pengolahan citra digital untuk mendeteksi obyek wajah

PENGOLAHAN CITRA DIGITAL
UNTUK MENDETEKSI OBYEK WAJAH
PADA CITRA BERGERAK
BERDASARKAN PADA EKSTRAKSI FITUR MATA
Didik Hariyanto
2204 205 005
PROGRAM STUDI MAGISTER
BIDANG KEAHLIAN JARINGAN CERDAS MULTIMEDIA
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBER
SURABAYA
2006
PENGOLAHAN CITRA DIGITAL
UNTUK MENDETEKSI OBYEK WAJAH
PADA CITRA BERGERAK
BERDASARKAN PADA EKSTRAKSI FITUR MATA
Tesis ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar
Magister Teknik (MT)
di
Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya
Oleh :
Didik Hariyanto
2204 205 005
Tanggal Ujian : 27 Juni 2006
Periode Wisuda : September 2006
Disetujui oleh Tim Penguji Tesis :
1. Pembimbing I
: Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery P., M.Eng.
NIP. 131 569 364
1. ______________
2. Pembimbing II
: Ir. Dadet Pramadihanto, M.Eng., Ph.D.
NIP. 131 803 696
2. ______________
3. Penguji I
: Mochamad Hariadi, S.T., M.Sc., Ph.D.
NIP. 132 172 209
3. ______________
4. Penguji II
: Ir. Yoyon K. Suprapto, M.Sc.
NIP. 130 687 439
4. ______________
5. Penguji III
: Supeno Mardi S.N., S.T., M.T.
NIP. 132 137 893
5. ______________
6. Penguji IV
: Eko Mulyanto Y., S.T., M.T.
NIP. 132 135 221
6. ______________
Direktur Program Pasca Sarjana,
Prof. Ir. Happy Ratna S., M.Sc., Ph.D.
NIP. 130 541 829
ii
ABSTRAK
PENGOLAHAN CITRA DIGITAL
UNTUK MENDETEKSI OBYEK WAJAH
PADA CITRA BERGERAK
BERDASARKAN PADA EKSTRAKSI FITUR MATA
Penulis
Pembimbing
: Didik Hariyanto
: Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery P., M. Eng
Ir. Dadet Pramadihanto, M.Eng., Ph.D.
Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan suatu sistem yang dapat
digunakan untuk mendeteksi suatu wajah dalam sebuah citra bergerak berdasarkan
pada ekstraksi fitur mata. Pada suatu citra bergerak yang terdiri dari berbagai obyek
yang berlainan dengan disertai latar belakang yang berbeda, sistem ini akan dapat
membedakannya antara obyek wajah atau bukan.
Penelitian ini dilakukan dengan cara mengambil citra bergerak dengan
komposisi obyek citra yang bermacam-macam. Dari citra tersebut, kemudian
dilakukan pengubahan ukuran menjadi 160x120 piksel dari ukuran aslinya 320x240
piksel. Ukuran citra yang lebih kecil dimaksudkan agar kerja sistem menjadi lebih
cepat. Setelah itu, dilakukan pemilihan frame pada kelipatan 3 diantara keseluruhan
frame yang ada. Output dari pemilihan frame akan diberikan pada dua sub sistem
yang berbeda. Sub sistem yang pertama terdiri dari operasi pengubahan warna ke
gray level, Filter Minimum 4x4 dan Iteratif Threshold. Sub sistem yang kedua terdiri
dari seleksi warna kulit, Gaussian Filter 7x7 dan Dinamik Threshold. Dari kedua
output sub sistem tersebut, kemudian diberikan operasi XOR. Operasi selanjutnya
adalah Gaussian Filter 5x5 dan Iteratif Threshold. Pencarian kandidat mata dilakukan
melalui proses pencarian dua titik yang mempunyai jarak tertentu. Hasil akhir yang
berupa koordinat titik mata, kemudian dilakukan operasi pembesaran agar sesuai
dengan ukuran awal dari citra masukan.
Pengujian sistem dilakukan dengan memberikan masukan berupa file video
dengan berbagai macam kombinasi obyek dan latar belakang yang berbeda. Output
sistem kemudian dibandingkan dengan hasil interpretasi yang dilakukan oleh
manusia.
Kata kunci : Deteksi Wajah, Ekstraksi Fitur Mata, Pengolahan Citra.
iii
ABSTRACT
DIGITAL IMAGE PROCESSING
FOR FACE OBJECT DETECTION
IN AN IMAGE SEQUENCE
BASED ON EYES FEATURE EXTRACTION
Writer
Counselors
: Didik Hariyanto
: Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery P., M. Eng
Ir. Dadet Pramadihanto, M.Eng., Ph.D.
The main aim of this research is to develop system that can detect face object
in an image sequence based on eyes feature extraction. In an image sequence
produced by video streaming, it is usually found many objects such as background,
clothes, eyes, hair, face and etc. In this research, the authors try to detect
automatically which one is the real face object and which one is not.
In this research, the Detection system is developed by several steps, first of
all is capturing an image sequence from a video streaming. The second step is
reducing the each frame size into 160 x 120 pixels from the original size 320 x 240
pixels in every third frame grabbed. Then these frames are being sent into two flow
works to be processed. The first flow work is begun by grey level transforming, 4x4
Minimum filter operation and Iterative Threshold. The second flow work is started
by doing skin color selection, 7x7 Gaussian Filter Operation and Dynamic
Threshold. The Output from each flow work is then being combined by using XOR
function. Then, the result is being filtered by 5x5 Gaussian Filter and Iterative
threshold so that the frames are ready to be the input of the system in searching the
features of eyes. Moreover, the coordinates that are finally found from the frames
will be enlarged twice in order to make an appropriate size and position of the
features of the eyes in an image sequence. Finally, the candidate of the face detection
can be found automatically.
The detection system will be evaluated by using several video files with
many various video backgrounds and many various object. The final result will be
compared with the result of human interpretation of face detection.
Keyword : Face Detection, Eyes Feature Extraction, Image Processing.
iv
KATA PENGANTAR
%LVPLOODKLURKPDQLUURKLP
Puji dan syukur ke hadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala, karena berkat
rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis dengan judul :
“PENGOLAHAN CITRA DIGITAL
UNTUK MENDETEKSI OBYEK WAJAH
PADA CITRA BERGERAK
BERDASARKAN PADA EKSTRAKSI FITUR MATA”
Tesis ini mempunyai beban 6 SKS (Satuan Kredit Semester) dan disusun
guna memenuhi persyaratan untuk mencapai gelar Magister Teknik pada Bidang
Keahlian Jaringan Cerdas Multimedia - Jurusan Teknik Elektro - Fakultas Teknologi
Industri - Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya.
Dalam pembuatan Tesis ini, penulis sadar bahwa masih terdapat kesalahan
dan kekurangan, sehingga diharapkan adanya kritikan dan saran yang dapat
menyempurnakan Tesis ini dimasa yang akan datang.
Semoga buku Tesis ini dapat memberikan informasi dan manfaat bagi
pembaca pada umumnya dan mahasiswa Jurusan Teknik Elektro pada khususnya.
Surabaya, Juni 2006
Penulis
v
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan segenap kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo., M.Eng., selaku dosen pembimbing
yang telah memberikan bimbingan dan arahan selama Tesis ini.
2. Bapak Ir. Dadet Pramadihanto, M.Eng., Ph.D., selaku dosen pembimbing yang
telah memberikan bimbingan dan arahan selama Tesis ini.
3. Bapak Supeno Mardi S.N., S.T., M.T., selaku dosen wali yang memberikan
masukan dan dorongan dalam penyusunan Tesis ini.
4. Bapak Eko Pramunanto, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing PraTesis yang
memberikan bimbingan dalam penyusunan Tesis ini.
5. Bapak Ir. Hariyadi, M.Eng., Ph.D., Ir Yoyon K. Suprapto, M.Sc, Eko Mulyanto,
S.T., M.T., selaku dosen pembahas yang telah memberikan masukan dan
dorongan dalam penyusunan Tesis ini.
6. Segenap dosen dan civitas akademika Program Studi Magister Jurusan Teknik
Elektro yang selama ini membantu dalam kesempuranaan Tesis ini.
7. Bapak dan Ibu yang telah berjasa dalam mendidik penulis sejak kecil dan selalu
mendo’akan keberhasilan pendidikan bagi putra tercintanya.
8. Istri saya dan anak-anak saya, yang telah memberikan dorongan baik moral
maupun spiritual untuk menyelesaikan tesis ini.
9. Sahabat-sahabat saya di S2 Jaringan Cerdas Multimedia 2002, 2003, dan 2004,
serta warga lab B.201 yang telah membantu Tesis ini.
vi
10. Segenap pimpinan, staf dan karyawan Universitas Negeri Yogyakarta, yang telah
memberikan dorongan moral dan material.
11. Dan rekan-rekan sejawat yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Tanpa Bapak, Ibu dan saudara-saudara sekalian penulis tidak akan mungkin
menyelesaikan Tesis ini.
Akhirnya dengan kesungguhan hati, penulis berharap agar Tuhan Yang
Maha Esa melimpahkan berkah-Nya dan membalas semua budi baik yang telah
diberikan.
Surabaya, Juni 2006
Penulis
vii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i
HALAMAN PERSETUJUAN .............................................................................. ii
ABSTRAK ............................................................................................................ iii
ABSTRACT …………………………………………………………………….. iv
KATA PENGANTAR .......................................................................................... v
UCAPAN TERIMA KASIH …………………………………………………… vi
DAFTAR ISI ........................................................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xi
DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiii
BAB I.
PENDAHULUAN ............................................................................... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ................................................................ 1
1.2 Batasan Masalah ............................................................................ 3
1.3 Rumusan Masalah .......................................................................... 3
1.4 Tujuan Penelitian ........................................................................... 4
1.5 Manfaat Penelitian ......................................................................... 4
1.6 Metodologi Penelitian .................................................................... 4
1.7 Sistematika Penulisan .................................................................... 5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 7
2.1 Pengantar Pengolahan Citra ........................................................... 7
viii
2.1.1 Definisi Citra Digital .......................................................... 7
2.1.2 Definisi Pengolahan Citra Digital ...................................... 9
2.2 Perbaikan Kualitas Citra ................................................................ 12
2.2.1 Pengubahan Kecerahan Gambar (Image Brightness) ......... 12
2.2.2 Peregangan Kontras ............................................................ 13
2.2.3 Pengubahan Histogram Citra .............................................. 13
2.2.4 Pelembutan Citra (Image Smoothing) ................................ 14
2.2.5 Penajaman Citra (Image Sharpening) ................................ 15
2.3 Filter Pada Citra ............................................................................. 15
2.3.1 Filter Linear ........................................................................ 17
2.3.2 Filter Rata-Rata .................................................................. 18
2.3.3 Filter Non Linear ................................................................ 19
2.3.4 Filter Gaussian .................................................................... 20
2.4 Segmentasi Citra ............................................................................ 22
2.4.1 Daerah Dan Obyek ............................................................. 22
2.4.2 Segmentasi daerah .............................................................. 23
2.4.3 Binerisasi Otomatis ............................................................ 24
2.5 Pengolahan Warna ......................................................................... 26
2.5.1 Model Warna ...................................................................... 26
2.5.2 Pengolahan Warna Model RGB ......................................... 27
2.5.3 Pengolahan Warna Model HSI ........................................... 28
2.5.4 Pengolahan Warna Model YCbCr ...................................... 32
2.6 Algoritma Yang Telah Ada .......................................................... 33
ix
2.7 Perubahan Yang Diusulkan ........................................................... 34
BAB III. METODE PENELITIAN ................................................................... 36
3.1 Pemodelan Sistem .......................................................................... 36
3.2 Analisa Hasil Uji Coba .................................................................. 48
BAB IV. PEMBAHASAN DAN HASIL PENELITIAN ................................ 51
4.1 Implementasi Sistem ...................................................................... 51
4.2 Pengujian Sistem ............................................................................ 64
4.3 Pembahasan Hasil Pengujian ......................................................... 66
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 76
5.1 Kesimpulan .................................................................................... 76
5.2 Saran .............................................................................................. 77
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 79
LAMPIRAN ......................................................................................................... 82
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1.
Citra Lena ..................................................................................... 8
Gambar 2.2.
Perbedaan letak titik origin pada koordinat grafik dan pada citra
Gambar 2.3.
Hubungan antara koordinat pada citra dan indeks larik pada
9
Komputer untuk menyimpan data citra ........................................ 9
Gambar 2.4.
Citra Lena yang mengandung derau dan hasil dari penapisan ..... 10
Gambar 2.5.
Blok Diagram Sistem Linear ........................................................ 16
Gambar 2.6.
Contoh matriks 3x3 untuk konvolusi ............................................ 17
Gambar 2.7.
Ilustrasi penggunaan filter rata-rata berukuran 3x3 piksel ........... 19
Gambar 2.8.
Ilustrasi penggunaan filter non linear berukuran 3x3 piksel ......... 20
Gambar 2.9.
Bentuk grafis hasil plot fungsi Gaussian dua dimensi ................. 21
Gambar 2.10. Spektrum cahaya .......................................................................... 26
Gambar 2.11. Segitiga HSI ................................................................................. 28
Gambar 2.12. Blok Diagram Penelitian Alberto Albiol dkk .............................. 30
Gambar 2.13. Blok Diagram Penelitian Emiliano Acosta dkk .......................... 31
Gambar 3.1.
Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan .................................. 34
Gambar 4.1.
RGB ke Gray Level ...................................................................... 49
Gambar 4.2.
Minimum Filter 4x4 ..................................................................... 49
Gambar 4.3.
Iteratif Threshold ......................................................................... 50
Gambar 4.4.
Seleksi Warna Kulit ..................................................................... 51
Gambar 4.5.
Gaussian Filter 7x7 ....................................................................... 51
Gambar 4.6.
Dinamic Threshold ...................................................................... 52
xi
Gambar 4.7.
Fungsi EXOR .............................................................................. 52
Gambar 4.8.
Gaussian Filter 5x5 ...................................................................... 53
Gambar 4.9.
Iteratif Threshold ......................................................................... 53
Gambar 4.10. Hasil output sistem untuk obyek wajah pada posisi relatif diam . 58
Gambar 4.11. Hasil output sistem untuk gerakan maju dan mundur .................. 59
Gambar 4.12. Hasil output sistem untuk gerakan menoleh kekiri-kekanan dan
mendongak keatas ....................................................................... 61
Gambar 4.13. Hasil output sistem untuk obyek wajah yang berekspresi ........... 61
Gambar 4.14. Hasil output sistem untuk obyek wajah yang bernyanyi dan
bertopi ………………………………………………………….. 62
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Beberapa citra masukan dari hasil pengambilan frame .................... 47
Tabel 4.2. Hasil pemilihan frame pada kelipatan 3 ............................................ 48
Tabel 4.3. Beberapa frame hasil deteksi wajah ................................................. 55
Tabel 4.4. Hasil Pengujian Sistem Deteksi Wajah ............................................. 57
xiii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Perkembangan teknologi, khususnya di bidang komputer telah
sedemikian pesatnya dan sudah memberikan manfaat yang besar ke segala
bidang kehidupan. Bidang komputer sendiri terdiri dari dua bagian besar, yaitu
perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Baik itu hardware
maupun software telah mengalami perkembangan dan memberikan manfaat yang
besar bagi seluruh sektor kehidupan manusia.
Salah satu perkembangan di bidang software yang menarik untuk
dicermati
adalah
pemanfaatan
multimedia dan
aplikasinya
yang
bisa
dimanfaatkan untuk berbagai bidang pekerjaan maupun pendidikan. Multimedia
sendiri merupakan gabungan dari berbagai macam media, yang diantaranya
adalah teks, suara, citra atau gambar, animasi dan lain sebagainya.
Citra atau gambar yang merupakan salah satu komponen penting dalam
multimedia sangat berperan dalam bidang komputer terutama dalam hal
menyajikan suatu informasi dalam bentuk gambar atau visual. Penyajian
informasi dalam bentuk gambar akan didapatkan manfaat yang lebih dan dapat
menggantikan berbaris-baris susunan kalimat bila disajikan dalam bentuk teks.
Citra dapat menyajikan ciri unik atau informasi khusus yang merupakan
representasi dari obyek yang ada di dalamnya. Dengan menggunakan sifat citra
yang dapat merepresentasikan suatu obyek, maka dapat dimanfaatkan sebagai
1
suatu alat untuk melakukan tugas-tugas tertentu dengan menggunakan citra
sebagai masukan atau input sistem. Sebelum dapat digunakan secara langsung,
citra harus diolah terlebih dahulu agar supaya komputer sebagai pengambil
keputusan dapat memahaminya. Teknik seperti ini sering disebut dengan
pengolahan citra (image processing).
Banyak sekali permasalahan yang membutuhkan citra sebagai masukan
atau input sistem dikarenakan keterbatasan manusia dalam hal kecepatan
pemrosesan suatu algoritma, masalah waktu, faktor emosi dan sebagainya. Salah
satu sistem yang membutuhkan citra sebagai masukannya adalah deteksi obyek
wajah. Deteksi obyek wajah adalah suatu algoritma yang dibangun dengan
tujuan agar dapat mencari posisi suatu obyek wajah pada suatu citra atau proses
segmentasi antara daerah obyek wajah dan yang bukan wajah.
Untuk dapat mendeteksi obyek wajah, maka perlu didapatkan terlebih
dahulu pola atau ciri khusus dari obyek wajah yang dapat dijadikan acuan atau
patokan dalam sistem yang dibangun. Dengan memanfaatkan pengolahan citra
dan berbagai metode dan algoritma yang terkait di dalamnya, maka dapat
digunakan untuk membangun suatu sistem deteksi wajah. Sistem deteksi wajah
yang saat ini dikembangkan adalah yang memanfaatkan masukan berupa citra
bergerak. Dengan citra bergerak (image sequence), maka diharapkan suatu
proses deteksi wajah dapat berlangsung dengan cepat dan tanpa melalui proses
konversi ke citra diam (still image).
Melihat berbagai hal yang disampaikan di atas, maka perlu dilakukan
penelitian untuk dapat dibangunnya suatu sistem deteksi wajah dengan masukan
2
berupa citra bergerak. Sistem yang dibangun didasarkan pada ciri khusus dari
wajah yang berupa dua buah mata. Perlu diketahui bahwa daerah sekitar mata
mempunyai kecenderungan berwarna hitam. Dengan menggunakan asumsi
tersebut, maka sistem ini dibangun didasarkan pada hal tersebut.
1.2 Batasan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah serta dengan memperhatikan
keterbatasan waktu, tenaga, biaya dan kemampuan, maka permasalahan dibatasi
pada hal-hal sebagai berikut :
1. Pengambilan citra wajah dilakukan dengan menggunakan Web-Camera
Logitech Pro-4000.
2. Pengambilan gambar dilakukan pada sebuah ruangan dengan pencahayaan
yang bagus dan merata.
3. Hanya terdapat satu obyek wajah dalam pengambilan gambar.
4. Wajah yang dijadikan obyek identifikasi dalam keadaan polos dan tidak
tertutupi atau terhalangi oleh sesuatu.
1.3 Rumusan Masalah
Dari latar belakang masalah dan batasan masalah tersebut dapat
diturunkan dua buah rumusan permasalahan, yaitu :
1. Bagaimana mengembangkan suatu sistem yang digunakan untuk mendeteksi
obyek wajah pada sebuah masukan yang berupa citra bergerak dengan
memanfaatkan pengolahan citra yang didasarkan pada ekstraksi fitur mata ?
3
2. Bagaimana unjuk kerja sistem deteksi wajah pada citra bergerak berdasarkan
pada ekstraksi fitur mata ?
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan suatu sistem deteksi
obyek wajah pada sebuah citra bergerak dengan menggunakan pengolahan citra
yang didasarkan pada ekstraksi fitur mata.
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan beberapa nilai
manfaat, antara lain :
1. Dapat memberikan pemahaman serta pengetahuan mengenai berbagai
macam algoritma pengolahan citra yang digunakan untuk mendeteksi obyek
wajah pada citra bergerak.
2. Dapat memberikan kontribusi pada peningkatan model sistem deteksi wajah
pada citra bergerak berdasarkan ekstraksi fitur mata.
1.6 Metodologi Penelitian
Dalam penelitian ini, alur kerja yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Mempelajari teori dasar tentang pengolahan citra dan deteksi wajah.
2. Merancang blok diagram dan algoritma sistem.
3. Membangun perangkat lunak sistem.
4. Melakukan pengujian terhadap sistem yang dibuat.
4
5. Menganalisa hasil dari pengujian yang telah dilakukan.
6. Menyusun laporan penelitian.
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam penelitian ini terbagi atas lima bab, dimana
setiap bab saling berhubungan satu sama lain sesuai dengan urutan permasalahan
yang akan dibahas. Selain itu juga disertai lampiran sebagai bahan pendukung.
Masing-masing bab membahas hal-hal sebagai berikut :
Bab I : Pendahuluan
Mendeskripsikan mengenai latar belakang masalah, identifikasi masalah, batasan
masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi
penelitian dan sistematika penulisan.
Bab II : Tinjauan Pustaka
Berisi tentang kajian teoritis mengenai konsep dasar pengolahan citra dan
berbagai macam algoritma pengolahan citra yang digunakan dalam penelitian ini.
Bab III : Metode Penelitian
Diuraikan tentang metode yang digunakan dalam penelitian ini yang dimulai dari
perancangan dalam bentuk blok diagram sistem dan disertai penjelasannya.
Bab IV : Pengujian dan Pembahasan
Membahas tentang hasil pengujian yang dilakukan secara menyeluruh dan
terpadu terhadap rancangan sistem yang dibuat pada kondisi uji yang telah
disiapkan.
5
Bab V : Kesimpulan dan Saran
Disampaikan kesimpulan dari seluruh hasil penelitian dan saran yang dapat
digunakan untuk pengembangan sistem yang lebih baik.
6