Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn từ báo Sức khỏe và Lao động, Việt Nam hiện có khoảng 2,5 triệu người khiếm thính, trong đó có tới 60% đang trong độ tuổi lao động. Dù nhu cầu tham gia vào các hoạt động đời sống, học tập và tiếp cận dịch vụ xã hội của cộng đồng này là rất lớn, ngành dịch thuật ngôn ngữ ký hiệu tại Việt Nam vẫn còn khan hiếm nhân lực và khó tiếp cận trên diện rộng. Rào cản giao tiếp giữa người khiếm thính và người nghe nói thông thường do đó vẫn là một vấn đề xã hội chưa được giải quyết triệt để.

Về mặt kỹ thuật, các giải pháp hỗ trợ giao tiếp dựa trên thiết bị phần cứng như cảm biến đeo tay tuy đã xuất hiện nhưng bộc lộ nhiều điểm hạn chế: gây khó chịu, vướng víu trong quá trình thao tác tự nhiên và đòi hỏi chi phí trang bị cao, cản trở khả năng tiếp cận của người dùng. Ngược lại, tiếp cận bằng thị giác máy tính kết hợp học sâu (Deep Learning) mang lại tiềm năng lớn khi chỉ cần dữ liệu hình ảnh từ camera thông thường. Tuy nhiên, việc nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu liên tục vẫn gặp thách thức do tính phức tạp, đa dạng của chuyển động tay và cơ thể, cũng như yêu cầu tối ưu hóa mô hình để hoạt động trên các thiết bị có tài nguyên tính toán giới hạn.

Từ bối cảnh thực tiễn và kỹ thuật đó, nhóm nghiên cứu xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể bao gồm:

  1. Tìm hiểu về ngôn ngữ ký hiệu: Nghiên cứu các đặc điểm, cấu trúc ngữ pháp cũng như vai trò của ngôn ngữ ký hiệu đối với cộng đồng người khiếm thính.
  2. Tìm hiểu lý thuyết nền tảng: Nghiên cứu các kiến trúc mạng nơ-ron hồi quy LSTM, mạng nơ-ron đồ thị GCN cùng cơ chế, phương pháp nhận dạng cử chỉ con người.
  3. Thiết kế giải pháp: Đề xuất hướng tiếp cận thị giác máy tính không phụ thuộc vào cảm biến đeo nhằm hỗ trợ người khiếm thính giao tiếp thuận tiện.
  4. Xây dựng tập dữ liệu và huấn luyện mô hình: Tự thu thập, tiền xử lý và gán nhãn tập dữ liệu gồm khoảng 2.500 video cử chỉ ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt; tiến hành huấn luyện các mô hình học sâu để nhận dạng 100 từ và cụm từ tiếng Việt.
  5. Đánh giá và tổng kết: Đánh giá mô hình qua các độ đo định lượng và thực nghiệm thực tế, chỉ ra khó khăn, hạn chế và đề xuất giải pháp hoàn thiện.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là giải pháp hỗ trợ giao tiếp cho người khiếm thính thông qua nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu ở cấp độ từ và cụm từ, sau đó chuyển đổi thành dạng văn bản và tự động ghép thành câu hoàn chỉnh. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tiếp cận ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt thông qua khung trích xuất tọa độ khung xương MediaPipe từ camera thời gian thực; tập dữ liệu thực nghiệm bao gồm 100 từ và cụm từ do 3 thành viên nghiên cứu tự ghi hình trong giai đoạn từ tháng 03/2024 đến tháng 06/2025 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng từ đặc trưng ngôn ngữ học của ngôn ngữ ký hiệu Việt Nam kết hợp các mô hình toán học và kiến trúc học sâu hiện đại:

  • Đặc trưng ngôn ngữ ký hiệu Việt Nam: Hệ thống ngôn ngữ ký hiệu Việt Nam hiện có 3 vùng phương ngữ chính gồm Hà Nội, Hải Phòng và TP. Hồ Chí Minh. Về mặt cú pháp, ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt vận hành dựa trên hai đặc trưng cơ bản là "lướt gọn" (lược bỏ các liên từ, từ nối không mang tải thông tin cốt lõi) và "nhấn mạnh" (đưa từ khóa trọng tâm lên đầu câu hoặc chuyển từ phủ định về cuối câu đối với các câu tường thuật, nghi vấn, phủ định và mệnh lệnh).
  • Trích xuất đặc trưng tư thế: Đề tài sử dụng pipeline MediaPipe Holistic từ Google nhằm định vị tọa độ không gian các khớp xương theo thời gian thực mà không cần phần cứng chuyên dụng. Hệ thống trích xuất 25 điểm mốc trên phần thân trên và 21 điểm mốc cho mỗi bàn tay (tổng cộng 42 điểm mốc hai tay).
  • Mô hình hóa chuỗi và đồ thị: Đồ án kế thừa kiến trúc mạng nơ-ron hồi quy RNN với thuật toán lan truyền ngược qua thời gian (BPTT), mạng bộ nhớ dài-ngắn hạn (LSTM) với 3 cổng điều khiển (cổng quên, cổng đầu vào, cổng đầu ra) và trạng thái tế bào (cell state) nhằm triệt tiêu hiện tượng tiêu biến/bùng nổ đạo hàm (vanishing/exploding gradient). Đồng thời, đồ án khảo sát mạng nơ-ron đồ thị (GNN) cùng mạng tích chập đồ thị (GCN) dựa trên cơ chế truyền thông điệp (message passing) và kỹ thuật kết nối tắt phần dư (Residual Connection) nhằm tối ưu hóa độ sâu của mạng.
  • Tổng quan các công trình liên quan: Nhóm tác giả phân tích ba nghiên cứu nền tảng:
    1. Mô hình 3D CNN-LSTM phân đoạn thời gian đa lớp cho nhận dạng cử chỉ tay của Letizia Gionfrida và cộng sự (đạt độ chính xác 93,95% ± 0,37 và chỉ số Jaccard 0,812 ± 0,105 trên tập 113.410 khung hình của 22 người tham gia).
    2. Hệ thống nhận dạng đánh vần chữ cái ngón tay (fingerspelling) ASL trong môi trường thực tế của Bowen Shi và cộng sự (áp dụng kiến trúc Attention-based Encoder-Decoder và Connectionist Temporal Classification - CTC).
    3. Mô hình 3D-CNN hai luồng kết hợp LSTM và cơ chế chú ý nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu Trung Quốc của Luo Yin và cộng sự (đạt độ chính xác 98,4% trên bộ dữ liệu DEVISIGN-D).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chủ đạo là tiếp cận dựa trên tư thế (Pose-Based Approach). Dữ liệu video thô được chuyển đổi hoàn toàn sang chuỗi tọa độ khớp xương lưu trữ dưới định dạng tệp CSV hoặc tensor PyTorch (.pt). Các chuỗi này sau đó được chuẩn hóa, tăng cường dữ liệu và đưa vào các mạng học sâu để thực hiện hai nhiệm vụ: phân loại cử chỉ và phân đoạn thời gian các đoạn ký hiệu liên tục.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo quy trình 5 bước khép kín: (1) Đặt ra vấn đề, (2) Thu thập dữ liệu cho huấn luyện và đánh giá, (3) Xây dựng mô hình học sâu, (4) Kiểm tra và đánh giá mô hình, (5) Triển khai ứng dụng.

Hai phương pháp nhận dạng chính được xây dựng và thử nghiệm song song:

  1. Mô hình LSTM kết hợp cơ chế chú ý đa đầu (Multi-Head Attention): Sử dụng các tầng LSTM để bắt trọn sự phụ thuộc theo chiều thời gian của chuỗi tọa độ khung xương, kết hợp tầng Multi-Head Attention nhằm tập trung trọng số vào các khung hình chứa chuyển động mang ý nghĩa quyết định trong cử chỉ.
  2. Mô hình mạng tích chập đồ thị không gian - thời gian (ST-GCN): Biểu diễn cơ thể và bàn tay người thành một đồ thị không-thời gian với các khớp là nút (nodes) và các liên kết giải phẫu tự nhiên hoặc liên kết thời gian là cạnh (edges). ST-GCN trích xuất đồng thời đặc trưng quan hệ không gian giữa các khớp trong từng khung hình và đặc trưng biến thiên theo thời gian qua các phép tích chập đồ thị.

Đối với bài toán nhận dạng chuỗi video liên tục, đồ án thiết kế mô hình phân đoạn thời gian (Temporal Segmentation) gồm 6 thành phần:

  • Trích xuất tư thế (Pose Extraction): Lấy tọa độ 25 điểm thân trên và các điểm bàn tay bằng MediaPipe.
  • Tính toán luồng quang học (Optical Flow): Nắm bắt tốc độ và hướng di chuyển của các điểm ảnh hoặc khớp tay giữa các khung hình liên tiếp.
  • Chuẩn hóa hình dạng 3D của bàn tay: Loại bỏ sự sai lệch do khoảng cách giữa người dùng và camera.
  • Mã hóa chuỗi bằng LSTM (Sequence Encoder): Nén chuỗi đặc trưng động học vào không gian biểu diễn ẩn.
  • Gán nhãn khung hình bằng BIO Tagging: Gán nhãn cho từng khung hình theo định dạng B (Begin - bắt đầu cử chỉ), I (Inside - bên trong cử chỉ), O (Outside - khung hình nền/không phải ký hiệu) ở cấp độ từ vựng (sign) và cụm từ (phrase).
  • Giải mã phân đoạn bằng thuật toán Greedy Decoding: Trích xuất các ranh giới cử chỉ độc lập dựa trên xác suất nhãn BIO dự đoán.

Về mặt công nghệ triển khai, nhóm nghiên cứu phát triển một ứng dụng web hoàn chỉnh:

  • Backend: Xây dựng bằng framework FastAPI (Python), sử dụng OpenCV (cv2) để bắt luồng video từ webcam, gọi pipeline trích xuất MediaPipe và truyền dữ liệu qua mô hình suy luận.
  • Frontend: Thiết kế bằng React.js, cung cấp giao diện trực quan cho phép người dùng mở camera, quan sát các điểm đánh dấu khung xương được vẽ phủ theo thời gian thực và nhận diện kết quả dịch thuật hiển thị dưới dạng văn bản tức thì.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý luận về ngôn ngữ ký hiệu và nền tảng thị giác máy tính. Nội dung bắt đầu bằng lịch sử hình thành ngôn ngữ ký hiệu từ công trình năm 1620 của Juan Bonet, phân tích 3 phương ngữ chính tại Việt Nam và các quy tắc biến đổi cú pháp đặc thù (câu tường thuật, nghi vấn, phủ định, mệnh lệnh). Tiếp đó, chương giới thiệu thư viện MediaPipe và pipeline MediaPipe Holistic với ưu điểm vận hành ổn định trên phần cứng phổ thông. Về học máy và học sâu, chương trình bày chi tiết về mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), thuật toán lan truyền ngược, các hàm kích hoạt phi tuyến (ReLU, Sigmoid, Tanh), mạng CNN, mạng hồi quy RNN và kỹ thuật BPTT. Tác giả chỉ rõ nhược điểm tiêu biến/bùng nổ đạo hàm của RNN, từ đó làm rõ cấu trúc 4 tầng của tế bào LSTM (cổng quên, cổng đầu vào, trạng thái tế bào, cổng đầu ra). Cuối cùng, chương khái quát mạng nơ-ron đồ thị GNN, cơ chế truyền thông điệp (message passing), lớp tích chập GCN và kỹ thuật Residual Connection hỗ trợ luân chuyển gradient an toàn qua các lớp sâu.

Chương 2: Đề xuất giải pháp và xây dựng mô hình

Chương 2 tập trung vào thiết kế giải pháp kỹ thuật, mở đầu bằng sự so sánh giữa hai hướng tiếp cận nhận dạng:

Tiêu chí Tiếp cận dựa trên tư thế (Pose-Based) Tiếp cận dựa trên hình ảnh (Image-Appearance-Based)
Bản chất dữ liệu Tọa độ điểm mốc khung xương (x, y, z) Dữ liệu ma trận pixel ảnh/video RGB thô
Độ phức tạp tính toán Thấp, kích thước tệp nhẹ (CSV, PT tensor) Rất cao, đòi hỏi GPU mạnh để xử lý ảnh 2D/3D
Độ nhạy môi trường Bền vững trước thay đổi ánh sáng, phông nền Dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, góc quay, nhiễu nền
Khả năng triển khai Phù hợp thiết bị hiệu năng thấp, di động, web Khó chạy thời gian thực trên thiết bị phổ thông

Chương trình bày chi tiết cấu trúc mô hình LSTM kết hợp Multi-Head Attention và mô hình ST-GCN với các chiến lược phân vùng đồ thị không gian. Phần tiếp theo mô tả giải pháp phân đoạn thời gian cử chỉ liên tục từ luồng video thông qua sự kết hợp của Optical Flow, chuẩn hóa 3D, mã hóa chuỗi LSTM, gán nhãn BIO Tagging và giải mã bằng giải thuật Greedy Decoding.

Chương 3: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm từ thu thập dữ liệu đến kiểm thử hệ thống. Do nguồn tài nguyên dữ liệu ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt công khai còn hạn chế, nhóm tác giả đã tự xây dựng bộ dữ liệu video gồm 100 từ và cụm từ thông dụng (thuộc các chủ đề: ẩm thực như "Bánh mì", "Cà phê"; hoạt động như "Đá bóng"; ngày trong tuần; y tế như "Bệnh viện"; câu giao tiếp như "Bạn khỏe không?", "Tôi khỏe"). Dữ liệu sau đó được trích xuất tọa độ điểm mốc và lưu vào các tệp CSV.

Để mở rộng tập dữ liệu và chống hiện tượng quá khớp (overfitting), tác giả áp dụng 3 kỹ thuật tăng cường dữ liệu:

  1. Lấy ngẫu nhiên khung hình (Random frame sampling)
  2. Cắt xén ngẫu nhiên (Random cropping)
  3. Nội suy thời gian (Temporal interpolation)

Quá trình huấn luyện được thực hiện và so sánh trên hai không gian tọa độ: tập dữ liệu $xys$ (tọa độ $x, y$ và chỉ số tin cậy score/visibility) và tập dữ liệu $xyz$ (tọa độ không gian 3 chiều). Kết quả được đánh giá thông qua sự biến thiên của hàm mất mát (loss value) và các độ đo chính xác trên tập huấn luyện lẫn tập kiểm tra qua từng epoch đối với cả mô hình LSTM và ST-GCN. Cuối cùng, chương mô tả việc đóng gói và kiểm thử trang web nhận dạng thời gian thực kết hợp giữa FastAPI và React.js.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đồ án đã hoàn thành các mục tiêu đề ra với những kết quả cụ thể:

  • Thu thập và chuẩn hóa thành công bộ dữ liệu video ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt gồm khoảng 2.500 video cho 100 từ và cụm từ giao tiếp thường ngày.
  • Xây dựng thành công quy trình trích xuất đặc trưng tự động, chuyển đổi video cử chỉ thành chuỗi tọa độ 25 điểm thân trên và 42 điểm hai bàn tay thông qua MediaPipe Holistic, giảm đáng kể dung lượng lưu trữ và chi phí tính toán so với việc xử lý trực tiếp trên khung hình RGB.
  • Huấn luyện và kiểm chứng tính khả thi của hai mô hình học sâu (LSTM kết hợp Multi-Head Attention và ST-GCN), đồng thời áp dụng giải thuật phân đoạn thời gian dựa trên BIO Tagging và Greedy Decoding để xử lý các chuỗi ký hiệu nối tiếp.
  • Triển khai thành công ứng dụng web nhận dạng thời gian thực, kết nối mượt mà giữa mô hình suy luận Python (FastAPI/OpenCV) và giao diện người dùng React.js.

Đóng góp chính của đề tài là đề xuất một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, gọn nhẹ cho bài toán nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt không phụ thuộc vào cảm biến đeo. Bằng việc chứng minh tính hiệu quả của phương pháp tiếp cận dựa trên khung xương (Pose-Based), đề tài mở ra tiền đề để xây dựng các công cụ hỗ trợ giao tiếp giá thành thấp, có khả năng vận hành trực tiếp trên các thiết bị cấu hình khiêm tốn như máy tính cá nhân hoặc điện thoại thông minh trong tương lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đạt được những kết quả khả quan, báo cáo khóa luận cũng thẳng thắn chỉ ra các hạn chế cố hữu trong phạm vi nghiên cứu:

  • Quy mô tập từ vựng còn hạn chế: Mô hình mới chỉ được huấn luyện trên 100 từ và cụm từ tiếng Việt, chưa bao quát được toàn bộ hệ thống từ vựng phong phú và phức tạp của ngôn ngữ ký hiệu ngoài đời thực.
  • Tính đa dạng của tập dữ liệu: Toàn bộ 2.500 video đều do 3 thành viên trong nhóm nghiên cứu tự quay dựa trên tài liệu hướng dẫn, chưa thu thập được dữ liệu thực tế từ cộng đồng người khiếm thính bản ngữ. Do đó, sự biến thiên về thói quen chuyển động, tốc độ biểu đạt, đặc điểm nhân trắc học và môi trường ánh sáng chưa thực sự phong phú.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Mở rộng tập dữ liệu cả về số lượng từ vựng, số lượng mẫu và phối hợp thu thập dữ liệu trực tiếp từ cộng đồng người khiếm thính.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc mạng để nâng cao độ chính xác khi nhận dạng các câu ký hiệu dài và liên tục.
  • Tối ưu hóa mô hình để đóng gói và triển khai trực tiếp dưới dạng ứng dụng di động trên các hệ điều hành iOS và Android hoặc các thiết bị nhúng IoT.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo thiết thực cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Thông tin, Khoa học Máy tính, Trí tuệ Nhân tạo và Thị giác Máy tính đang thực hiện các đề tài về nhận dạng hành động người (Human Action Recognition) hoặc nhận dạng cử chỉ/ngôn ngữ ký hiệu (Sign Language Recognition - SLR).

Những phần có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Toàn bộ quy trình xây dựng pipeline trích xuất tọa độ khớp xương bằng MediaPipe Holistic kết hợp các phương pháp tăng cường dữ liệu chuỗi thời gian (Random frame sampling, Random cropping, Temporal interpolation).
  • Phương pháp luận phân đoạn cử chỉ thời gian thực sử dụng kỹ thuật gán nhãn BIO Tagging và giải mã Greedy Decoding.
  • Kiến trúc tích hợp thực tế giữa mô hình học máy xử lý luồng camera thời gian thực (FastAPI + OpenCV) với ứng dụng giao diện web hiện đại (React.js).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn hướng tiếp cận dựa trên khung xương (Pose-Based) thay vì xử lý ảnh RGB truyền thống hay dùng găng tay cảm biến?
Tiếp cận cảm biến gây vướng víu và tốn kém chi phí trang bị cho người khiếm thính. Trong khi đó, xử lý ảnh RGB nguyên bản đòi hỏi tài nguyên tính toán rất lớn và dễ bị nhiễu do phông nền, ánh sáng. Nhóm chọn giải pháp Pose-Based thông qua MediaPipe Holistic vì dữ liệu tọa độ khớp xương rất nhẹ, triệt tiêu được ảnh hưởng của bối cảnh môi trường và phù hợp để triển khai trên các thiết bị hiệu năng thấp.

2. Tập dữ liệu thực nghiệm trong khóa luận được thu thập và tổ chức như thế nào?
Bộ dữ liệu gồm khoảng 2.500 video do 3 thành viên nhóm nghiên cứu tự ghi hình theo các tài liệu hướng dẫn ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt chuẩn. Bộ dữ liệu bao quát 100 từ và cụm từ thuộc các chủ đề đời sống (như "Bánh mì", "Cà phê", "Đá bóng", "Bệnh viện", các thứ trong tuần, câu hỏi thăm "Bạn khỏe không?"). Dữ liệu được trích xuất thành các tệp CSV chứa tọa độ điểm mốc thân trên (25 điểm) và hai bàn tay (42 điểm).

3. Hai kiến trúc mô hình học sâu chính được triển khai cho bài toán nhận dạng trong đồ án là gì?
Đó là mô hình mạng hồi quy LSTM kết hợp cơ chế chú ý đa đầu (Multi-Head Attention) và mô hình mạng tích chập đồ thị không - thời gian ST-GCN (Spatial Temporal Graph Convolutional Networks).

4. Cơ chế phân đoạn video ngôn ngữ ký hiệu liên tục được thực hiện bằng giải pháp nào?
Mô hình phân đoạn kết hợp trích xuất tư thế MediaPipe, tính toán Optical Flow, chuẩn hóa bàn tay 3D, đưa qua bộ mã hóa chuỗi LSTM, sau đó sử dụng phương pháp BIO Tagging (Begin, Inside, Outside) để phân loại nhãn từng khung hình và áp dụng thuật toán Greedy Decoding để giải mã các phân đoạn từ/cụm từ độc lập.

5. Ứng dụng web nhận dạng thời gian thực được xây dựng dựa trên công nghệ nào?
Hệ thống sử dụng Python với framework FastAPI và thư viện OpenCV (cv2) ở tầng backend để thu nhận luồng hình ảnh từ camera và suy luận mô hình; tầng frontend sử dụng thư viện React.js để hiển thị giao diện tương tác, vẽ các điểm mốc khung xương và hiển thị kết quả dịch thuật văn bản trực tiếp cho người dùng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán xây dựng hệ thống nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu tiếng Việt dựa trên thị giác máy tính và học sâu. Bằng việc kết hợp pipeline trích xuất khung xương MediaPipe Holistic với các mô hình học chuỗi/đồ thị (LSTM kết hợp Attention và ST-GCN) cùng kỹ thuật phân đoạn BIO Tagging, nghiên cứu đã nhận dạng thành công 100 từ và cụm từ giao tiếp trên tập dữ liệu 2.500 video tự xây dựng. Hệ thống được đóng gói hoàn chỉnh thành một ứng dụng web thời gian thực sử dụng FastAPI và React.js, tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu mở rộng quy mô từ vựng và triển khai trên các thiết bị di động trong tương lai.