SISTEM PELACAK GERAKAN MATA 3D

Transkripsi

1 Seminar Naional Aplikai eknologi Informai 2009 (SNAI 2009) ISSN: SISEM PELACAK GERAKAN MAA D Sunu Wibirama Juruan eknik Elektro, Fakulta eknik, Univerita Gadjah Mada Jl. Grafika 2, Kampu UGM, Yogakarta unu_wibirama@ahoo.com ABSRAK Perancangan item pelacak gerakan mata dengan algoritma ang akurat adalah maalah mendaar pada bidang penelitian pengolahan citra biomedi dan pembelajaran item oculomotor mata manuia. Makalah ini menjelakan perancangan item pelacak gerakan mata D dengan menggunakan algoritma template matching dan Direct Linear ranformation (DL). Poii 2D, meliputi poii vertikal dan horizontal dari bola mata, didapatkan dengan menggunakan dua buah kamera dan algoritma template matching. Poii gerakan mata D diperoleh dengan algoritma DL dan dimodelkan pada item koordinat D. Hail pengujian menunjukkan bahwa item ang dirancang memiliki tingkat akurai ang cukup baik dengan nilai error pada gerakan X, Y, dan Z adalah 0.768, 0.7, dan untuk kala error 0 ampai dengan. Kata Kunci: item pelacak gerakan mata, template matching, direct linear tranformation. PENDAHULUAN Sitem pelacak gerakan mata adalah ebuah penelitian aplikai di bidang pengolahan citra ang diterapkan mulai dari alat pendukung proe diagnoa penakit vetibular dan kelainan neurolog (Wilon et al., 996) hingga antarmuka perangkat interaki manuia dan komputer (Magitri, 995). Metode Scleral Search Coil (Robinon, 96) dengan memaukkan lena kontak pada mata telah digunakan ecara lua oleh para peneliti dan praktii untuk memperkirakan poii horizontal, vertikal dan gerakan tori mata. Akan tetapi, metode ini cukup mahal dan kurang naman digunakan dalam jangka waktu ang cukup lama, mengingat mata manuia akan mengalami kelelahan etelah menjalani 0 menit maa percobaan dengan lena kontak (Ivin et al., 998). Makalah ini menajikan ebuah metode alternatif pelacakan poii mata pada bidang tiga dimeni berbai teknik pengolahan citra dengan memanfaatkan peralatan berbiaa rendah. Metode ini diakini lebih aman untuk digunakan karena tidak memerlukan keahlian khuu untuk memaang lena kontak pada mata paien. Selain itu, pemanfaatan peralatan berbiaa rendah, eperti webcamera, tripod, dan komputer dapat menekan biaa operaional penelitian. Kombinai algoritma template matching dan DL (Abdel-Aziz & Karara, 97) digunakan untuk memperkirakan poii gerakan mata D pada paien. Koordinat X, Y, dan Z kemudian dimodelkan pada item koordinat D dengan memanfaatkan putaka OpenGL. 2. ARSIEKUR SISEM Sitem pelacak gerakan mata D ini terdiri ata tiga bagian: (i) Dua buah kamera, (ii) komputer dektop, dan (iii) perangkat lunak pemroe citra. Kami menggunakan webcamera merk Oker 77 (Shenzhen Golden iger & Dragon echnolog Develop Co., Ltd, Guangdong, China) dengan kecepatan ampling 60 Hertz dan reolui kamera 2 megapixel. Dua buah kamera terebut terpaang di ata tripod untuk mematikan kenamanan dan tabilita aat pengambilan data pada mata paien. Komputer Intel Pentium 2.2 GHz dengan item operai Window XP digunakan pada item ini. Perangkat lunak untuk mengolah citra dan menghitung poii D dari mata paien dibuat dengan menggunakan bahaa pemrograman C++, putaka OpenCV dan OpenGL. Aritektur item pelacak gerakan mata D ditunjukkan pada Gambar. Gambar. Sitem pelacak gerakan mata D.. MEODE Secara gari bear, proe pelacakan gerakan mata D dibagi dalam tiga langkah ebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2. Langkah pertama adalah Camera Modeling untuk memperoleh parameter intrinik dan ektrinik dua buah kamera. Langkah kedua adalah Pupil Detection dengan memanfaatkan teknik threholding, morpholog dan template matching. Langkah ketiga adalah D Coordinate Extraction, memperoleh koordinat mata D dengan menggunakan algoritma DL. E-87

2 Seminar Naional Aplikai eknologi Informai 2009 (SNAI 2009) ISSN: Gambar 2. Bagan alur item.. Camera Modeling Sebuah titik ang terletak di dalam ruang nata D diekpreikan ebagai titik [x z ] di item koordinat dunia. itik [x z ] ang direkam dengan ebuah kamera akan mengalami tranformai perpektif dari ruang D item koordinat dunia ke ruang 2D item koordinat kamera ebagaimana ditunjukkan oleh Gambar. itik [u v w] pada item koordinat kamera diperoleh dengan formula koordinat homogen berikut ini: x u R [ ] v = K I O, O z w x u atau = dimana M = [KR - KR]. () v M, z w Puat proeki C f (focal) Sitem koordinat kamera itik pada laar kamera [u,v,f] x Principal point Y z itik ruang nata [x,,z] X Sitem koordinat dunia Gambar. ranformai perpektif D ke 2D. Matrik K dan [I O ] pada Peramaan () adalah parameter intrinik kamera ang mendefiniikan unur fiik kamera. Matrik K adalah matrik kalibrai kamera ang didefiniikan ebagai berikut: fa 0 u0, (2) K = 0 fb v0 0 0 Z di mana f adalah panjang focal pada proeki, a dan b adalah faktor konveri dari unit fiik (atuan milimeter) ke unit pikel dan (u o,v 0 ) adalah principal point pada proeki. Matrik [I O ] adalah matrik R Matrik O kamera ang mendefiniikan lokai dan orientai kamera terhadap item koordinat dunia. Matrik R berii elemen rotai umbu item koordinat kamera terhadap umbu item koordinat dunia. Matrik tranlai berii tiga buah elemen tranlai dari puat item koordinat dunia terhadap item koordinat kamera. Matrik M adalah gabungan dari parameter intrinik dan ektrinik kamera ang bia didapatkan dengan cara melakukan identifikai titiktitik [x z ] pada item koordinat dunia dan identifikai titik-titik [u v w] ang akan menghailkan Peramaan (): adalah parameter ektrinik m x z ux u uz m2 = x z vx v vz M m4 atau AX = 0. () Apabila terdapat n buah titik pada item koordinat dunia, matrik A akan berukuran 2n x 2. Untuk memperoleh X, terapkan metode Singular Value Decompoition (SVD) pada matrik A ehingga diperoleh A = UDV. Kolom terakhir pada V adalah olui dari M. Untuk memiahkan parameter ektrinik, gunakan Peramaan () akni M=[KR - KR]=[A b]. Dengan demikian, kita bia mendapatkan matrik tranlai dengan meneleaikan peramaan = -A - b. Untuk memperoleh nilai matrik R, kita bia menggunakan metode QR Decompoition dengan menguraikan matrik A menjadi matrik K dan R..2 Pupil Detection Proe pupil detection dijelakan pada Gambar 4. Kami menggunakan bola mata tiruan untuk menimulaikan proe ini. Gambar di-capture dari dua video ang berbeda ang dihailkan oleh dua buah kamera. Gambar 4(a) adalah hail capture ebelum diolah dengan teknik pengolahan citra. Gambar 4(b) adalah hail egmentai dengan proe threholding. Noie dan artifact pada pupil kemudian dihilangkan dengan proe morpholog, ebagaimana pada Gambar 4(c). Proe template matching dengan cro-correlation kemudian diterapkan pada Gambar 4(c) dan hailna ditampilkan pada Gambar 4(d). E-88

3 Seminar Naional Aplikai eknologi Informai 2009 (SNAI 2009) ISSN: CAMERA CAMERA 2 di mana m adalah bari ke i pada matrik M dan X i adalah matrix [x z ]. Hail dari proe ini kemudian dimodelkan pada ebuah item koordinat D interaktif ang dibuat dengan menggunakan putaka OpenGL. a b c d Gambar 4. Proe pupil detection dengan bola mata tiruan. (a) Sebelum proe deteki, (b) egmentai dengan threholding, (c) proe morpholog untuk menghilangkan noie, (d) template matching dengan cro-correlation. Pada proe template matching ini, kami menggunakan template pupil berbentuk etengah lingkaran untuk mengantiipai apabila proe template matching dilakukan pada aat mata terganggu oleh pelupuk mata. Untuk mengukur keamaan antara template dan gambar hail capture, correlation coefficient ˆ ρ ( X, Y ) digunakan: Cˆ ( X, Y ) ˆ ρ ( X, Y ) =, ˆ ρ ( X, Y ), 2 2 (4) ˆ σ x ˆ σ dimana X adalah gambar mata dan Y adalah template, Cˆ ( X, Y ) adalah nilai kovarian antara X 2 dan Y, ˆ σ x dan 2 ˆ σ adalah nilai varian antara X dan Y. Deteki empurna terjadi apabila ˆ ρ ( X, Y ) ama dengan.. D Coordinate Extraction Direct Linear ranformation adalah ebuah algoritma untuk memperkirakan koordinat D dari ebuah obek ang diperoleh dengan menghitung data koordinat 2D pada beberapa gambar ang diambil pada berbagai poii di ekeliling obek terebut. Pada penelitian ini, kami menggunakan dua buah kamera ang diletakkan di depan bola mata tiruan. Proe kalibrai kamera dilakukan untuk mendapatkan parameter intrinik dan ektrinik kamera. Parameter untuk kamera diimpan pada matrik M dan parameter untuk kamera 2 diimpan pada matrik M. Jika koordinat (u,v ) dan (u, v ) adalah koordinat 2D ang diperoleh dari proe pupil detection, maka untuk menghitung koordinat D puat pupil, formula peramaan homogen di bawah ini digunakan: u' w' v' w' 2 X = AX = 0 (5) u'' ' w'' ' v'' ' w'' ' 2 Gambar 5. Memperoleh koordinat D dari 2 kamera. Gambar 6. Pemodelan poii D dari pupil. 4. HASIL PERCOBAAN Untuk menguji validita koordinat D ang dihailkan, kami melakukan percobaan ebanak lima kali dengan menggerakkan bola mata tiruan ejauh 5 mm pada umbu X, Y dan Z. Selain itu, kami mengukur linearita antara gerakan bola mata pada item koordinat dunia dan gerakan bola mata terukur ang dihailkan oleh item pada umbu X, Y, dan Z. Gerakan nata pada item koordinat dunia diukur menggunakan alat ukur fiik dengan akurai 0. mm. Gerakan terukur dihitung berdaarkan hail komputai algoritma DL. Hail pengujian menunjukkan bahwa aat bola mata tiruan digerakan pada umbu X, Y, dan Z ebear 5 mm, rerata gerakan terukur ang dihailkan algoritma DL ebear 5.768, 5.07, and pikel pada umbu X, Y, dan Z berturutturut. Dengan demikian nilai error pada gerakan X, Y, dan Z adalah 0.768, 0.07, dan untuk E-89

4 Seminar Naional Aplikai eknologi Informai 2009 (SNAI 2009) ISSN: kala error 0 ampai dengan. Nilai error terebut maih dalam bata ang bia ditolerani. ebear mm pada item koordinat dunia akan menghailkan gerakan ± pikel pada item DL. abel. Hail perbandingan gerakan pada umbu X Gerakan nata (pikel) Rerata Error abel 2. Hail perbandingan gerakan pada umbu Y Gerakan nata (pikel) Rerata Error abel. Hail perbandingan gerakan pada umbu Z Gerakan nata (pikel) Rerata Error Gambar 7. Pengujian linearita gerakan bola mata tiruan pada umbu X, Y dan Z. Hail pengujian linearita ditunjukkan pada Gambar 7. Kami menggerakkan bola mata tiruan dari jarak 0 ampai dengan 25 mm dengan tep 5 mm pada umbu X, Y, dan Z. Hail percobaan menunjukkan bahwa hail perhitungan algoritma DL pada umbu X, Y, dan Z berbanding luru (linear) dengan gerakan nata. Dari dua percobaan di ata, kami menimpulkan bahwa etiap gerakan Gambar 8. Antarmuka aplikai Gambar 8 adalah antarmuka aplikai item pelacak gerakan mata D. Pada antarmuka terebut, hail capture dari dua buah kamera ditampilkan berikut grafik koordinat D dari puat pupil. Nilai nominal dari maing-maing koordinat X, Y dan Z ditampilkan pada ii kanan ata aplikai. 5. KESIMPULAN Makalah ini berii penjelaan tekni tentang perancangan item pelacak gerakan mata D dengan memanfaatkan peralatan berbiaa rendah. Dua buah kamera digunakan untuk memperoleh gambar bola mata dari poii ang berbeda. Algoritma template matching dan Direct Linear ranformation digunakan untuk menghitung koordinat D dari puat pupil. Koordinat D ang dihailkan kemudian diuji dengan membandingkan linearita antara gerakan nata dan gerakan terhitung. Simulai dan hail percobaan menunjukkan bahwa item ini berhail memperkirakan poii D dari puat pupil dengan tingkat akurai ang baik. 6. RENCANA PENGEMBANGAN APLIKASI Aplikai item pelacak gerakan mata D dalam makalah ini adalah ebuah prototipe ang akan dikembangkan menjadi peralatan analia penakit vetibular pada dokter peiali mata dan telinga. Dua buah kamera akan digantikan dengan dua minicamera ang terpaang pada ebuah kacamata khuu ang dikenakan di kepala paien. Minicamera ini akan mengambil gambar mata paien dari dua arah ang berbeda. Koordinat D ang dihailkan digunakan oleh dokter untuk menganalia kemungkinan dugaan adana penakit vetibular pada paien. E-90

5 Seminar Naional Aplikai eknologi Informai 2009 (SNAI 2009) ISSN: PUSAKA Abdel-Aziz, Y.I. & Karara, H.M. (97). Direct linear tranformation into object pace coordinate in cloe-range photogrametr, dalam Proc. Smp.Cloe-Range Photogrametr, p. -8. Ivin, J.P., Porrill, J. & Frib, J.P. (998). Deformable model of the human iri for meauring ocular torion from video image, dalam IEEE Proc.Viion, Image, Signal Proceing, pp Magitri, S.D. (995). "Ee movement tracking for advanced man-machine interaction," dalam Department of Stem and Informatic. Florence, Ital: Univerit of Florence. Robinon, D.A. (96). A Method of meauring ee movement uing a cleral earch coil in a magnetic field, dalam IEEE ran. Biomed. Electron, vol. 0, pp Wilon, B.A., Jone, R.D., Bone, P.J., & Anderon,.J. (996). "A Fling-Spot Laer Scanner for racking Ee Movement, dalam Proceeding of 8th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biolog Societ (IEEE EMBS 996), Amterdam. E-9