HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
NGUYỄN MINH CHÂU

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN BIỂU
CẢM KHUÔN MẶT THEO TRẠNG THÁI TÂM LÝ

MÃ SỐ: 60.48.15

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2010

1 M
ỤC LỤCTrang

M
Ở ĐẦU………………………………………………………………

2

51.2.
Các v
ấn đề li
ên quan đ
ến thực tại ảo v
à ho
ạt hoá khuôn mặt…

71.2.1. Mô hình hoá khuôn m
ặt……………………………….…….

81.2.2.
Ho
ạt hoá khuôn mặt theo trạng thái tâm lý…………….……

91.3.
Ngôn ng
ữ lập tr


2.1.
Tâm lý h
ọc………………………………………………………

1
32.1.1.
Tr
ạng thái, cảm xúc…………………………………………

132.1.2.
Các tr
ạng thái tâm lý c
ơ b
ản………………………….……

132.2.
Ho
ạt hoá khuôn mặt theo hệ thống điểm điều khiển……………

14

2.3.
Ho
ạt hóa khuôn mặt dựa v
ào k
ỹ thuật Morphing………………

162.3.1.
Morphing là gì?………………………………………….….

162.3.2.
Công ngh
ệ 2D Morphing……………………………………

162.3.3.
Công ngh
ệ 3D Morphing……………………………………

172.3.4.

21

KI
ẾN NGHỊ V
À HƯ
ỚNG NGHI
ÊN C
ỨU TIẾP THEO………… …

22

2
Mở đầu
Sự phát triển của phần cứng máy tính và các thiết bị liên
quan đã mở đường cho sự phát triển của công nghệ thông tin.
Những bức tiến dài của công nghệ thông tin những năm gần đây
phải kể đến Thực tại ảo. Trong thực tại ảo có hai khâu quan
trọng, là mô hình hóa và điều khiển. Mô hình hóa là việc tạo ra
mô hình 3D của đối tượng trên máy tính, trong khi điều khiển
nhằm thể hiện tính động của đối tượng trong không gian ảo của
máy tính.
Trong điều khiển đối tượng, hoạt ảnh khuôn mặt là một
lĩnh vực khá mới mẻ đối với khoa học ứng dụng công nghệ
thông tin trong nước ta, nó cũng là một lĩnh vực đang rất được
quan tâm khi ứng dụng vào đời sống nhất là đời sống giải trí.
Trong đó, việc mô phỏng hay biểu diễn khuôn mặt theo các
trạng thái tâm lý (Illustrate 3D face according to Psychological
State) là một nhánh quan trọng trong lĩnh vực hoạt ảnh khuôn
mặt. Mô hình hoá và biểu diễn khuôn mặt 3D theo trạng thái
tâm lý có ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, giải

4
Chương 1
Khái quát về thực tại ảo và hoạt hoá khuôn mặt

Trước khi đi vào nội dung chính của luận văn, chúng ta
tìm hiểu đôi nét về công nghệ thực tại ảo và một nhánh của nó
là mô hình hoá và hoạt ảnh, ở đây chỉ đề cập tới việc mô hình
hoá và hoạt ảnh khuôn mặt (gọi tắt là hoạt hoá khuôn mặt).
Nội dung của chương nhằm mục tiêu giới thiệu về công nghệ
thực tại ảo và một nhánh của công nghệ này.
1.1. Công nghệ thực tại ảo và ứng dụng
1.1.1. Công nghệ thực tại ảo
Thực tại ảo (Virtual Reality, viết tắt là VR) - có tài liệu
gọi là thực tế ảo là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy
tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa,
thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi
theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động,
lời nói, ). Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là
tương tác thời gian thực (real-time interactivity). Thời gian thực
ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu
vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo.
Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay
theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này.
1.1.1.1. Thực tại ảo là gì?

ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển.
1.1.2.1. Trong khoa học công nghệ
Với các đặc tính của VR, một môi trường ảo như thế sẽ
là một điều kiện tốt cho việc nghiên cứu và thử nghiệm các lý
6
thuyết khoa học mà việc thực hiện các thí nghiệm trong thế giới
thực là khó khăn hoặc đòi hỏi các chi phí lớn. Bằng VR các nhà
nghiên cứu có thể tạo ra bối cảnh tương lai hay nhìn lại quá khứ
theo nghĩa như thực, từ đó đưa ra các giả thuyết trong tương lai
hay giải thích các sự kiện trong quá khứ một cách thuyết phục
hơn.
1.1.2.2. Trong giáo dục và đào tạo
Trong giáo dục, việc dạy học bắt đầu từ những cái cơ
bản nhất sau đó dần chuyển sang những kỹ năng phát triển về
tinh thần và tư duy. Trẻ thơ tiếp xúc với thế giới tự nhiên từ rất
sớm và trong chúng cần hình thành những ý tưởng, những sự lý
giải và nhu cầu tìm hiểu thế giới tự nhiên. Bằng hệ thống VR
chúng ta có thể mô phỏng lại thế giới thực thậm trí tái hiện lại
cả những thế giới trong lịch sử mà hiện thực tự nhiên không
thấy, nhờ đó việc hình thành những tư duy biện chứng về thế
giới tự nhiên của trẻ thơ trở lên dễ dàng hơn.
1.1.2.3. Trong huấn luyện quân sự
Trong quân sự và sự huấn luyện quân sự người ta tạo ra
những môi trường huấn luyện ảo, thiết lập các hệ thống chiến
trận và chiến trường và cho người huấn luyện tương tác với môi
trường ảo với cảm giác như thực rồi tiến hành các thao tác huấn
luyện nguy hiểm, việc tập luyện quân sự trong môi trường ảo
với VR diễn ra như thực là điều rất cần thiết và hữu ích cho các
nhà chỉ huy và những cá nhân tham gia trực tiếp chiến đấu, vì
người ta có thể phát hiện ra những sai lầm trong quyết định hay

này. Xây dựng lên những mô hình như thực đòi hỏi có sự phân
tích tỉ mỉ, chính xác đồng thời sự mô phỏng này phải được biểu
diễn trong đồ hoạ máy tính ba chiều một cách trực quan sinh
động. Phần này của luận văn sẽ đi khảo sát sơ bộ quá trình mô
hình hoá và hoạt ảnh của đối tượng mà cụ thể chúng ta sẽ tìm
hiểu về mô hình hoá và hoạt ảnh khuôn mặt 3D theo trạng thái
tâm lý.
1.2.1. Mô hình hoá khuôn mặt
Mục đích của mô hình hoá khuôn mặt là tạo ra mô hình
cái đầu bao gồm hộp sọ và những đường cong trên đó để phản
ánh các trạng thái khác nhau của cái đầu người. Ứng với mỗi
trạng thái sẽ là các mô hình khác nhau, có một số điểm trên
khuôn mặt sẽ quyết định hình dạng và cấu trúc của mô hình.
1.2.1.1. Mô hình hoá khuôn mặt theo tham số
(Parametric face models)
Trong lược đồ mô hình hóa khuôn mặt theo tham số,
một mô hình khuôn mặt tổng quát sẽ được phỏng theo nội dung
của một hình ảnh theo màu hoặc vùng của khuôn mặt hay theo
một dãy các hình ảnh khuôn mặt. Các tham số cần thiết để mô
phỏng khuôn mặt tổng quát có thể được rút trích từ các hình ảnh
một cách tự động hoặc thủ công.
1.2.1.2. Mô hình dựa trên vật lý học (Physics-based
models)
Cách tiếp cận này là mô hình hóa hình dạng của mặt
bằng cách mô hình hóa các thuộc tính hành động của các mô và
9
cơ mặt. Các phương pháp này sử dụng các nguyên tắc vật lý và
sức mạnh tính toán để giả lập thực tế các xử lý vật lý phức tạp
mà sẽ khó khăn hoặc không thể mô hình hóa được nếu chỉ dùng
các kỹ thuật hình học.

hành động của cơ bằng cách sử dụng các phép toán biến đổi
hình học mà không cần giả lập các hành động của mô trên da
mặt.
1.2.2.4. Kỹ thuật 2D và 3D morphing
Morphing
1
gây tác động biến đổi giữa hai ảnh hay mô
hình. Một phép morphing ảnh 2D bao gồm một phép dịch
chuyển (warp) giữa các các điểm tương ứng trong các ảnh đích
và một phép làm mờ chồng chéo
2
(cross disolve) đồng bộ. Cụ
thể, các điểm tương ứng được lựa chọn thủ công để phù hợp với
yêu cầu của ứng dụng. Phép morphing giữa các ảnh có tương
quan sẽ sinh ra các hoạt ảnh rất thực tế.
1.2.2.5. Hệ mã hoá hành động mặt (Facial Action
Coding System)

1
morph, bắt nguồn từ từ Tiếng Anh là metamorphosis, là quá
trình biến đổi từ từ hình dáng của đối tượng
2
Trong phép làm mờ chồng, một hình bị làm mờ đi, và một hình
được tô đậm thêm
11
Hệ mã hoá hành động khuôn mặt (FACS) là một mô tả
của các cử động của cơ mặt và hàm/lưỡi được dẫn xuất từ việc
phân tích hình thái giải phẫu học của mặt. FACS bao gồm 44
đơn vị hành động (AU) cơ bản. Sự kết hợp các AU này sẽ tạo ra
các biểu hiện mặt khác nhau.

Facial Animation Parameter
12
giản hơn những thư viện đồ hoạ khác những đủ để xây dựng
những những ứng dụng trò chơi và hoạt ảnh 3D.
1.3.2. Tạo hoạt ảnh và những đối tượng Java 3D
Mỗi cảnh hoạt ảnh trong java 3D gồm những cử động
phù hợp của các đối tượng tại một thời điểm ta gọi là các nút
(node) và được sắp xếp theo cấu trúc cây, người sử dụng tạo ra
các cảnh nhỏ trong những cảnh hoạt ảnh đó và gắn chúng vào
hệ thống ảo.

Chương 2 Các kỹ thuật hoạt hoá khuôn mặt theo trạng thái
tâm lý
Đây là chương quan trọng nhất của luận văn, trong
chương này chúng ta sẽ tìm hiểu và phân tích một số khía cạnh
liên quan tới trạng thái tâm lý con người. Một trong những đặc
tính đặc trưng ở con người là tâm lý, con người có những trạng
thái biểu cảm và cảm xúc nhất định và rất tự nhiên.Tiếp đến
chúng ta sẽ tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích các nguyên tắc và
cơ sở của việc hoạt hoá khuôn mặt theo trạng thái tâm lý nói
chung và phương pháp hoạt hoá theo điểm điều khiển và
Morphing nói riêng. Có nhiều phương pháp hoạt hoá khuôn mặt
khác nhau và chúng có những ưu điểm và hạn chế nhất trình
như đã trình bày ở chương 1. Theo đó từ mô hình ban đầu ta
thực hiện hoạt hoá để đưa ra các quá trình biến đổi tiến tới một
mô hình đích cụ thể hoặc biến đổi theo một hướng nào đó trong
một ngưỡng cụ thể. Trong các phương pháp người ta hướng tới
tính như thực của quá trình hoạt hoá.
13
2.1. Tâm lý học

thái vui vẻ, đó là trạng thái tiêu cực, không thích thú của những
người đang gặp trạng thái đau thương hoặc đang có điều không
được như ý.
2.1.2.4. Ngạc nhiên
Ngạc nhiên là tâm trạng bất ngờ, cảm thấy hoàn toàn
mới lạ đối với mình, là lúc có những sự việc, sự vật xảy đến với
bản thân hay với môi trường xung quanh mà không khi nào chủ
thể nghĩ đến hay ít dự đoán tới.
2.1.2.5. Cáu giận
Cáu giận là tâm trạng tâm lý phấn khích, sẵn sàn có
những phản ứng mạnh mẽ bằng lời nói hay bằng hành động
thiếu suy nghĩ.
2.1.2.6. Phẫn nộ
Là trạng thái tâm lý quá phấn khích, chủ thể gặp một
vấn đề, sự việc bất thường có hại tới mình nên quá căm phẫn,
uất ức tới mức có những hành động hay phản ứng mạnh mẽ với
đối phương.
2.2. Hoạt hoá khuôn mặt theo hệ thống điểm điều khiển
15
Trong hệ thống những phương pháp hoạt hoá khuôn
mặt, người ta sử dụng những lý thuyết khác nhau để biểu diễn
sự biến đổi của khuôn mặt theo một cách thức nào đó. Sau đây
chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp hoạt hoá khuôn mặt theo hệ
thống điểm điều khiển
2.2.1. Nguyên tắc mô hình hoá và biểu diễn
Phương pháp mô hình hoá và tạo hoạt ảnh khuôn mặt
bằng hệ thống điểm điều khiển là phương pháp phát triển hoạt
hoá khuôn mặt theo hệ thống điểm trên mô hình mặt người và
những véc tơ biến đổi các điểm điều khiển nằm trên các cơ liên
quan từ đó sinh ra các biến đổi trên khuôn mặt phù hợp. Có tám

dụng hàm biến đổi với ít nhất ba biến để có thể biến đổi và điều
khiển hệ thống điểm trên mô hình.
2.3. Hoạt hóa khuôn mặt dựa vào kỹ thuật Morphing
2.3.1. Morphing là gì?
Morphing là một kỹ thuật nội suy được sử dụng để tạo
một loạt các đối tượng trung gian biến thiên liên tục từ hai đối
tượng để tạo nên các chuyển tiếp mềm mại từ đối tượng nguồn
sang đối tượng đích.
2.3.2. Công nghệ 2D Morphing
Trong không gian hai chiều, ứng với chế độ đồ hoạ 2D
các hình vẽ được thể hiện là tập hợp các điểm trên mặt phẳng,
17
vị trí của hệ thống điểm quy định sự khác biệt giữa hai hình
ảnh. 2D Morphing là công nghệ sử dụng những ánh xạ biến đổi
giữa hai ảnh : ảnh nguồn và ảnh đích, việc ánh xạ đó có thể
được thực hiện bằng nhiếu cách tuỳ theo cách số hoá ảnh 2
chiều.
2.3.3. Công nghệ 3D Morphing
3D Morphing là sự phát triển ý tưởng của 2D Morphing
khi những nhu cầu cùng sự phát triển về đồ hoạ máy tính kể cả
phần cứng và phần mềm ngày càng lớn. Những mô hình được
tạo lập bằng nhiều phương pháp, ứng với những mô hình đó thể
hiện một trạng thái của đối tượng. Nhìn chung các mô hình
được tạo lập từ một hệ thống điểm trong không gian 3 chiều,
nhiệm vụ của quá trình Morphing là sử dụng các cách biến đổi
đến chuyển từ mô hình ban đầu tới mô hình đích, quá trình biến
đổi ấy sử dụng các mô hình trung gian làm mịn đi những sự
chuyển động giữa hai mô hình.
2.3.4. Ứng dụng 3D Morphing trong hoạt ảnh khuôn mặt
3 chiều

VRML (Virtual Reality Modeling Language) là chuẩn để mô tả
các đối tượng hình ảnh và cảnh vật 3D trên World Wide Web.
19
3.2.3. Giới thiệu giao diện chương trình và các chức năng
cơ bản
Chương trình sử dụng công cụ phát triển NetBean để
xây dựng với giao diện đơn giản, mang tính chất minh hoạ cho
việc biểu diễn sự thay đổi các trạng thái tâm lý xuất phát từ
trạng thái bình thường (trạng thái cân bằng).
3.2.3.1. Cửa sổ ban đầu

Hình 3-1: Cửa sổ ban đầu của phần mềm biểu diễn khuôn mặt
3D theo các trạng thái tâm lý
20



Hình 3-4 : Cửa sổ đích thể hiện quá trình Morphing

KẾT LUẬN
Luận văn nghiên cứu và giới thiệu tổng quan về công
nghệ thực tại ảo cùng các ngành trong khoa học đó như : Mô
hình hoá, hoạt ảnh khuôn mặt 3D. Trong chương 2 đã trình bày
cách thức hoạt hoá khuôn mặt theo hệ thống điểm điều khiển và
sử dụng công nghệ Morphing với hoạt hoá khuôn mặt. Đồng
thời vận dụng các lớp có sẵn trong môi trường phát triển java
22
3D với ngôn ngữ VRML để tạo lập mô hình xây dựng phần
mềm Demo, phần mềm đã minh hoạ được quá trình Morphing
các mô hình khuôn mặt biểu diến biểu cảm khuôn mặt theo hệ
các trạng thái tâm lý cơ bản.
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Trong thới gian tới, với java 3D chúng ta có thể phát
triển và nhúng các ứng dụng của hoạt hoá khuôn mặt trên nền