2. Machine Vision
LEARNING OUTCOMES
1. Peserta diharapkan memahami bagaimana struktur dari mata manusia dan fungsi dari
masing-masing bagian dari mata sebagai indera penglihatan.
2. Peserta diharapkan memahami bagaimana struktur dari sebuah kamera digital dan fungsi
dari masing-masing komponennya dalam proses pengambilan gambar.
OUTLINE MATERI (Sub-Topic):
1. Human Visual System
2. Digital Cameras
3. Machine Vision
ISI MATERI
Human Visual System
Struktur mata manusia sesungguhnya serupa dengan sebuah kamera. Mata manusia
memiliki lensa yang serupa dengan lensa pada kamera, juga retina yang berfungsi untuk
menangkap informasi cahaya seperti pada film atau sensor cahaya pada kamera. Ilustrasi
berikut memperlihatkan struktur dasar dari mata manusia.
Bola mata manusia berbentuk hampir seperti bola dengan diameter rata-rata 20 milimeter.
Terdapat tiga lapis membran yang melapisi mata, yaitu cornea dan sclera yang merupakan
lapis terluar, choroid dan retina. Cornea adalah jaringan keras bersifat transparan yang
melapisi bagian dalam dari mata. Cornea terletak pada bagian depan lensa. Sclera merupakan
lapisan yang merupakan perluasan dari cornea, melindungi bagian lain dari bola mata yang
tidak dicakup oleh cornea. Tidak seperti cornea, sclera tidak bersifat transparan. Choroid
merupakan lapisan berikut setelah sclera. Membran ini mengandung jaringan pembuluh
darah yang berfungsi menyalurkan nutrisi bagi mata. Luka atau trauma pada choroid yang
4. Machine Vision
tidak dianggap serius dapat mengakibatkan kerusakan fatal pada mata sebagai akibat dari
pembengkakan pembuluh darah menyumbat aliran nutrisi ke mata. Choroid yang sangat
berpigmen berfungsi mengurangi jumlah intensitas yang masuk ke dalam mata. Ujung dari
choroid terbagi menjadi cilliary body dan iris diaphragm. Iris dapat berkontraksi atau
berkembang untuk mengontrol jumlah cahaya yang masuk ke dalam mata. Diameter
pembukaan iris berkisar antara 2 hingga 8 milimeter.
Lensa mata tersusun atas lapisan konsentrik sel-sel berserat dan disangga oleh otot yang
terikat pada cilliary body. Lensa mata terdiri dari 60 hingga 70% air, 6% lemak, dan sisanya
protein. Lensa mata menyerap sekitar 8% dari spektrum cahaya tampak, dengan penyerapan
terbesarnya pada panjang gelombang pendek. Protein pada lensa mata menyerap sebagian
besar sinar inframerah dan ultraviolet untuk melindungi mata dari kerusakan. Lapisan
terdalam dari mata adalah retina. Saat mata terfokus dengan baik, cahaya dari obyek diluar
mata akan divisualisasikan pada retina. Pada retina terdapat dua jenis reseptor yang fungsinya
menangkap informasi cahaya, yaitu cones dan rods. Jumlah cones pada masing-masing mata
berkisar antara 6 hingga 7 juta, mayoritas terletak pada bagian tengah dari retina, yang
disebut fovea, dan sangat sensitif terhadap warna. Otot mengendalikan arah dari bola mata
sehingga cahaya yang memantul dari obyek yang dilihat jatuh tepat pada fovea. Penglihatan
dengan reseptor cones disebut juga sebagai photopic atau penglihatan cahaya terang (bright-
light vision).
Jumlah reseptor rods jauh lebih besar dari cones, yaitu sekitar 75 hingga 150 juta yang
tersebar pada permukaan retina. Area yang ditempati oleh reseptor rods juga jauh lebih luas
dibanding cones, oleh karena itu rods lebih peka terhadap cahaya dengan intensitas rendah
atau disebut juga sebagai scotopic (dim-light vision). Rods berfungsi memberikan pandangan
secara umum dari suatu obyek yang dilihat oleh mata, reseptor ini tidak peka terhadap warna.
Distribusi reseptor rods dan cones tidak tersebar secara merata pada retina, pada lokasi
tertentu bahkan tidak memiliki reseptor sama sekali, disebut juga sebagai blind-spot. Gambar
berikut memperlihatkan distribusi masing-masing reseptor pada retina.
5. Machine Vision
Fovea yang berdiameter kurang lebih 1.5 milimeter, memiliki jumlah densitas reseptor
cones sekitar 337.000/mm2. Sensor CCD (charge coupled device) pada kamera digital
membutuhkan area yang jauh lebih luas untuk memuat jumlah sensor cahaya yang sama,
dengan demikian fovea memiliki densitas reseptor cahaya yang jauh lebih tinggi dengan
sensor cahaya pada kamera digital.
Perbedaan utama antara lensa pada mata dengan lensa pada kamera adalah lensa pada
mata berifat lunak dan tidak bisa bergerak maju atau mundur seperti pada kamera. Untuk
memfokuskan cahaya, jaringan otot pada cilliary body mengontrol bentuk dari lensa sehingga
ketebalannya dapat berubah. Untuk memfokuskan pada obyek yang dekat, otot pada cilliary
body akan menekan lensa sehingga lensa akan menebal. Sebaliknya saat melihat obyek yang
jauh, maka otot tersebut mengurangi tekanannya pada lensa sehingga lensa mata akan lebih
pipih. Jarak antara titik tengah lensa dengan retina (disebut juga sebagai panjang fokus)
berkisar antara 17 hingga 14 milimeter. Pada saat mata memfokuskan obyek yang lebih dari 3
meter, maka lensa menggunakan kemampuan refraktifnya yang terendah. Sebaliknya saat
mata memfokuskan obyek yang dekat jaraknya, maka lensa menggunakan kemampuan
refraktifnya yang terkuat. Sesungguhnya persepsi mengenai suatu obyek yang kita lihat
terjadi pada otak. Energi cahaya pantulan dari obyek yang kita lihat diubah menjadi impuls
listrik oleh reseptor cahaya cones maupun rods pada fovea. Selanjutnya sinyal listrik tersebut
diteruskan ke bagian otak yang disebut dengan occipital lobe yang berfungsi untuk
memproses informasi visual.
Mata manusia dapat menangkap perbedaan tingkat intensitas warna yang sangat besar,
yaitu dalam order 1010
(hampir 10 miliar), namun hal tersebut tidak dapat dilakukan secara
simultan. Hanya sejumlah tingkat intensitas warna yang dapat dibedakan oleh mata manusia
6. Machine Vision
dalam waktu tertentu (umumnya berkisar antara 12 hingga 24). Grafik berikut meperlihatkan
tingkat sensitifitas mata manusia, atau disebut juga sebagai brightness adaptation level. Jika
seseorang mula-mula berada di luar ruangan dengan intensitas cahaya sebesar Ba, berjalan ke
sebuah bioskop yang kondisinya gelap. Maka dia hanya dapat membedakan tingkat intensitas
cahaya hingga Bb. Respon mata terhadap intensitas cahaya tidak ditentukan oleh besarnya
stimulus fisik (energi cahaya), namun lebih ditentukan oleh perbedaan intensitas cahaya pada
lingkungan yang baru dibandingkan tingkat intensitas cahaya sebelumnya. Secara umum
dibutuhkan perbedaan intensitas minimum cahaya agar kita dapat merasakan sensasi
perubahan intensitas cahaya. Menurut Weber, besarnya adalah 1/64 atau sekitar 1.5%.
http://www.felixgers.de/teaching/hci/BE_Vision_adapt.html
7. Machine Vision
ISI MATERI
Digital Cameras
Gambar berikut mengilustrasikan komponen utama dari sebuah kamera SLR (Single-Lens
Reflex):
http://s2.hubimg.com/u/3309465_f1024.jpg
Cahaya yang memasuki sistem lensa akan dipantulkan oleh cermin yang memiliki sudut
45 derajat ke pentaprism yang akan meneruskan cahaya tersebut ke pengguna kamera melalui
eye piece. Pada saat pengguna ingin menangkap gambar, cermin akan bergerak ke atas sesuai
dengan arah panah sehingga mengakibatkan cahaya jatuh pada sensor atau film. Pada kamera
digital SLR, sensor (Charge Coupled Device - CCD/Complimentary Metal Oxide on Silicon -
CMOS) yang mengandung material yang sangat sensitif terhadap cahaya akan mengubah
energi cahaya menjadi energi listrik. Selanjutnya besarnya voltase dari energi listrik tersebut
dikonversi menjadi representasi digital dalam rentang tertentu (misal 0 – 255). Nilai tersebut
yang disimpan pada file dalam bentuk tanpa kompresi (RAW) atau terkompresi (JPEG).
Gambar berikut memperlihatkan struktur dari sensor cahaya pada kamera digital.
8. Machine Vision
[1]
Sensor cahaya pada kamera digital bersifat diskrit, artinya hanya dapat menangkap energi
cahaya dalam jumlah tertentu (istilah populernya adalah resolusi). Oleh karena itu perlu
dilakukan proses konversi sinyal analog menjadi sinyal digital. Proses konversi yang terbagi
menjadi dua tahap, yaitu image sampling yang mengkonversikan citra menjadi sejumlah pixel
seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
[1]
Representasi digital dari besarnya voltase dari setiap pixel pada sensor cahaya bersifat
distkrit, artinya besarnya voltase tersebut direpresentasikan menjadi sebuah bilangan bulat
yang memiliki rentang nilai tersentu (misal 0 – 255). Proses perubahan dari voltase menjadi
suatu bilangan bulat disebut sebagai quantization. Gambar berikut memperlihatkan proses
quantization ke dalam bilangan 0 sampai 7.
10. Machine Vision
SIMPULAN
1. Mata manusia sesungguhnya bekerja dengan cara yang sama dengan sebuah kamera,
perbedaan utamanya terletak pada lensa. Lensa pada mata manusia dapat berubah
ketebalannya, sedangkan pada kamera, ketebalan lensa adalah tetap. Untuk mengatur
fokus, mata manusia mengubah ketebalan lensa, sedangkan kamera mengubah posisi
dari lensa (maju atau mundur)
2. Sensor CCD atau CMOS pada kamera hanya memiliki jumlah sensor cahaya yang
terbatas, oleh karena itu harus dilakukan proses konversi data analog menjadi digital.
Pada kamera, terdapat dua tahap dalam konversi citra analog menjadi citra digital,
yaitu image sampling dan
11. Machine Vision
DAFTAR PUSTAKA
1. Gonzales. (2011). Digital Image Processing (3rd Edition). Prentice Hall. New Jersey.
ISBN-10: 013168728X. ISBN-13: 978-0131687288
2. Szeliski. (2010). Computer Vision: Algorithms and Applications. Springer. London.
ISBN-13: 978-1848829343. ISBN-10: 1848829345
3. Image Formation, http://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-2-image-formation/
4. Camera Simulator, http://camerasim.com/apps/camera-simulator/
