Sistem Pengoreksi Lembar Jawab Pilihan Ganda Berbasis Citra … · 2017. 1. 10. · SISTEM...
Transcript of Sistem Pengoreksi Lembar Jawab Pilihan Ganda Berbasis Citra … · 2017. 1. 10. · SISTEM...
SISTEM PENGOREKSI LEMBAR JAWAB PILIHAN GANDA
BERBASIS CITRA MENGGUNAKAN WEBCAM
Oleh
Karol Woytila Halauw
NIM: 612007051
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga
April 2014
PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT
Saya, yang bertanda tangan di bawah ini:
NAMA : Karol Woytila Halauw
NIM : 612007051
JUDUL SKRIPSI : Sistem Pengoreksi Lembar Jawab Pilihan Ganda Berbasis
Citra Menggunakan Webcam
Menyatakan bahwa skripsi tersebut di atas bebas plagiat. Apabila ternyata
ditemukan unsur plagiat di dalam skripsi saya, maka saya bersedia mendapatkan sanksi
apapun sesuai aturan yang berlaku.
Salatiga, 1 April 2014
Karol Woytila Halauw
Materai Rp,
6000,-
Tanda Tangan
i
INTISARI
Penggunaan Lembar Jawab Komputer (LJK) terus meningkat di berbagai bidang
dengan tujuan bervariasi. Informasi di dalam LJK perlu dibaca dengan sempurna agar tidak
ada pihak yang dirugikan. Alat otomatisasi hadir menggantikan tenaga manusia yang
dinilai kurang efisien dalam hal waktu dan keakuratan. Namun, tingginya harga membuat
tidak semua bidang yang membutuhkan dapat memiliki alat ini.
Alat alternatif diperlukan untuk menekan harga tanpa mengurangi kualitas alat.
Prinsip kerjanya ialah mengumpan LJK, pengambilan dan pengolahan citra, serta
pencatatan hasil. Pengumpan dapat dirancang dengan memodifikasi printer bekas.
Webcam berperan sebagai pengambil citra. Seperti halnya scanner pada alat otomatisasi
yang membutuhkan ruang tertutup untuk pengambilan citra, webcam dipasang dalam boks
tertutup. High Power LED digunakan untuk pencahayaan di dalam boks. Pengolahan citra
menggunakan pustaka OpenCV yang mempunyai keunggulan tersendiri.
Pengujian yang dilakukan ialah kinerja alat, pencarian metode smoothing, template-
matching, dan nilai threshold yang tepat, pengenalan media dan luas arsiran, proteksi
kesalahan, dan akurasi. Hasilnya, pengumpan dokumen otomatis dan pengolahan citra
bekerja dengan kecepatan 3,72 lembar per menit dan 7,14 detik per LJK. Pengumpan juga
bekerja dengan keberhasilan sebesar 21%. Metode Median, Normalisasi Correlation
Coefficient, dan rentang 0,8-0,92 merupakan metode smoothing, template-matching, dan
nilai threshold yang digunakan dalam pengolahan citra. Diantara media pulpen, pensil, dan
spidol, pensil merupakan media yang tidak mencapai pengenalan 100%. Pengenalan 100%
juga ditentukan dengan lingkaran yang terarsir penuh. Alat 100% dapat mengenali
kesalahan seperti kertas terputar, terbalik, jawaban kosong, dan jawaban ganda. Akurasi
sistem diperoleh sebesar 94% setelah melakukan 5 kali percobaan menggunakan 80 LJK.
ii
ABSTRACT
The use of Computer Answer Sheet (LJK) continues to increase in various fields
with various purposes. Information in the LJK need to be read perfectly. Manually LJK
checking is not only complicated but also raises the chances of human error. So to
overcome this problem, we can go for an OMR (Optical Mark Recognition) Software
Automation, but the cost is quite high especially to purchase an OMR scanner.
So this thesis designed an alternative tool to reduce the cost without reducing speed
and accuracy of the reading. Its working principle are feeding LJK, capturing and
processing image, and recording the results. Feeder has been designed by modifying a used
printer. Webcam acts as an image capturer. As do a scanner that requires an enclosed space
for capturing image, webcam is also assembled in a closed box. High Power Leds are used
for lighting inside the box. Image processing uses OpenCV library which has its own
adventages.
The designed tool can process 3.72 pages per minute and 7.14 seconds per LJK.
Feeder works with 21% success rate. Among comparing to pens and markers, pencil is the
media that can not achieve 100% accuracy. The rate of accuracy also determined by the
fullness of the shaded bubbles. The designed can recognize and handle rotated and inverted
LJKs, empty answer, and multiple answers. Accuracy of 94% was obtained after doing five
times experiments using 80 LJKs.
iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala
penyertaanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dalam rangka
menyelesaikan studi di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer.
Pengerjaan tugas akhir ini dapat berhasil karena bantuan dan dukungan banyak
pihak. Oleh sebab itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Keluargaku tercinta, Bapak Freddy Halauw, Ibu Meiske Manawan, adik Julius
Vidian Halauw dan Gloria Andolina Halauw yang terus memotivasi lewat doa
dan dukungan tiada henti. Ini semua untuk kalian.
2. Bapak DR.Iwan Setyawan dan Bapak Ir.F.Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing
I dan II. Terima kasih atas bimbingannya yang sangat bermanfaat selama
pengerjaan tugas akhir.
3. Kharina Helweldery atas pengertiannya dan penyemangat di kala suka dan duka.
4. Semua teman-teman FTEK 2007 terkhusus yang bersedia direpoti. Untuk
Andhika Tan terima kasih atas bantuan mekanik, terima kasih Heri atas bantuan
pemrograman, terima kasih Tyo dan Dede atas bantuan elektronik.
5. Keluarga Kos Eltorro800. Terima kasih Natassa Dinda, seorang teman lama, atas
kepiawaiannya dalam mendesain, terima kasih Yosie Setiadi atas keahliannya
membantu pembuatan alat. Thomas, Yessa, Daniel, mas Banu, Lukas, dan semua
yang tidak bisa disebut satu per satu, terima kasih.
Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini tidaklah sempurna. Oleh karena itu, penulis
mengharapkan kritik maupun saran agar tugas akhir ini dapat lebih berguna, khususnya
bagi kemajuan teknik elektronika. Semoga pengerjaan dan penulisan tugas akhir ini dapat
bermanfaat dan boleh menjadi inspirasi bagi siapapun yang membacanya.
Salatiga, April 2014
Penulis
iv
DAFTAR ISI
INTISARI ........................................................................................................................ i
ABSTRACT ....................................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR .......................................................................................................... iii
DAFTAR ISI ..................................................................................................................... iiv
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................ vi
DAFTAR TABEL ............................................................................................................... viii
DAFTAR SINGKATAN ...................................................................................................... ix
DAFTAR LAMBANG ........................................................................................................... x
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang .................................................................................... 1
1.2. Tujuan ................................................................................................. 4
1.3. Batasan Masalah ................................................................................. 4
1.4. Spesifikasi Tugas Akhir ...................................................................... 4
1.5. Sistematika Penulisan ......................................................................... 5
BAB II DASAR TEORI ......................................................................................................... 6
2.1. Webcam ............................................................................................... 6
2.2. Light-Emitting Diode (LED) ............................................................... 6
2.3. Mikrokontroler AVR .......................................................................... 7
2.3.1. Mikrokontroler ATMega8535 ................................................ 8
2.4. Motor DC ............................................................................................ 9
2.5. Motor Stepper ..................................................................................... 9
2.6. Photo-Interrupter .............................................................................. 11
2.7. Citra .................................................................................................. 12
2.7.1. Jenis Citra ............................................................................. 13
2.8. OpenCV ............................................................................................ 15
2.9. Thresholding ..................................................................................... 15
2.10. Smoothing ......................................................................................... 18
2.11. Template Matching ........................................................................... 23
2.12. FLTK ................................................................................................ 26
2.13. LibXL ................................................................................................ 26
v
BAB III PERANCANGAN ALAT ...................................................................................... 28
3.1. Gambaran Alat .................................................................................. 28
3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras .................................... 29
3.2.1. Kotak Alat ............................................................................. 29
3.2.2. Pengumpan Dokumen Otomatis ........................................... 31
3.2.3. Kertas LJK ............................................................................ 36
3.3. Perancangan Perangkat Lunak .......................................................... 38
3.3.1. Memasukkan Data ................................................................ 39
3.3.2. Proses Pengoreksian ............................................................. 41
3.3.3. Melihat Data ......................................................................... 46
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ............................................................................. 47
4.1. Pengujian Pengumpan Dokumen Otomatis ...................................... 47
4.2. Pengujian Smoothing ........................................................................ 49
4.3. Pengujian Template Matching .......................................................... 51
4.4. Pengujian Thresholding .................................................................... 53
4.5. Pengujian Pengolahan Citra .............................................................. 56
4.5.1. Pengujian Media Arsiran ...................................................... 56
4.5.2. Pengujian Luas Arsiran ......................................................... 57
4.5.3. Pengujian Waktu Pemrosesan Citra ...................................... 58
4.5.4. Pengujian Proteksi Kesalahan (Terputar, Terbalik, Jawaban
Kosong, Jawaban Ganda) ................................................................. 60
4.5.5. Pengujian Akurasi ................................................................. 61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................... 62
5.1. Kesimpulan ....................................................................................... 62
5.2. Saran Pengembangan ........................................................................ 63
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................... 64
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. OMR [3] ............................................................................................................. 2
Gambar 2.1. Webcam [6] ........................................................................................................ 6
Gambar 2.2. High Power LED [7] .......................................................................................... 7
Gambar 2.3. Konfigurasi Pin ATMega8535 ........................................................................... 8
Gambar 2.4. Motor DC ........................................................................................................... 9
Gambar 2.5. Konstruksi Motor Stepper Dalam Satu Kali Putaran Dengan Gerakan Full
Step[11] 10
Gambar 2.6. Konstruksi Motor Stepper Dalam Gerakan Half Step[11] ............................... 11
Gambar 2.7. Photo-Interrupter [12] ...................................................................................... 12
Gambar 2.8. Citra Biner [15] ................................................................................................ 14
Gambar 2.9. Citra Grayscale [16] ........................................................................................ 14
Gambar 2.10. Citra Warna [14] ............................................................................................ 15
Gambar 2.11. Contoh Histogram Sebuah Citra [13] ............................................................ 16
Gambar 2.12. Tipe-tipe Threshold [16] ................................................................................ 18
Gambar 2.13. Filter Smoothing 3×3...................................................................................... 19
Gambar 2.14. Proses Template Matching [4] ....................................................................... 23
Gambar 3.1. Blok Diagram Alat ........................................................................................... 29
Gambar 3.2. Realisasi Dimensi Alat ..................................................................................... 30
Gambar 3.3. Realisasi Bagian Dalam Kotak Alat ................................................................ 31
Gambar 3.4. Rangkaian Driver Motor DC ........................................................................... 33
Gambar 3.5. Rangkaian Photo-Interrupter ........................................................................... 34
Gambar 3.6. Rangkaian Driver Motor Stepper ..................................................................... 35
Gambar 3.7. Modifikasi Printer Sebagai Pengumpan Dokumen Otomatis ......................... 35
Gambar 3.8. Gambar Alat Keseluruhan ................................................................................ 36
Gambar 3.9. (a) Desain LJK Tipe 50 Soal ............................................................................ 36
Gambar 3.9. (b) Desain LJK Tipe 25 Soal ........................................................................... 36
Gambar 3.10. Template ......................................................................................................... 37
Gambar 3.11. Data Mentah ................................................................................................... 38
Gambar 3.12. Tampilan Awal ............................................................................................... 39
Gambar 3.13. Memasukkan Data ......................................................................................... 39
vii
Gambar 3.14. Data Siap Untuk Diproses .............................................................................. 40
Gambar 3.15. Proteksi Data Sudah Ada ............................................................................... 41
Gambar 3.16. Diagram Alir Proses Pengoreksian ................................................................ 43
Gambar 3.17. Pembagian Daerah Jawaban, Kode Soal, dan NIM ....................................... 45
Gambar 3.18. Menu Melihat Data ........................................................................................ 46
Gambar 4.1. (a) Pengujian Metode Smoothing Sumber ....................................................... 49
Gambar 4.1. (b) Pengujian Metode Smoothing Metode Blur ............................................... 49
Gambar 4.1. (c) Pengujian Metode Smoothing Metode Blur No Scale ................................ 49
Gambar 4.1. (d) Pengujian Metode Smoothing Metode Median .......................................... 50
Gambar 4.1. (e) Pengujian Metode Smoothing Metode Gaussian 3×3 ................................. 50
Gambar 4.1. (f) Pengujian Metode Smoothing Metode Gaussian 5×5 ................................. 50
Gambar 4.1. (g) Pengujian Metode Smoothing Metode Gaussian 7×7 ................................ 50
Gambar 4.1. (h) Pengujian Metode Smoothing Metode Bilateral ......................................... 50
Gambar 4.2. (a) Pengujian Metode Template Matching Sumber ......................................... 51
Gambar 4.2. (b) Pengujian Metode Template Matching Metode Normalisasi Square
Difference 51
Gambar 4.2. (c) Pengujian Metode Template Matching Metode Normalisasi Correlation . 52
Gambar 4.2. (d) Pengujian Metode Template Matching Metode Normalisasi Correlation
Coefficient 52
Gambar 4.3. Hasil Template Matching ................................................................................. 55
Gambar 4.4. Luas Arsiran ..................................................................................................... 57
Gambar 4.5. (a) Hasil Pengujian Luas Arsiran Posisi Masuk LJK Benar ............................ 58
Gambar 4.5. (b) Hasil Pengujian Luas Arsiran Posisi Masuk LJK Terputar ........................ 58
Gambar 4.6. Citra Biner ........................................................................................................ 59
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Motor Stepper Dengan Gerakan Full Step[11] ................................................... 10
Tabel 2.2. Motor Stepper Dengan Gerakan Half Step[11] .................................................. 11
Tabel 2.3. Tipe-tipe Metode Smoothing [16] ....................................................................... 21
Tabel 2.4. Nilai setiap metode template matching setelah dinormalisasi [16] .................... 25
Tabel 4.1. Pengujian Pengumpan Dokumen Otomatis ........................................................ 48
Tabel 4.2. Pengujian Thresholding ...................................................................................... 54
Tabel 4.3. Pengujian Media Arsiran .................................................................................... 56
Tabel 4.4. Pengujian Waktu Pemrosesan Citra .................................................................... 59
Tabel 4.5. Pengujian Proteksi Kesalahan ............................................................................. 60
Tabel 4.6. Pengujian Akurasi ............................................................................................... 61
ix
DAFTAR SINGKATAN
ADC Analog to Digital Converter
AVR Advance Versatile RISC
DC Direct Current
DMR Digital Mark Reader
FLTK Fast Light Toolkit
FLUID Fast Light User Interface Designer
FOV Field Of View
HO-LEDs High Output LED
HPLEDs High Power LED
IR Infra Red
I/O Input-Output
LibXL Excel Library
LED Light Emitting Diode
LJK Lembar Jawab Komputer
LSM Lembaga Swadaya Masyarakat
MVPR Machine Vision and Pattern Recognition
NIM Nomor Induk Mahasiswa
OMR Optical Mark Reader
OpenCV Open Computer Vision
OpenGL Open Graphics Library
PEL/PIXEL Picture Elements
PPM Paper Per Minute
PWM Pulse Width Modulation
RGB Red Green Blue
RISC Reduced Instruction Set Computer
SAD Sum of Absolute Differences
SPI Serial Peripheral Interface
USART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
USB Universal Serial Bus
XLS Microsoft Excel File Format
x
DAFTAR LAMBANG
A Citra Analog
D Citra Digital
yxf , Nilai fungsi pada suatu titik x & y
yxg , Histogram citra
yxh , Citra hasil segmentasi citra yxg ,
FEh Kelipatan arus rangkaian Darlington
minFEh Kelipatan arus terkecil rangkaian Darlington
1FEh Kelipatan arus transistor BC546
2FEh Kelipatan arus transistor TIP31
BsatI Arus basis saat saturasi
CsatI Arus kolektor saat saturasi
FI Arus maju LED
J Filter rata-rata
l Lebar
NM , Lebar, tinggi citra
p Panjang
P Nilai kecocokan
diffsqP _ P dengan metode Square Difference
ccorrP
P dengan metode Correlation
ccoeffP
P dengan metode Correlation Coefficient
MR Hambatan Motor
xi
1R Resistor LED
2R Resistor fototransistor
BR Resistore Basis
S Hambatan Motor
SAD Jumlahan selisih absolut antara pixel dalam citra dan template
minSAD
SAD terkecil
t Tinggi
mT Template
T Nilai threshold
BEV Tegangan buka transistor
1BEV Tegangan buka transistor BC546
2BEV Tegangan buka transistor TIP31
OMV Tegangan keluaran mikrokontroler
SV Tegangan supply
FV Tegangan maju
CEsatV Tegangan buka kolektor dan emitter saat saturasi
w Mask
x , y , i , j Koordinat posisi pixel
Z Koefisien normalisasi template matching