PERKEMBANGAN RISET APLIKASI POLARIZATION IMAGING BY REFLECTION UNTUK OBYEK TRANSPARAN DALAM BIDANG COMPUTER VISION

Transkripsi

1 Seinar Nasional Aplikasi Teknologi Inforasi 28 (SNATI 28) ISBN: Yogyakarta, 21 Juni 28 PERKEMBANGAN RISET APLIKASI POLARIZATION IMAGING BY REFLECTION UNTUK OBYEK TRANSPARAN DALAM BIDANG COMPUTER VISION Mohaad Iqbal *, Ia Ahad Trinugroho ** Universitas Gunadara Fakultas Ilu Koputer Jl. Margonda Raya 1, Depok, Indonesia E-ail: Abstract Peanfaatan Polarisasi cahaya erupakan salah satu etode untuk endapatkan inforasi yang lebih luas dari suatu obyek dala bidang coputer vision. Suatu obyek yang eantulkan cahaya atau terkena proses penghaburan cahaya jika ditangkap oleh peralatan konvensional dan diolah dengan anipulasi intensitas cahaya dan warna saja terkadang tidak ebawa inforasi yang cukup untuk dapat engenali benda tersebut. Oleh sebab itulah diperlukan suatu etode yang dapat ereduksi fenoena tersebut, sekaligus dala perkebangannya dapat eberikan inforasi tabahan yang lebih luas dari suatu obyek yang diobservasi. Salah satunya adalah dengan engkobinasikan peralatan optik lensa polarisasi dengan kaera untuk enangkap citra obyek lalu enghitung beberapa paraeter polarisasinya. Paper ini ebahas beberapa etode penangkapan citra terpolarisasi pada obyek transparan yang eantulkan cahaya dan ebahas beberapa etode analisis polarisasi cahaya dari obyek tersebut. Keywords: Optics, Polarization iaging, coputer vision, reflection. 1. PENDAHULUAN Polarisasi cahaya adalah fenoena optik yang biasa terjadi di bui (Konnen, 1985). Penghaburan cahaya (Scattering) dan peantulan cahaya (reflection) erupakan hal terbanyak yang enyebabkan terjadinya fenoena ini di ala. Menurut beberapa penelitian, suber kejadian polarisasi cahaya dapat dikategorikan dala 3 bagian besar, yaitu : 1. Suber cahaya parsial linier terpolarisasi (partially linearly polarized light) yang disebabkan oleh proses scattering cahaya atahari dengan atosfir bui (coulson, 1988). 2. Polarisasi cahaya pada dunia bawah laut yang disebabkan oleh proses scattering cahaya atahari pada air (jerlov, 1976). 3. Polarisasi cahaya oleh refleksi (pantulan) dari perukaan yang engkilap seperti perukaan air atau beberapa jenis bahan yang dapat eantulkan cahaya lainnya seperti loga etalik, dan perukaan dielektrik seperti tanah, bebatuan aupun tubuh-tubuhan. (Konnen, 1985). Penggunaan polarisasi untuk eahai suatu citra adalah suatu perluasan dari keapuan engindera cahaya dari sekedar engindera intensitas dan warna cahaya. Masing-asing kejadian polarisasi di ala ini dapat diukur dengan berbagai bentuk persaaan ateatika untuk endapatkan inforasi yang dapat dianfaatkan untuk berbagai keperluan penginderaan lingkungan oleh esin atau koputer, obyek tersebut eliputi derajat polarisai, sudut polarisasi dan variasi intensitas cahaya yang dihasilkan dari polarisasi. Bagian pertaa dari paper ini ebahas tentang siste penangkapan citra yang dilakukan agar dapat eanfaatkan Polarisasi cahaya dari obyek yang eantulkan cahaya. Bagian kedua ebahas beberapa proses dasar pengabilan inforasi polarisasi yang diakibatkan oleh peantulan cahaya pada obyek supaya dapat dianfaatkan untuk perosesan selanjutnya. Di bagian ketiga ebahas etode analisis polarisasi dan bagian terakhir adalah kesipulan yang didapat dari pebahasan pada bagian sebelunya. 2. SISTEM PENANGKAPAN CITRA Siste ini aat penting dala rangkaian pengabilan inforasi polarisasi dari obyek yang eantulkan cahaya. Kesalahan dala peilihan jenis filter polarisasi, kaera dan instalasi, tentu akan epengaruhi akurasi deteksi terhadap obyek tersebut Jenis Filter dan Kaera Polarisasi Kaera CCD (charge-couple device) koersial yang tersedia di pasaran didesain untuk enangkap intensitas cahaya dan warna dari suatu obyek saja, sehingga tidak dapat dipakai untuk enangkap citra G-1

2 Seinar Nasional Aplikasi Teknologi Inforasi 28 (SNATI 28) ISBN: Yogyakarta, 21 Juni 28 terpolarisasi. Kaera yang yang dapat dianfaatkan untuk enangkap citra terpolarisasi terdiri atas 2 jenis, yaitu Kaera akuisisi citra optikekanik dan kaera akuisisi citra optic elektronik Kaera akuisisi citra optik-ekanik Pada awalnya para peneliti enggunakan kaera onokro atau kaera warna tipe CCD ini dengan enabahkan koponen filter polarisasi linier yang dapat dirotasikan secara ekanis di depan lensa kaera tersebut. Desain kaera seperti ini keudian digunakan untuk enangkap beberapa jenis citra obyek yang saa dengan orientasi polarisasi yang berbeda, dengan cara engubah orientasi filternya. Perhitungan polarisasi dengan cara ini paling tidak ebutuhkan 3 jenis koponen citra terpolarisasi yang berbeda, biasanya dengan sudut, 45 dan 9. Naun, jika tidak dilakukan dengan teliti, cara rotasi ekanik ini dapat enyebabkan terjadinya pergeseran geoetrik penapilan proyeksi citra pada kaera, yang enghasilkan kesalahan yang signifikan dala pengukuran paraeter polarisasi (WOLFF, 1995). Gabar 1. Akuisisi serial enggunakan liquid crystal (WOLFF & ANDREOU, 1995). (ii) Akuisisi paralel enggunakan pasangan stereo kaera dan peisah cahaya terpolarisasi Pada kaera jenis ini, setelah terpolarisasi parsial linier karena elewati liquid crystal, cahaya yang tiba akan dipecah kedua arah dengan koponen polarisasi yang berbeda satu saa lain ke dua CCD kaera oleh bea splitter. Satu jenis ebawa inforasi pantulan cahaya 45 dan satu lagi ebawa inforasi transaisi cahaya. Dengan 2 inforasi ini, aka didapatkan 2 jenis koponen polarisasi yaitu P (koponen polarsasi paralel dengan arah cahaya datang) dan S (koponen polarisasi tegak lurus dengan arah cahaya datang) Kaera akuisisi citra optik elektronik Kaera jenis ini adalah kaera yang secara elektronis dilengkapi sensor yang engatur orientasi polarisasi secara otoatis. Pada desain awal, terdapat 3 jenis kaera yang didesain khusus untuk enangkap citra terpolarisasi yaitu (i) akuisisi serial koponen polarisasi enggunakan liquid crystal, (ii) akuisisi paralel koponen polarisasi enggunakan pasangan stereo kaera dan peisah cahaya terpolarisasi, dan (iii) prototype chip photosensing. Selanjutnya, keudian tercetus ide untuk ebuat kaera dengan kristal buatan yang eiliki sifat-sifat yang apu endeteksi fenoena polarisasi, diciptakanlah (iv) Kaera PLZT. (i) Akuisisi serial enggunakan liquid crystal Kaera ini enggunakan 2 twisted neatic (TN) liquid crytal yang diletakkan di depan CCD kaera. TN adalah suatu alat elektro-optik yang akan engendalikan koponen cahaya parsial linear polarisasi yang bergerak elaluinya. Koponen polarisasi dari citra akan segera diketahui secara seri tanpa perlu elakukan rotasi secara ekanik filter polarisasi. Gabar 2. Akuisisi paralel enggunakan stereo kaera dan bea splitter (WOLFF & ANDREOU, 1995). (iii) prototype chip photosensing Kedua jenis kaera yang pertaa di desain enggunakan optik eksternal yang tidak secara langsung diproses pada chip photosensing. Sedangkan prototipe kaera ini erupakan bentuk terpadu yang didesain elakukan fileterisasi optik langsung ke chip photosensing. Secara prinsip, cara kerja kaera ini tidak berbeda dengan kaera sebelunya, hanya saja proses perhitungan paraeter polarisasinya sudah dala suatu chip khusus tersendiri. (iv) Kaera PLZT PLZT adalah erupakan kristal buatan elektro-optik yang transparan dengan aterial keraik dan eiliki sifat-sifat birefringence (cahaya yang eiliki resolusi) yang ebuat PLZT dapat G-2

3 Seinar Nasional Aplikasi Teknologi Inforasi 28 (SNATI 28) ISBN: Yogyakarta, 21 Juni 28 berfungsi sebagai retarder dengan engubah edan listrik. Dala suatu penelitian untuk endeteksi obyek transparan, skenario peanfaatan kaera PLZT ini adalah dengan engkobinasikannya dengan linier polarizer. dilakukan dengan eletakkan suber cahaya pada posisi yang berlawanan dengan kaera yang diberi polarizer linier di depan lensanya, Sudut cahaya datang dan sudut cahaya pantul dari obyek saa. Metode ini juga diterapkan oleh Wolff dan Chen naun dengan enerapkan banyak filter baik dari suber cahaya aupun dari depan kaera pengaat. Gabar 3. Kaera PLZT dikobinasikan dengan polarizer (DAISUKE MIYAZAKI, et al. 25) Skenario instalasi Penangkapan Citra Skenario ini disusun dengan tujuan agar bisa endapatkan inforasi koponen polarisasi yang eadai dari suatu obyek yang eantulkan cahaya. Pada bagian ini, penulis eilih beberapa perkebangan pengetahuan dari penelitian yang ebahas engenai estiasi bentuk dari suatu transparan obyek, karena obyek transparan eiliki inforasi yang lebih luas daripada obyek biasa. Obyek ini, selain eiliki inforasi pantulan cahaya dari perukaannya (sering disebut pantulan perukaan), juga eiliki pantulan dari bagian dala obyek yang erupakan cahaya hasil transisi ke dala tubuh obyek tersebut (disebut body reflection). Dua suber inforasi ini bisa dianfaatkan dengan eletakkan peralatan penangkap citra pada posisi yang tepat. Gabar 5. Instalasi kaera polarisasi deteksi obyek transparan (WOLFF & CHEN, 1998) Metode Pantulan dari Multi suber cahaya Metode ini engabil inforasi polarisasi dengan sudut pantul yang berbeda dari etode pertaa. Kekurangan pencahayaan pada etode pertaa diatasi dengan eberikan dua suber cahaya dari dua titik yang berbeda, naun eiliki sudut pantul dengan arah yang saa enuju kaera dengan polarizer linier di depannya Metode Pantulan dari Satu suber Cahaya Gabar 6. Instalasi kaera polarisasi deteksi obyek transparan (MIYAZAKI, 22) Gabar 4. Instalasi kaera polarisasi deteksi obyek transparan (MEGUMI, 1999 ) Metode ini dipakai untuk engestiasi bentuk dari obyek yang diobservasi. Obyek dengan inforasi polarisasi keudian dianalisis dengan enggunakan forula pantulan fresnel. Maka, proses instalasi Metode Pantulan dan Transisi dari Multi suber Cahaya Metode ini erupakan pengebangan dari etodeetode sebelunya. Sebab, ternyata dua etode sebelunya, walau pun sudah ditabah dengan lebih dari satu suber cahaya tetap tidak cukup untuk bisa engidentifikasi bentuk obyek transparan secara presisi. G-3

4 Seinar Nasional Aplikasi Teknologi Inforasi 28 (SNATI 28) ISBN: Yogyakarta, 21 Juni 28 Keistiewaan etode ini adalah penepatan suber cahaya yang eungkinkan cahaya dapat dipantulkan dari perukan obyek transparan secara langsung (suber cahaya 1) untuk engestiasi sisi depan dari obyek transparan dan yang lainnya adalah suber cahaya yang eungkinkan cahaya engalai transisi ke bagian dala obyek terlebih dahulu, lalu dipantulkan enuju kaera pengobservasi (suber cahaya 2), sehingga bisa engestiasi sisi belakang dari obyek transparan tersebut. Kaera Suber Cahaya 1 Polarizer Obyek Suber transparan cahaya 2 Gabar 7. Instalasi kaera polarisasi deteksi obyek transparan (DAISUKE MIYAZAKI, et al. 25). Gabar 8. Refleksi fresnel (MEGUMI, 1999 ) Koponen polarisasi dari cahaya datang, cahaya dipantulkan dan cahaya yang ditransisikan akan paralel dan tegak lurus pada x-z dan diekspresikan dengan dan. Keudian kita definisikan sudut cahaya datang φ1, sudut refleksi φ 1 dan sudut transisi φ2. Cahaya datang dan cahaya yang dipantulkan akan enuju ediu yang saa, aka kita dapatkan φ1 = π - φ 1. Maka, cahaya datang, cahaya dipantulkan dan koponen transisi dari edan elektrik vektor akan paralel pada x-z, sehingga 3. METODE ANALISIS POLARISASI Terdapat banyak etode penghitungan status polarisasi dari cahaya pada suatu benda yang engalai proses peantulan, yaitu (i) perhitungan sederhana enggunakan forula Fresnel, (ii) enggunakan atrik koheren, (iii) enggunakan atrik Mueller dan (iv) enggunakan kalkulus Jones. Naun dala paper ini akan dibahas (i) dan (iii) saja yang erupakan etode dasar dan etode terpopuler dala enghitung status polarisasi tersebut Menggunakan huku Fresnel Huku Fresnel ini kita gunakan sebagai dasar untuk enghitung status polarisasi. Huku ini terkait pula dengan huku Maxwell yang enyebut bahwa gelobang cahaya adalah gelobang elektroagnet. Huku peantulan cahaya yang enyebutkan bahwa untuk perukaan yang tidak enghaburkan cahaya sudut pantul selalu saa dengan sudut datang ini dapat digunakan untuk enghitung intensitas pantulan. Selanjutnya, dengan enabahkan karakteristik polarizer kita bisa endapatkan status polarisasi. diana A, R dan T adalah aplitudo dari ketiga koponen tersebut, ω adalah frekuensi sudut dan k1 dan k2 enunjukkan besaran gelobang. Jika besaran gelobang dinyatakan dala 2 π / λ, diana λ adalah panjang gelobangnya, dan kita nyatakan a, r dan t adalah cahaya datang, cahaya pantul dan cahaya transisi, aka koponen tegak lurus dapat dinyatakan dengan cara yang saa. Relasi antara sudut cahaya datang φ1 dan sudut transisi φ2 cahaya yang engalai refracted yang bergerak elintasi ediu ke ediu lainnya dapat dinyatakan dala Huku SNELL : Batasan kondisi persaaan Maxwell adalah ebutuhkan koponen edan elektrik dan edan agnet yang harus selalu kontinyu pada jalur cahaya tersebut. Keudian aplitudo dari cahaya yang ditransisikan dala ediu 2 harus ekuivalen dengan juah aplitudo cahaya datang dan cahaya yang dipantulkan pada ediu 1 dengan arah x dan y. Untuk ketentuan ini, kita endapatkan : di ana E dan H adalah edan elektrik dan edan agnet. Ini keudian dapat dikobinasikan dengan G-4

5 Seinar Nasional Aplikasi Teknologi Inforasi 28 (SNATI 28) ISBN: Yogyakarta, 21 Juni 28 persaaan (1) dan (2) untuk enghasilkan forula FRESNEL yang engekspresikan pantulan dari aplitudo cahaya pada koponen secara paralel dan tegak lurus, r dan r. linier) dan derajat polarisasi = 1. Substitusi persaaan (6), (8) ke (9) enghasilkan : 3.2. Menggunakan Matrik Mueller Intensitas cahaya I dapat dinyatakan dala : diana n adalah refraktif index dari setiap ediu dan μo adalah koponen serap untuk hapa udara. Untuk persaaan (4) intensitas sifat pantul cahaya enjadi : Intensitas pantul F dan F engacu pada koefisien pantul FRESNEL. Persaaan (6) engindikasikan sudut cahaya datang dengan F =. Sudut ini berdasarkan teori sudut BREWSTER disebut φb. Sudut Brewster adalah φ1 + φ2 = π/2 dan huku SNELL enjadi : Kalkulus Mueller adalah etode untuk enghitung status polarisasi cahaya dan biasanya dihitung enggunakan atrik ueller. Cahaya datang direpresentasikan dala vektor 4 diensi, yang disebut dengan Stokes vector. Obyek yang engubah status polarisasi direpresentasikan dala 4x4 atrik yang disebut atrik Mueller. Pada perhitungan kalkulus Mueller, kita ebutuhkan Stokes Vektor yang erepresentasikan cahaya datang. Berikut ini adalah beberapa ketentuan untuk stokes vector (GODSTEIN, 23) : s s s s Intensity Power of linear polarized light Power of 45 linear polarized light Power of right circular polarized light Persaaan (7) ini disebut fase polarisasi untuk pantulan cahaya. Jika kita elihat lagi persaaan (6) intensitas pantulan akan tergantung pada arah rabatan cahaya, apakah parallel ataukah tegak lurus. Jika kita defenisikan intensitas aksiu dan intensitas iniu adalah Iax dan Iin. Penabahan Iax dan Iin saa dengan total intensitas perukaan obyek Is, aka : Ingat bahwa Iin adalah koponen yang paralel dengan cahaya datang. Dengan eneukan sudut rotasi polarizer yang enunjukkan intensitas iniu, aka sudut orientasi cahaya datang θ dapat kita tetapkan. Derajat polarisasi ρ dapat dinyatakan : Derajat polarisasi = untuk unpolarized light, dan 1 untuk cahaya yang terpolarisasi linier. Ketika sudut cahaya datang saa dengan sudut Brewster, hanya koponen yang tegak lurus yang uncul pada cahaya yang dipantulkan (cahaya ini terpolarisasi S, S1, S2, S3 kadangkala juga sering ditulis dengan I, Q, U dan V. Keudian Stokes Vector yang erepresentasikan cahaya datang ini dapat kita ruuskan sebagai derajat polarisasi sebagai berikut (GODSTEIN, 23) : s1 + s2 + s3 ρ = (11) s Untuk enghitung status polarisasi cahaya yang eantul dari suatu benda, aka berlaku ketentuan uu : [output light] = [Muller atrix] [input light] I' Q' = U' V' I Q U V Beberapa atrik di bawah ini digunakan untuk enghitung keadaan cahaya setelah dipantulkan pada suatu benda (DAISUKE MIYAZAKI, et al. 25) (12) G-5

6 Seinar Nasional Aplikasi Teknologi Inforasi 28 (SNATI 28) ISBN: Yogyakarta, 21 Juni 28 Matrik Mueller untuk Pantulan (Reflection) : R = ( R + R ) 2 ( R R ) ( R R ) 2 ( R + R ) Untuk engestiasi benda transparan, kita juga eerlukan atrik ueller untuk transisi, yaitu : diana R R T adalah koefisien Fresnel. ( T + T) ( T T) ( T T) ( T + T) 4. KESIMPULAN Perkebangan riset polarization iaging asih terus berkebang sapai saat ini. Dari beberapa penelitian yang disajikan, ada 3 langkah terstruktur yang diabil oleh para peneliti dala eanfaatkan citra terpolarisasi, yaitu (i) strategi pengabilan inforasi polarisasi, (ii) etode instalasi peralatan dan (iii) peilihan etode analisis polarisasi. Strategi pengabilan inforasi polarisasi dari suatu obyek yang diobservasi ebutuhkan peralatan penangkap citra tabahan, yaitu dengan engkobinasikan antara peralatan optik dengan ekanik atau engkobinasikan optik dan elektronis. Metode instalasi peralatan juga sangat enentukan, karena seua inforasi polarisasi berasal dari cahaya yang dipantulkan, aka harus diperhitungkan dengan seksaa sudut cahaya datang dan berapa banyak suber cahaya. Selain itu juga peletakan kaera harus tepat pada arah sudut pantulnya. Peilihan etode analisis polarisasi pada uunya terkait dengan efisiensi algorita yang dipilih. Sapai saat ini, asih ebutuhkan penelitian yang lebih dala algorita ana yang paling efektif dala ekstraksi inforsi polarisasi tersebut. Dua jenis etode yang disajikan dala paper ini, adalah etode yang paling banyak dipakai oleh peneliti polarization iaging saat ini. 2 2 R R R R T = TT TT T DAFTAR PUSTAKA [1] BIN XIE et al (27), Polarization-Based Water Hazards Detection for Autonoous Off-road Navigation, Proceeding of 27 IEEE/RSJ International Confrence on intelligent Robots and Syste San diego, CA, USA [2] DAISUKE MIYAZAKI, Masataka Kagesawa, Katsushi Ikeuchi. (22). "Deterining Shapes of Transparent Objects fro Two Polarization Iages," in Proceedings of IAPR Workshop on Machine Vision Applications, pp.26-31, Nara, Japan, [3] DAISUKE MIYAZAKI, et al. (25), Polarization-based shape estiation of Transparent Objects by using Raytracing and PLZT Caera, SPIE's International Syposiu on Optics and Photonics 25 San Diego, CA USA, Vol. 5888, pp. 1-14, Aug. 25. [4] GOLDSTEIN, DENNIS (23), Polarized Light, Second Edition, CRC Press, ISBN-13: [5] HORVATH (199). Reflection Polarization Patterns at Flat Water Surfaces and their Relevance for Insect Polarization Vision, J. theor. Biol. (1995) 175, [6] HUA CHEN AND LAWRENCE B. WOLFF, (1998) Polarization Phase-Based Method For Material Classification In Coputer Vision, International Journal of Coputer Vision 28(1), [7] JERLOV, N. G. (1976). Optical Oceanography. Asterda. Elsevier. [8] KONNEN, G. P. (1985). Polarized Light in Nature, Cabridge:Cabridge University Press [9] LAWRENCE B. WOLFF (1995), Application of Polarization Caera Technology, Iage Understanding, IEEE Expert, 3-38 [1] LAWRENCE B. WOLFF, ANDREAS ANDREOU (1995), Polarization Caera Sensor, Iage & Vision Coputing, Vol 13, sevier Science, [11] MEGUMI, SAITO. (1999), Measureent of Surface Orientations of Transparent Objects Using Polarization in Highlight, IEEE [12] P. TERRIER. (21), A Self Calibrated Iage Acquisition Syste for Polarization Estiation, PSIP Journal [13] WEHNER,RÜDIGER. (21), Polarization Vision A Unifor Sensory Capasity?, The Journal of Experiental Biology 24, [14] S.SHAFER. (1985), Using color to separate reflection coponents, COLOR Research and Application, Vol. 1, pp * Mohaad Iqbal, SKo, MMSI adalah kandidat doktor di Université de Bourgogne Perancis yang juga erupakan dosen tetap dan peneliti di Universitas Gunadara. ** Ia Ahad Trinugroho, ST, MMSI adalah erupakan kandidat doktor di Universitas Gunadara yang juga erupakan dosen tetap dan peneliti di Universitas Gunadara. G-6