Identifikasi Tumbuhan Berdasarkan Minutiae Tulang Daun Menggunakan SOM Kohonen

Transkripsi

1 Identifikasi Tumbuhan Berdasarkan Minutiae Tulang Daun Menggunakan SOM Kohonen Arga Wahyumianto 1, Dr. I Ketut Eddy Purnama, ST., MT 2, Christyowidiasmoro, ST., MT 2 1 Mahasiswa S1 Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2 Staf Pengajar, Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia Abstract- In this final project, a simple application have been made based on Matlab GUI to identify plant species based on the features of bone leaves. The method used for feature extraction for leaves bones (vein leaf) is fingerprint minutiae extraction. With this method, it will be detected bone branching leaf on leaf picture. It will obtained amount bone branch of leaves. From these data, tried to do the classification of images of leaves. From the examination that has been done, the average success rate of applications in classifying the leaf image using Kohonen neural network to determine the fourth class of plant leaves, amounting to % for guava, % for green eggplants, local peppers % and % for sweet potatoes. Keywords: Leaf Identification, minutiae extraction, Kohonen Neural Network, vein leaf I. PENDAHULUAN Daun yang dimiliki oleh tumbuhan merupakan salah satu biometric dari tumbuhan. Hal ini disebabkan karena daun pada tiap jenis tumbuhan memiliki bentuk dan ruas daun yang berbeda yang dapat digunakan sebagai fitur yang didapatkan melalui serangkaian proses pengolahan citra untuk dilakukan klasifikasi citra daun. Fitur ruas daun (tulang daun) belum sepenuhnya dieksploitasi sebagai ukuran kemiripan daun. Yang menarik adalah beberapa spesies tumbuhan mempunyai pola kontur yang hampir sama. Contoh, Nuphar Japonicum dan Nuphar Pumilum adalah anggota dari family Nymphaeaceae. Struktur tulang daun (pola venasi) merupakan fitur unik lain yang membedakan jenis tumbuhan dalam proses identifikasi spesies memainkan peran penting. Meskipun tulang daun yang khas dan permanen selama beberapa waktu sebelumnya tidak dapat dianggap sebagai biometrik yang dapat diandalkan karena tidak universal (beberapa spesies tidak menunjukkan pola venasi jelas) dan juga ekstraksi pola venasi dari gambar daun yang tidak mudah. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, beberapa studi dapat dilihat pada venasi dan ekstraksi vena seperti studi, CLOVER: A Mobile Content-Based Leaf Image Retrieval System, Nam et al. (2005b) mencoba untuk memasukkan representasi tulang daun ke dalam sistem biometrik mereka. Dari gambar 1, ditunjukkan pola venasi yang berbeda yang telah mereka coba kenali dari gambar daun. Gambar 1 Perbedaan pola venasi (Diadopsi dari Nam et al. (2005b)) Sebuah sistem klasifikasi berbasis tulang daun diperkenalkan oleh Park et al. (2006) menggunakan gambar dari buku "Flora Illustrated Korea". Fu & Chi (2003) mengusulkan pendekatan dalam dua tahap (segmentasi awal berdasarkan histogram intensitas gambar daun dan menggunakan classifier jaringan saraf buatan) untuk mengekstrak pola venasi dua puluh satu gambar daun yang berbeda dan memperoleh hasil yang lebih baik daripada penggunaan detektor tepi konvensional. Penelitian yang telah dilakukan dalam ekstraksi tulang daun ini menggunakan fourier dan pemodelan b-spline oleh Rahmadhani M. and Yeni Herdiyeni dalam papernya Shape and Vein Extraction on Plant Leaf Images Using Fourier and B-Spline Modeling. Sedangkan pada penelitian ini, akan mencoba untuk melakukan identifikasi terhadap citra daun. Metode ekstraksi yang dilakukan yakni metode ekstraksi minutiae pada sidik jari. Algoritma tersebut nantinya akan mendeteksi cabang dari tulang daun. Dari cabang tulang daun, akan dijadikan data training oleh Jaringan Saraf Kohonen. Citra daun yang akan digunakan dalam penelitian merupakan jenis daun tunggal dengan tulang daun menyirip. II. DESAIN Alur identifikasi pada penelitian ini secara garis besar ditunjukkan pada Gambar 2 :

2 III. PENGOLAHAN CITRA A. Pre-processing dan segmentasi Pre-processing merupakan tahap persiapan untuk proses berikutnya. Input berupa image daun. Preprocessing meliputi konversi dari rgb ke gray. Tahap ini perlu dilakukan untuk memudahkan proses thresholding. Segmentasi yang dilakukan adalah thresholding. Dengan adanya thresholding, akan didapatkan citra tulang daun dalam bentuk biner. Gambar 2 Gambaran umum sistem Algoritma Sistem Ada banyak metode yang diterapkan dalam setiap tahapan identifikasi tulang daun. Dalam setiap tahapan tersebut, diterapkan metode-metode yang telah disesuaikan untuk keperluan proses selanjutnya. Untuk lebih jelasnya, algoritma sistem identifikasi tulang daun digambarkan dalam bagan di bawah ini. Citra Daun Citra Grayscale Thresholding Morphology : Dilasi, Erosi Thinning Roipoly Fitur Tulang Daun Ekstraksi Minutiae 1 1 Jml cabang tulang daun Kohonen Klasifikasi B. Morfologi Morfologi dapat disebut sebagai fungsi untuk merubah bentuk objek pada suatu citra 1. Dilasi Dilasi adalah operasi untuk mengembangkan atau menebalkan objek pada citra biner. 2. Erosi Erosi merupakan proses penghapusan titik-titik batas objek menjadi bagian dari latar, berdasarkan structuring element yang digunakan Parameter-parameter dalam morfologi yaitu panjang pixel(length) untuk dilasi maupun erosi serta derajat kemiringan sudut(deg). Gambar 4 length = 9, deg = 0 o C. Thinning Untuk metode thinning menggunakan fungsi thinning yang terdapat di matlab. Algoritmanya adalah : 1. Membagi gambar menjadi dua subbidang berbeda dalam pola kotak-kotak. 2. Dalam subiteration pertama, hapus pixel p dari subfield pertama jika dan hanya jika kondisi G1, G2, dan G3 telah terpenuhi. 3. Dalam subiteration kedua, menghapus pixel p dari subfield kedua jika dan hanya jika kondisi G1, G2, dan G3 telah terpenuhi. KONDISI G1 : X H (p) = 1 b i = 1 ( =1 =1) (1) 0 = (2) X 1, X 2,..., X 8 adalah nilai-nilai dari delapan tetangganya p, dimulai dengan tetangga timur dan sesuai dengan nomor dengan urutan berlawanan arah jarum jam. Gambar 3 Proses yang dilalui dalam setiap tahapan identifikasi Gambar 5 Matriks window 3x3

3 KONDISI G2 : 2 (), () 3 (3) Dengan : ()= (4) ()= (5) KONDISI G3 : ( ) =0 (6) KONDISI G3 : V( ) =0 (7) IV. EKSTRAKSI FITUR Pada tahap ini, citra yang berupa fitur tulang daun akan dideteksi pola percabangan tulang daunnya dengan menggunakan metode ekstraksi minutiae seperti pada sidik jari. Langkah-langkah dalam ekstraksi cabang tulang daun prinsipya sama dengan ekstraksi minutiae pada sidik jari. Hal yang dilakukan antara lain : 1. Menggunakan Crossing Number (CN), dimana CN adalah metode untuk mencari cabang bifurcations. Dengan memeriksa tetangga lokal dari setiap piksel yang mengalami percabangan menggunakan window 3x3 =0,5 (8) Dengan P i adalah nilai pixel dari tetangga P. Untuk pixel P, ada 8 nilai pixel tetangga akan discan berlawanan dengan arah jarum jam. Gambar 7 Hasil Ekstraksi minutiae Dari gambar 8 percabangan tulang daun ditunjukkan oleh titik warna biru. Dari titik biru ini dapat diperoleh informasi koordinat dari cabang tersebut dan jumlah percabangan yang ada di fitur tulang daun tersebut. V. POLA CABANG TULANG DAUN Untuk bisa diproses dalam tahap selanjutnya, diperlukan suatu pola agar pada masing-masing daun memiliki ciri sehingga bisa untuk diidentifikasi. Tahapan untuk membuat pola ini adalah sebuah percobaan, karena ada banyaknya jenis dan macam daun. Pola yang dicoba yakni menghitung banyaknya cabang pada tulang daun yang berada pada daerah tertentu dalam citra daun. Pembagian daerah tersebut berdasarkan height resolution dari citra daun. Pembagian tersebut sebagai berikut : Level 0 : cabang tulang daun yang berada di tulang daun primer Level 1 : cabang tulang daun yang berada pada di atas daerah level 0 atau berada di bawah level 0 Level 2 : cabang tulang daun yang berada pada di atas daerah level 1 atau berada di bawah level 1 Level 2 Level 0 2. Setelah melakukan scanning dan komputasi. Maka, pixel dapat digolongkan menurut nilai properties dari CN. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 6 Level 1 Gambar 8 Pola Cabang Gambar 6 CN = 3 3. Dari setiap titik ekstraksi minutiae, akan didapatkan koordinat letak titik tersebut. Dengan adanya koordinat tersebut, bisa dijadikan suatu pola cabang tulang daun. Dari informasi banyaknya cabang tulang daun yang berdasarkan level tersebut, maka akan diperoleh data. Data tersebut akan dijadikan data training untuk melakukan pembelajaran dengan metode kohonen. VI. KOHONEN NEURAL NETWORK Algoritma Kohonen Self Organizing yang digunakan untuk pengelompokan data(clustering) antara lain : 1. Menetapkan : a. Input data yang dinormalisasi b. Jumlah kelas

4 2. Inisialisasi : a. Bobot Input (wij) dengan nilai sembarang atau dengan menggunakan rumus : = + 2 (9) Dengan : wij = bobot antara variabel input ke-j dengan neuron pada kelas ke-i. MinXi = nilai minimum pada variabel input ke-i. MaxXi= nilai maksimum dari variabel input ke-i. b. Set parameter learning rate (α). c. Set maksimum epoh (MaxEpoh). 3. Set Epoh = 0 4. Kerjakan jika Epoh < MaxEpoh a. Epoh = Epoh + 1 b. Pilih data secara acak, misalnya data terpilih data ke-j. c. Cari jarak antara data ke-j dengan tiap bobot input ke-i (Dj) : = d. Cari bobot yang terkecil (pemenang) e. Update bobot yang baru : (10) = + ( ) (11) VII. PENGUJIAN Setelah melalui proses desain dan pembuatan serta analisa, maka aplikasi ini memerlukan proses pengujian. Pengujian ini bertujuan untuk mengamati dan menganalisa terhadap hasil penelitian. Pengujian ini meliputi: 1. Pengamatan hasil proses pengolahan citra yakni pengamatan terhadap parameter morfologi 2. Pengamatan hasil ekstraksi 3. Pengamatan terhadap hasil identifikasi dengan metode kohonen. A. Hasil Morfologi Pengujian dalam proses ini, yakni mencari parameter yang tepat agar mendapatkan fitur tulang daun yang nantinya bisa mendapatkan hasil ekstraksi yang bagus. Hasil percobaan mendapatkan parameter yang tepat ditunjukkan pada tabel 1. Parameter tersebut adalah length (panjang elemen(dalam pixel)) dan deg(sudut dari length(dalam derajat)) Pengujian dilakukan pada sampel citra daun jambu biji dengan nilai threshold yakni 90. Tabel 1 Pengujian parameter morfologi Citra Daun Dilasi Erosi Jambu6.jpg Length : 2 Length : 8 Deg : 45 Deg : 45 Hasil Morfologi Dari tabel 1 didapatkan hasil yang berbeda untuk tiap parameter yang nilainya berbeda. Hasil yang bagus diperoleh ketika parameter untuk dilasi yakni length = 8 dengan deg = 90 dan erosi yakni length = 5 dengan deg = 90. Parameter yang juga menghasilkan citra yang bagus saat length = 5,deg = 90 untuk dilasi dan length = 5, deg = 45 untuk erosi. B. Ekstraksi Citra Tulang Daun Pengujian dilakukan dengan mengamati hasil ekstraksi dengan penghitungan manual jumlah cabang tulang daun. Hasilnya bisa dilihat pada tabel 2, tabel 3 dan tabel 4. Tabel 2 Presentase error ekstraksi pada citra daun jambu biji Hasil Perhitungan Error Citra Daun Threshold Ekstraksi Manual (%) , , , , ,6 Dari tabel 2, diperoleh error yang bervariasi. Error paling besar diperoleh pada citra daun baris ke-5 yakni sebesar 45%. Error sebesar itu dikarenakan nilai thresholding terlalu besar, sehingga banyak informasi yang hilang. Apabila nilai threshold tersebut diganti dengan 100, error yang didapatkan yakni 9%.

5 Tabel 3 Presentase error ekstraksi pada citra daun terong hijau Citra Daun Threshold Hasil Ekstraksi Perhitungan Manual Pada tabel 3, terdapat error di atas 100% yakni pada citra daun pada baris ke-5, baris ke-6, dan baris ke-7. Dan error di atas 50% pada citra daun baris ke- 3. Nilai thresholding ke-4 citra tersebut kurang tepat, sehingga terjadi error yang besar. Tabel 4 Presentase error ekstraksi pada citra daun cabai lokal Citra Daun Hasil Perhitungan Error Threshold Ekstraksi Manual (%) , , Error (%) , , , , , , , , , ,4 Pada ekstraksi daun cabai lokal, error yang kurang dari 50% terdapat pada citra daun baris ke-3 dan ke-6. Selain kedua citra tersebut, errornya lebih dari 50%, bahkan lebih dari 100%. Dengan nilai threshold sebesar 90, ternyata belum mampu mendeteksi cabang tulang daun secara maksimal. C. Hasil Klasifikasi Kohonen Untuk inisialisasi dalam Jaringan Saraf Tiruan Kohonen, parameter-parameter jaringan telah diset sebagai berikut : Inisialisasi awal : W 1 = [0,58 0,4 0,65] W 2 = [0,6 0,3 0,8] W 3 = [0,4 0,5 0,75] W 4 = [0,3 0,4 0,5] α = 0,8 Ket : W 1 : bobot awal untuk daun jambu biji W 2 : bobot awal untuk daun terong hijau W 3 : bobot awal untuk daun cabai lokal W 4 : bobot awal untuk daun ubi jalar α : learning rate Setelah dilakukan pembelajaran dengan inisialisasi awal dan dengan data training daun, maka akan dihasilkan bobot-bobot baru. Dengan bobot baru tersebut, data uji akan di-learning sehingga nantinya akan dapat diklasifikasikan. Tabel 5 Hasil pengujian proses identifikasi Kebenaran (%) Percobaan Kelompok Kelompok ,404 33,03 89,488 86, ,834 32,618 89,314 88, ,571 35,858 89,475 79, ,404 33,03 89,488 86, ,433 40,627 88,692 72, ,674 53,965 86,312 60,226 94,386 38,188 88,79 78, ,564 92,991 82,749 44, ,162 83,506 76,575 57, ,378 90,334 78,842 49, ,074 91,048 83,897 41, ,544 89,469 80,515 48,426 60,799 80,232 85,134 73,833 71,128 73,739 78,08 77,05

6 Percobaan Kelompok Kebenaran (%) Kelompok ,657 88,938 48,627 61,321 73,339 89,519 75,909 67,756 77,991 85,417 68,854 74,915 40,839 84,388 99,9 74,148 41,282 84,266 99,756 76,86 38,4 85,36 99,37 73,348 43,28 83,38 99,9 74,817 40,950 84,348 99,731 Tabel 5 menunjukkan tingkat keberhasilan klasifikasi kohonen untuk menentukan kelas keempat daun tumbuhan yakni kelompok 1 untuk jambu biji, kelompok 2 untuk terong hijau, kelompok 3 untuk cabe lokal dan kelompok 4 untuk ubi jalar. KESIMPULAN 1. Untuk mengekstraksi fitur tulang daun bisa digunakan algoritma metode ekstraksi minutiae pada sidik jari untuk mendeteksi cabang tulang daun. 2. keberhasilan aplikasi dalam klasifikasi menggunakan kohonen untuk menentukan kelas ketiga daun tumbuhan yakni 94,386% untuk jambu biji, 89,469% untuk terong hijau, 85,417% untuk cabai lokal dan 99,731% untuk ubi jalar. [5] Iqbal, Muhammad Dasar Pengolahan Citra dengan MATLAB. [6] Putra, Darma PENGOLAHAN CITRA DIGITAL. ANDI YOYAKARTA. [7] M, Rahmadhani, Herdiyeni, Yeni Shape and Vein Extraction on Plant Leaf Images Using Fourier and B-Spline Modeling. IPB [8] R. C. Gonzalez, R. E. Woods, and S. L. Eddins, Digital Image Processing Using MATLAB. Prentice Hall, 2004 [9] Zainal Arifin, Agus, Bagus, Bayu, Navastara, Dini Adni. Klasifikasi Online Citra Daun berdasarkan Fitur Bentuk dan Ruas Daun. FTIF-ITS. [10] Lam, L., Seong-Whan Lee, and Ching Y. Suen, "Thinning Methodologies-A Comprehensive Survey," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol 14, No. 9, September 1992, page 879, bottom of first column through top of second column. [11] (2007) Matlab images processing toolbox documentation. MathWorks. Inc. [Online]. Available: ox/images/ref/bwmorph.html [12] (2007) Matlab images processing toolbox documentation. MathWorks. Inc. [Online]. Available: ox/images/ref/roipoly.html [13] (2009) Matlab GUI Tutorial. [online]. Available : PUSTAKA [1] Yusuf, Muhammad Taufik MEMBEDAKAN OBJEK MENGGUNAKAN METODE THRESHOLDING DAN FUNGSI MORFOLOGI, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas IndonesiaKampus Baru UI, Depok 16424, Indonesia [2] Pahalawatta, KK PLANT SPECIES BIOMETRIC USING FEATURE HIERARCHIES, Department of Computer Science and Software Engineering University of Canterbury. [3] Thai, Raymond Fingerprint Image Enhancement and Minutiae Extraction, School of Computer Science and Software Engineering, The University of Western Australia. [4] Azman, Mohd ANALYSIS OF FINGERPRINT PERFORMANCE AMONG LEFT HANDED AND RIGHT HANDED PEOPLE, UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA.