Nghiên cứu xây dựng phần mềm phân tích hình thái đầu mặt cho người việt nam

Dựa trên hệ thống phần mềm,người sử dụng có thể nhìn thấy một các trực quan các hệ thống chỉ số được đođạc, so sánh và phân tích các quá trình phát triển đầu mặt theo thời gian, haytái d

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trên thế giới, việc sử dụng phần mềm và máy vi tính trong việc phântích và nghiên cứu hình thái đầu mặt là một xu hướng rất phổ biến và có hiệuquả cao Việc ứng dụng này mang lại nhiều giá trị to lớn, giúp bác sỹ có thể

đo đạc, thông kê, phân tích một cách tiện lợi và có chọn lọc những thông tincần thiết trên một tập hợp lớn các bệnh nhân Dựa trên các nghiên cứu phântích chuyên sâu, trong thời gian dài, các phần mềm có thể cung cấp các công

cụ hỗ trợ trong việc hoạch định kế hoạch điều trị và phần nào dự báo kết quảđiều trị

Ở Việt Nam hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu nhằm xâydựng các hệ thông phần mềm hỗ trợ nghiên cứu hình thái đầu mặt Nghiêncứu nhân trắc đầu mặt tại Việt nam chưa hệ thống, cỡ mẫu bé, chưa đại diệnnên đến nay chưa có được các chỉ số đầu mặt cho người Việt nam để ứngdụng trong chẩn đoán và điều trị mà chủ yếu các bác sỹ lâm sàng thường sửdụng các chỉ số của người Caucasian Do đó, nhu cầu xây dựng một hệthống phần mềm hỗ trợ nghiên cứu hình thái đầu mặt dành riêng cho ngườiViệt nam, từ đó cũng cấp những thông tin đặc trưng riêng của người Việt nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Hiện nay, các nghiên cứu nhân trắc về đầu mặt trên thế giới, sử dụngcác phương pháp đo dựa trên ảnh, phim chụp rất phát triển Các nghiên cứunày cung cấp một nền tảng khoa học đầy đủ cho việc xây dựng các công cụ

đo, phân tích và quản lý dựa các chỉ số bằng phần mềm Có nhiều nghiên cứu

so sánh giữa việc thực hiện phân tích và nghiên cứu đầu mặt dựa trên cácphương pháp thủ công và các phương pháp có sự hỗ trợ mạnh bằng máy tính,

và các nghiên cứu đều chỉ ra tính chính xác và tiện lợi của các công cụ phântích bằng máy tính (Katherine Kula,2004) Dựa trên hệ thống phần mềm,người sử dụng có thể nhìn thấy một các trực quan các hệ thống chỉ số được đođạc, so sánh và phân tích các quá trình phát triển đầu mặt theo thời gian, haytái dựng các hình ảnh kỹ thuật số tương ứng của đối tượng quan sát Việc xâydựng quản lý bộ dữ liệu lâu dài cũng được thực hiện dễ dàng hơn dựa trên các

hệ thống máy tính lớn, từ đó các dữ liệu có thể được chia sẻ giữa những nhànghiên cứu trên nhiều lĩnh vực khác nhau

Trên thế giới, các phần mềm phân tích hình thái đầu mặt được xâydựng khá nhiều, dựa trên các nghiên cứu về nhân trắc học của các chủngtộc người trên thế giới và các phương pháp đo đạc trên ảnh hai chiều hoặc

mô hình ba chiều Mỗi phần mềm được thiết kế tuân theo các phương pháp

đo đạc và phân tích khác nhau Trong đó một phần quan trọng tạo nên tính

ưu việt của các phần mềm trên thế giới đó là các công cụ tự động được xâydựng thuần túy dựa trên những nghiên cứu nhiều năm về nhân trắc học củacác chủng tộc không phải chủng tộc người Việt Do đó, khi ứng dụng tại

Việt nam, các bác sỹ và nhà nghiên cứu sẽ gặp những bất lợi nhất định, một

số tính năng sẽ không sử dụng được do không phù hợp với các đặc trưngcủa người Việt

Bên cạnh đó, các phần mềm thường được xây dựng như một bộ công

cụ đi kèm với các thiết bị phần cứng chuyên dụng, đắt đỏ Các thiết bị phầncứng chuyên dụng cho phép quét và đo đạc một số thông số cơ bản một cách

tự động và chính xác, nhưng đồng thời sẽ hạn chế các kịch bản ứng dụngtrong trường hợp người sử dụng không thể đảm bảo chi phí để mua đầy đủcác thiết bị phần cứng này

Một số phần mềm phổ biến được sử dụng trên thế giới như hệ thốngPlanmeca romexis, được xây dựng với các thiết bị quét và chụp phim đầu,mặt, cung răng chuyên dụng như Planmeca ProMax 3D/2D, Plameca ProOne,ProX Các thiết bị chuyên dụng này cho phép chụp film, đo đạc và tái dựngmột phần hình ảnh đầu mặt, cung răng thông qua phần mềm xử lý ảnh đi kèmPlameca Romexis@ Hệ thống này cũng cung cấp một thư viện mở, cho phéptích hợp một số thiết bị phần cứng của các nhà sản xuất thiết bị y tế lớn kháctrên thế giới, nhằm mở rộng các kịch bản sử dụng Tuy nhiên, phần mềmPlanmeca Romexis@ hoạt động hiệu quả nhất với các thiết bị phần cứng củacùng nhà sản xuất

Một phần mềm phổ biến khác OrthoGoTM cung cấp khả năng đo đạc,phân tích và hỗ trợ lên kế hoạch quá trình điều trị Đây là một thành phầntrong hệ thống phần mềm lớn và phức tạp hơn, SCANORA Tương tự vớiphần mềm của Planmeca, hệ thống phần mềm này được cung cấp bởi hãngSOREDEX, đi kèm với các hệ thống phần cứng tương đương nhưCRANEXTM 3Dx, CRANEXTM 2Dx và các phương pháp phân tích tích hợpsẵn dựa trên các nghiên cứu về nhân trắc học của các chủng tộc không phảingười Việt

Bên cạnh những phần mềm xử lý ảnh về đầu mặt, cung răng đi kèm vớicác thiết bị phần cứng được cung cấp bởi các hãng sản xuất thiết bị, còn cócác phần mềm được xây dựng độc lập, sử dụng đầu vào là các ảnh, phim chụp

từ các thiết bị khác nhau Các phần mềm này không có ưu thế từ việc kết nối

và đọc kết quả trực tiếp từ các thiết bị phần cứng chuyên dụng, nhưng lạiđược thiết kế đề phù hợp với một mục đích, kịch bản sử dụng chuyên biệt.Các phần mềm như Dr.Ceph, Dolphil, Cephalometric Software, v.v., cungcấp các công cụ đo, phân tích và lên kế hoạch cho quá trình điều trị Nhữngcông cụ này rất hữu ích khi ứng dụng trên các chủng tộc người khác trên thếgiới Nhưng khi ứng dụng tại Việt nam, cần nhiều điều chỉnh mang tính chấtriêng khi đưa ra các dự đoán trong điều trị, do đặc trưng riêng của ngườiViệt Các phần mềm này có giá thành tương đối cao, và việc tùy chỉnh rấtphức tạp, do được thiết kế để cố gắng thích ứng với nhiều loại thông tin đầuvào khác nhau

Việt Nam hiện nay vẫn còn thiếu các công trình nghiên cứu về nhântrắc đầu mặt một cách hệ thống, cỡ mẫu lớn, có tính đại diện để đưa rađược các chỉ số đầu mặt cho ngừoi Việt nam nhằm ứng dụng trong chẩnđoán và điều trị mà chủ yếu các bác sỹ lâm sàng Một trong những cản trở

là việc thiếu các hệ thông phần mềm hỗ trợ chuyên dụng cho các bác sỹ, kỹthuật viên trong việc thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu.Người Việt namchủ yếu sử dụng các phần mềm và các thiết bị nước ngoài, một số đã đượcgiới thiệu ở phần trên

Hiện tại, các phần mềm được xây dựng chuyên biệt tại Việt nam phục

vụ lĩnh vực nghiên cứu đầu mặt, cung răng chủ yếu là các phần mềm quản

lý Một số là thành phần nhỏ của một hệ thống quản lý điệu trị trong bệnhviện lớn, một số khác là các phần mềm quản lý các phòng khám nha khoa

Một số phần mềm đã được sử dụng trong các phòng khám nha khoanhư phần mềm quản lý của NextSoft, Edental, LaDental v.v hỗ trợ việcquản lý hồ sơ bệnh nhân, lịch sử điều trị của bệnh nhân.Bên cạnh các tínhnăng quản lý quá trình điều trị, các phần mềm này còn hỗ trợ một số chứcnăng quản lý đơn giản khác trong các hệ thống phòng khám như quản lýbác sỹ, y tá, chấm công, bảng lương.

Xây dựng một phần mềm riêng hỗ trợ việc xác định các đặc điểmnhân trắc đầu-mặt ở người Việt Nam là một nhu cầu hết sức cấp thiết tronggiai đoạn hiện nay không chỉ đối với ngành Y mà còn của nhiều chuyênngành khác như: bảo hộ lao động, an toàn giao thông, nhận dạng hình sự,khảo cổ, hội họa, điêu khắc v.v.\

Hệ thống phần mềm riêng của người Việt cần được xây dựng với nhữngtính năng cơ bản giống với các hệ thống khác trên thế giới, nhưng bên cạnh đócòn có các công cụ riêng phục vụ các bác sỹ, các nhà nghiên cứu tại Việt nam

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Hệ thống phần mềm hỗ trợ đo đạc các chỉ số nhân trắc đầu mặt dànhriêng cho người Việt cần được xây dựng với các công cụ riêng phục vụ cácbác sỹ, các nhà nghiên cứu tại Việt nam Dựa trên phân tích các nhu cầu vềnghiên cứu, chuẩn đoán và điều trị của các bác sỹ chuyên khoa, hệ thống phảiđảm bảo thỏa mãn các nhu cầu này và có những tính năng cơ bản tương đồngcác hệ thống khác trên thế giới

Bên cạnh đó, dữ liệu về các chỉ số nhân trắc đầu-mặt của người Việtcòn được tập hợp thành một kho dữ liệu chung, thống nhất Nhờ đó, các nhànghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau có thể sử dụng trong những điềukiện nhất định phục vụ các nghiên cứu về những đặc điểm riêng của chủngtộc người Việt

Một trong những khó khăn cở bản trong việc xây dựng một hệ thống đođạc chỉ số nhân trắc đầu-mặt ở Việt nam là kinh phí cho các thiết bị chuyêndụng Việt nam là một nước đang phát triển, có thu nhập bình quân đầu ngườikhông cao Việc xây dựng một hệ thống đồng bộ với những thiết bị phần cứngchuyên dụng đắt tiền là không khả thi Do đó, hệ thống phần mềm phải đượcthiết kế dưới dạng mở, sử dụng đầu vào là những hình ảnh được thu thập quanhiều công cụ khác nhau Hệ thống cho phép việc xác định, lựa chọn nhữngảnh có chất lượng phù hợp để đưa vào hệ thống.Tuy nhiên, cách tiếp cận nàycũng có những hạn chế nhất định Do không trực thiết thu thập đầu vào từ cácthiết bị máy chuyên dụng nên hệ thống phần mềm không thể thu thập mộtcách tự động một số mốc cần thiết và các chỉ số cơ bản được ghi nhận sẵn từthiết bị phần cứng Điều này sẽ hạn chế phần nào các chức năng của hệthống.Một số nhược điểm trong việc khuyết thiếu các thiết bị phần cứng sẽđược khắc phục bởi những giải thuật thông minh dựa trên nền tảng trí tuệnhân tạo trong lĩnh vực phân tích ảnh, và một số khác sẽ được thay thế bằngcác công cụ bán tự động.

1.3 Các phương pháp thực hiện nghiên cứu

1.3.1 Thu thập, tổng hợp tài liệu

Tập thể tác giả đã tiến hành thu thập và tổng hợp nhiều loại tài liệu như:

- Tài liệu nghiên cứu về phân tích hình thái đầu mặt trên ảnh chụpchuẩn hoặc các phim chụp X-quang

- Nghiên cứu các tài liệu về xử lý ảnh và các phép biến đổi liên quanđến ảnh

- Tài liệu về phân tích và thiết kế hệ thống và cơ sở dữ liệu

- Tài liệu thiết kế tương tác người dùng trên windows applications.

- Tài liệu về xây dựng phần mềm trên hệ điều hành Windows

1.3.2 Thực nghiệm

Từ phương pháp chung về xây dựng phần mềm phân tích hình thái đầumặt, nhóm tác giả tiến hành xây dựng phần mềm chạy trên nền tảng hệ điềuhành Windows, cho phép xử lý ảnh, phim chụp và đo đạc, phân tích và dựđoán hình thái đầu mặt dành cho người Việt nam

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG THỨC THỰC HIỆN

2.1.Hệ thống hóa cơ sở toán học của các phép biến đổi hình ảnh

2.1.1 Các phép biến hình trong hệ tọa độ Decac

đó trên các điểm mốc mới Ví dụ, để tịnh tiến một đa giác chỉ cần tịnh tiến cácđỉnh của nó rồi vẽ lại đa giác mới.Tương tự, đối với đường tròn, ellip ta tịnhtiến tâm của chúng tới vị trí mới rồi vẽ lại

x tx x

sẽ phóng to đối tượng Khi tx=ty: ta gọi đó là phép đồng dạng (uniform

scaling), nó bảo toàn tỷ lệ về kích thước của vật thể

tx=3; ty=1

1 2 3 4 5

6 6

Phép quay

Phép quay làm thay đổi hướng của đối tượng.Để xác định phép quay, tacần biết tâm quay và góc quay Phép quay điểm P(x,y) quanh gốc tọa độ mộtgóc α tạo thành điểm ảnh Q(x*,y*) có công thức như sau:

α

α

cos.sin

*

sin.cos

*

y x

y

y x

x

Phép tỷ lệ

2.1.2 Ma trận của phép biến hình.

Nếu ta biểu diễn điểm P,Q dưới dạng vector dòng (x,y) (x*,y*) như trênthì ma trận của các phép biến hình như sau:

x

0

0,

*

*,

Q = P×S trong đó = ty

tx S

0 0

sincos

cos sin

sin cos

R

là ma trận của phép quay Tuy nhiên, cách biểu diễn trên sẽ gặp khó khăn khi kết hợp các phépbiến đổi lại với nhau vì biểu diễn của phép tịnh tiến (cộng ma trận) khác vớihai phép biến hình còn lại (nhân ma trận).Chẳng hạn, khi thiết kế một động

cơ, ta muốn tháo riêng một chi tiết ra ngoài (tịnh tiến), xoay 1 góc (quay) rồilắp vào chỗ cũ (tịnh tiến) Khi đó ta phải thực hiện 3 phép tính trên ma trận (+

×+ ) Người ta đã tìm ra cách biểu diễn trong hệ tọa độ thuần nhất, nhờ đó rútgọn chuỗi biến đổi trên về chỉ một phép tính

2.1.3 Hệ tọa độ thuần nhất

Tọa độ thuần nhất (đôi khi còn gọi là “đồng nhất”) của điểm (x,y) trên

mặt phẳng được biểu diễn bằng bộ ba (xh,yh,h) liên hệ với tọa độ (x,y) bởicông thức

y y h

x

Nếu một điểm có tọa độ thuần nhất là (x,y,z) trong không gian Decac thì

nó cũng có tọa độ thuần nhất là (x.h,y.h,z.h) trong đó h là số thực khác không

bất kỳ Ngược lại điểm (x,y,z) trong hệ tọa độ thuần nhất sẽ có tương ứng vớiđiểm (x/z,y/z) trong hệ tọa độ Decac Tọa độ thuần nhất của một điểm trongkhông gian 3 chiều hay nhiều chiều cũng được xác định theo cách tương tự

Để đơn giản hóa, người ta thường chọn h=1, lúc này điểm P(x,y) sẽ được biểudiễn dưới dạng tọa độ thuần nhất là (x,y,1)

2.1.4 Ma trận của các phép biến hình trong hệ tọa độ thuần nhất

0011,,1

*,

*,

b a

y x y

001

b a T

00

001

,,1

*,

tx y

x y

x

Hay Q = P × S trong đó S là ma trận của phép tỷ lệ

00

00

ty

tx S

Phép quay quanh gốc tọa độ:

0cossin

0sincos

1,,1

0cossin

0sincos

αα

Kết hợp các phép tịnh tiến

Ta thực hiện phép tịnh tiến T1 với vector tịnh tiến (a,b) lên điểm P(x,y)

và thu được ảnh Q’, sau đó thực hiện tiếp phép tịnh tiến T2(c,d) đối với Q’ vàthu được Q(x*,y*)

*)

*, ( )

' ,' ( ' )

,

( x y 1( , ) Q x y 2( , ) Q x y

P T →ab T →cd

Kết hợp của 2 hay nhiều phép tịnh tiến cho kết quả là phép tịnh tiến có

=

1

010

001

1

010

0011

010

001

),

(),()

,

1

d b c a d

c b

a

d b c a T d c T b a T

Kết hợp các phép tỷ lệ

Tương tự như phép tịnh tiến, kết hợp của nhiều phép tỷ lệ là một phép

tỷ lệ Giả sử ta kết hợp hai phép tỷ lệ sau: S = S1 S2 Ma trận kết hợp sẽ là

00

001

00

00

001

00

00

00

2 1

2 1 1

2 1

1

ty ty

tx tx ty

tx ty

tx

Kết hợp các phép quay

Tương tự như phép tịnh tiến, kết hợp của nhiều phép quay quanh gốctọa độ cũng là một phép quay quanh gốc tọa độ.Giả sử phép quay R1có gócquay là α1, phép quay R2 có góc quay α2, ma trận kết hợp của hai phép quayR1 R2 là

0

0 cos

sin

0 sin

cos 1

0 0

0 cos sin

0 sin cos

1 0 0

0 cos

sin

0 sin

cos

2 1 2

1

2 1 2

1 2

2

2 2

1 1

1 1

α α α

α

α α α

α α

α

α

α α

α

α α

Phép quay với tâm quay bất kỳ

Phép quay quanh tâm quay A(x,y) góc quay α có thể phân tích thànhcác phép biến hình cơ sở sau:

- Tịnh tiến theo vector (-x,-y) để đưa tâm quay về gốc tọa độ

- Quay quanh gốc tọa độ một góc α

- Tịnh tiến theo vector (x,y) để đưa đối tượng về chỗ cũ

− +

1 sin sin

cos 1

0 cos

sin

0 sin

cos

1

0 1 0

0 0 1 1 0 0

0 cos sin

0 sin cos

1

0 1 0

0 0 1

y x

y x

y x y

x

α α

α α

α α

α α

α α

α α

010

001,

100

010

001

(1,3) (3,3)

(3,1) (1,1) (4,1) (6,1)

010

01

,100

01

00

M t

Phép biến đổi ngược

Một ví dụ cho phép biến đổi ngược chính là thao tác Undo mà các phần

mềm vẽ thiết kế luôn có Giả sử phép biến hình M có ma trận như sau:

f e

d c

b a M

giả thiết ad-bc ≠ 0 Khi đó phép biến đổi ngược của M, ký hiệu là M-1, đượcbiểu diễn như sau:

1

af be de cf

a c

b d

bc ad M

Gọi S (tx,ty) là phép đồng dạng, S-1 được biểu diễn như sau:

0

10

001,

1

ty

tx ty

tx S

Phép quay quanh gốc tọa độ R(α) có biến đổi ngược như sau:

10

0

0cos

sin

0sincos

Sử dụng phép cắt hình sẽ làm mất đi một phần thông tin trên ảnh gốc

nằm trên các phần bị loại bỏ Do đó, phép cắt hình được điều khiển trực tiếpbởi người dùng để hạn chế việc mất mát thông tin không mong muốn.

Phép cắt hình không làm thay đổi tỷ lệ hay gây biến dạng đối với phầnkhuân hình được lựa chọn Do đó tất cả các phép đo trên phần khung hình nàykhông bị ảnh hưởng

Tịnh tiến hình (translation)

Phép tịnh tiến dùng để dịch chuyển đối tượng từ vị trí này sang vị tríkhác.Trong mặt phẳng, phép tịnh tiến được thể hiện thông qua một véc tơ tịnhtiến, thể hiện phương chiều và khoảng cách tịnh tiến

Gọi tr = (trx , try) là vector tịnh tiến từ điểm P đến điểm Q thì:

Trong đó (x’,y’) là tọa độ mới của điểm ảnh gốc (x,y) thông qua phéptịnh tiến

Khi xử lý dưới dạng ma trận, phép tịnh tiến được thể hiện dưới dạngtích ma trận ảnh gốc và ma trận biến đổi của phép tịnh tiến.

Trong ma trận này, hàng cuối cùng có giá trị (0,0,1) thể hiện sự bảotoàn của phép tịnh tiến đối với chiều sâu của ảnh

Quay hình (rotation)

Quay hình là phép biến đổi nhằm thay đổi hướng của đối tượng.Trongảnh hai chiều, một phép quay (Rotation) cần phải có:

- Tâm quay: Một điểm bất kỳ được chọn làm tâm quay

- Góc quay: Quy ước chiều dương là ngược chiều kim đồng hồ

Với phép quay trong đó tâm quay là gốc tọa độ, góc quay là α ngượcchiều kim đồng hồ, các tọa độ điểm ảnh được biến đổi theo công thức sau.

Với tâm quay có tọa độ , tọa độ điểm ảnh được biến đổi theo công thứcsau:

Phép quay hình làm thay đổi hướng của đối tượng nhưng bảo toàn cáckích thước và tỷ lệ giữa đối tượng do đó, phép quay không ảnh thưởng tới cácphép đo liên quan đến khoảng cách và góc giữa các điểm ảnh

Biến đổi tỉ lệ hình (scaling)

Phép biến đổi tỉ lệ là phương thức cho phép co giãn đối tượng trongkhuân hình Phép co giãn này được thể hiện bởi các hệ số co gian theo các

chiều khác nhau Trong không gian hai chiều, phép co giãn được thể hiệnthông qua hệ số co giãn

Tọa độ của các điểm ảnh trong phép biến đối tỉ lệ được xác định thôngqua công thức sau:

Trong đó: sx và sy được gọi là hệ số co giản theo trục Ox và trục Oy:

- sy = 1 thì đối tượng co giản theo trục Ox

- sx = 1 thì đối tượng co giản theo trục Oy

- sx = sy thì ta gọi đây là phép biến đổi đồng dạng (Uniform scaling),bảo toàn tính cân xứng của đối tượng

- sx = sy < 1 thì đây là phép thu nhỏ, ngược lại thì đây là phép phóng

to

Phép biến đổi tỉ lệ (Scaling) thu nhỏ đối tượng sẽ làm cho đối tượng lại

gần gốc tọa độ (0,0) hơn Với phép biến đổi tỉ lệ (Scaling) phóng lớn đối tượng sẽ làm cho đối tượng xa gốc tọa độ (0,0) hơn.

2.2.2 Các phép xử lý chất lượng ảnh

Trong xử lý ảnh phục vụ hệ thống đo đạc các chỉ số đầu mặt, các phép

xử lý tác động vào chất lượng ảnh chỉ nhằm mục đích hỗ trợ người dùng xácđịnh các điểm mốc đo đạc dễ dàng hơn Các phép xử lý này không có bất kỳtác động trực tiếp nào lên tỷ lệ hay sự biến dạng của khuân hình

Hiệu chỉnh lược đồ mức xám

Cân bằng lược đồ mức xám được sử dụng nhằm biến đổi độ tương phản của

các đối tượng trên ảnh dựa trên sự biến đổi lược đồ mức xám Lược đồ xám làmột trong những yếu tố cơ bản trong kỹ thuật xử lý ảnh trong miền khônggian Ta có thể nâng cao chất lượng ảnh thông qua việc xử lý lược đồ xám.Lược đồ xám cũng là một công cụ rất hữu ích trong các ứng dụng khác của xử

lý ảnh, chẳng hạn như nén ảnh và phân đoạn ảnh Việc tính toán trên lược đồxám rất đơn giản, nên việc thiết kế phần cứng để thực hiện các công việc tínhtoán này rất “kinh tế” Đây chính là nguyên nhân nó rất thích hợp trong cácthao tác xử lý ảnh thời gian thực Lược đồ mức xám của ảnh số với các mứcxám nằm trong khoảng từ [0, L-1] là một hàm rời rạc h(rk ) = nk, trong đó rk

là mức xám thứ k và nk là số các điểm ảnh trong ảnh có cấp xám là rk Trongthực tế, người ta chuẩn hóa lược đồ xám bằng cách chia giá trị của nó chotổng số các điểm ảnh trong ảnh, ký hiệu bởi n Vì vậy, một lược đồ xám chuẩnhóa được cho bởi p(rk) = nk / n với k = 0, 1, 2, , L-1 Có thể nói rằng, là ướclượng xác suất xảy ra cấp xám thứ rk

Cân bằng lược đồ xám: Trong một ảnh tối thì các các thành phần củalược đồ xám sẽ tập trung ở phía tối của cấp xám Tương tự, các thành phầncủa lược đồ xám trong ảnh sáng sẽ tập trung ở phía sáng của cấp xám Mộtảnh với độ tương phản thấp có lược đồ xám sẽ có dải hẹp và tập trung ở giữacủa cấp xám.Đối với ảnh có độ tương phản cao thì các thành phần của lược đồxám sẽ phủ khắp các mức xám

Lọc tuyến tính:

Phép lọc ảnh được thực hiện đối với ảnh đầu vào và xử lý bởi một bộlọc tạo ảnh đầu ra theo yêu cầu nào đó Phép lọc ảnh được ứng dụng trong:lọc nhiễu, lọc tăng cường độ nét, lọc đạo hàm dùng để tách biên ảnh, lọc biểudiễn đa phân giải sử dụng trong phân vùng ảnh Các toán tử không gianthường dùng là các toán tử tuyến tính, tích chập và lọc Mục đích chính của

các toán tử này là làm cho ảnh tốt hơn, thuận tiện cho việc biến đổi và xử lýảnh về sau như: tăng cường và nâng cao chất lượng ảnh, dò biên, trích chọnđặc tính Một số toán tử lân cận làm việc với các giá trị của các điểm ảnhtrong lân cận đó và tương ứng với giá trị của ảnh con mà nó có số chiều giống

số chiều của lân cận Ảnh con đó được gọi là bộ lọc, mặt nạ, nhân, mẫu, hoặccửa sổ, hai thuật ngữ đầu tiên thường được sử dụng nhất

Các bộ lọc không gian làm trơn ảnh:

Các bộ lọc làm trơn được sử dụng để khử đi vết mờ và khử nhiễu Khửviết mờ được sử dụng trong các bước tiền xử lý ảnh, chẳng hạn như bỏ đi cácchi tiết nhỏ khỏi ảnh trước khi trích chọn các đối tượng, và lấp lại các đường

lỗ hỏng nhỏ của đường thẳng hoặc cung Khử nhiễu có thể được thực hiệnbằng việc khử vết mờ bởi bộ lọc tuyến tính cũng như phi tuyến tính Đầu racủa bộ lọc không gian làm trơn tuyến tính đơn giản là cấp xám trung bìnhcủa các điểm ảnh trong lân cận của điểm ảnh Những bộ lọc này thườngđược gọi là bộ lọc trung bình.Ý tưởng cơ bản của bộ lọc làm trơn rất dễhiểu.Bằng cách thay thế giá trị của mỗi điểm ảnh bằng giá trị trung bình củacác cấp xám trong lân cận được xác định bởi mặt nạ lọc.Kết quả của quá trình

xử lý này sẽ làm giảm đi những “điểm nhô” trong các cấp xám Bởi vì nhiễungẫu nhiên có đặc trưng là chứa những điểm nhô trong các cấp xám, ứngdụng rõ ràng nhất của làm trơn là khử nhiễu Tuy nhiên, các cạnh cũng đượcđặc trưng bởi các điểm nhô trong các cấp xám, vì vậy lọc trung bình sẽ có tácđộng phụ lên các cạnh của các đối tượng trong ảnh.Lọc thống kê là bộ lọckhông gian phi tuyến tính với đáp ứng dựa trên thứ tự các điểm ảnh trongvùng ảnh được lọc, và sau đó thay thế giá trị của điểm ảnh trung tâm bằng giátrị đã được xác định thông qua kết quả xếp loại Ví dụ hay nhất trong phầnnày đó là bộ lọc trung vị, đó là bộ lọc thực hiện việc thay giá trị điểm ảnh bởi

giá trị tại điểm giữa của các cấp xám trong lân cận Lọc trung vị được

sử dụng phổ biến bởi vì nó khử nhiễu rất tốt, nhất là đối với những loại nhiễungẫu nhiên với ít vết nhòe hơn so với lọc trơn tuyến tính cùng kích thước Lọctrung vị có hiệu quả đặc biệt khi có nhiễu xung, bởi vì nó xuất hiện nhưnhững chấm trắng và đen ở trên ảnh

2.3 Phân tích các phân hệ chính trong hệ thống

Hệ thống đo đạc và dự đoán tiến triển các chỉ số sinh trắc học vùng đầumặt được phát triển dựa trên sự hợp tác chặt chẽ giữa các bác sỹ chuyên khoa

và các nhà phát triển phần mềm, trong đó việc phân tích thiết kế hệ thốngđược tập trung rất lớn

Các chỉ số được sử dụng trong các bài toán về xác định kích thước và sựtăng trưởng của các đặc điểm sinh trắc học cũng rất đa dạng Mỗi nhà nghiêncứu trên thế giới có những quan điểm khác nhau về các hệ thống chỉ số cầnthiết trong các phân tích, ví dụ các phân tích Ricketts, Steiner, Tweed-Merriffiled cho ảnh X-quang sọ nghiêng có các danh mục chỉ số đo khác nhau.Quá trình khảo sát và phân tích được thực chi tiết nhằm đưa ra được một hệthống chung nhất cho các phương pháp đo, đảm bảo có thể xử lý các yêu cầukhác nhau trong nghiên cứu của các bác sỹ chuyên khoa trong lĩnh vực

2.3.1 Các yêu câu chung của hệ thống

Các phân hệ trong hệ thống đo đạc và dự đoán tiến triển các chỉ số sinhhọc vùng đầu mặt được phát triển phải đảm bảo các yêu cầu chính như sau

Các yêu cầu về chức năng

Về mặt chức năng, hệ thống phải đảm bảo các chức năng đo đạc các chỉ

số sinh trắc học trên một tập hợp lớn các bệnh nhân đảm bảo một sai số phù

hợp Các dữ liệu được quản lý, bảo mật và có khả năng trích xuất xuất dữ liệutheo yêu cầu thống kê và hỗ trợ định dạng lưu trữ có khả năng tương tác vớicác phần mềm thống kê khác như Stata hay SPSS.

Trên tổng thể, các chức năng của hệ thống được chia làm các phầnchính như sau:

- Quản lý thông tinh chung của bệnh nhân

- Quản lý danh mục các phương thức đo đạc và các mốc đo đạc

- Phương thức xử lý ảnh

- Phương thức đo đạc các chỉ số trên các loại ảnh khác nhau

- Quản lý kết quả đo đạc

- Thông kê các kết quả đo đạc

- Quản lý quyền sử dụng cho người dùng

Các chức năng chung của hệ thống được phân tích một cách chi tiết vàđưa về các phân hệ khác nhau trong đề tài Chi tiết các phân hệ này được trìnhbày trong mục 3.1.2 của báo cáo này

Các yêu cầu phi chức năng

Hệ thống sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu hoàn toàn miễn phí, ổn định

và an toàn, đảm bảo đưa ra tính năng bảo mật chắc chắn với dữ liệu Hệ thốngkhông yêu cầu một phương thức quản lý cơ sở dữ liệu phức tạp, do không cónhân lực chuyên trách Hệ quản trị cơ sở dữ liệu được cài đặt như phần đínhkèm với hệ thống phần mềm, không yêu cầu việc cấu hình phức tạp đối vớingười sử dụng

Hệ thống không có các server chung phục vụ cho việc lưu trữ dữ liệu

Do đó hệ thống không sử dụng cơ sở dữ liệu tập trung, cơ chế điều khiển tậptrung Thay vào đó dữ liệu là độc lập với mỗi người dùng

Hệ thống được xây dựng để hoạt động trên các hệ điều hành Microsoft

windows 7 hoặc cao hơn Hệ thống không tương tác ngược với các phiên bảnWindows XP hay các phiên bản trước đó

Người dùng có thể sử dụng chương trình dễ dàng và tiện lợi mà khôngcần phải trải qua các khóa học chuyên sâu về tin học Người dùng chỉ cầnđược đào tạo cơ bản về sử dụng máy tính và trải qua các buổi đào tạo ngắn vềphần mềm là có thể sử dụng một cách đúng đắn

Giao diện được thiết kế thân thiện dễ sử dụng, sử dụng các màu sắctrung tính để người dùng có thể làm việc tập trung trong thời gian dài Giaodiện sử dụng các công cụ chuẩn được khuyến nghị bởi hãng Microsoft với cácphần mềm trên windows để tạo ra tính tự hướng dẫn đối với người dùng Cácbiểu tượng (icon) được lựa chọn có tính gợi ý cao, dễ nhận biết Các chứcnăng của chương trình được sắp xếp thuận tiện, dễ tìm kiếm Các chức năngđược tổ chức để có tính kháng lỗi, trong đó, những chức năng ít sử dụng được

để ở các vị trí khó truy cập, và ngược lại, các chức năng thường dùng sẽ đểtrực quan trên menu chính hoặc thanh công cụ

Tốc độ truy xuất, xử lý nhanh, hiệu quả Tốc độ truy xuất phụ thuộcvào từng bài toán, tuy nhiên hệ thống đảm bảo tính tối ưu cao trong việc truyxuất và xử lý dữ liệu

Chương trình có tính tái sử dụng, khả năng tiến hóa cao Chương trình

có khả năng mở rộng để thích ứng với các yêu cầu trong dự án ở các phần tiếptheo Chương trình cũng có thể biến đổi để phù hợp với các yêu cầu thực tếtrong thị trường Thiết kế và công nghệ xây dựng hệ thống phải có khả năng

mở rộng và thích nghi với sự phát triển công nghệ trong thời gian tới

2.3.2 Các phân hệ chính của hệ thống

Đề tài xây dựng hệ thống đo đạc các chỉ số sinh trắc học đầu mặtdùng trong nghiên cứu và dự báo tiến triển các đặc trưng sinh trắc học củangười Việt nam được xây dựng bao gồm nhiều phân hệ riêng Các phân hệnày có mối quan hệ chặt chẽ và mỗi phân hệ có thể là tiền đề để thực hiện cácphân hệ tiếp theo.

Các phân hệ chính bao gồm: phân hệ Tiền xử lý dữ liệu, phân hệ Đọcảnh, phân hệ Chuẩn hóa ảnh, phân hệ Đo đạc các chỉ số sinh trắc học, phân hệXây dựng mẫu hình dạng cho các đối tượng thường dùng, phân hệ Thống kê,phân hệ Quản lý

Các phân hệ trong đề tài có vai trò cụ thể như sau:

Phân hệ tiền xử lý dữ liệu:

Phân hệ tiền xử lý dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích

và xử lý các yếu tố đầu vào trong hệ thống đo đạc chỉ số sinh trắc học Trongphân hệ này, các phương pháp thu thập, xử lý ảnh, film x-quang và cácphương pháp đo ảnh khác nhau được phân tích nhằm thiết kế ra mô hình tổngquát phù hợp nhất

Hai vai trò quan trọng nhất trong phân hệ này bao gồm:

- Chọn lọc và xử lý dữ liệu thuộc tính liên quan đến các phép đo chỉ số sinhtrắc học vùng đầu mặt hiện được sử dụng trong lĩnh vực chuyên ngành

- Phân tích, thiết kế mô hình cơ sở dữ liệu ( CSDL) phù hợp với các hệ thống chỉ

số sinh trắc học được lựa chọn, và hệ thống quản lý lưu trữ hình ảnh

Trong phân hệ tiền xử lý dữ liệu, các chỉ số không thực sự phù hợp đểđưa vào hệ thống đo dạc dựa trên ảnh và film x-quang do không tồn tại

phương pháp đo khả thi hoặc sai số lớn cần được loại bỏ.

Phân hệ đọc ảnh

Đọc ảnh được sử dụng để đưa các ảnh X-quang và ảnh chụp dưới nhiềuđịnh dạng, tiêu chuẩn khác nhau vào trong hệ thống xử lý.Trong hệ thống,phân hệ đọc ảnh đóng vai trò chính trong việc xác định các nguồn dữ liệu ảnhphù hợp cho mục đích đo đạc các chỉ số sinh trắc học

Phân hệ đọc ảnh có những chức năng chính bao gồm:

- Hỗ trợ người dùng lựa chọn các bức ảnh đang tồn tại sẵn từ cácnguồn khác nhau để đưa vào hệ thống

- Lọc những ảnh không phù hợp tiêu chuẩn (độ phân giải thấp, nhiễu

…) ra khỏi hệ thống

- Đọc ảnh và so sánh thông tin ảnh với những rằng buộc tối thiểu phục

vụ bài toán đo đạc thông tin sinh trắc học vùng đầu mặt để loại bỏcác ảnh không phù hợp

Bên cạnh đó người dùng có thể sử dụng hệ thống máy quét ảnh(scanner) để hỗ trợ những đưa những bức ảnh chụp từ các máy thế hệ cũ, khicác định dạng ảnh được hỗ trợ còn thiếu nhiều chi tiết vào trong hệ thốngmới.Hệ thống có thể hỗ trợ tương tác tự động và đọc trực tiếp ảnh chụp từ cácthiết bị chụp, quét ảnh đời mới

Phân hệ chuẩn hóa ảnh:

Do nguồn ảnh, phim x-quang đầu vào của hệ thống có những định dạngkhác nhau, được chụp từ các thiết bị khác nhau nên chúng cần được chuẩnhóa để có thể đo đạc chính xác

Phân hệ chuẩn hóa ảnh cung cấp các chức năng chính bao gồm:

- Cân bằng ảnh về các góc chuẩn thường được sử dụng trong các phương pháp

đo đạc thông tin sinh học vùng đầu mặt

- Xây dựng một thang đo tương thích với từng bức ảnh cụ thể dựa trên thang đochuẩn của toàn hệ thống

- Sử dụng một thước đo mẫu, và người dùng có thể định vị và xác thực giá trịthực tương đương của thước đo mẫu này

Phân hệ chuẩn hóa ảnh giúp người dùng ước lượng độ chính xác có thểthực hiện trên các mẫu cụ thể Từ đó người dùng có thể loại bỏ các mẫukhông phù hợp

Phân hệ đo đạc các chỉ số sinh trắc học

Đây là phân hệ quan trọng nhất trong hệ thống, cũng cấp các chức năng

đo đạc các chỉ số sinh trắc học cho người dùng Phân hệ bao gồm các chứcnăng chính như sau:

- Xây dựng tập hợp các chỉ số sinh trắc học cơ bản cho từng loại mẫu (ảnhnghiêng, ảnh trực diện, …)

- Xây dựng tập mẫu các chỉ số dựa trên nhu cầu của các bác sỹ, phân loại và tổhợp theo các nhóm phục vụ các kiểu mẫu ảnh cơ bản

- Đo đạc các chỉ số trên khuôn ảnh cụ thể

- Đo đạc các chỉ số liên quan có tồn tại (có khả năng đo) trên một khuân hình

cụ thể Lưu trữ các thông tin thu được đồng thời xử lý các thông tin còn thiếu

- Xác định các ngoại lệ và nhắc nhở người sử dụng trong quá trình đo

- Hỗ trợ đo đạc tự động: tự nhận diện và đưa ra các chỉ số cơ bản dựa trênkhuân dạng ảnh và các mốc đo dựa trên các mốc liên quan

- Hiển thị trực quan các thông tin liên quan đến các chỉ số trên giao diện ngườidùng

- Xây dựng giao diện hiển thị các điểm mốc dựa trên mã màu trực quan

Phân hệ còn cho phép phân loại một số phép đo theo phương thứcnghiên cứu khác nhau

Phân hệ xây dựng mẫu hình dạng cho các đối tượng thường dùng

Một số đương nối, đường bao thường được sử dụng trong đo đạc vànhận diện các chỉ số sinh trắc học đầu mặt sẽ được tự động đưa vào trong hệthống thông qua phân hệ này Cụ thể, phân hệ xây dựng mẫu hình dạng chocác đối tượng thường dùng thực hiện hai công việc chính:

- Định nghĩa một số đường nối, đường bao cơ bản dựa trên các điểm nhận dạngbắt buộc đối với các đối tượng thường được sử dụng

- Các đường nối, đường bao được định nghĩa trước cho phép người dùng đưavào và khớp với các đối tượng trong ảnh, để từ đó tự động lấy được các chỉ sốcần đó

Phân hệ thống kê

Phân hệ thống kê được xây dựng để thực hiện việc thống kê thông tin

về các đặc điểm sinh trắc học của các đối tượng được thu thập trong hệ thống.Phân hệ này có ba vai trò chính:

- Thống kê các thông tin về các đặc điểm sinh trắc học

- Xây dựng và hiện thị mối tương quan giữa các chỉ số sinh trắc học cơ bản

- Sơ đồ hóa thông tin thống kê

Thông tin từ phân hệ thống kê được lưu trữ trên định dạng phù hợp cóthể tương tác được với các phần mềm thống kê được sử dụng phổ biến hiệntại như SPSS, R, Stata

Phân hệ quản lý

Phân hệ quản lý được xây dựng nhằm hỗ trợ người sử dụng xác lập các

dữ liệu cơ sở phục vụ trong quá trình thực thi các chức năng của hệ thống.Trong đó việc quản lý được phân loại thành các nhiệm vụ như: quản lý người

dùng, quản lý dữ liệu và vấn đề bảo mật, sao lưu dữ liệu.

- Quản lý người dùng: Cung cấp phương thức để cấp phép cho những ngườidùng có quyền được sử dụng hệ thống Quản lý người dùng bao gồm hai côngviệc chính

• Thiết lập quyền truy cập cho người dùng

• Cập nhật, thêm, xóa người dùng

- Quản lý dữ liệu: Quản lý dữ liệu nền tảng cung cấp các chức năng cho phép

bổ xung dữ liệu về các thuộc tính của các phép đo sinh trắc học được sử dụngtrong hệ thống

- Bảo mật và backup:

• Ghi nhật ký thay đổi thuộc tính trong hệ thống

• Ghi nhật ký truy cập

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Xây dựng phần mềm

Công nghệ cài đặt phần mềm

Để xây dựng hệ thống phần mềm đo đạc các chỉ số đầu mặt thỏa mãncác yêu cầu thiết kế, công nghệ cài đặt phần mềm được lựa chọn là ngôn ngữlập trình C#, nền tảng NET của hãng Microsoft, hệ quản trị cơ sở dữ liệuSQLlite

Nền tảng NET được hãng phần mềm Microsoft giới thiệu từ nhữngnăm 2000, và trải qua rất nhiều phiên bản, mỗi phiên bản mới được nâng cấpvới những công nghệ mới nhất, hỗ trợ mạnh cho việc xây dựng các phần mềmchạy trên nền tảng hệ điều hành Windows của hãng Windows là hệ điều hànhphổ biến nhất trên thế giới dành cho các máy tính để bàn (desktop) và máytính xách tay (labtop), do đo, việc sử dụng nền tảng NET cũng trở nên rất phổbiến

Trong nền tảng NET, có nhiều ngôn ngữ lập trình được hỗ trợ như C++, C#, J#, VB, v.v trong đó, để phát triển các ứng dụng chạy trên window, VB

và C# là hai ngôn ngữ phổ biến nhất và có sức mạnh tương đương nhau Đểphát triển ứng dụng phần mềm đo đạc các chỉ số đầu mặt, C# là ngôn ngữđược lựa chọn do phần mềm phát triển bằng ngôn ngữ này có thể tương tácmạnh với các thư viện mở, trong đó đặc biệt là các thư viện mở được xâydựng từ ngôn ngữ C và C++ Các thư viện hỗ trợ việc xử lý ảnh thường đượcphát triển trên hai ngôn ngữ này

Bên cạnh các mô đun quan trọng nhất liên quan trực tiếp đến xử lý ảnh

và tính toán các hệ thống chỉ số trong phần mềm còn cần các chức năng liênquan đến việc quản lý dữ liệu Hiện nay, có rất nhiều các hệ quản trị cơ sở dữliệu mạnh trên thế giới như SQL server, Oracle, MySql, Postgres v.v., nhưngcác hệ thống này đều đòi hỏi phải được cài đặt và quản lý riêng, độc lập vớiphần mềm Những kỹ năng này khiến người dùng phải được đào tạo bài bản

để tránh những sai sót không đáng có Phần mềm được xây dựng với mongmuốn người sử dụng không phải quan tâm quá nhiều đến các vấn đề côngnghệ mà chỉ cần tập trung vào kiến thức chuyên môn, do đó, hệ quản trị cơ sở

dữ liệu được lựa chọn là SQLlite, một hệ quản trị cơ sở dữ liệu nhỏ được tíchhợp trực tiếp vào phần mềm Người dùng sẽ không phải thực hiện bất kỳ vấn

đề quản lý nào liên quan đến việc quản lý cơ sở dữ liệu trong máy tính

Bên cạnh việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình, nền tảng phát triển ứngdụng, công cụ quản lý dữ liệu, trong quá trình phát triển phần mềm đo đạc chỉ

số đầu mặt còn cần đến thư viện xử lý hình ảnh EmguCV Đây là thư việntương đương của thư viện xử lý ảnh phổ biến OpenCV được phát triển riêngcho ngôn ngữ lập trình C# Trong các thư viện xử lý ảnh được công bố,EmguCV là thư viện mở, cho phép người phát triển có thể can thiệp sâu vàcác phương thức xử lý ảnh, từ đó cải thiện chất lượng ứng dụng

Việc sử dụng các thư viện là phần mềm mã mở đặc biệt quan trọng khilàm việc với một lĩnh vực còn đang trong quá trinh phát triển như lĩnh vực xử

lý ảnh hay computer vision, do các thư viện này cho phép người dùng có thểtùy biến, mở rộng hay tinh chỉnh các hàm chưa thực sự hoàn thiện bằng cáchcập nhật các thuật toàn mới từ các nghiên cứu gần nhất