Rekonstruksi Model Dimensi Tiga pada Objek Museum Menggunakan Metode Cahaya Strip Berpola

Transkripsi

1 1 Rekonstruksi Model Dimensi Tiga pada Objek Museum Menggunakan Metode Cahaya Strip Berpola Muhammad Reza Hadafi F, Surya Sumpeno, Muhtadin Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya dan Abstrak Dewasa ini museum mulai dilupakan masyarakat karena kurangnya informasi yang dapat mempromosikan museum dalam bentuk yang menarik. Karena itu perlu adanya revitalisasi museum dengan membuat media promosi yang menarik sehingga diharapkan dapat menambah rasa ketertarikan untuk berkunjung ke museum. Salah satu upaya adalah dengan membuat museum maya (virtual museum) yang berbasis web dengan harapan mudah diakses. Dalam museum maya terdapat visualisasi objek museum dalam bentuk dimensi tiga yang diperoleh dari rekonstruksi model dimensi tiga pada objek asli pada museum. Dalam tugas akhir ini diimplementasikan metode rekonstruksi model dimensi tiga berbasis cahaya strip berpola pada objek museum asli. Pada penelitian ini diharapkan akan terbentuk model dimensi tiga yang lebih realistis dimana memiliki kontur yang mirip dengan benda aslinya dan memiliki tekstur yang dapat menggambarkan material benda aslinya. Pada proses rekonstruksi model dimensi tiga menggunakan mesin pemindai dimensi tiga diperlukan pemrosesan pada data pindaian yang meliputi penghilangan noise, penggabungan data permukaan, pembentukan permukaan model dan perbaikan model. Tekstur model didapat dari pemetaan citra sisi model asli ke masing-masing permukaan model. Citra yang dipetakan diambil menggunakan kamera DSLR dengan resolusi tinggi. Model hasil rekonstruksi sangat akurat karena memiliki nilai error relatif antara dan menghasilkan model yang kurang akurat, selain itu lama dalam pengerjaannya. Perlu adanya metode untuk merekontruksi objek museum asli dalam bentuk model dimensi tiga agar didapat model dimensi tiga yang akurat dan mirip dengan objek. Metode triangulasi dengan memanfaatkan pola cahaya strip yang berpola adalah salah satu metode dalam rekontruksi model dimensi tiga menggunakan kamera dan sumber cahaya berpola dari proyektor. Data yang didapat adalah data point cloud yang berisi data titik-titik koordinat permukaan yang kemudian diolah hingga menjadi model utuh dimensi tiga objek museum. II. URAIAN PENELITIAN Langkah yang digunakan dalam penelitian ini [2] dapat digambarkan secara sitematis dengan diagram flowchart pada Gambar 1 dan akan dijelaskan pada sub-bab berikutnya. Kata Kunci: 3D Reconstruction, Visi Komputer, Structured Light Pattern. D I. PENDAHULUAN EWASA ini museum budaya mulai dilupakan masyarakat karena kurangnya informasi yang dapat mempromosikan museum dalam bentuk yang menarik. Padahal museum merupakan media yang paling efektif untuk menggambarkan sejarah, budaya atau hasil karya orang lain [1]. Perlu adanya revitalisasi museum dengan pembuatan media promosi yang menarik sehingga diharapkan dapat menambah rasa ketertarikan untuk berkunjung ke museum. Salah satu upaya adalah dengan membuat museum maya (virtual museum) yang berbasis web dengan harapan mudah diakses. Dalam pembuatan museum maya diperlukan data objek museum yang sudah berbentuk maya untuk ditampilkan dalam media web sebagai media virtual. Objek dalam museum maya nantinya akan menggunakan model dimensi tiga agar memungkinkan adanya interaksi antara objek museum dengan pengunjung museum maya. Pemodelan objek museum dimensi tiga secara manual akan Gambar. 1. Langkah penelitian rekonstruksi dimensi tiga

2 2 A. Kalibrasi 3D Scanner Alat pemindai dimensi tiga (3D Scaner) yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari kamera AVT, kamera DSLR Cannon dan proyektor DLP. Kamera AVT digunakan untuk menangkap kumpulan citra hasil proyeksi pola cahaya yang dipancarkan proyektor ke benda yang direkonstruksi. Nantinya kumpulan citra tersebut akan digunakan dalam menentukan point cloud dimensi tiga objek yang direkonstruksi. Kamera Cannon digunakan dalam menangkap tekstur objek yang nantinya akan dipetakan ke model dimensi tiga objek yang direkonstruksi. Namun pada penelitian ini hanya menggunakan kamera AVT dan proyektor tanpa menggunakan kamera DSLR karena keterbatasan pencahayaan ruangan. Proses pemetaan tekstur akan dilakukan secara manual pada model yang telah direkonstruksi. Alat pemindai dimensi tiga dapat dilihat pada Gambar 2. Untuk mendapatkan hasil pemindaian yang maksimal maka perlu adanya kalibrasi pada tiap komponen dalam alat pemindai agar terbentuk korespondensi antara cahaya berpola yang dipancarkan oleh proyektor dan citra proyeksi yang ditangkap kamera. Proses kalibrasi meliputi kalibrasi geometri dan radiometri [3]. Gambar. 2. Alat pemindai dimensi tiga Pada kalibrasi geometri akan dikalkulasi korelasi antara pola cahaya yang dipancarkan proyektor dan pixel citra yang ditangkap kamera AVT sebagai penentuan posisi point cloud. Pada langkah ini dilakukan pengambilan beberapa sample objek scan berupa papan kalibrasi dengan pola checkerboard dengan posisi yang berbeda. Berikut adalah metode pengambilan data kalibrasi checkerboard yang dapat dilihat pada Gambar 3. checkerboard yang ditangkap oleh kamera AVT. Contoh citra sample kalibrasi yang ditangkap kamera AVT dapat dilihat pada Gambar 4. Kemudian akan dilakukan proses ekstraksi tepi checkerboard pada citra yang ditangkap kamera AVT yang digunakan untuk menentukan parameter intrinsik dan ekstrinsik kamera AVT [11]. Parameter ekstrinsik ini nantinya akan menjadi acuan orientasi kamera AVT terhadap proyektor. Gambar 4. Citra sample kalibrasi hasil proyeksi pola checkerboard oleh proyektor, citra sample kalibrasi yang ditangkap kamera AVT Setelah didapat parameter intrinsik dan ekstrinsik kamera maka dilakukan pemrosesan pada citra hasil proyeksi pola checkerboard pada papan checkerboard. Korelasi antar pixel pada citra yang ditangkap kamera dengan pola cahaya didapat dengan menentukan parameter ekstrinsik proyektor dimana merepresentasikan posisi relatif antara proyektor dan kamera AVT. Pada citra hasil proyeksi pola checkerboard pada papan kalibrasi akan dilakukan pendeteksian tepi masing-masing kotak yang dapat dilihat pada Gambar 5. Nantinya posisi koordinat dunia yang digunakan sebagai inputan dalam penentuan parameter intrinsik dan ekstrinsik akan diambil dari hasil konversi koordinat pada pixel tepi kotak yang terdeteksi ke koordinat dunia menggunakan parameter ekstrinsik kamera. Proyeksi pola checkerboard diibaratkan sebagai point of view dari proyektor dan pola checkerboard asli adalah point of view dari kamera AVT. Gambar. 3. posisi checkerboard dalam pengambilan data kalibrasi geometri Pada tiap pengambilan sample kalibrasi pada masingmasing posisi papan checkerboard, mesin pemindai akan mengambil dua citra dimana masing-masing adalah citra iluminasi cahaya proyektor pada papan kalibrasi dan citra hasil proyeksi pola checkerboard oleh proyektor pada papan Gambar 5. Perbedaan posisi proyeksi pola checkerboard dan pola checkerboard asli Untuk setiap pangambilan sampel kalibrasi akan dikalkulasi eror kalibrasi dimana ditentukan oleh perbandingan titik tepi sebenarnya terhadap titik yang berhasil ditangkap dan diekstraksi oleh kamera. Error rata-rata masing-masing kamera akan dirata-rata untuk menentukan error sistem. Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam kalibrasi geometri ini agar hasil pemindaian yang dihasilkan bagus. Hal-hal tersebut diantaranya : 1. Fokus kamera dan proyektor diperhatikan

3 3 2. Tidak mengubah zoom kamera dan proyektor selama kalibrasi dan proses pemindaian. 3. Usahakan seluruh permukaan papan checkerboard tertangkap kamera Dalam pemindaian dimensi tiga, pola cahaya yang di hasilkan oleh proyektor adalah 256 nilai intensitas keabuan, dari 0 (hitam) sampai 255 (putih). Namun nilai intensitas yang dihasilkan oleh proyektor dan intensitas citra yang dihasilkan kamera tidak sama persis karena ada pengaruh pencahayaan ruangan dan kartu grafis dari kamera. Karena itu perlu adanya kalibrasi radiometri pada proyektor yang akan menentukan korelasi linieritas intensitas keabuan antara citra dari kamera dan cahaya yang dipancarkan proyektor. Proses dalam kalibrasi radiometri adalah kamera akan menangkap beberapa sample citra proyeksi untuk masingmasing sample intensitas yang dihasilkan proyektor. Kemudian sistem akan menghitung korelasi intensitas proyektor terhadap hasil intensitas proyeksi pada citra kamera. Dalam pengerjaannya dilakukan dengan mengatur tingkat intensitas kamera AVT, pada ruangan yang gelap disarankan untuk memperbesar tingkat intensitas kamera AVT agar didapat hasil yang semakin linier antara intensitas yang ditangkap kamera dan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh proyektor. Berikut adalah contoh pengerjaan dalam kalibrasi radiometri yang dapat dilihat pada Gambar 6. dimana memiliki kecepatan tangkap yang tinggi. Kumpulan citra ini nantinya digunakan dalam penentuan point cloud model dengan mengkalkulasi pergeseran fase pola cahaya yang ditangkap dibandingkan dengan pola cahaya referensi. Pergeseran fasa pola cahaya disebabkan karena proyeksi cahaya pada permukaan objek yang tidak rata. Berikut adalah contoh citra hasil proyeksi pola cahaya terhadap objek arca yang dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7. Citra hasil proyeksi pola cahaya terhadap arca Keakuratan data hasil pemindaian dipengaruhi oleh banyaknya jumlah point cloud dari permukaan model yang terekonstruksi. Perlu adanya pengaturan batas minimum intensitas keabuan citra model yang akan direkonstruksi oleh mesin pemindai untuk menghasilkan data point cloud permukaan yang akurat. Semakin kecil pengaturan batas intensitas mesin pemindai maka semakin banyak point cloud permukaan yang akan terekonstruksi. Untuk rekonstruksi benda gelap batas intensitas bisa di atur dengan nilai yang mendekati 0. Gambar 6. pengaturan intensitas kamera dalam kalibrasi dan grafik linieritasnya Pada Gambar 6 terlihat bahwa dengan mengatur intensitas kamera AVT lebih besar sehingga didapatkan hasil grafik yang linier antara intensitas cahaya yang didapat oleh kamera AVT dan intensitas yang dipancarkan proyektor. B. 3D Scanning Pengambilan data pemindaian dimensi tiga dilakukan dengan melakukan pemindaian pada objek arca dengan mengambil data pemindaian pada permukaan benda dengan derajat putaran konstan sampai semua permukaan benda didapat data pemindaiannya. Pada saat melakukan pengambilan data, diusahakan terdapat region permukaan model yang saling overlapping antar masing-masing data pindaian. Overlapping pada region permukaan akan memudahkan dalam proses alignment nantinya. Data pemindaian pada tahap ini berupa data model dimensi tiga dalam file format ply. Proses pemindaian dimensi tiga objek dilakukan dengan menggunakan prinsip cahaya strip berpola yang dihasilkan oleh proyektor. Dalam penelitian ini ada dua pola cahaya yang akan dipancarkan yaitu pola biner dan pola berfasa (phase shift). Hasil citra proyeksi cahaya terhadap objek pada masing-masing pola ditangkap oleh kamera AVT Gambar 8. Data hasil pemindaian model dengan setting batas intensitas lebih besar dari 0 dan data hasil model dengan batas intensitas 0 Pada Gambar 8 terlihat bahwa masih adanya lubang pada point cloud hasil pemindaian. Hal ini dikarenakan pada citra proyeksi pola cahaya ke benda yang ditangkap kamera terdapat beberapa area yang gelap. Pada pengaturan nilai batas intensitas lebih besar dari 0, area yang gelap tersebut tidak dihasilkan point cloud. Pada pengaturan nilai batas intensitas sama dengan 0 maka pada area tersebut dihasilkan point cloud. C. Alignment Pada tahap ini data pindaian masing-masing permukaan model dimensi tiga objek akan digabungkan agar tercipta model dimensi tiga yang utuh. Penggabungan masing-masing permukaan model adalah berdasarkan area antar permukaan yang memiliki kemiripan antara data permukaan referensi

4 4 dan permukaan yang akan ditranformasi posisinya. Dalam penelitian ini permukaan yang ditranformasi akan ditranformasi berdasarkan key point dimana merepresentasikan titik yang sama pada objek referensi seperti pada Gambar 9. Selanjutnya akan dikalkulasi matrik translasi dan tranformasi pada permukaan yang akan ditranformasi dengan menggunakan ICP (Iterative Closest Point) [4]. Jika pada tahap ini masih terdapat region permukaan yang tidak terdapat point cloud maka perlu adanya pengambilan data ulang pada region permukaan tersebut. memiliki beda intensitas warna pada tiap sisinya. Contoh hasil rekonstruksi yang teksturnya kurang akurat dapat dilihat pada Gambar 10. Perlu adanya pemetaan ulang tekstur ke model. Tekstur yang didapat adalah hasil dari pengambilan citra masingmasing permukaan sisi model asli dengan kamera DSLR. D. Noise Removal Data hasil pemindaian dimensi tiga pada permukaan benda memungkinkan untuk didapat noise berupa point cloud dimensi tiga dimana bukan termasuk bagian dari objek. Untuk menghasilkan hasil yang lebih akurat maka diperlukan penghilangan noise. Penghilangan noise dapat dilakukan dengan cara menghapus point cloud yang dianggap noise secara manual. Gambar 10. Model setelah mengalami pemrosesan mesh Untuk mendapatkan hasil citra yang bagus untuk pemetaan ke objek maka pengambilan citra harus dilakukan di tempat dimana terdapat intensitas cahaya yang sama pada setiap sisi benda. Dalam penelitian ini digunakan studio foto mini karena objek yang di rekonstruksti berukuran kecil. Berikut adalah perbedaan citra yang diambil dengan menggunakan studio dan tidak yang dapat dilihat pada Gambar 11. Gambar 9. Proses alignment berdasarkan key point E. Surface Reconstruction Setelah didapatkan point cloud objek secara utuh maka langkah berikutnya adalah merekonstruksinya kembali dalam bentuk padat (meshing). Dalam proses ini tiap permukaan yang sudah di gabungkan akan di padatkan dengan memberi poligon antara masing-masing point cloud sehingga menjadi model yang utuh permukaannya. F. Hole Filling Pada rekonstruksi permukaan model dimensi tiga akan didapatkan lubang yang harus ditutup agar model luaran terlihat lebih indah. Lubang terdapat pada daerah model dimana pada objek nyatanya tidak terkena cahaya yang dihasilkan mesin pemindai dimensi tiga. Sehingga pada daerah itu tidak ditemukan point cloud. Penutupan lubang dilakukan dengan memberikan poligon tambahan pada region yang ditemukan adanya lubang secara manual. G. Texture Mapping Pemindaian dimensi tiga model pada ruangan dimana memiliki intensitas cahaya yang berbeda pada tiap sisi model akan mengakibatkan hasil tekstur yang kurang akurat dimana Gambar 11. Hasil pengambilan tekstur permukaan tanpa studio, hasil pengambilan tekstur permukaan dengan menggunakan studio Perbedaan antara dua hasil pengambilan citra adalah dari intensitas warna pada masing-masing sisi permukaan objek. Pada pengambilan tanpa menggunakan studio intensitas warna pada tepi objek pada pengambilan dari permukaan depan terluhat lebih terang disebabkan karena kontur objek yang meruncing kedepan. Berikut adalah hasil dari pemetaan tekstur dengan menggunakan tekstur yang diambil tanpa menggunakan studio yang dapat dilihat pada Gambar 12.

5 5 III. HASIL AKHIR Dalam penelitian sudah direkonstruksi tiga objek dimana masing-masing memiliki ciri fisik yang berbeda yaitu patung ganesha, patung budha dan patung wanita Bali. Berikut adalah citra dari masing-masing patung pada Gambar 13. Pada hasil pemindaian patung Ganesha terdapat banyak noise dikarenakan tekstur objek yang gelap sehingga perlu menurunkan batas nilai intensitas keabuan mesin pemindai. Noise nantinya akan dihilangkan secara manual pada proses noise removal. Berikut adalah perbandingan antara patung Buddha asli dan hasil rekonstruksinya pada Gambar 15. Gambar 15. Patung Buddha, patung hasil rekonstruksi Gambar 12. Hasil rekonstruksi dimensi tiga ganesha dengan menggunakan tekstur yang diambil tanpa studio dan dengan studio Pada proses pemindaian patung wanita diperlukan pemindaian pada dua bagian model dikarenakan area pancar cahaya proyektor yang terbatas dan keterbatasan area tangkap kamera, bagian model yang dimaksud adalah bagian atas dari kepala sampai perut dan bagian bawah adalah dari bagian perut sampai kaki. Proses alignment pada data hasil pemindaian patung ini adalah dengan melakukan alignment pada permukaan bagian bawah dan bagian atas secara terpisah. Setelah semua permukaan menyatu maka dilakukan alignment pada seluruh permukaan atas dan seluruh permukaan bawah sehingga didapat satu model yang utuh. Berikut adalah perbandingan antara patung wanita asli dengan hasil rekonstruksinya ny pada Gambar 16. (c) Gambar 13. Patung Ganesha, patung Buddha, patung Wanita Berikut adalah perbandingan antara patung Ganesha asli dan hasil yang telah direkonstruksi pada Gambar 14. Gambar 14. Patung Ganesha, patung hasil rekonstruksi Pada hasil pemindaian patung Buddha terdapat noise berupa bayangan pada objek yang ikut terekonstruksi dengan tekstur hitam. Noise pada hasil pemindaian akan mempengaruhi warna dari tekstur model bila sudah digabungkan masingmasing permukaannya. Karena itu dilakukan pemetaan tekstur ulang agar didapat model dengan tekstur yang lebih akurat. Gambar 16. Patung Wanita, patung hasil rekonstruksi Pengujian keakuratan hasil rekonstruksi dilakukan dengan membandingkan dimensi antara benda asli dan hasil rekonstruksinya. Perbandingan data diambil dari sampel pengukuran panjang bagian-bagian tertentu pada benda asli dengan menggunakan jangka sorong kemudian akan dibandingkan dengan ukuran panjang pada hasil rekonstruksinya. Dilakukan penyekalaan panjang sample pada benda asli agar data sample pada benda asli sebanding dengan data sample pada objek virtual. Skala ditentukan berdasarkan perbandingan anatara panjang sisi objek berbentuk balok yang sebelumnya sudah diketahui secara pasti panjangnya dan panjang sisi hasil rekonstruksi balok tersebut.,sehingga didapat skala sebesar 1.8 mm. Pada masing-masing model diambil 5 sampel data panjang antar sisi model. Penghitungan error dilakukan dengan menggunakan error relatif yang merupakan error data pada objek virtual terhadap objek aslinya. Berikut adalah rumusan error relatif :

6 6 dimana y adalah panjang sisi pada model asli dan y adalah panjang sisi pada model hasil rekonstruksi Berikut adalah hasil eror relatif pada tiap hasil rekonstruksi yang dapat dilihat pada tabel 1: Tabel 1. Hasil pengujian keakuratan kontur hasil rekonstruksi Model Eror relatif Ganesha Budha Patung Wanita Bali IV. KESIMPULAN Berdasarkan dari penelitian rekonstruksi dimensi tiga pada tiga objek museum maka diperoleh beberapa kesimpulan: 1) Beberapa hal yang mempengaruhi keakuratan hasil rekonstruksi diantaranya adalah pengaturan batas intensitas alat pemindai, setting pencahayaan ruangan dan kelengkapan data. 2.1 Pengaturan batas intensitas alat pemindai Pada proses pemindaian perlu adanya pengaturan batas intensitas yang nantinya akan mempengaruhi kelengkapan point cloud permukaan model. 2.2 Pencahayaan ruangan Pada tahap pengambilan tekstur pada permukaan model perlu menggunakan ruangan dengan pencahayaan yang merata pada tiap sisi model agar tidak terdapat beda kecerahan pada tiap sisi model. Adanya beda kecerahan pada salah satu tekstur sisi model akan mempengaruhi keakuratan tekstur model. 2.3 Kelengkapan data. Kelengkapan data mempengaruhi hasil rekonstruksi model. Semakin lengkap data maka semakin sedikit adanya lubang pada model. 2) Hasil rekonstruksi pada pada patung Ganesha, Buddha dan patung wanita memiliki kontur yang akurat dengan error relatif kontur yang kecil dimana model Ganesha memiliki error relatif 0.058, model Buddha memiliki error relatif dan model Wanita dengan error relatif [5] The 3D Model Acquisition Pipeline. Fausto Bernardini and Holly Rushmeier. Yorktown Heights, New York, USA : IBM Thomas J. Watson Research Center. [6] Hertz, RIchard. Theories of Contemporary Art. s.l. : Art. Centre Collage and Design. [7] Shape from 2D Edge Gradient. Winkelbach, Simon and F. M. Wahl. Hamburg : Institute for Robotics and Process Control Technical University of Braunschweig. [8] Rigid Registration : The Iterative Closest Point Algorithm. Yaniv, Ziv. Jerusalem : School of Engineering and Computer Science The Hebrew University. [9] Canada, Departement of Computer Science and Engineering of University of. [Online] [Cited: May Friday, 2013.] [10] Penggunaan Jarak Objek dari Kamera dengan Menggunakan Stereo Vision pada Perangkat Model. Anis, Muhammad and Imam, Ahmad. Bandung : Jurnal Sarjana Institut Teknologi Bandung, [11] Z. Zhang, Flexible camera calibration by viewing a plane from unknown orientations, in Seventh International Conference on Computer Vision (ICCV 99) (IEEE Computer Society, 1999), Vol. 1, 666. DAFTAR PUSTAKA [1] Structured-light 3D surface imaging: a tutorial. Jason, Geng. Rockville : s.n. IEEE Intelligent Transportation System Society. [2] Simple, Accurate, and Robust Projector-Camera Calibration. Moreno, Daniel and Taubin, Gabriel. USA : School of Engineering Brown University Providence. [3] Shape from Single Stripe Pattern Illumination. S. Winkelbach and F. M. Wahl. s.l. : Institute for Robotics and Process Control, Technical University of Braunschweig, Luc Van Gool (Editor): Pattern Recognition, Lecture Notes in Computer Science [4] 3D Reconstruction Based on Stereovision and Texture Mapping. Jingchao Li, et al., et al. Beijing : Institute of Information Science, Beijing Jiaotong University.