Sistem Kamera dengan Pan-Tilt Tripod Otomatis untuk Aplikasi Fotografi

Transkripsi

1 1 Sistem Kamera dengan Pan-Tilt Tripod Otomatis untuk Aplikasi Fotografi Jourdan Septiansyah Efflan, Ronny Mardiyanto, ST.,MT.,Ph.D. dan Ir. Djoko Purwanto,M.Eng.,Ph.D. Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Otomasi sistem merupakan penggabungan antara mekanik, dan software menjadi sebuah fungsi tertentu sebagai cara untuk mempermudah kehidupan manusia. Otomasi sistem pada bidang fotografi memiliki prospek yang cukup menarik untuk dikembangkan peralatan otomatis yang menunjang keperluan fotografi. Fotografer akan memanfaatkan tripod dan timer dari kamera jika ingin ikut berfoto dalam sebuah skema foto berkelompok. Ketika pengguna yang berfoto bergeser dari posisi awal, maka fotografer harus memperbaiki kembali posisi dari kamera kembali. Hal ini membutuhkan waktu untuk menyesuaikan posisi kamera. Sistem Kamera dengan Pan-Tilt Tripod Otomatis adalah sebuah sistem yakni kamera smartphone Android yang terintegrasi dengan tripod yang ditanamkan fungsi Pan dan Tilt otomatis untuk mempermudah pengambilan gambar secara berkelompok. Pan-Tilt Tripod otomatis merupakan tripod yang pada bagian atasnya dimodifikasi dengan menambahkan dua buah motor servo, kontroler yang terintegrasi dengan smartphone Android yang telah dibenamkan program pengolahan citra khususnya deteksi wajah sehingga dapat menggerakan kamera mengikuti posisi wajah dari sekelompok objek yang berfoto bersama, dan mengambil gambar. dari hasil pengujian, Pan-Tilt Tripod dapat mengikuti wajah yang bergerak dengan kecepatan maksimal 0,65 m/s, kecepatan frame rata-rata dari kamera sebesar 17 fps, dengan harapan kedepan kinerja alat ini dapat diperbaiki sehingga alat ini dapat digunakan untuk aplikasi lain yang membutuhkan kecepatan tinggi. Kata Kunci Android, Pan-Tilt, Pengolahan Citra, Smartphone,Timer, Tripod I. PENDAHULUAN ISTEM otomasi dapat didefinisikan sebagai suatu Stekhnologi yang berkaitan dengan aplikasi mekanik, elektronik dan sistem yang berbasis komputer (komputer, PLC atau mikro) yang digabung menjadi satu untuk memberikan fungsi terhadap manipulator (mekanik) sehingga akan memiliki fungsi tertentu[19]. Dalam bidang fotografi, otomasi sistem merupakan peluang yang cukup menarik untuk dikembangkan banyak peralatan otomatis untuk menunjang, dan mempermudah kegiatan fotografi. Fotografer atau juru foto adalah orang-orang yang membuat gambar dengan cara menangkap cahaya dari subjek gambar dengan menggunakan kamera maupun peralatan fotografi lainnya, dan umumnya memikirkan seni dan teknik untuk menghasilkan foto yang lebih bagus serta berusaha mengembangkan ilmunya[21]. Jika seorang fotografer dalam skema foto berkelompok menginginkan untuk ikut berfoto, tentunya fotografer akan memanfaatkan tripod dan timer. Ketika pengguna yang berfoto bergeser dari posisi awal, maka fotografer harus memperbaiki kembali posisi dari tripod. Dalam Tugas Akhir kali ini akan dirancang sebuah alat otomatis yang bertujuan untuk mempermudah pengambilan gambar secara individu maupun berkelompok menggunakan tripod. Sistem kamera dengan Pan-Tilt Tripod otomatis adalah tripod yang dimodifikasi dengan membenamkan motor servo dan kontroler menggunakan image processing yang terintegrasi dengan kamera yang berada dalam satu kamera pada smartphone Android sehingga dapat menggerakkan kamera untuk mengikuti seorang, maupun sekelompok wajah yang dapat digunakan untuk berfoto bersama. Tidak menutup kemungkinan bahwa sistem ini juga dapat digunakan untuk mengikuti keberadaan musuh, sebagai sistem keamanan CCTV pada suatu tempat, perekaman video konvoi sekelompok orang, serta banyak aplikasi lainnya. Dengan adanya inovasi sistem kamera Pan-Tilt Tripod otomatis pada Tugas Akhir kali ini dapat mempermudah fotografer atau pihak lain yang ingin berfoto, atau yang ingin mengimplementasikan alat ini untuk kebutuhan lainnya. II. TINJAUAN PUSTAKA Meliputi alat atau aplikasi yang telah ada sebelumnya dan memiliki kemiripan dengan Tugas Akhir yang dibuat antara lain Kamera Pan-Tilt Head, Kamera Pan-Tilt-Zoom, Face Tracking With a Pan-Tilt Servo Bracket yang memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing. A. Pan-Tilt Head[22] Pan-Tilt Head merupakan sebuah dudukan khusus kamera video profesional yang didalamnya telah ditanamkan fungsi untuk menggerakkan kamera yang memiliki dua derajat kebebasan yakni Pan, dan Tilt. Alat ini telah menggunakan sistem elektris dengan motor didalamnya, dikendalikan menggunakan remote oleh operator, stabil, kapasitas berat hingga 20 Lbs, khusus untuk camcorder, harga pada kisaran $

2 2 B. Kamera Pan-Tilt-Zoom (PTZ)[18] PTZ merupakan kepanjangan dari Pan, Tilt, dan Zoom yang menjelaskan mengenai pergerakan dari kamera yang ada. Pan menjelaskan pergerakan kamera untuk dapat mengarahkan kamera dalam arah sumbu X menuju kiri dan ke kanan. Tilt merupakan pergerakan kamera terhadap sumbu Y atau mengarah ke atas dan bawah. Zoom merupakan fitur terakhir yang berfungsi mengontrol internal zoom dari kamera sehingga dapat memperbesar citra yang ditangkap kamera. Gambar 3. Face Tracking with a Pan/Tilt Servo Bracket[34] Gambar. 2. Pan dan Tilt Kamera[18] Kamera Pan-Tilt-Zoom yang beredar di pasaran melakukan gerakan Pan-Tilt-Zoom berdasarkan perintah dari operator melalui internet protocol IP, atau melalui ruangan kontrol, dengan kisaran harga yang didapat dari JakartaCCTV[23] yakni Rp ,00-Rp ,00. C. Face Tracking with a Pan/Tilt Servo Bracket[34] Merupakan webcam yang disematkan dua buah servo Pan dan Tilt terintegrasi dengan OpenCV Framework pada komputer melalui USB yang berfungsi mengikuti satu wajah orang yang bergerak. Alat ini dibuat oleh Zag Grad sebagai salah satu contoh aplikasi produk dari servo bracket yang dijual di Sparkfun Electronics. Komputer terhubung melalui USB dengan Arduino Uno untuk memerintah motor servo untuk bergerak, begitu pula dengan webcam yang digunakan untuk mengambil citra. Kemampuan dari kamera ini terbataskan pada tempat tertentu dan kekurangan dalam kemudahan instalasi karena menggunakan komputer (PC) sebagai pemroses utama. III. PERANCANGAN SISTEM Terdapat dua garis besar dalam perancangan sistem Pan-Tilt Tripod yakni dalam perancangan dan pembuatan perangkat lunak, kedua pada perancangan perangkat dan pembuatan perangkat keras. Pada perancangan perangkat lunak, akan dibuat dua software utama agar sistem dapat bekerja yakni pada board arduino dan pembuatan software aplkasi untuk android menggunakan Eclipse IDE. Sedangkan pada perangkat keras akan dirancang shield untuk arduino yang dibuat menggunakan software EAGLE, pemilihan smartphone yang digunakan, dan perancangan dudukan Pan-Tilt Tripod. Secara keseluruhan, sistem dari Pan-Tilt Tripod menggunakan smartphone berbasis Android sebagai perangkat utama. Smartphone Android yang digunakan adalah keluaran Sony seri Xperia Acro-S. Smartphone ini telah diinstall aplikasi Pan-Tilt Tripod yang dibuat menggunakan bahasa Java dan library OpenCV melalui software Eclipse IDE. Ketika aplikasi dijalankan, kamera akan mendeteksi wajah seseorang melalui fitur haarcascade classifier dari OpenCV kemudian mencatat nilai koordinat titik tengah dua dimensi dari wajah yang terdeteksi. Hasil koordinat yang didapat, akan dibandingkan dengan koordinat dari posisi wajah yang diinginkan yakni berada di tengah-tengah layar. Smartphone Android dibenamkan perhitungan matematis dan kontroler PID untuk mengatur kecepatan pergerakan dari dua buah motor servo agar dapat mengikuti wajah seseorang. Smartphone mengirimkan data untuk menggerakkan motor servo melalui protokol komunikasi serial menggunakan Bluetooth kepada board Arduino Mega 2560 yang telah dipasangi shield sebagai driver bagi motor servo agar dapat bergerak.

3 3 Gambar 4. Ilustrasi Sistem Pan-Tilt Tripod A. Konfigurasi Perangkat Keras Perangkat keras yang dibutuhkan untuk mendukung sistem Pan-Tilt Tripod pada Tugas Akhir ini dapat dirangkum seperti pada tabel dibawah ini. Tabel 1. Konfigurasi Perangkat Keras No. Perangkat Keras Spesifikasi 1 Smartphone Android 1. Menggunakan Sistem operasi Android 2. Memiliki Kamera 12Mp 3. Memiliki Prosesor Dual-Core 1,5Ghz 4. Mendukung Komunikasi Bluetooth 2 Dudukan Pan-Tilt Tripod 3 Shield Arduino Mega2560(Shield an- Tilt Tripod) 1. Dudukan untuk smartphone 2. Dudukan untuk motor servo 3. Dudukan untuk Modul Arduino 4. Terintegrasi dengan Tripod B. Perancangan Perangkat Lunak Arduino 1. Memiliki Regulator Power Supply 2. Tombol Reset Arduino 3. Port untuk Modul Bluetooth HC Port untuk motor servo pan dan tilt Software pada board Arduino Mega2560 dibuat untuk memenuhi fungsi sebagai penerima data melalui protokol serial berkecepatan 9600bps. yang dikirimkan oleh smartphone Android dengan Bluetooth. Data yang diterima oleh board Arduino adalah data berupa karakter ASCII yang masing-masing karakter memiliki arti tertentu untuk menggerakkan motor servo pan dan tilt. Pada algoritma ini digunakan logika if-else untuk merealisasikan alat tersebut. adalah tabel dari karakter ASCII dan aksi yang dilakukan ketika karakter tersebut diterima : Tabel 2.Karakter ASCII dan Perintah Motor Servo No. Karakter ASCII Perintah 1 a Servo pan bergerak ke kiri 2 d Servo pan bergerak ke kanan 3 x Servo pan berhenti 4 w Servo tilt bergerak ke atas 5 s Servo tilt bergerak ke bawah 6 z Servo tilt berhenti 7 0 Delay 55 ms 8 1 Delay 50 ms 9 2 Delay 45 ms No. Karakter ASCII Perintah 10 3 Delay 40 ms 11 4 Delay 35 ms 12 5 Delay 30 ms 13 6 Delay 25 ms 13 7 Delay 20 ms 13 8 Delay 15 ms 13 9 Delay 10 ms Gambar 5. Flowchart Perangkat Lunak Pada Board Arduino Mega2560 Bagian 1

4 4 dideteksi oleh kamera dan dicari posisi tengahnya menggunakan kedua motor servo pan dan tilt dengan bantuan kontroler PID yang aksi kontrol nya mengirimkan data kepada board Arduino Mega2560 untuk menggerakkan motor servo. Setelah wajah yang terdeteksi berada tepat ditengah-tengah sudut pandang dari kamera, maka selanjutnya perangkat lunak akan mengambil gambar wajah yang terdeteksi oleh kamera dan disimpan kedalam memori internal dari smartphone Android. Berikutnya adalah implementasi kontroler PID pada Perangkat Lunak Android untuk mengontrol kecepatan dari motor servo ketika bergerak menuju setpoint menggunakan dua kontroler PID yakni untuk motor servo Pan, dan kontroler PID untuk motor servo Tilt. dengan diagram blok dibawah ini. Gambar 6. Flowchart Perangkat Lunak Pada Board Arduino Mega2560 Bagian 2 C. Perancangan Perangkat Lunak Android Pada bagian ini akan dijelaskan bagaimana perangkat lunak Pan-Tilt Tripod yang berbentuk aplikasi pada smartphone Android dibuat menggunakan Eclipse IDE. Gambar 8. Diagram Blok Kontroler PID Pan-Tilt Tripod. u(t) = Kp e(t) + 1 t de(t) e(t)dt + τ σ i 0 d (1) Dari persamaan 1 tersebut harus diubah terlebih dahulu menjadi domain diskrit agar dapat diimplementasikan kedalam baris program seperti dibawah ini pada persamaan 2, 3, dan 4. dt PID = (Kp x Error) + (Ki x Integral Error) + (Kd Deferensial Error ) (2) Integral Error = Integral Error + (Error x dt) (3) Deferensial Error = (Error Error n 1 )/dt (4) Setelah didapatkan perhitungan PID, tahap berikutnya adalah mengkonversi hasil perhitungan menjadi antara 0 sampai 9 dimana nilai tersebut merupakan nilai yang akan dikirim melalui Bluetooth untuk mengatur delay yang berpengaruh pada kecepatan motor servo sesuai pada tabel 1. Berikut merupakan cara konversi output dari kontroler PID menjadi tingkat kecepatan untuk menggerakkan motor servo. Kecepatan = Nilai PID Nilai PID Maks x9 (5) Gambar 7. Flowchart Utama Perangkat Lunak Pan-Tilt Tripod pada Smartphone Android Tujuan akhir dari perangkat lunak yang dibuat adalah didapatkannya gambar wajah seseorang yang sebelumnya telah ditrack posisinya menggunakan pendeteksi wajah dari OpenCV dan kontroler PID. Wajah akan terus menerus IV. PENGUJIAN Pengujian sistem dimaksudkan agar dapat diketahui tingkat keberhasilan, dan performa dari sistem Pan-Tilt Tripod yang telah dirancang. Pengujian yang akan dilakukan yakni pengujian mengenai tuning dari komponen kp,ki, dan kd, pencatatan parameter rise time, overshoot, steady state, settling time, pengujian kecepatan respon sistem mencapai setpoint. A. Frame Per Second Pengujian Frame Per Second adalah pengujian berapa frame per detik yang dapat diterima oleh kamera. Pengujian dilakukan dengan menjalankan aplikasi Pan-Tilt Tripod pada setiap presentase besar deteksi wajah yang digunakan.

5 5 Dari hasil pengujian, perhitungan nilai fps rata-rata untuk pendeteksian wajah sebesar 50% dari layar adalah 24,076 fps, Perhitungan nilai fps rata-rata untuk pendeteksian wajah sebesar 40% dari layar adalah 16,88 fps, Perhitungan nilai fps rata-rata untuk pendeteksian wajah sebesar 30% dari layar adalah 14,697 fps dan Perhitungan nilai fps rata-rata untuk pendeteksian wajah sebesar 20% dari layar didapatkan hasil 13,254 fps. Jadi, Perhitungan fps rata-rata dari keseluruhan sampel yang telah diambil adalah 17,22 dibulatkan menjadi 17 fps dikonversi menjadi 58 ms, dan nilai tersebut akan digunakan sebagai nilai Dt pada kontroler PID. B. Pengujian Tuning PID Pengujian dibagi kedalam 2 bagian yakni pengujian kontroler Pan, dan kontroler Tilt. Tentunya kontroler tersebut memiliki parameter PID yang berbeda. Pada sisi Pan, didapatkan hasil tuning manual dari hasil pengujian yang didapat sebagai berikut : Kp = 0.1 Ki = 0.01 Kd = Sedangkan tuning manual pada sisi Tilt didapatkan hasil sebagai berikut : Kp = 0.2 Ki = 0.03 Kd = 0.02 C. Rise Time, Overshoot, Steady State, dan Settling Time Dilakukan pengambilan grafik secara terpisah untuk sumbu Pan, dan untuk sumbu Tilt dengan cara ketika kontroler sedang mengikuti posisi wajah pertama yang kemudian dihilangkan dan diganti dengan posisi wajah dua yang berada pada koordinat yang berbeda. Gambar/Tabel ini Tidak Dipublikasikan Gambar 9. Grafik Posisi Wajah Terhadap Waktu pada Sumbu Pan Dari grafik diatas, dapat dibuat sebuah analisa mengenai keempat parameternya sebagai berikut yakni. Steadystate = ( ) 58 Steadystate = 928 ms Risetime = 90%xSteadystate Risetime = 90%x928 ms Risetime = 835 ms Settlingtime = 2%xSteadystate Settlingtime = 2%x928 ms Settlingtime = ms Overshoot tidak terjadi karena pada waktu 928ms, posisi wajah telah berada pada piksel ke 357 dimana piksel tersebut termasuk dari setpoint yakni antara piksel 270 hingga piksel 370. Gambar/Tabel ini Tidak Dipublikasikan Gambar 10. Grafik Posisi Wajah Terhadap Waktu pada Sumbu Tilt Data pada sumbu Tilt menunjukkan hasil sebagai berikut : Steadystate = ( ) 58 Steadystate = 696 ms Risetime = 90%xSteadystate Risetime = 90%x696 ms Risetime = 626 ms Settlingtime = 2%xSteadystate Settlingtime = 2%x696 ms Settlingtime = ms Overshoot juga tidak terjadi pada percobaan ini karena posisi wajah telah berada pada piksel 231 pada sumbu tilt sehingga nilai tersebut termasuk setpoint antara 190 hingga 290. D. Pengujian Kecepatan Sistem Mencapai Setpoint Pengujian kecepatan respon sistem untuk mencapai setpoint bertujuan untuk menilai keberhasilan dari sistem untuk mengikuti wajah yang bergerak, dan mengetahui berapa kecepatan sistem untuk mengatasi pergerakan dari wajah yang berhasil di deteksi. Pada pengujian dibuat sebuah simulasi wajah yang bergerak menggunakan Power Point sejauh satu meter dari posisi awal menuju posisi akhir yang diproyeksikan menggunakan proyektor dimana jarak sistem Pan-Tilt Tripod dengan wajah pada posisi awal adalah 1 meter. Dari hasil tersebut didapatkan bahwa kecepatan pergerakan sistem Pan-Tilt Tripod untuk mengikuti wajah yang bergerak dari setpoint menuju ke titik satu meter pada sumbu Pan adalah maksimum sebesar 0,7 m/s, dan kecepatan maksimum pada sumbu Tilt sebesar 0,6 m/s, sehingga rata-rata kedua sumbu adalah 0,65 m/s. V. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil pengujian, terlihat bahwa sistem Pan-Tilt Tripod dapat bekerja dengan baik untuk mengikuti wajah apabila kamera smartphone Android mendapatkan pencahayaan yang cukup, kecepatan rata-rata frame dari kamera berada pada nilai 17 fps, dan kecepatan wajah yang dapat diikuti berkisar pada nilai 0,65 m/s. Nilai tersebut masih sangat terbatas apabila

6 6 Pan-Tilt Tripod ingin digunakan pada aplikasi lain yang membutuhkan kecepatan tinggi. Parameter seperti overshoot, steady-state, rise-time, dan settling-time menunjukkan kinerja kontroler PID yang telah di tuning sudah memenuhi kriteria Tugas Akhir ini dikarenakan tidak ada overshoot yang terjadi selama pengujian, dan nilai steady state pada sumbu Pan 928 ms, dan pada sumbu Tilt sebesar 696 ms yang mengindikasikan kecepatan kontroler dalam mengontrol Pan-Tilt Tripod. Saran yang diberikan penulis terhadap pengembangan dan kelanjutan dari tugas akhir ini antara lain : 1) Agar kedepannya Pan-Tilt Tripod ini digunakan pada kamera smartphone yang memiliki fps yang lebih tinggi lagi sehingga didapatkan sampling rate lebih baik dan peningkatan kinerja kontroler. 2) Pada pendeteksian wajah diberikan penggunaan filter tertentu untuk mereduksi kesalahan dalam pendeteksian wajah sehingga hasil pendeteksian wajah dapat lebih akurat. 3) Penggunaan pencahayaan tambahan ketika Pan-Tilt Tripod digunakan pada ruangan yang pencahayaannya kurang. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Allah S.W.T atas berkah dan kemudahan yang diberikan untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini, kepada Bapak Ronny Mardiyanto, ST.,MT.,Ph.D., dan Bapak Ir. Djoko Purwanto,M.Eng.,Ph.D selaku dosen pembimbing, teman-teman Laboratorium B-202 yang telah memberikan semangat, motivasi, dan ilmu kepada penulis, kepada Bunda, Daddy selaku orang tua, seluruh keluarga dari penulis atas kebijaksanaan dan kasih sayang karena telah mendidik penulis. [12] OpenCV Team, OpenCV4Android SDK <URL: package/o4a_sdk.html>, Mei, 2013 [13] Priawadi, OpenCV, URL: >, Mei 2013 [14] Raharjo,Budi. Heryanto, Imam. Dan Haryono, Arif., Mudah Belajar JAVA,Informatika, Bandung,2010. [15] Sparkfun Electronics, Pan-Tilt Bracket, URL: Mei, 2013 [16] Wikipedia, Android (operating system), <URL: Mei,2013 [17] Wikipedia, Eclipse, <URL: Mei, 2013 [18] Wikipedia, Pan-Tilt-Zoom Camera,<URL : mera >, Mei, 2013 [19] Pambudi, Agung, Nugroho., Sistem Otomasi Lup Terbuka Material Handling Menggunakan Pengendali PC, Proseding UNNES, pp.6-7, Semarang, Februari, [20] Caraman, Camera On a Tripod, <URL : Juni, 2013 [21] Wikipedia, Fotografer, <URL: >, Juni, 2013 [22] B&h, Barber Tech RPTHEFP RPT EFP Pan and Tilt Head,<URL : REG/Barber_Tech_RPTHEFP_RPTHEFP_RPT_EFP_Pan.html >, Juni, 2013 [23] JakartaCCTV, SPEED DOME CAMERA ( KAMERA PTZ ),URL: Juni, 2013 [24] zaggrad, Face Tracking with a Pan/Tilt Servo Bracket,<URL: >, Mei, 2013 [25] mcu.turkey teams., HC serial bluetooth products, <URL: >, MCU,2004 DAFTAR PUSTAKA [1] Arduino Team, Arduino Mega2560 <URL : Mei, 2013 [2] Android Developer Google, Android Developer,. <URL: >, Mei, 2013 [3] Cogntics, How Face Detection Works, <URL : ml>, Mei, 2013 [4] DfRobot, Long-U-Bracket,<URL : >, Mei, 2013 [5] Elektronika dasar Team, Motor Servo.<URL : >, Mei, 2013 [6] Gamayanti, Nurlita, Kontroler Proporsional Ditambah Integral Ditambah Differensial. ITS. Surabaya, Mei, 2013 [7] Gofat., Detection dengan Metode Haarcascade, <URL: >, Mei, 2013 [8] GsmArena Team., Sony Xperia Acro-S,<URL : >, Mei, 2013 [9] H,Nazruddin, Safaat., Android, Pemrograman Aplikasi Mobile Smartphone dan Tablet-PC berbasis Android, Informatika, Bandung,2012 [10] Kelas Mikrokontroler Team, Arduino, <URL : Mei, 2013 [11] Lee, Joel, What Is USB Debugging Mode On Android? [MakeUseOf Explains], <URL: >, Mei, 2013.