Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 79 Rancang Bangun Sistem Peraga Eksperimen Lensa Konvergen Menggunakan Webcam Sebagai Penangkap Citra Dengan Komputer Sebagai Perangkat Pemroses dan Penampil Hasil Sumariyah, Ainie Khuriatie RS, Bernadi Dannadri Zhuria dan Tisda Renza Fanerva Jurusan Fisika FMIPA UNDIP Kampus Tembalang UNDIP e-mail: sumariyah@undip.ac.id ABSTRAK-Telah dilakukan rancang bangun sistem peraga eksperimen lensa konvergen menggunakan webcam sebagai penangkap citra dengan komputer sebagai perangkat pemroses dan penampil hasil. Sistem terdiri dari perangkat mekanik, rangkaian elektronik, perangkat antarmuka, komputer dan perangkat lunak. Komponen utama perangkat mekanik meliputi satu buah lensa konvergen, satu buah layar, satu buah lampu sebagai sumber cahaya dan dua buah webcam. Benda berupa anak panah yang terletak didepan dan terkopel dengan lampu. Posisi sumber cahaya dan posisi layar diperoleh dengan menggerakan rel lampu dan rel Layar oleh motor langkah yang dikendalikan komputer melalui mikrokontroler dengan antarmuka gerbang serial. Citra benda dan citra bayangan ditangkap menggunakan webcam. Citra hasil tangkapan akan dibaca oleh komputer melalui gerbang USB yang selanjutnya diolah dan ditampilkan pada monitor. Program penangkapan citra oleh webcam menggunakan DSPack. Sedangkan program kendali posisi secara serial menggunakan program TcomPort. Perangkat lunak mikrokomputer menggunakan Reads52. Program aplikasi antarmuka, olah dan tampil data menggunakan bahasa pemrograman Delphi7. Penelitian ini menghasilkan sistem peraga eksperimen lensa konvergen yang dapat dioperasikan dari luar ruang eksperimen atau di ruangan yang terang. Sistem dapat menampilkan jarak benda, jarak bayangan dan jarak fokus lensa. Sedangkan spesifikasi sistem sebagai berikut: jarak benda dengan jangkauan 17,5 cm sampai 32,2 cm, jarak bayangan dengan jangkauan 17,0 sampai 39,4 cm,. Berdasarkan hasil uji diperoleh jarak fokus lensa sebesar 10,95 cm. Pengujian yang dilakukan menunjukan bahwa sistem kendali posisi sumber cahaya dan layar dapat bergerak dengan jarak perpindahan sebesar 1,6 mm per langkah. Kata kunci: eksperimen lensa, komputer, kamera-web, mikrokontroler I. PENDAHULUAN Teknologi komputer saat ini berkembang dengan pesat, seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan. Dalam perkembangannya komputer tidak hanya berperan dalam satu bidang saja, melainkan hampir di segala bidang kehidupan manusia. Banyak hal yang mungkin saat ini untuk menyelesaikan permasalahan manusia membutuhkan biaya, waktu, tenaga yang cukup besar untuk penyelesaiannya. Tetapi dengan adanya kemajuan teknologi komputer hal-hal tersebut dapat ditekan seminimal mungkin. Pemakaian komputer personal (PC) dapat dikembangkan ke berbagai kebutuhan dengan membuat perangkat lunak (software) dan menambahkan perangkat keras (hardware). Perangkat keras tambahan ini disebut sebagai antarmuka (interface equipment) yang berfungsi menghubungkan peralatan pelengkap tambahan dengan komputer [1]. Pengembangan pemakaian komputer pada instrumentasi diantaranya digunakan sebagai sistem CT Scan 2D Berbasis sinar-x Flouresens Digital [2], Sistem Pengukurr kekentalan fluida [3], Sistem Pemantau Hujan Melalui Gelombang Radio [4], Sistem Pemantauan Kecepatan Angin Melalui Gelombang Radio [5], Eksperimen Effek Hall Untuk Menentukan Mobilitas Pembawa Muatan Bahan Semikonduktor [6], dan Sistem Pengukur Intensitas Cahaya Berbasis Komputer [7]. Dalam penelitian ini telah dikembangkan salah satu pemakaian komputer yaitu sebagai Sistem pengendali, Penangkap Citra Webcam, Pemroses data dan menampilkan Hasil Eksperimen Lensa Konvergen. Komputerisasi Eksperimen Lensa tipis sangat penting karena baik asisten maupun praktikan tidak harus berada di dalam ruang optik yang gelap tetapi pengamatan dapat dilakukan di luar ruang optik dan dapat dilakuakan dari jarak jauh. Untuk keperluan tersebut, selama ini dilakukan secara manual,. Hal ini kurang efisien dan dimungkinkan adanya ralat karena kesalahan manusia. Eksperimen Lensa Tipis yang dapat dioprasikan dan diamati dari luar ruang optik secara otomatis dengan dilengkapi komputer akan memiliki keunggulan/kelebihan dari sistem pengamatan secara manual. Beberapa keunggulan tersebut selain mengoptimalkan fungsi komputer PC adalah dapat memvisualisasi bayangan dan mengetahui jarak bayangan secara otomatis dan mengumpulkan data jarak, pemrosesan hasil lebih teliti, lebih cepat serta dapat menyimpan dan menampil ulang hasil yang dilengkapi dengan informasi penting (Misal: nama asisten, nama praktikan, waktu eksperimen, dll). II. METODE PENELITIAN A. Diagram Blok Sistem Diagram blok sistem dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar1. Bagian yang dikerjakan dan dibahas adalah bagian yang dibatasi oleh garis tebal terdiri dari aplikasi antarmuka, penangkapan citra menggunakan kamera-web, penyimpanan citra bayangan fokus, dan penyimpanan hasil eksperimen ke dalam komputer dalam bentuk berkas. Mekanik peraga eksperimen lensa konvergen berfungsi sebagai pengganti peraga eksperimen lensa konvergen konvensional. Peraga ini menggunakan dua motor langkah yang berfungsi untuk menggerakkan rel lampu dan rel layar.
80 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY Kamera-web 2 (terletak di belakang layar) berfungsi untuk menangkap citra bayangan yang terbentuk di layar dan menampilkannya di komputer [8]. Kamera-web 1 (terletak di pojok ruang eksperimen) berfungsi untuk menampilkan proses yang terjadi di mekanik peraga eksperimen. Gambar 1 Diagram blok sistem. Cara kerja sistem ini dimulai dengan menjalankan aplikasi antarmuka. Aplikasi ini terkoneksi dengan mekanik alat peraga melalui antarmuka port serial dan terkoneksi dengan kamera-web melalui antarmuka port USB [9]. Untuk mengoperasikan alat, pengguna diminta untuk memposisikan lampu dan layar, sehingga citra bayangan yang ditampilkan di layar komputer menjadi citra bayangan yang fokus. Citra bayangan yang sudah fokus, jarak benda, dan jarak bayangan kemudian disimpan ke dalam komputer. B. Rancangan Mekanik Peraga Eksperimen Lensa Konvergen Rancangan mekanik peraga eksperimen lensa konvergen mengikuti rancangan pada Gambar2. Rancangan mekanik sistem peraga eksperimen lensa konvergen terdiri dari (A) lampu eksperimen, (B) lensa eksperimen, (C) layar, (D dan G) kamera-web, (E) rel lampu dan rel layar, dan (F) motor langkah. Lampu eksperimen, lensa, dan layar ditopang oleh batang besi pejal berdiameter 1 cm, panjang 20 cm. Jarak lampu ke lensa dan jarak lensa ke layar pada kondisi awal adalah 15 cm. Gambar 2 Desain peraga eksperimen lensa konvergen. Panjang rel lampu dan rel lensa adalah 50 cm. Rancangan mekanik ini menggunakan komponen tambahan yaitu: dua roda gigi berdiameter 2,5 cm, dua roda gigi berdiameter 5 cm, dua timming belt dengan panjang 40 cm. C. Rancangan Perangkat Lunak Aplikasi antarmuka dibuat menggunakan Delphi 7. Aplikasi antarmuka berfungsi untuk mengoperasikan alat, menampilkan dan menangkap citra bayangan dari kameraweb, menampilkan jarak benda dan jarak bayangan, menampilkan hasil perhitungan jarak fokus, menyimpan hasil eksperimen ke dalam komputer dalam bentuk berkas berekstensi xlsx (Office Excel 2007), dan menyimpan citra bayangan fokus ke dalam komputer dalam bentuk berkas berekstensi jpg. Saat aplikasi antarmuka dijalankan, aplikasi mengidentifikasi semua perangkat kamera-web yang terpasang di komputer dan memberikan nomor ke masingmasing kamera-web supaya mudah dibedakan. Untuk mengoperasikan alat, pengguna harus memilih kamera-web yang digunakan untuk menampilkan citra bayangan. Motor langkah dapat digerakkan setelah aplikasi antarmuka terhubung dengan alat melalui port serial. Pengguna harus menggerakkan motor langkah hingga memperoleh bayangan fokus. Setelah didapatkan citra bayangan fokus, maka jarak benda, jarak bayangan, dan citra bayangan fokus dapat disimpan ke dalam komputer menjadi sebuah berkas. Gambar 3 adalah rancangan jendela aplikasi antarmuka yang terdiri dari: (A) menu utama, (B) kamera-web 1, (C) kamera-web 2, (D) pengaturan port serial, (E) motor langkah 1, (F) motor langkah 2, (G) jendela kamera-web 1, (H) jendela kamera-web 2, (I) tombol penangkap citra, (J) tabel data, (K) bagian informasi, dan (L) bagian status. Gambar 3. Rancangan jendela aplikasi antarmuka. Bagian menu utama berisi menu untuk melihat perangkat kamera-web terpasang, menu untuk menyimpan dan menghapus data, menu untuk menampilkan hasil penangkapan citra, dan menu untuk pengaturan kameraweb. Bagian kamera-web 1 dan kamera-web 2 berisi tombol untuk memilih perangkat kamera-web yang akan diaktifkan dan tombol untuk menonaktifkan kamera-web yang aktif. Bagian pengaturan port serial berisi tombol untuk menampilkan jendela pengaturan port serial, dan tombol untuk memulai sambungan dan memutus sambungan ke port serial. Bagian motor langkah berisi tombol untuk menggerakkan motor langkah, tombol untuk menggerakkan motor langkah dengan kecepatan yang sudah diatur oleh pewaktu (timer), dan tombol untuk mengatur interval pewaktu. Bagian jendela kamera-web 1 dan kamera-web 2 adalah jendela untuk menampilkan citra dari kamera-web setelah diaktifkan. D. Pengujian Sistem Pengujian sistem dibagi menjadi dua yaitu pengujian pengambilan citra dari kamera-web dan pengujian citra bayangan fokus. Pengujian pengambilan citra dilakukan dengan cara menghubungkan kamera-web ke komputer dan menjalankan aplikasi antarmuka. Aplikasi antarmuka akan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 81 menampilkan citra bayangan dari kamera-web. Penangkapan citra dilakukan dengan menekan tombol Capture di aplikasi antarmuka. Jika pengambilan gambar berhasil, citra bayangan tersimpan di dalam komputer berupa berkas berekstensi jpg. Pengujian citra bayangan fokus dilakukan dengan cara menangkap citra bayangan fokus yang dapat ditampilkan oleh sistem. Data tambahan diperlukan pada pengujian ini sebagai data kalibrasi jarak tempuh rel lampu dan rel layar tiap langkah motor langkah. Data kalibrasi ditambahkan ke dalam aplikasi antarmuka sehingga jika motor langkah bergerak dengan jumlah langkah tertentu, jarak benda dan jarak bayangan tertampil di bagian informasi. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perancangan sistem peraga eksperimen lensa terdiri dari realisasi sistem peraga eksperimen lensa dan realisasi perancangan aplikasi antarmuka. Pengujian sistem keseluruhan dilakukan setelah kedua bagian tersebut terealisasi. A. Hasil Perancangan Peraga Eksperimen Lensa Konvergen Hasil perancangan sistem peraga eksperimen lensa dapat dilihat pada Gambar 4. Alat pada Gambar 4. dirancang untuk memperagakan eksperimen lensa konvergen dengan motor langkah sebagai penggerak, kamera-web sebagai penangkap citra, dan komputer sebagai perangkat pemroses dan penampil hasil. komputer (lewat port serial) kemudian diteruskan ke rangkaian mikrokontroler dan sebaliknya. Gambar 5 (B) adalah rangkaian mikrokontroler AT89S51. Mikrokontroler AT89S51 adalah bagian penting dari penghubung antara aplikasi antarmuka dengan alat peraga. Dan Gambar 5 (C) adalah rangkaian penggerak motor langkah. Rangkaian ini mendapat masukan dari mikrokontroler AT89S51 dan memberikan keluaran ke motor langkah. Gambar 5. Rangkaian elektronik pendukung. C. Hasil Perancangan Aplikasi Antarmuk Gambar 6 adalah tampilan aplikasi antarmuka ketika digunakan. Aplikasi ini didesain untuk mengoperasikan alat, menampilkan citra bayangan dari kamera-web, memproses data eksperimen, menampilkan hasil eksperimen, menyimpan citra bayangan fokus ke dalam komputer, dan menyimpan hasil eksperimen ke dalam komputer dalam bentuk berkas. Gambar 4. Sistem peraga eksperimen lensa konvergen. Hasil dari perancangan sistem peraga eksperimen lensa terdiri dari mekanik alat peraga eksperimen lensa konvergen yaitu (A) lampu eksperimen, (B) lensa eksperimen, (C) rangkaian elektronik pendukung, (D) layar, dan (E) komputer sebagai perangkat pemroses dan penampil hasil. B. Hasil Perancangan Rangkaian Elektronik Rangkaian elektronik pendukung dibagi menjadi tiga bagian, yaitu rangkaian mikrokontroler AT89S51, rangkaian konverter RS232, dan rangkaian penggerak motor langkah seperti yang terlihat pada Gambar 5. Rangkaian elektronik ini dicatu dengan tegangan DC 12 V untuk rangkaian penggerak motor langkah dan DC 5 V untuk rangkaian mikrokontroler AT89S51 dan rangkaian konverter RS232. Gambar 5(A) adalah rangkaian konverter RS232. Rangkaian ini berfungsi untuk menerima sinyal dari Gambar 6.Tampilan awal hasil perancangan aplikasi antarmuka. Pertama kali aplikasi dijalankan, aplikasi antarmuka mengenali semua perangkat kamera-web yang terhubung ke komputer. Kamera-web diberi nomor sehingga memudahkan pengguna untuk membedakan masing-masing kamera-web. Pengguna diharuskan memilih dan mengaktifkan kamera-web seperti yang terlihat pada bagian yang ditandai di Gambar 6. Jika proses berjalan lancar, citra bayangan dari kamera-web tertampil di jendela kamera-web seperti yang terlihat pada Gambar 7. D. Hasil Pengambilan Citra Data hasil pengujian diperlihatkan pada tabel 1.. Dari data hasil pengujian sistem, terlihat keseragaman hasil perhitungan jarak fokus. Hal ini menunjukkan bahwa sistem peraga eksperimen lensa konvergen sudah bekerja sesuai dengan desain.
82 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 1. Telah berhasil dirancang dan direalisasikan aplikasi antarmuka untuk mengoperasikan sistem peraga eksperimen lensa konvergen, menangkap citra bayangan menggunakan kamera-web, menampilkan dan memproses data hasil eksperimen, menyimpan citra bayangan dalam bentuk berkas berekstensi.jpg, dan menyimpan hasil eksperimen ke dalam bentuk berkas berekstensi.xlsx. 2. Dengan menggunakan sistem peraga eksperimen ini, memudahkan pengukuran (jarak benda dan jarak bayangan), pengambilan data eksperimen menjadi terkomputerisasi, dan eksperimen lensa tidak harus dilakukan di ruangan gelap. 3. Rel lampu mempunyai rentang jarak minimal 17,5 cm dan maksimal 32,2 cm. Rel layar mempunyai rentang jarak minimal 17,0 cm dan maksimal 39,4 cm. Gambar 7. Aplikasi antarmuka menampilkan citra dari kamera-web. Tabel 1 adalah tabel hasil pengujian sistem yang menunjukkan bahwa sistem mampu memperagakan eksperimen lensa konvergen dan menghasilkan perhitungan jarak fokus lensa yang hampir sama dengan jarak fokus spesifikasi lensa [10-12]. Gambar 8 adalah grafik hubungan antara - dengan. Dari Gambar 8 diperoleh persamaan garis. Jika, nilai P dari Gambar13 adalah. Jadi, nilai dari grafik adalah TABEL 1. HASIL PENGUJIAN SISTEM No. Jarak benda Jarak bayangan Jarak fokus 1 17,5 26,0 10,46 2 17,9 25,3 10,48 3 18,4 24,4 10,49 4 19,0 23,4 10,49 5 19,6 22,5 10,48 6 20,0 22,4 10,57 7 20,8 21,2 10,50 8 21,5 20,8 10,57 Gambar 8. Grafik hubungan antara dengan. IV. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain: B. Saran Saran untuk penelitian selanjutnya antara lain: 1. Kemampuan sistem dapat ditingkatkan dengan menambahkan fungsi fokus otomatis. 2. Lensa pada kamera-web sebaiknya dilepas untuk menghasilkan Gambardengan ukuran yang sama seperti aslinya. 3. Ketelitian yang diperoleh pada pengukuran jarak benda dan jarak bayangan dapat diperbesar dengan cara menambahkan roda gigi pada motor penapak. 4. Jangkauan jarak dapat ditambah dengan memperpanjang lintasan (rel) lampu dan layar. 5. Sistem peraga eksperimen dapat dikembangkan agar dapat dioperasikan dari jarak jauh. DAFTAR PUSTAKA [1] Sumariyah, Pembuatan Sistem Penggerak Sensor Dan Penampil Hasil, ThesisS2, Pasca Sarjana UGM, Yogyakarta., 1995 [2] Sumariyah, Evi Setiawati dan Zanul Muchlisin, CT Scan 3D Berbasis sinar-x Flouresens Digital, Laporan Pnelitian Hibah Pekerti, Lab. Citra UGM dan Lab. Radiolagi FMIPA UNDIP, 2009. [3] Sumariyah, Rancang Bangun Sistem Pengukur Kekentalan Berbasis Komputer, Laporan Penelitian Dosen Muda, FMIPA UNDIP, Semarang, 2003. [4] Sumariyah dan Hendro,J.S,Komputerisasi Sistem Pemantau Hujan Melalui Gelombang Radio Lap penelitian Dosen Muda, FMIPA UNDIP, Semarang, 2005. [5] Sumariyah dan Hndro.J.S,, Komputerisasi Sistem Pemantauan Kecepatan Angin Melalui Gelombang Radio, Lap Penelitian Dosen Muda, FMIPA UNDIP, Semarang, 2004. [6] Sumariyah dan Iis Nurhasanah, Komputerisasi Eksperimen Effek Hall Untuk Menentukan Mobilitas Pembawa Muatan Bahan Semikonduktor, Lap Penelitian Dosen Muda FMIPA UNDIP, Semarang, 2003. [7] Sumariyah, Rancang Bangun Sistem Pengukur Intensitas Cahaya Berbasis Komputer, Laporan Penelitian Dosen Muda, FMIPA UNDIP, Semarang, 2001. [8] Baggio, D., Enhanced Human Computer Interface Through Webcam Image Processing Library, Natural User Interface Group Summer of Code Application, 2008. [9] Peacock, C, USB in A Nutshell, Making Sense of the USB Standard, 2002, www.beyondlogic.org [10] Halliday, D., Resnick, R., and Walker, J., Fundamental of Physics (5 th edition, John Willey & Sons, 1997. [11] Tipler, P. A., Fisika Untuk Teknik dan Sains (terjemahan), Jakarta, Erlangga,1991. [12] Young, H. D., Freedman, R.A.,. University Physics, (9 th edition). Massachusetts, Addison Wesley, 1996.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 83 TANYA JAWAB Kusminarto (Fisika-UGM)? Data-data pengukuran diperoleh darimana?? Dari sisi pendidikan apakah nilai-nilai pendidikan tetap terjaga (ketrampilan/skill/psikomotrik)? Sumariyah @ Dari hasil korelasi antara data-data besaran fisis. @ Menurut kami tidak mengubah nilai-nilai dari sisi pendidikan