởng tượng của con người thực chất là các giả định khó có thể áp dụng trong thực tiễn, và điều cần thiết là có một môi trường

để biểu diễn các giả định đó dưới dạng mô phỏng, và từ đó có thể quan sát để rút ra các kết luận, hoặc có thể xây dựng mô hình kịch bản thật cho thực tế Tùy vào các lĩnh vực mà sự mô phỏng này có tính đa dạng riêng, những bài toán mô phỏng có giá trị hữu ích giúp đối tượng tương tác tập huấn trước khi thực hiện trong thế giới thực, nhằm tránh các rủi ro do tri thức thực tế chưa rõ ràng

Hệ thống thực tại ảo gồm nhiều thành phần như: môi trường không gian ba chiều,

mô hình tạo trên máy tính, sự tương tác, các thiết bị vào, ra Những gì cần thiết của thế giới thực sẽ được tái tạo trên máy tính, đó là môi trường cơ bản đầu tiên của hệ thống thực tại ảo Với sự hỗ trợ của các thiết bị đầu vào, con người có thể chìm đắm trong môi trường không gian ba chiều, quan sát và với môi trường ảo đó

Hệ thống thực tại ảo với phần mềm quản lý thông minh, sẽ xử lý yêu cầu đầu vào của con người thông qua thiết bị đầu vào, và thể hiện sự biến đổi của hệ thống như thế giới thực bằng các thiết bị đầu ra, cho con người cảm giác trải nghiệm như thế giới thực, mặc dầu đó là một thế giới mô phỏng diễn ra trong không gian ba chiều

Hình 1.2 Một số phần cứng trong hệ thống hiện thực tại ảo

Có thể khái quát, các thành phần trong hệ thống thực tại ảo là phần cứng, phần mềm, mạng liên kết, người dùng Điều đáng quan tâm nhất trong hệ thống đó

là phần cứng và phần mềm, đó là các thành phần cơ bản nhất của hệ thống

Thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong hệ thống thực tại ảo là máy với một cấu hình đồ họa đủ mạnh để thể hiện rõ nét và linh hoạt hệ thống tương tác 3D Các thiết bị kết nối với máy tính hết sức phong phú và đa dạng, hỗ trợ tối đa sự tương

tác linh hoạt Các thiết bị đầu vào (Input devices) : Bộ dò vị trí (position tracking)

để xác định vị trí quan sát Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay

dữ liệu (data glove) để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D nổi Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,…

Nằm trong hệ thống phần cứng phức tạp đó là phần mềm (Software) Cũng như bất kỳ hệ thống nào liên quan tới máy tính, phần mềm luôn là linh hồn của hệ thống

đó Một hệ thống thực tại ảo, muốn đạt được tính hiệu quả và khả năng thể hiện cao, đòi hỏi phần mềm được thiết kế với yêu cầu chặt chẽ, phức tạp, thể hiện việc

mô phỏng và tương tác sinh động, thực tế đó là những phần mềm có chất lượng, đòi hỏi sự gia công, đầu tư xây dựng tốt Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và

mô phỏng (simulation) các đối tượng của trong hệ thống thực tại ảo Từ các ngôn ngữ miễn phí OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, …đến các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,… đều cho phép các chuyên gia thiết kế được hệ thống thực tại ảo Việc sử dụng ngôn ngữ thể hiện nào, phụ thuộc vào ý định của các chuyên gia, nhưng dù sử dụng ngôn ngữ nào, thì phần mềm của hệt thống thực tại ảo phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng Các đối tượng của hệ thống thực tại ảo được mô hình hóa nhờ chính phần mềm, hay chuyển sang từ các mô hình 3D được thiết kế nhờ các phần mềm chuyên đồ họa như AutoCAD, 3D Studio…

Hinh 1.3 Mô phỏng không gian nội thất bằng phần mềm autocad

Khả năng tương tác của các đối tượng 3D, là thể hiện của quá trình mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng Phần mềm thực chất là tập các xây dựng, miêu tả và biểu diễn đối tượng trong thực tại ảo Một hệ thống càng sinh động, tương tác phức tạp, thì yêu cầu xây dựng hệ thống 3D và thể hiện,

mô phỏng hệ thống đó càng cao Bản chất quá trình xây dựng hệ thống là cần xác định cụ thể các tình huống và phỏng đoán chặt chẽ các tình huống khả thi Chính vì thế hệ thống thực tại ảo, là một hệ thống hết sức sinh động, và luôn phát triển để tiệm cận với thực tiễn cuộc sống, nó thực sự được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, từ những vấn đề thực tế cho tới những vấn đề giả tưởng, đều coi thực tế ảo là một phương tiện hữu ích để hỗ trợ, mô phỏng, tương tác

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo

Hiện nay, việc ứng dụng thực tại ảo đã trở nên rộng rãi với các quốc gia Tuy nhiên, việc thiết kế và xây dựng một hệ thống thực tại ảo không phải là đơn giản Tại các nước phát triển hệ thống thực tại ảo được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: khoa học,

kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giáo dục, y tế, giải trí…và đáp ứng mọi nhu cầu: nghiên cứu, giáo dục, thương mại

Y học là lĩnh vực truyền thống của thực tại ảo Các bác sỹ có thể sử dụng môi trường ảo cho việc đào tạo và tập rượt tất cả các tình huống, giai đoạn trong phẫu thuật y học giúp chuẩn đoán một bệnh nhân

Hình 1.4 Mô phỏng gương mặt bệnh nhân trước và sau phẫu thuật

Môi trường thực tại ảo cho phép mô phỏng bệnh nhân dưới dạng các mô hình thay thế đầy đủ các chức năng như thật, tại đó các mô hình này là công cụ giáo dục, đào tạo hữu ích, thay thế các mẫu thí nghiệm thật ngày càng ít trong ngân hàng

y học Thay vì dùng một quả tim thật để phẫu thuật, thay vì nhìn dưới góc soi nhỏ hẹp khó quan sát, ngày nay các bác sỹ tương lai, khi đang còn ngồi trên giảng đường, đã được quan sát các mô hình rất sinh động, hoàn toàn theo đúng nguyên lý sinh học thật Tháng 11 năm 1993, tại Châu Âu triển khai dự án nghiên cứu xây dựng lại mô hình cánh tay của con người trong không gian 3D từ những dữ liệu hình ảnh trong y học [1] Quá trình mô phỏng sẽ thể hiện sự thay đổi có thể có của các bộ phân như sự co giãn cơ

Hình 1.5 Mô hình cơ cánh tay Không phải lúc nào các bác sỹ cũng có mẫu thực hành phong phú và là mẫu thực hành thật Thiếu mẫu nghiên cứu, luôn là vấn đề quan tâm của ngành y học, do đó việc ứng dụng thực tại ảo mang đến giải pháp tích cực Quá trình phẫu thuật của bác sỹ, chữa trị các vùng nghiêm trọng, đòi hỏi tính chính xác cao, để nâng cao kinh nghiệm và tính chuẩn xác trong chữa trị của bác sỹ, thực tại ảo cho phép tập huấn các tình huống một cách thành thạo trước khi áp dụng vào thực tiễn

Sử dụng thực tại ảo, góp phần đáng kể trong giải pháp điều trị tâm lý Môi trường thực tại ảo, đóng vài trò là môi trường tiếp xúc của các bệnh nhân, kích ứng bệnh nhân vào các tình huống thực tiễn Trong môi trường thực tại ảo, cảm giác đắm chìm đưa bệnh nhân vào những trải nghiệm như môi trương thực tế, tạo nên những kích ứng hoàn toàn thật diễn ra trong quá trình đắm chìm đó Lợi thế của việc ứng dụng này, cho phép các bác sỹ thu được các dữ liệu từ bệnh nhân, mà không cần phải xảy ra điều đó thực sự trong hiện thực Việc thu thập các thông tin,

đưa tới những pháp đồ điều trị hiệu quả, ngay cả các pháp đồ sẽ linh hoạt được điều chỉnh trong quá trình khảo nghiệm bệnh nhân qua thế giới thực tại ảo

Luôn luôn có thể lấy được ví dụ đơn giản cho đến phức tạp để chứng minh thực tại ảo luôn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ việc mô phỏng tới việc thiết lập các kịch bản thực nghiệm Thực tại ảo được ứng dụng rộng rãi trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí

Ngày nay việc đào tạo giáo dục con người luôn luôn được chú trọng, đó là vấn đề hàng đầu của mỗi quốc gia Cùng với sự phát triển văn minh của nhận loại, việc đào tạo con người cũng có nhiều cải tiến, với sự hỗ trợ công nghệ hiện đại Thay vì giáo dục theo truyền thống hoàn toàn bị động và phụ thuộc vào sách vở, giáo dục ngày nay dễ dàng thiết kế bài giảng với cách thể hiện chứng minh tường minh, quan sát được, góp phần tăng khả năng tưởng tượng và tư duy của con người nâng cao hiệu quả giáo dục

Hình 1.6 Phòng học trực tuyến topica được thiết kể trong thế giới ảo

Áp dụng công nghệ thông tin trong giáo dục là một công việc phổ biến ngày nay Việc xây dựng mô hình thực tại ảo trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trường học tập và nghiên cứu cho học viên rất được quan tâm nghiên cứu, phát triển, ứng dụng Các mô hình được xây dựng hoàn toàn chuyển tải được thực tế vào môi trường mô phỏng đó, cho phép các học viên tương tác với thế giới ảo, quan sát và đưa ra những kết luận về tri thức, giúp cho việc giảng dạy đạt hiệu quả cao Tại nước Mỹ, khi tìm hiểu về sinh học các em học sinh không cần tới viện hải dương học, cũng có thể được quan sát các loài thủy, hải sản phong phú, thấy được quá trình phát triển và sinh sản của loài, thông qua màn hình thể hiện của hệ thống thực tại ảo Ngay trong thời điểm quan sát, các học sinh hoàn toàn có thể tương tác với màn hình của hệ thống để tạo nên những loài theo mong muốn Thực tại ảo, giúp cho các học sinh có thể làm thí nghiệm một cách đơn giản, hiệu quả, chính xác và

an toàn

Hình 1.7 Phòng thí nghiệm vẽ 3D trên mặt phẳng 2 chiều

Hệ thống thí nghiệm được mô tả trực quan trên màn hình tương tác, các học sinh có thể trực tiếp thiết lập dữ liệu thí nghiệm trên màn hình bằng các thao tác cơ bản như chọn, dịch chuyển các vật dụng thí nghiệm trong hệ thống mô phỏng, quá trình

thí nghiệm sẽ được thể hiện sinh động cho các học sinh quan sát Và ngay tại thời điểm đó, các tiến trình, kết quả của thí nghiệm được mô tả bằng hình ảnh 3D như thế giới thực

Rất nhiều các ví dụ trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí thường xuyên được con người biết tới, vì thực tế con người hay sử dụng tới nó Hệ thống mô phỏng có thể giúp con người có thể đi du lịch tại chỗ, hoặc chiêm ngưởng những tác phẩm điêu khắc, hội họa, những bộ phim hết sức thú vị Thực tế cho thấy, hệ thống

mô phỏng trong trong giáo dục, nghệ thuật và giải chí luôn mang lại những trải nhiệm nhiều cảm xúc cho phần đông con người, vì nó áp dụng rộng rãi trong thực tế Hệ thống thực tại ảo, áp dụng trong các lĩnh vực này dễ cài đặt hơn việc

mô phòng những dữ liệu chưa có, hoặc chưa trải nghiệm trong thực tế như y học, quân sự…

Trong lĩnh vực quân sự, thực tại ảo được ứng dụng rất nhiều Mục đích cơ bản của

mô phỏng trong thực tại ảo là làm thử để có kinh nghệm thật, đảm bảo an ninh cho con người Việc nghiên cứu, thao tác trên thiết bị mô phỏng cho phép rút ra những kết luận phục vụ cho nhiều hoạt động dân sự cũng như quân sự Công nghệ

mô phỏng là những công nghệ tạo ra những mô hình hoạt động gần giống như những sự vật, hiện tượng, quá trình xảy ra trong thực tế Áp dụng thực tế ảo sẽ tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh được những trường hợp rủi ro, nguy hiểm trong điều kiện thực, giảm tác động xấu tới môi trường…chất lượng công việc sẽ cao hơn, thậm chí có thể làm được cái không thể làm trong điều kiện thực

Thực tiễn, thực tại ảo giúp con người mô phỏng được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu các hoạt động tác chiến (trận chiến đấu, chiến dịch, hoạt động bảo đảm hậu cần, kỹ thuật…) và quá trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, sử dụng vũ khí, trang bị kỹ thuật mới Mô phỏng cho phép tái hiện nhiều lần hoạt động quân sự đã

và sẽ xảy ra; nghiên cứu các điều kiện tiến hành nó và rút ra các kết luận về

khả năng, quyết tâm chiến đấu của cả hai bên tham chiến, chọn phương án giải quyết tối ưu…

Hình 1.8 Huấn luyện lính tăng bằng hệ mô phỏng

Huấn luyện quân sự có đặc thù là phải tiến hành theo các phương án, tình huống giả định và mô phỏng là một công nghệ có nhiều ưu thế trong tái tạo cũng như tạo mới đáp ứng tốt đặc thù đó Khi ứng dụng trong huấn luyện quân sự, mô phỏng phát huy tối đa vai trò và hiệu quả, trở thành phương tiện huấn luyện hữu hiệu nhất,

nó có thể tạo dựng các hành động quân sự mà trên thực tế thời bình không thể thử nghiệm được (vì lí do tài chính, môi trường, an toàn) Đặc biệt, khi chiến tranh càng lùi xa, số lượng cán bộ trải qua chiến đấu ngày càng giảm, thì việc ứng dụng

mô phỏng là rất cần thiết: mô phỏng có thể tái hiện lại các trận đánh nhằm truyền thụ kinh nghiệm chiến đấu cho lớp trẻ; đồng thời mô phỏng cho phép nghiên cứu các điều kiện có thể xảy ra trong chiến tranh hiện đại, nên đáp ứng được

yêu cầu phòng chống và nghiên cứu giải pháp đánh bại cuộc chiến tranh bằng

vũ khí công nghệ cao

Hiện nay, có rất nhiều phần mềm đồ họa mạnh nhất chủ yếu được phục vụ trong lĩnh vực thiết kế và xây dựng như AUCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,…

Từ những phần mềm chuyên nghiệp đó, các kỹ sư xây dựng, kiến trúc… hoàn toàn

dễ dàng triển khai các mô hình với các yêu cầu kỹ thuật trên máy tính

Hình 1.9 Mô hình khu đô thị Mỹ Đình – Từ Liêm –Hà Nội

Quá trình thiết kế trở nên đơn giản hơn, tốn ít thời gian hơn, yêu cầu kỹ thuật được đáp ứng, độ chính xác cao Từ bản vẽ 2D, xây dựng lên mô hình 3D là hoàn toàn đơn giản, việc mô phỏng trực quan, sinh động không gian xây dựng thật trong tương lai là điều dễ dàng Người ta có thể nhìn thấy ngay hình dáng toàn nhà sẽ được xây dựng, có thể nhìn thấy một sân vận động với các khán giả, cầu thủ một

cách sống động…trên màn hình máy tính, mặc dù đó là sản phẩm xây dựng của tương lai, khi mà tất cả tuân thủ xây dựng theo bản vẽ được thiết kế trên phần mềm

Nhìn thấy trực quan những gì sẽ xây dựng trong tương lai là một điều thú vị, có lẽ trí tưởng tượng của người xem cũng không thể hình dung phong phú được không gian, phối cảnh… trong xây dựng khi mà chưa được nhìn thấy công trình đó Việc xây dựng các bản thiết kế, các mô hình trên bản thiết kế, mang lại sự chính xác, hiệu quả cao trong xây dựng, và thật sự giúp cho con người hoàn toàn

có thể biết được kết quả của thực tế, điều mà không còn gì mong đợi hơn nữa

Trong những năm gần đây, Công nghệ thông tin phát triển mạnh, và các ứng dụng của nó vào lĩnh vực này càng trở nên rộng rãi Để trợ giúp, đào tạo phi công, người ta xây dựng rất nhiều chương trình mô phỏng cho phi công tập luyện kết hợp với các thiết bị phần cứng để tạo ra một môi trường làm cho con người tưởng như ở trên một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra giống như thực tế Một chương trình máy tính tạo ra không gian 3D kết hợp với thiết bị phần cứng cho phép người phi công thực hiện những chuyến bay đến các sân bay đã được xây dựng sẵn với các tình huống khác nhau nhằm nâng cao kỹ năng xử lý tình huống như trong thực tế cho phi công Với cách làm này quá trình đạo tạo phi công đã giảm thiểu được thời gian đào tạo, chi phí đào tạo và nâng cao tính toán an toàn của mỗi chuyến bay,

và hệ thống này có tính sử dụng cao, sử dụng nhiều lần, góp phần nâng vào tần suất đào tạo

Khi tham quan các viện bảo tàng truyền thống chúng ta thường chỉ đứng ngắm nhìn

từ bên ngoài Để bảo vệ cho các hiện vật trong bảo tàng, người ta thường để chúng trong các tủ kính, hoặc phía xa người ngắm nhìn Nhìn là một trạng thái chủ yếu của khách tham quan Khắc phục hạn chế đó, phòng trưng bày Fisher của Đại học Nam California (USC) ở Los Angeles (Mỹ) với sự hỗ trợ của máy tính, đã cho phép người dùng cảm nhận được các vật trưng bày bằng xúc giác [12] Người sử dụng không chỉ được thấy, nghe, mà còn chạm và cảm nhận được hiện vật

Người dùng đeo một chiếc găng tay cảm ứng, là thiết bị giao tiếp với máy tính qua cổng USB Găng tay cảm xúc cho phép người dùng chạm vào, cảm nhận những gì được lưu trữ trong máy tính Việc sờ nắm các vật trưng bày ảo cho những cảm xúc thật qua sự hỗ trợ của gang tay cảm xúc Đây là công nghệ mới do Trung tâm

Hệ thống truyền thông tích hợp của USC tạo ra Trung tâm Hệ thống truyền thông tích hợp của USC đã tạo ra một phần mềm thuật toán cho phép nhiều loại phần cứng xúc giác khác nhau tiếp xúc với nhau qua một mạng máy tính

Theo các kỹ sư tại trung tâm Hệ thống truyền thông tích hợp của USC thì việc tiếp xúc bằng xúc giác qua mạng có mang đến một cách thức giao tiếp tiến bộ của con người với máy tính [12] Công nghệ này tương lai sẽ rất phát triển và có tác động lớn tới nhiều lĩnh vực của cuộc sống, ví dụ như người mua hàng sẽ sờ và cảm nhận được hàng hóa qua mạng, các game thủ sẽ trải qua những trạng thái thật hơn trong thế giới game, các tác phẩm văn học khi xây dựng trên công nghệ 3D tiên tiến này sẽ mang tới những trải nhiệm hết sức thú vị, mang tới những cảm xúc rất thật, nhờ đó mà tính nghệ thuật của các tác phẩm nghệ thuật sẽ cao hơn, nhiều người sẽ hiểu và quan tâm tới nghệ thuật hơn, kể

cả các tác phẩm nghệ thuật quý hiếm

trong bảo tàng cũng được người xem

cảm nhận với cảm giác thật Công nghệ

này khi được ứng dụng trong các

bảo tàng sẽ có tính giáo dục rất cao Với

việc sử dụng găng tay cảm xúc, các

du khách và người khảo cứu sẽ

cảm nhận được tác phẩm nghệ thuật mà

họ không gây tác hại gì cho các tác phẩm mà việc tiếp xúc bằng tay sẽ gây ra

Quá trình xây dựng sản phẩm 3D mô phỏng các việc bảo tàng rất công phu, yêu cầu kết hợp của nhiều kỹ thuật như kiến trúc, phối cảnh, nghệ thuật, âm thanh, màu sắc

Đó là một môi trường nhúng yêu cầu yếu tố nghệ thuật cao, vì vậy để thành công

đòi hỏi có sự gia công và đầu tư nghiêm túc Nếu chúng ta không đến bảo tàng, chúng ta có thể ngồi ở nhà, và tham quan bảo tàng bằng mô hình 3D Một bảo tàng 3D mang tới những hình ảnh sống động và siêu mịn Bằng sự kế hợp của trình thuyết minh, người xem sẽ đi từ vị trí này đến vị trí khác của bào tàng mà không cảm thấy mệt mỏi, nhàm chán Mô hình mô phỏng bảo tàng Chăm cho phép quảng bá và giới thiệu tới khách tham quan du lịch, cũng là một hình thức lưu trữ

tư liệu Mặc dù đây là một mô hình mang tính chất đơn giản, nhưng cũng mang lại cho người dùng những trải nghiệm thú vị Tùy thuộc vào nhu cầu người dùng,

mô hình mô phỏng này sẽ dẫn dắt người xem tới những gian phòng trưng bày của bảo tàng, người xem có thể tham quan sơ bộ bảo tàng Chăm Việc trải nghiệm đó sẽ mang tới những tri thức về bảo tàng, cũng có thể nảy sinh những quyết định về các chuyến du lịch tới nơi thú vị lưu trữ dấu ấn thời gian của nền văn hóa Chăm đặc sắc

Hình 1.11 Mô phỏng bảo tàng Chăm

Thực tại ảo tạo nên sức hấp dẫn kỳ lạ cho game và giải trí Thực tại ảo ra đời xuất phát từ một trong những yêu cầu chính đáng đó là phục vụ giải trí của con người Ngày nay trong các trung tâm thương mại chúng ta luôn thấy những đứa trẻ, có khi

là cả người lớn, say mê với các trò chơi đua xe, thám hiểm, tranh đấu, trượt tuyết, lướt sóng thật thú vị, khi họ ngồi lên những thiết bị và tay điều khiển những núm cầm, mắt đeo những kính chuyên biệt, và trước họ là một màn hình điện tử với chương trình mà thực tại ảo xây dựng Quá trình chơi game của họ là quá trình tương tác vào thế giới mô phỏng, với những cảm giác thật được truyền dẫn bởi các thiết bị hỗ trợ

Hình 1.12: Đắm chìm trong thế giới ảo của game 3D

Hoặc khi bạn vào những rạp phim, đeo vào một kính nhỏ, rồi bạn ngồi thư thái trên một cái ghế thật mềm, việc còn lại là bạn sẽ cảm nhận một bộ phim 3D hết sức hấp dẫn Không gian 3D thật sự miêu tả chân thật thế giới mà nghệ thuật muốn miêu tả, ngay cả các cảm giác vui, buồn, sợ hãi, tức giận trong môi trường giải trí

đó cũng được truyền tới cảm giác của bạn thật như thật Nhiều người khi xem một

bộ phim kinh dị, với sự hỗ trợ của 3D, đã mang cảm giác sợ hãi theo dài ngày

Cảm giác đó chân thật và thuyết phục con người rất cao Nhờ kỹ thuật tiến bộ này,

mà quá trình giải trí của con người có chất lượng hơn rất nhiều

Với xã hội hiện tại ngày nay, thời gian là một vốn quý của con người Tại các nước công nghiệp, thời gian được tận dụng tối đa để phục vụ công việc, nhu cầu con người Xã hội phát triển, khoảng cách giữa các con người, các lãnh địa thu nhỏ lại Nhờ công nghệ mà người ta có thể giải quyết các công việc một cách hiệu quả mà không cần sự có mặt tại thời điểm đó Mạng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối thông tin Trên nền hạ tầng mạng, hệ thống thực tại ảo đã tận dụng ưu điểm của hệ thống mạng để tạo nên những phòng họp vượt không gian Sử dụng tính

ưu việt trong hệ thống, không gian 3 chiều của thực tại ảo thực sự tạo nên một cuộc cách mạng trong ứng dụng Tiện ích của hệ thống phòng họp ảo này có tính kích thích mạnh mẽ tới người tham gia hội thảo, trong khi vẫn đảm bảo được

sự chân thực của âm thanh, các hoạt động của người tham gia hội thảo được tái hiện giống như thật trong không gian máy tính Đó là một quá trình công nghệ mới mà

hệ thống mô tả đóng vài trò chủ đạo, nó phản ánh trung thực thông tin trong cuộc họp, và tất nhiên tạo nên những cảm giác hứng phấn do công nghệ hiện đại mang lại, không có một đánh giá so sánh nào về hiệu quả của phòng họp ảo khi

so sánh nó với phòng họp hiện thực, nhưng xu thế hiện tại sử dụng phòng họp ảo đang phát triển mạnh

Hình 1.13 Phòng họp hội thảo từ xa, trực tuyến

Bên cạnh những ứng dụng truyền thống, trong thời gian gần đây, thực tại ảo ứng dụng vào các lĩnh vực trong sản xuất, trong ngành robot, trong hiển thị thông tin như thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối… Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Xét trên phương diện ánh xạ, thực tại ảo là một công nghệ hiên đại và hữu dụng để nghiên cứu và phát triển các lĩnh vực trong cuộc sống, mang tới những tri thức hữu ích cho việc tìm hiểu, dự đoán, khẳng định các áp dụng trong thực tiễn

1.2 Biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo

1.2.1 Mô hình hóa khuôn mặt

Khi đoán nhận một con người, khuôn mặt là một cơ quan giúp cho nhận biết rõ ràng nhất Thực tiễn cho thấy, nếu nhìn con người từ phía sau, hoặc không nhìn thấy khuôn mặt, khả năng đoán nhận của con người còn nhiều sai lầm Tuy nhiên, nếu chỉ nhìn thoáng qua khuôn mặt, người ta có thể đoán nhận được đối tượng ngay Một người nào đó, sau nhiều năm không gặp, việc nhận biết sẽ rất dễ nếu được nhìn vào nét mặt của người đó Khuôn mặt đóng một vai trò quan trọng trong quá trình nhận biết hình dáng Để có vai trò quan trọng đó, khuôn mặt, bằng các bộ phận cơ bản của mình, đã tạo nên các hình thái riêng biệt cho từng cá thể, mà không nhầm lẫn vào cá thể khác Trong số hàng trăm khuôn mặt, ta có thể nhận ra khuôn mặt mà mình đã từng gặp, rất ít các trường hợp trùng lặp hoàn toàn, mặc dù tưởng chừng như giống nhau

Nét mặt con người, thể hiện lượng thông tin truyền đạt lớn trong giao tiếp, cụ thể là giao tiếp thông tin như: nóng giận, hoan hỉ…hoặc trong cảm xúc lắng đọng như: buồn, vui…của bản thân Các thành phần cung cấp thông tin chính của nét mặt để thể hiện cảm xúc như ánh mắt, làn môi, sự tạo nếp của da tập trung ở miệng, trán,

và gò má Nếu nắm bắt được sự phụ thuộc của các thành phần, và mô hình hóa được

nó, chúng ta sẽ hoàn toàn thể hiện được cảm xúc thực của con người dưới dạng tập các thông tin đầu vào liên quan Ở đây, chúng ta không bàn tới sự thể hiện của

ngữ âm âm thanh phát ra từ miệng, không nói tới ánh mắt, mặc dù sự thể hiện đó góp phần không nhỏ trong việc thể hiện cảm xúc Chúng ta quan tâm tới các thể hiện mang tính cơ học của khuôn mặt trong quá trình biểu lộ cảm xúc và tâm trạng

Hình 1.14 Các cảm xúc cơ bản thể hiên trên nét mặt

Việc mô hình hóa khuôn mặt được phát triển từ rất lâu, tuy nhiên quá trình hóa mang tính ngược Phần lớn các thể hiện mô hình hóa hiện nay, là quá trình chuyển thông tin vào mô hình đã được tạo dựng, đơn giản như xây dựng một nhân vật hoạt hình đang cười vui, người ta xây dựng một khuôn dạng 3D có miệng được dãn, có thể là sang ngang, lên trên theo một định dạng nào đó, cùng với sự thể hiện của các tông màu sao cho nó giống như một khuôn mặt đang cười Từ khuôn dạng giống thật đó, thông tin truyền tải của mô hình là nhân vật đang thể hiện trạng thái cười Đây là một hướng phát triển đơn giản, vì dựa trên những tri thức có sẵn trong thực tế, cùng với hỗ trợ đồ họa, để tạo nên cái đã có sẵn trong thực tế, đó là khuôn mặt và cảm xúc thể hiện của nó Hướng phát triển theo chiều khó hơn, nhưng

ghi nhận sự cách mạng vượt trội, đó là từ một khuôn mặt có sẵn, kết hợp với các thông tin cung cấp đầu vào, khuôn mặt đó sẽ biến đổi để thể hiện các thông tin đó Việc đó sẽ là hoàn hảo, nếu sự thật nó biểu diễn được cảm xúc như người thật

Hình 1.15 Mô phỏng khuôn mặt 3D từ ảnh 2D

Giải phẫu khuôn mặt người là một bài toán khó, phần lớn các bài toán thực không

có kết quả để kiểm chứng, và kết quả giải phẫu chỉ là một trong những phương án

có thể chấp nhận được Quá trình biểu diễn tình cảm tự nhiên trên nét mặt, là quá trình sau của quá trình giải phẫu, nó phụ thuộc nhiều vào sự chính xác của giải phẫu Nếu giải phẫu không chính xác, thành công thì sự biểu diễn sẽ sai, đó là điều chắc chắn, ngay khi giải phẫu thành công, thì sự biểu diễn nét mặt đúng vẫn là một bài toán khó Với sự tinh tế của diện mạo khuôn mặt, các thông tin thể hiện trên nét mặt hết sức đa dạng và biểu diễn linh hoạt, nắm bắt các đường nét và biểu diễn các nét trên khuôn mặt phụ thuộc vào các tình thái và thời gian, không gian cụ thể, dường như không có quy luật nào cho sự thể hiện đó Việc thể hiện tốt các yếu tố vật lý, cụ thể là các nếp nhăn của da mặt, màu sắc của nếp da là một cách hiệu quả

để mô hình hóa khuôn mặt Vốn dĩ, khuôn mặt con người là một bề mặt ba chiều

phức tạp và luôn thay đổi nếp da theo trạng thái biểu cảm, dù là cùng một trạng thái biểu cảm nhưng sự thể hiện của nếp da cũng có sự khác biệt theo các lần thể hiện Những nếp nhăn và sự lồi lõm trên khuôn mặt được sinh ra trong sự biểu lộ cảm xúc

Hình 1.16 Mô hình mặt theo CANDIDE và GRETA

Một trong cách thức mô hình hóa khuôn mặt đó là mô hình hóa khuôn mặt với các lớp đa giác được Gouraud (1971) giới thiệu [6] Chúng ta sử dụng nhiều mặt đa giác phẳng để xấp xỉ bề mặt cong của đối tượng 3D Các thao tác trên các đỉnh của

đa giác trên bề mặt sẽ làm cho mô hình khuôn mặt chuyển động Tuy nhiên, khi số

đa giác xấp xỉ một mặt cong tăng thì khối lượng tính toán và lưu trữ cũng tăng theo

tỷ lệ thuận theo số mặt, cho nên sẽ hạn chế tốc độ thực hiện Do khuôn mặt người phổ biến có tính chất khá đối xứng, có nghĩa là 2 bên đều có những bộ phận giống nhau và đối xứng với nhau nếu lấy đường phân giới là ở giữa khuôn mặt,

do vậy một bên của khuôn mặt mô hình là được tái tạo, còn bên kia được

phản chiếu đối xứng Bằng cách giảm thiểu số lượng đa giác với số lượng thích hợp với kết quả cần có, để tập chung vào tốc độ và chất lượng tạo hình giúp việc tạo hình nhanh hơn Parke (1972) đã vận dụng tính chất đối xứng đó tạo nên một cải tiến đáng kể, với phương pháp đa giác tạo ra một mô hình khuôn mặt, với mô hình bao gồm khoảng 250 đa giác với 400 đỉnh Parke sử dụng nhiều đa giác trong các khu vực có độ cong cao, những khu vực như: mũi, miệng, quanh mắt và bờ cằm…

và ít đa giác hơn trong khu vực có độ cong thấp như: trán, má và cổ, việc này sẽ giúp làm mịn tốt hơn Việc thiết kế các đa giác cũng cần có sự tính toán, sao cho cạnh của chúng trùng với các đường nếp nhăn trên khuôn mặt, áp dụng các đa giác này sẽ rất tốt để thể hiện các khu vực dưới mắt, bên cạnh mũi, bờ môi và khóe miệng trên khuôn mặt để thiết kế thể hiện hoạt hóa khuôn mặt

Khi chúng ta thực hiện các hoạt ảnh với khuôn mặt, như phóng to, thu nhỏ, xoay, kéo dịch chuyển…Quá trình đó thực chất là quá trình thay đổi, di chuyển các

đa giác thiết kế khi

về các bề mặt đa giác lại

hiện rõ, hoặc thu hẹp và

gây ra cảm giác không

được trơn mịn, hoặc chồng chất hình ảnh Mô hình bóng của Gouraud là tạo cho đối tượng một cái nhìn giống như nó có nhiều mặt đa giác bằng cách vẽ bề mặt với nhiều cường độ sáng khác nhau, làm cho mặt phẳng có tính cong

Bề mặt tham số cũng là một trong các cách mô hình hóa khuôn mặt, với mục tiêu là tìm một hàm toán học biểu diễn được nét mặt [9] Nhưng tìm được một hàm số để

biểu diễn chi tiết khuôn mặt là hoàn toàn khó khăn Bằng tư tưởng chia nhỏ vùng tiếp cận, chúng ta có thể tạo nên các hàm tham số con cho các vùng biểu diễn khác nhau, và cả khuôn mặt sẽ là tập các hàm biểu diễn, cách này có thể gọi là cách liên kết tập hợp các miếng vá tham số (patch) Những miếng vá liên kết với nhau, các miếng vá lân cận được liên kết với nhau bởi các đường biên Điều này được gọi là tính liên tục C0 Tính mịn của bề mặt được đánh giá thông qua tính liên tục của các bậc cao hơn Các bề mặt có Ci liên tục khi những miếng vá tham số được biểu điễn bằng đạo hàm bậc i của miếng vá gốc là liên tục tại các đường biên Các bề mặt càng mịn nếu có sự liên tục của bậc cao hơn [9]

Bề mặt của bản vá được xác định bởi tập hợp các điểm, các điểm đó gọi là

“điểm kiểm soát” (control point) [8] Thao tác trên các điểm kiểm soát sẽ tạo nên tính động cho mô hình khuôn mặt Các điểm kiểm soát đươc sắp xếp trong một lưới

có kích thước (n + 1) × (m + 1): Wi, j, 0 ≤ i ≤ n, 0 ≤ j ≤ m Điểm trên bề mặt, w(u, v), được đánh trọng số là tổng các điểm kiểm Wi, j:

trong đó Ni(u) và Nj(v) là những hàm cơ sở Một hàm cơ sở biểu diễn một đường cong trong không gian hai chiều Sự kết hợp nhiều phần của đường cong sẽ tạo nên bề mặt Để tạo nên bề mặt mịn màng cần lựa chọn những đường cong phù hợp Thông thường những đường đơn giản và có tính liên tục cao sẽ được lựa chọn, ví dụ như đường Spline So với mô hình tam giác thì mô hình hóa khuôn mặt bằng phương pháp “parametric patch” có lợi thế về xử lý ít dữ liệu và tạo ra bề mặt mịn hơn Tuy nhiên, khi tạo dựng bề mặt thì gặp nhiều vấn đề Thuật toán dựng hình và bề mặt ẩn tuy còn thiếu hiệu quả [Mahl, 1972; Weiss, 1966] Ở các bề mặt bậc cao thường được xấp xỉ với một lớp đa giác Quá trình này được gọi là đa giác hóa (polygonalization); nó vẫn đòi hỏi sự tính toán tương đối lớn nếu độ phân giải mẫu cần ở mức cao