Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và phần cứng phát triển nhanh chóng, các hệ thống máy móc và robot ngày càng giữ vai trò quan trọng trong đời sống con người. Việc nâng cao khả năng thấu hiểu và giao tiếp tự nhiên giữa máy tính và con người (Human-Computer Interaction - HCI) trở thành hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm lớn. Nhận diện cảm xúc là thành phần cốt lõi phục vụ nhiều ứng dụng thực tiễn:

  • Tương tác người - máy và mạng xã hội: Các nền tảng trực tuyến lớn như Facebook triển khai tính năng phân tích cảm xúc (Facebook Reactions) trên các bài đăng nhằm nắm bắt tâm trạng người dùng và đề xuất nội dung phù hợp.
  • Y tế và chăm sóc sức khỏe: Hỗ trợ bác sĩ theo dõi trạng thái tinh thần của bệnh nhân, phát hiện sớm các biểu hiện suy giảm cảm xúc vốn là dấu hiệu lâm sàng của rối loạn tâm thần, tâm thần phân liệt, đau đớn hoặc trầm cảm.
  • Giáo dục: Đánh giá trạng thái cảm xúc của người học (sự hứng thú, tự hào, lo lắng, chán nản) để hỗ trợ giáo viên điều chỉnh phương pháp sư phạm kịp thời, đồng thời ngăn ngừa tình trạng căng thẳng học đường.

Hầu hết các hệ thống nhận diện cảm xúc truyền thống tập trung chủ yếu vào nét mặt. Tuy nhiên, cách tiếp cận đơn phương thức này bộc lộ nhiều hạn chế khi khuôn mặt bị che khuất, hình ảnh bị mờ nhòe, góc chụp nghiêng, điều kiện ánh sáng kém, hoặc khi đối tượng chủ động che giấu biểu cảm. Do đó, việc khai thác thông tin ngữ cảnh môi trường và tư thế cơ thể đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao độ chính xác và tính tổng quát hóa của mô hình.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định qua 3 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tìm hiểu về lý thuyết về nhận diện cảm xúc.
  2. Tìm hiểu và phân tích các mô hình nhận diện cảm xúc dựa trên ngữ cảnh.
  3. Xây dựng mô hình nhận diện cảm xúc dựa trên ngữ cảnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hình ảnh chứa các đối tượng đã được gán nhãn cảm xúc; các mô hình học sâu đa phương thức; dữ liệu ngữ cảnh phục vụ nhận diện cảm xúc.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết cảm xúc học thuật; thực hiện huấn luyện mô hình và thực nghiệm đánh giá trên bộ dữ liệu chuẩn EMOTIC. Nghiên cứu do sinh viên Nguyễn Đạt Minh thực hiện tại Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 05 năm 2024 dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Thanh Nhã và TS. Nguyễn Viết Hưng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng dựa trên các lý thuyết tâm lý học hành vi và kỹ thuật thị giác máy tính hiện đại:

  • Lý thuyết cảm xúc: Kế thừa lý thuyết tiến hóa của Charles Darwin về tính phổ quát của biểu cảm; lý thuyết 6 cảm xúc cơ bản của Paul Ekman (vui vẻ, buồn bã, sợ hãi, giận dữ, ghê tởm, ngạc nhiên) cùng bộ ảnh chuẩn Pictures of Facial Affect (1976); nghiên cứu mở rộng 27 trạng thái cảm xúc liên tục; mô hình Bánh xe cảm xúc (Emotion Wheel) của Robert Plutchik mô tả cấu trúc tương đồng - đối lập giữa các cảm xúc phức hợp; Lý thuyết đánh giá (Appraisal Theory) của Arnold về tác động của bối cảnh đến cảm xúc.
  • Hệ thống mã hóa FACS: Hệ thống mã hóa hành động trên khuôn mặt (Facial Action Coding System - FACS) với 44 đơn vị hành động (Action Units - AU), bao gồm 30 đơn vị cơ giải phẫu và 14 hành động bổ sung.
  • Lý thuyết nhận diện cảm xúc theo ngữ cảnh: Khung phân loại 3 cấp độ ngữ cảnh: Cấp 1 (yếu tố cá nhân/khuôn mặt/sinh lý nội tại), Cấp 2 (yếu tố tình huống/môi trường/xã hội xung quanh), Cấp 3 (yếu tố văn hóa).
  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo cứu tổng quan các kỹ thuật trích xuất đặc trưng hình ảnh bằng mạng nơ-ron tích chập (CNN), mạng phần dư (ResNet), mạng biến đổi thị giác (Vision Transformer, Swin Transformer), cơ chế chú ý (Attention Mechanism) và các chiến lược kết hợp đa phương thức (Early Fusion, Intermediate Fusion, Decision Fusion).
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tiền xử lý dữ liệu (chuyển đổi cấu trúc nhãn từ file .mat sang định dạng .csv, trích xuất bounding box khuôn mặt, cơ thể và hậu cảnh), xây dựng mạng học sâu 3 nhánh tích hợp module chú ý, huấn luyện và đánh giá trên bộ dữ liệu EMOTIC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các công trình nghiên cứu về nhận diện cảm xúc con người qua nhiều kênh thông tin khác nhau:

  • Nhận diện bằng hình ảnh: Phân tích biểu cảm khuôn mặt từ ảnh thường, ảnh nhiệt (tập dữ liệu Kotani Thermal Emotion - KTFE) và phân tích chuyển động cơ thể bằng khung xương theo hệ thống Laban Movement Analysis (LMA).
  • Nhận diện bằng âm thanh và tín hiệu sinh lý: Sử dụng các đặc trưng phổ âm thanh (MFCC, LPCC, Mel Spectrogram, BoAW) kết hợp mô hình RNN/SVM; khai thác tín hiệu điện não đồ (EEG), cộng hưởng từ chức năng (fMRI), nhịp tim, điện trở da và nhịp hô hấp để khắc phục tình trạng che giấu cảm xúc ngoài mặt.
  • Phương pháp học máy và học sâu: Đánh giá các mô hình truyền thống (SVM, Naive Bayes, Decision Tree, Random Forest) và các biến thể mạng tích chập (CNN).
  • Mô hình đa phương thức và vai trò của ngữ cảnh: Phân tích các kiến trúc kết hợp văn bản - âm thanh (như mô hình HCAM), video - âm thanh. Phân tích thực nghiệm chứng minh tầm quan trọng của hậu cảnh khi khuôn mặt đối tượng bị che khuất hoặc có kích thước quá nhỏ.
  • Thống kê các tập dữ liệu chuẩn trong nghiên cứu ngữ cảnh:
Tên bộ dữ liệu Loại dữ liệu Kích thước bộ dữ liệu Số lượng nhãn Đối tượng được chú thích
EMOTIC Ảnh tĩnh 18.316 ảnh 26 loại (đa nhãn) 34.320
CAER-S Ảnh tĩnh 70.000 ảnh 7 loại 70.000
CAER Đoạn video 13.201 clips 7 loại 13.201
HECO Ảnh tĩnh 9.385 ảnh 8 loại 19.781

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này đi sâu vào các nền tảng toán học và kiến trúc học sâu phục vụ xây dựng mô hình:

  • Các chiến lược kết hợp đa phương thức:
    • Early Fusion (Kết hợp sớm): Ghép nối các đặc trưng đầu vào thành một vector duy nhất trước khi đưa qua mạng phân loại.
    • Intermediate-level Fusion (Kết hợp ở cấp trung gian): Kết hợp các vector biểu diễn tại các tầng ẩn trung gian (hidden layers), giúp mô hình nắm bắt thông tin ở nhiều mức độ trừu tượng.
    • Decision-level Fusion (Kết hợp ở cấp quyết định): Huấn luyện các mô hình nhánh độc lập và tổng hợp đầu ra bằng các kỹ thuật như Majority Voting, Weighted Average hoặc Bayesian Fusion.
  • Mạng Residual Network (ResNet): Phân tích cơ chế giải quyết hiện tượng triệt tiêu đạo hàm (vanishing gradients) thông qua các đường nối tắt (skip connections), mô tả qua công thức toán học $y = \mathcal{F}(x) + x$. Khảo sát chi tiết kiến trúc ResNet18 (18 lớp, kích thước gọn, huấn luyện nhanh) và ResNet50 (50 lớp, trích xuất đặc trưng sâu trên dữ liệu phức tạp).
  • Cơ chế chú ý (Attention Mechanism): Trình bày nguyên lý chú ý của Bahdanau với điểm chú ý $e_{i,j} = a(s_{i-1}, h_j)$, trọng số chuẩn hóa qua Softmax $\alpha_{i,j} = \frac{\exp(e_{i,j})}{\sum \exp(e_{i,k})}$ và vector ngữ cảnh $c_i = \sum \alpha_{i,j} h_j$. Phân loại 4 chiều tiếp cận của cơ chế chú ý: mức độ chú ý (soft/hard), dạng đặc trưng đầu vào (item-wise/location-wise), biểu diễn đầu vào (self/co/hierarchical attention) và biểu diễn đầu ra (multi-head/multi-dimensional).
  • Mô hình Transformer trong thị giác:
    • Vision Transformer (ViT): Chia ảnh thành các patch cố định kích thước $P \times P$, chiếu tuyến tính thành vector kích thước $D$, gán Position Embedding và token phân loại $[class]$ đưa vào Transformer Encoder.
    • Swin Transformer: Khắc phục nhược điểm tính toán toàn cục của ViT bằng cấu trúc phân cấp (Hierarchical Transformer), kỹ thuật gộp patch (Patch Merging) và cơ chế cửa sổ dịch chuyển (Shifted Windows Multi-Head Self-Attention).

Chương 3: Phương pháp nhận diện cảm xúc dựa trên ngữ cảnh

Nội dung chương 3 thiết kế chi tiết kiến trúc mô hình nhận diện đa phương thức 3 nhánh:

  1. Quy trình xử lý dữ liệu: Chuyển đổi siêu dữ liệu từ tệp .mat sang bảng .csv, định vị và cắt các vùng quan tâm bao gồm: khuôn mặt người (Face Crop), toàn bộ thân người (Body Crop) và bối cảnh không gian (Background/Context).
  2. Nhánh trích xuất đặc trưng khuôn mặt: Chịu trách nhiệm học các chuyển động cơ mặt tinh tế và biểu cảm cục bộ của đối tượng.
  3. Nhánh trích xuất đặc trưng cơ thể: Phân tích tư thế, cử chỉ và ngôn ngữ hình thể của đối tượng trong không gian.
  4. Nhánh trích xuất đặc trưng ngữ cảnh: Xử lý toàn bộ không gian xung quanh để nắm bắt môi trường, sự kiện và tương tác nền.
  5. Khối kết hợp đa đặc trưng và cơ chế chú ý: Áp dụng module chú ý liên nhánh để tự động học mối tương quan và gán trọng số thích ứng cho từng nguồn thông tin (mặt, thân thể, bối cảnh), tổng hợp thành vector biểu diễn toàn diện phục vụ phân loại 26 nhãn cảm xúc đa nhãn.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

  • Thiết lập môi trường thử nghiệm trên tập dữ liệu chuẩn EMOTIC (18.316 ảnh với 34.320 đối tượng được gán 26 nhãn cảm xúc đa nhãn).
  • Đánh giá hiệu năng chi tiết bằng độ đo Average Precision (AP) trên từng lớp cảm xúc riêng biệt và độ chính xác trung bình chung (mAP).
  • Tiến hành so sánh đối sánh giữa mô hình đề xuất tích hợp 3 nhánh cùng cơ chế chú ý với các mô hình baseline đơn phương thức (chỉ dùng khuôn mặt hoặc chỉ dùng cơ thể) và các công trình nghiên cứu công bố trước đó, khẳng định việc bổ sung ngữ cảnh giúp tăng độ chính xác phân loại rõ rệt.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

  • Đánh giá tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành trong đề tài, làm rõ các đóng góp trong việc xây dựng mô hình học sâu nhận diện cảm xúc ngữ cảnh.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện các điểm còn tồn tại trong nghiên cứu.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả khoa học: Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về tâm lý học cảm xúc (FACS, Plutchik, Arnold) và các giải pháp thị giác máy tính; làm rõ cơ chế ảnh hưởng của bối cảnh không gian đến việc suy luận trạng thái tâm lý con người.
  • Kết quả kỹ thuật: Xây dựng thành công quy trình xử lý dữ liệu và kiến trúc mạng học sâu đa phương thức 3 nhánh (khuôn mặt, cơ thể, ngữ cảnh) tích hợp cơ chế chú ý, cho phép mô hình tự động phân bổ trọng số tối ưu giữa biểu cảm cục bộ và thông tin toàn cục.
  • Đóng góp so với nghiên cứu trước: Khắc phục triệt để điểm yếu của các hệ thống nhận diện cảm xúc truyền thống khi gặp các trường hợp khuôn mặt bị che khuất hoặc đối tượng ở xa; cung cấp giải pháp xử lý bài toán gán nhãn đa cảm xúc phức hợp trên tập dữ liệu thực tế EMOTIC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu chủ yếu tập trung thực nghiệm trên tập dữ liệu ảnh tĩnh (EMOTIC); hiện tượng mất cân bằng số lượng mẫu giữa 26 lớp cảm xúc vẫn ảnh hưởng nhất định đến hiệu năng dự đoán ở các lớp thiểu số.
  • Hướng phát triển:
    • Tích hợp đồ thị tri thức (Knowledge Graph) vào nhánh ngữ cảnh nhằm mô hình hóa tường minh mối quan hệ giữa các thực thể và giảm chi phí tính toán trích xuất đặc trưng học sâu.
    • Mở rộng kiến trúc sang xử lý dữ liệu video chuỗi thời gian (như tập dữ liệu CAER) kết hợp phân tích tín hiệu âm thanh giọng nói.
    • Tối ưu hóa dung lượng mô hình để thử nghiệm triển khai trên các thiết bị nhúng và thiết bị di động có cấu hình phần cứng giới hạn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên cao học: Ngành Khoa học máy tính, Công nghệ thông tin, Trí tuệ nhân tạo đang thực hiện đề tài tốt nghiệp hoặc nghiên cứu chuyên sâu về Thị giác máy tính (Computer Vision), Học đa phương thức (Multimodal Learning) và Nhận diện cảm xúc (Emotion Recognition).
  • Kỹ sư AI: Tham khảo quy trình thiết kế mạng nơ-ron đa nhánh, kỹ thuật kết hợp đặc trưng cấp trung gian (Intermediate Fusion) và cách tích hợp cơ chế chú ý (Attention Mechanism) vào các bài toán xử lý ảnh có ngữ cảnh phức tạp.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 2 (tổng hợp toán học về ResNet, cơ chế chú ý Bahdanau, Swin Transformer) và Chương 3 (kiến trúc tích hợp 3 nhánh trích xuất đặc trưng mặt - thân - nền).

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả khóa luận là ai và đề tài được thực hiện tại đơn vị nào?
Khóa luận do sinh viên Nguyễn Đạt Minh thực hiện, thuộc chuyên ngành Khoa học máy tính, Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào năm 2024 dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS. Trần Thanh Nhã và TS. Nguyễn Viết Hưng.

2. Tại sao mô hình nhận diện cảm xúc cần kết hợp thêm thông tin ngữ cảnh thay vì chỉ dùng khuôn mặt?
Trong thực tế, biểu cảm khuôn mặt chiếm khoảng 55% cơ sở giao tiếp nhưng thường bị giảm độ chính xác khi ảnh có góc chụp nghiêng, mặt bị che khuất, ánh sáng yếu hoặc kích thước khuôn mặt quá nhỏ. Việc bổ sung thông tin tư thế cơ thể và bối cảnh xung quanh giúp mô hình suy luận chính xác trạng thái tinh thần của đối tượng trong các tình huống phức tạp.

3. Khóa luận phân loại các chiến lược kết hợp đa phương thức (Fusion) như thế nào?
Văn bản phân tích 3 chiến lược chính: Early Fusion (kết hợp các vector đặc trưng ngay tại đầu vào), Intermediate-level Fusion (kết hợp các biểu diễn đặc trưng ở các tầng ẩn trung gian nhằm khai thác thông tin ở nhiều mức độ trừu tượng), và Decision-level Fusion (tổng hợp kết quả đầu ra độc lập từ các mô hình nhánh thông qua bỏ phiếu hoặc tính trung bình có trọng số).

4. Khóa luận sử dụng tập dữ liệu chuẩn nào để thực nghiệm và quy mô của tập dữ liệu đó ra sao?
Nghiên cứu sử dụng tập dữ liệu chuẩn EMOTIC gồm 18.316 hình ảnh thu thập từ Flickr, Instagram, Google Images với 34.320 đối tượng được chú thích, phân loại theo 26 nhãn cảm xúc đa nhãn (multi-label) và các độ đo VAD.

5. Hệ thống mã hóa hành động khuôn mặt (FACS) được mô tả trong đề tài gồm bao nhiêu đơn vị hành động?
FACS bao gồm 44 đơn vị hành động (Action Units - AU), trong đó có 30 sợi cơ liên quan mật thiết về mặt giải phẫu với sự co giãn của các nhóm cơ mặt và 14 cơ hành động bổ sung (Additional Actions).


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp “Mô hình nhận diện cảm xúc dựa trên ngữ cảnh” của tác giả Nguyễn Đạt Minh đã nghiên cứu và giải quyết bài toán nhận diện cảm xúc con người thông qua mô hình học sâu đa phương thức 3 nhánh (khuôn mặt, cơ thể, ngữ cảnh) kết hợp cơ chế chú ý. Bằng việc thực nghiệm trên tập dữ liệu chuẩn EMOTIC, nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của việc tích hợp thông tin môi trường và ngôn ngữ cơ thể so với các phương pháp nhận diện khuôn mặt đơn lẻ truyền thống. Công trình cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực tương tác người - máy, y tế và giáo dục thông minh.