Nghiên Cứu Hệ Thống Nhận Diện Mặt Người Không Đeo Khẩu Trang

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Mục tiêu hướng đến của đề tài

1.2. Mục tiêu tổng quan

1.3. Mục tiêu cụ thể

1.4. Giới hạn và kết quả mong muốn của đề tài

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu

2. CÁC NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN

2.1. Các nghiên cứu và xu hướng công nghệ trên thế giới

2.2. Trí tuệ nhân tạo tại cận biên

2.3. Ảo hóa tại cận biên

2.4. Một số ứng dụng liên quan đến COVID-19 tại Việt Nam

2.5. Cơ sở lý thuyết và hướng tiếp cận đề tài

2.5.1. Công nghệ ảo hóa container

2.5.2. Công nghệ điều phối container

2.5.3. Kiến trúc Microservices

2.5.4. Công cụ và kỹ thuật DevOps

2.5.5. Các mô hình trí tuệ nhân tạo nhận diện đối tượng

2.5.6. Các công nghệ phát triển ứng dụng AI nhận diện đối tượng

3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1. Thiết kế hệ thống tổng quan

3.2. Thiết kế các thành phần đám mây

3.3. Các chức năng nền tảng hệ thống

3.4. Facemask Recognition Management System (FRMS)

3.5. Thiết kế các thành phần cận biên

3.6. Các chức năng nền tảng hệ thống Facemask Recognition

3.7. Thiết kế các thành phần thiết bị đầu cuối

3.8. Xử lý luồng video

3.9. Ứng dụng desktop và di động

4. THỰC HIỆN VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG

4.1. Thực hiện các thành phần đám mây

4.2. Nền tảng hệ thống

4.3. Các chức năng nền tảng hệ thống Facemask Recognition Management System

4.4. Huấn luyện và kiểm tra mô hình trí tuệ nhân tạo

4.5. Triển khai các thành phần cận biên

4.6. Nền tảng hệ thống

4.7. Các chức năng nền tảng hệ thống

4.8. Thực hiện các thành phần thiết bị đầu cuối

5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

5.1. Đánh giá độ chính xác và hiệu suất của mô hình AI

5.2. Lý thuyết phép đo đánh giá mô hình

5.3. Đánh giá kết quả

5.4. Đánh giá hiệu suất và tính sẵn sàng

5.5. Đánh giá hiệu suất trong việc triển khai hệ thống tự động

5.6. Đánh giá tài nguyên phần cứng sử dụng

6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI

6.1. Kết quả đạt được

6.2. Một số thách thức khi thực hiện đề tài

6.3. Một số hạn chế của đề tài

6.4. Hướng phát triển tương lai

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Nhận Diện Khuôn Mặt Không Khẩu Trang

Trong bối cảnh đại dịch COVID-19, việc nhận diện khuôn mặt đã trở thành một thách thức lớn, đặc biệt khi mọi người đều đeo khẩu trang. Các hệ thống nhận diện khuôn mặt truyền thống gặp khó khăn trong việc xác định danh tính khi phần lớn khuôn mặt bị che khuất. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các phương pháp nhận dạng khuôn mặt không đeo khẩu trang hiệu quả, nhằm hỗ trợ các ứng dụng trong an ninh, giám sát, và các hệ thống truy cập. Bài toán đặt ra là làm thế nào để xây dựng một hệ thống có thể vượt qua những hạn chế do khẩu trang gây ra, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác và tốc độ nhận diện cao. Theo nghiên cứu, việc phân tích các đặc điểm khuôn mặt còn lại, như mắt, trán, và cấu trúc khuôn mặt tổng thể, đóng vai trò quan trọng. Một số thuật toán nhận diện tiên tiến và các kỹ thuật deep learning đang được áp dụng để giải quyết vấn đề này.

1.1. Giới Thiệu Về Bài Toán Nhận Diện Khuôn Mặt Mới

Bài toán nhận diện khuôn mặt trong điều kiện có khẩu trang đặt ra yêu cầu phải phát triển các algorithm mới, có khả năng thích ứng với sự thay đổi về hình ảnh. Các mô hình cũ dựa trên toàn bộ khuôn mặt giờ đây phải được điều chỉnh để tập trung vào các vùng không bị che khuất. Việc này đòi hỏi sự kết hợp của nhiều kỹ thuật xử lý ảnh và học sâu khác nhau. Theo tác giả Luận Văn Thạc Sĩ Lê Anh Tuấn, 'Trong thời đại bùng nỗ thông tin, số lượng lớn các thiết bị kết nối mạng và dữ liệu được sinh ra ngày càng tăng [4] [5], trong đó việc phân tích, xử lý dữ liệu trên, cũng như áp dụng AI chủ yếu diễn ra tại điện toán đám mây.'

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nhận Dạng Khuôn Mặt Không Khẩu Trang

Ứng dụng của nhận dạng khuôn mặt không đeo khẩu trang rất rộng, từ an ninh công cộng đến các hệ thống giám sát tại các khu vực yêu cầu tuân thủ quy định về khẩu trang. Trong lĩnh vực sinh trắc học, việc xác định danh tính một cách chính xác, ngay cả khi có khẩu trang, là rất quan trọng. Hơn nữa, trong bối cảnh dịch bệnh, hệ thống có thể giúp nhận biết những người không tuân thủ quy định, hỗ trợ kiểm soát dịch bệnh hiệu quả hơn. Luận văn thạc sĩ đã đề cập đến tính cấp thiết của việc nhận diện mặt người trong dịch bệnh, 'Với nhu cầu cấp thiết của đề tài, ứng dụng nhận diện mặt người không deo khẩu trang được chọn để triển khai thực nghiệm trong việc nghiên cứu và xây dựng hệ thống cận biên thông minh dựa trên các tiêu chí, giải pháp và hướng tiếp cận đã được trình bày ở trên.'

II. Thách Thức Trong Nhận Diện Khuôn Mặt Khi Đeo Khẩu Trang

Việc đeo khẩu trang tạo ra nhiều thách thức đáng kể cho các hệ thống nhận diện khuôn mặt. Độ chính xác của các hệ thống giảm đáng kể do thông tin khuôn mặt quan trọng bị che khuất. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các phương pháp mới để trích xuất các đặc điểm khuôn mặt còn lại một cách hiệu quả. Ngoài ra, sự thay đổi về ánh sáng và góc nhìn cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Các algorithm cần phải được thiết kế để có khả năng chống chịu tốt với các yếu tố gây nhiễu này. Một vấn đề khác là việc thiếu dữ liệu huấn luyện đủ lớn với hình ảnh khuôn mặt có khẩu trang.

2.1. Ảnh Hưởng Của Khẩu Trang Đến Độ Chính Xác Nhận Diện

Sự che phủ của khẩu trang làm giảm đáng kể độ chính xác của các hệ thống nhận diện khuôn mặt truyền thống. Các hệ thống này thường dựa vào các đặc điểm như mũi, miệng, và cằm để xác định danh tính. Khi các đặc điểm này bị che khuất, hệ thống phải dựa vào các thông tin ít tin cậy hơn, dẫn đến sai sót. Việc đánh giá tác động của khẩu trang đến nhận diện khuôn mặt là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Các thử nghiệm cần được thực hiện với dataset lớn và đa dạng để đánh giá khả năng của hệ thống trong các tình huống khác nhau.

2.2. Khó Khăn Trong Thu Thập Dữ Liệu Khuôn Mặt Đeo Khẩu Trang

Việc thu thập dữ liệu huấn luyện với hình ảnh khuôn mặt có khẩu trang là một thách thức lớn. Các dataset công khai thường không có đủ số lượng hình ảnh cần thiết. Việc tạo ra dataset mới đòi hỏi nhiều công sức và chi phí. Hơn nữa, việc đảm bảo tính riêng tư và bảo mật của dữ liệu cũng là một vấn đề quan trọng cần được xem xét. Cần có các quy trình rõ ràng để thu thập và xử lý dữ liệu một cách an toàn và hợp pháp. Theo như luận văn thạc sỹ, 'Việc thu thập dữ liệu khuôn mặt không đeo khẩu trang gặp nhiều khó khăn.'

2.3. Vấn Đề Về Biến Thể Ánh Sáng và Góc Nhìn

Các yếu tố như ánh sáng và góc nhìn có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống nhận diện khuôn mặt. Khi đeo khẩu trang, sự thay đổi về ánh sáng có thể làm cho các đặc điểm khuôn mặt còn lại trở nên khó nhận biết hơn. Tương tự, góc nhìn khác nhau có thể làm thay đổi hình dạng của khuôn mặt, gây khó khăn cho hệ thống trong việc xác định danh tính. Các algorithm cần phải được thiết kế để có khả năng chống chịu tốt với các yếu tố gây nhiễu này.

III. Phương Pháp Deep Learning Cho Nhận Diện Mặt Không Khẩu Trang

Các phương pháp deep learning, đặc biệt là mạng nơ-ron tích chập (convolutional neural network – CNN), đã chứng minh được hiệu quả trong việc giải quyết bài toán nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang. Các mô hình CNN có khả năng tự động trích xuất các đặc điểm quan trọng từ hình ảnh, ngay cả khi một phần khuôn mặt bị che khuất. Việc sử dụng các dataset lớn và đa dạng giúp mô hình học được các đặc điểm khuôn mặt một cách tổng quát. Các kỹ thuật như transfer learning và data augmentation cũng được áp dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.1. Ứng Dụng Mạng Nơ ron Tích Chập CNN Để Nhận Diện

Mạng nơ-ron tích chập (CNN) là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực nhận diện khuôn mặt. Các lớp tích chập trong CNN cho phép trích xuất các đặc điểm quan trọng từ hình ảnh, trong khi các lớp gộp giúp giảm kích thước của dữ liệu, tăng tốc độ xử lý. Việc sử dụng các kiến trúc CNN phức tạp, như ResNet và Inception, có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống. Theo đánh giá, 'Kết quả huấn luyện mô hình YOLOv3 416 x 416.' cho thấy CNN hiệu quả.

3.2. Tối Ưu Hóa Mô Hình Bằng Transfer Learning và Data Augmentation

Transfer learning là một kỹ thuật cho phép sử dụng kiến thức đã học từ một dataset lớn để cải thiện hiệu suất của mô hình trên một dataset nhỏ hơn. Trong trường hợp nhận diện khuôn mặt có khẩu trang, có thể sử dụng một mô hình đã được huấn luyện trên một dataset lớn về khuôn mặt để khởi tạo mô hình mới, sau đó tinh chỉnh mô hình này trên dataset nhỏ hơn về khuôn mặt có khẩu trang. Data augmentation là một kỹ thuật tạo ra các biến thể của hình ảnh hiện có, như xoay, lật, và thay đổi độ sáng, để tăng kích thước của dataset huấn luyện. Luận Văn chỉ rõ các bước thực hiện huấn luyện mô hình.

3.3. Sử Dụng Các Kiến Trúc Mạng Nơ ron Tiên Tiến YOLOv3 YOLOv4

Các kiến trúc mạng nơ-ron như YOLOv3, YOLOv4 và các biến thể khác đã chứng minh khả năng vượt trội trong việc phát hiện khuôn mặt và nhận diện đối tượng theo thời gian thực. YOLO (You Only Look Once) là một algorithm nhận diện rất nhanh, cho phép xử lý ảnh và video với tốc độ cao. Việc áp dụng các kiến trúc này vào bài toán nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang có thể cải thiện đáng kể tốc độ nhận diện và độ chính xác. Các đánh giá về YOLO được luận văn thạc sỹ phân tích kỹ lưỡng.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Của Hệ Thống Nhận Diện Mặt Không Khẩu Trang

Hệ thống nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang có nhiều ứng dụng thực tế quan trọng. Trong lĩnh vực an ninh, hệ thống có thể được sử dụng để giám sát và xác định danh tính những người không tuân thủ quy định về khẩu trang tại các khu vực công cộng. Trong lĩnh vực giám sát, hệ thống có thể giúp kiểm soát truy cập vào các tòa nhà và khu vực hạn chế. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng như thanh toán không tiếp xúc và xác thực danh tính trực tuyến.

4.1. Ứng Dụng Trong An Ninh và Giám Sát Công Cộng

Trong lĩnh vực an ninh và giám sát công cộng, hệ thống nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang có thể được sử dụng để phát hiện và cảnh báo về những người không tuân thủ quy định về khẩu trang. Hệ thống có thể được tích hợp vào các hệ thống camera giám sát hiện có để tự động phát hiện và báo động khi có người không đeo khẩu trang. Theo như luận văn, 'Nếu có các giải pháp cảnh báo việc tuân thủ các quy tắc cộng đồng sẽ giúp phần nào cải thiện tình hình lây nhiễm dịch bệnh.'

4.2. Kiểm Soát Truy Cập và Xác Thực Danh Tính

Hệ thống nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang có thể được sử dụng để kiểm soát truy cập vào các tòa nhà và khu vực hạn chế. Thay vì sử dụng thẻ hoặc mật khẩu, người dùng có thể được xác thực bằng khuôn mặt, ngay cả khi đang đeo khẩu trang. Hệ thống cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng như thanh toán không tiếp xúc và xác thực danh tính trực tuyến, giúp tăng cường tính bảo mật và tiện lợi.

V. Đánh Giá Hiệu Năng và Độ Chính Xác Của Mô Hình AI

Việc đánh giá hiệu năng của các mô hình AI nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và tốc độ nhận diện đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thực tế. Các chỉ số đánh giá thường được sử dụng bao gồm độ chính xác, độ phủ, và F1-score. Ngoài ra, tốc độ nhận diện (thời gian cần thiết để xử lý một hình ảnh) cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét. Các thử nghiệm cần được thực hiện với dataset lớn và đa dạng để đánh giá khả năng của mô hình trong các tình huống khác nhau.

5.1. Các Chỉ Số Đánh Giá Độ Chính Xác Accuracy Precision Recall

Độ chính xác (accuracy), độ phủ (precision), và độ nhạy (recall) là các chỉ số quan trọng để đánh giá độ chính xác của các mô hình AI nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang. Độ chính xác cho biết tỷ lệ các dự đoán đúng trên tổng số dự đoán. Độ phủ cho biết tỷ lệ các trường hợp dương tính được dự đoán đúng. Độ nhạy cho biết tỷ lệ các trường hợp thực tế dương tính được dự đoán là dương tính. F1-score là trung bình điều hòa của độ phủ và độ nhạy, cung cấp một đánh giá tổng quan về hiệu suất của mô hình.

5.2. Đánh Giá Tốc Độ Nhận Diện Real time Processing

Tốc độ nhận diện là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi đánh giá hiệu năng của các mô hình AI nhận diện khuôn mặt. Trong nhiều ứng dụng thực tế, yêu cầu nhận diện phải được thực hiện trong thời gian thực (real-time processing). Điều này đòi hỏi mô hình phải có khả năng xử lý ảnh và đưa ra kết quả nhận diện với tốc độ cao. Các kỹ thuật tối ưu hóa algorithm và phần cứng có thể được sử dụng để cải thiện tốc độ nhận diện.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Nhận Diện Mặt Không Khẩu Trang

Nghiên cứu về nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng, với nhiều tiềm năng ứng dụng quan trọng. Các phương pháp deep learning đã chứng minh được hiệu quả trong việc giải quyết bài toán này, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần được vượt qua. Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và tốc độ nhận diện của hệ thống, đồng thời tăng cường khả năng chống chịu với các yếu tố gây nhiễu. Việc phát triển các dataset lớn và đa dạng cũng là một ưu tiên hàng đầu. Việc khám phá thêm về AI Edge và ứng dụng nó vào bài toán này là rất quan trọng.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Hướng Đi Mới

Các kết quả nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng mạng nơ-ron tích chập (CNN) là một công cụ mạnh mẽ để nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết, như làm thế nào để cải thiện độ chính xác trong các điều kiện ánh sáng yếu hoặc góc nhìn khó khăn. Các hướng đi mới có thể bao gồm việc sử dụng các kiến trúc mạng nơ-ron phức tạp hơn, hoặc kết hợp deep learning với các kỹ thuật xử lý ảnh truyền thống.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển và Ứng Dụng Trong Tương Lai

Trong tương lai, hệ thống nhận diện khuôn mặt không đeo khẩu trang có thể được tích hợp vào nhiều ứng dụng khác nhau, từ an ninh công cộng đến chăm sóc sức khỏe. Ví dụ, hệ thống có thể được sử dụng để giám sát các khu vực công cộng và phát hiện những người không tuân thủ quy định về khẩu trang. Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, hệ thống có thể được sử dụng để xác thực danh tính bệnh nhân hoặc kiểm soát truy cập vào các khu vực hạn chế.

Nghiên Cứu và Phát Triển Hệ Thống Nhận Diện Mặt Người Không Đeo Khẩu Trang