8

BAB II DASAR TEORI

2.1 Photogrammetry

Photogrammetry adalah suatu teknik yang digunakan untuk menentukan koordinat

suatu titik pada ruang tiga dimensi yang berasal dari dua atau lebih gambar dua

dimensi titik tersebut [5]. Ilustrasi metode photogrammetry dapat dilihat pada

gambar 2-1.

Gambar 2-1 Photogrammetry proses [10].

Secara garis besar, Photogrammetry terbagi menjadi dua, yaitu:

1. Far range Photogrammetry. Photogrammetry yang jarak antara kamera dan

objek sangat jauh. Teknik ini dikenal sebagai Aerial Photogrammetry.

2. Close range Photogrammetry. Photogrammetry dengan jarak antara kamera

dan objek relatif dekat. Teknik ini dikenal sebagai Terrestrial

Photogrammetry.

2.1.1 Dasar-dasar Photogrammetry

Untuk memahami lebih jauh mengenai teknik Photogrammetry bekerja, perlu

diketahui beberapa dasar teori yang mempunyai kaitan terhadap teknik ini.

2.1.1.1 Camera model

Kamera adalah alat yang berfungsi untuk memetakan gambar tiga dimensi menjadi

gambar dua dimensi. Secara garis besar model kamera dibagi menjadi dua, yaitu

9

kamera dengan pusat proyeksi pada jarak berhingga (finite cameras) dan kamera

dengan pusat proyeksi pada jarak tak terhingga (infinite cameras) [13]. Penjelasan

mengenai camera model dibahas pada sub bab berikut ini.

a. Finite camera

Model kamera yang paling sederhana dikenal dengan istilah pinhole model.

Geometri dari pinhole model dapat dilihat pada gambar 2-2 di bawah ini.

Berdasarkan gambar 2-2 dimana fZ = adalah jarak image plane terhadap pusat

proyeksi (camera center) maka titik ( ), , TM X Y Z pada ruang tiga dimensi dipetakan

oleh sebuah kamera menjadi titik ( ),m x y pada image plane kamera tersebut. Titik

m tersebut merupakan titik potong antara image plane dan garis yang

menghubungkan pusat proyeksi dan posisi titik dalam ruang tiga dimensi [13].

Gambar 2-2 Geometri pinhole model.

Berdasarkan geometri pada gambar 2-2, pemetaaan posisi titik pada ruang tiga

dimensi terhadap image plane dapat dirumuskan sebagai berikut [13]:

( ), , ,T

T X YM X Y Z f fZ Z

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.1.1)

persamaan diatas dapat juga dinyatakan dalam bentuk perkalian matriks, yaitu:

10

{X

Px

ZYX

ff

f

ZfYfX

ZYX

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛→

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

1011011011

1 44 344 21321

(2.1.2)

Matriks P disebut sebagai camera projection matrix. Sehingga persamaan tersebut

dapat disederhanakan menjadi:

{ } [ ]{ }Px X= (2.1.3) Pergeseran principal point. Persamaan (2.1.1) mengasumsikan pusat koordinat

image plane pada gambar 2-2 terletak pada principal point. Akan tetapi, pada

kenyataannya tidak demikian, seperti yang terlihat pada gambar 2-3, sehingga secara

umum pemetaan suatu titik pada ruang tiga dimensi terhadap image plane dapat

dituliskan sebagai berikut [13]:

( ), , ,T

Tx y

X YM X Y Z f p f pZ Z

⎛ ⎞= + +⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.1.4)

Gambar 2-3 Koordinat sistem image plane (x,y) dan koordinat sistem kamera (X,Y).

Seperti persamaan (2.1.1) dan (2.1.2), persamaan (2.1.4) dapat juga dinyatakan

dalam bentuk matriks seperti di bawah ini,

{X

P

y

x

x

y

x

ZYX

fpfpf

ZpfYpfX

ZYX

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛++

→

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

10110101

1 44 344 2143421

(2.1.5)

P

Y

X y

x

11

{ } [ ]{ }K I | 0x X= (2.1.6)

Dimana ( ),T

x yp p adalah koordinat principal point dan K adalah camera calibration

matrix yang didefinisikan sebagai berikut,

1K 1

1 1

x

y

f pf p

f

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

(2.1.7)

Rotasi dan Translasi. Suatu titik pada ruang tiga dimensi dapat dinyatakan dalam

dua sistem koordinat yang berbeda, yaitu sistem koordinat kamera dan sistem

koordinat ruang. Kedua koordinat tersebut mempunyai hubungan rotasi dan translasi

yang dapat diilustrasikan seperti tampak pada gambar 2-4 [13].

Gambar 2-4 Tranformasi antara sistem koordinat kamera dan sistem koordinat ruang 3D.

Bila wX adalah posisi suatu titik pada sistem koordinat ruang dan X adalah posisi

titik tersebut pada sistem koordinat kamera ({ } { }X X= ), relasi antara kedua

koordinat tersebut dapat diekspresikan sebagai:

{ } [ ]{ }R CwX X= − (2.1.8)

C adalah posisi camera center pada sistem koordinat ruang. R adalah matriks rotasi

yang mengorientasikan posisi sistem koordinat kamera terhadap sistem koordinat

ruang. Persamaan ini secara umum dapat dituliskan seperti di bawah ini [13].

12

{ } { }R -RC R -RC0 1 0 1

1

w

ww

w

XY

X XZ

⎛ ⎞⎜ ⎟⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎜ ⎟= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎜ ⎟⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.1.9)

dengan menggabungkan persamaan (2.1.6) dan (2.1.9) akan didapat posisi suatu titik

pada ruang tiga dimensi yang diproyeksikan pada image plane, yaitu:

{ } { }KR I|-C wx X⎡ ⎤= ⎣ ⎦ (2.1.10)

Sehingga didapat matriks P (camera projection matrix) untuk persamaan (2.10)

yang didefinisikan sebagai:

P KR I|-C⎡ ⎤= ⎣ ⎦ (2.1.11)

wX adalah sistem koordinat ruang yang ditranformasi ke dalam sistem koordinat

image plane menggunakan matriks P. Matriks P mempunyai 9 derajat kebebasan, 3

derajat kebebasan didapat masing-masing dari matriks K, R, dan C . Parameter yang

terdapat pada matriks K disebut intrinsic parameter dan parameter yang terdapat

pada matriks R dan C disebut extrinsic parameter [13].

Sensor kamera digital. Model pinhole camera mengasumsikan koordinat image

plane mempunyai skala yang sama pada arah x dan y. Pada sensor kamera digital

yang berfungsi sebagai image plane, sensor tersebut mempunyai skala yang tidak

sama, sehingga pixel pada sensor tersebut tidak berbentuk bujur sangkar. Bila

koordinat gambar kemudian dinyatakan dalam bentuk pixel, bentuk sensor yang

tidak bujur sangkar akan menyebabkan distorsi. Tranformasi dari koordinat ruang ke

koordinat pixel dihasilkan dengan mengalikan matriks K pada persamaan (2.1.7)

dengan suatu matriks tranformasi berikut ini:

( ), ,1x ydiag m m (2.1.12)

sehingga matriks K untuk kamera digital adalah sebagai berikut:

0

0K 11 1 1

x

y

s xy

αα

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

(2.1.13)

13

Dimana ( )yx mm , adalah jumlah pixel per satuan panjang pada sistem koordinat

image plane. fmxx =α dan fmyy =α adalah focal length dalam dimensi pixel.

Parameter xx pmx =0 dan yy pmy =0 adalah principal point dalam dimensi pixel.

s dikenal dengan istilah skew yaitu parameter yang disebabkan oleh bentuk sensor

yang tidak persegi. Dari perumusan di atas, matriks P pada kamera digital

mempunyai 11 derajat kebebasan [13].

b. Infinite Camera

Infinite camera didefinisikan sebagai kamera dengan camera center terletak pada

jarak yang tak terhingga. Secara garis besar, model infinite camera diklasifikasikan

menjadi dua jenis, yaitu affine cameras dan non-affine cameras. Pada sub bab ini

hanya akan dibahas affine cameras karena model kamera ini marupakan salah satu

bagian terpenting dalam photogrammetry.

Affine camera adalah model infinite camera yang baris terakhir dari matriks P nya

bernilai ( )0 0 0 1 .

Untuk memahami tentang affine camera, akan digunakan penjelasan menggunakan

gambar 2-5. Gambar tersebut mengilustrasikan pengambilan gambar dari jarak dekat

(finite) yang divariasikan sampai jarak jauh (infitine) tanpa mengubah ukuran benda

dengan cara memperbesar focal length selama perubahan jarak tersebut. Untuk

menganalisis teknik ini, pertama-tama dilakukan analisis terhadap finite camera

yang perumusannya (persamaan 2.1.11) dapat dituliskan dalam bentuk sebagai

berikut:

14

Gambar 2-5 Efek penambahan panjang fokus dan jarak kamera terhadap objek [13].

1 1 1 1

2 2 2 20

33 30

P =KR I|-C =K K

T T T T

T T T T

TT T

r r C r r C

r r C r r Cr dr r C

⎡ ⎤ ⎡ ⎤− −⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎡ ⎤ − = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(2.1.14)

dimana iTr adalah matriks rotasi yang disimbolkan sebagai matriks R pada

persamaan (2.1.11). Principal axis dari kamera terletak pada vektor 3r , sehingga

03 dCr T =− adalah jarak camera center terhadap pusat sistem koordinat ruang pada

arah principal axis. Apabila pusat kamera digerakkan menjauh dari objek sepanjang

principal axis pada saat t (waktu), sehingga jarak camera center terhadap objek

menjadi 3trC − , persamaan camera projection matriks pada saat t menjadi,

( )( )( )

1 1 31 1

2 2 3 2 2t

33 3 3

P =KR I|-C =K K

T TT T

T T T T

TT T t

r r C tr r r C

r r C tr r r Cr dr r C tr

⎡ ⎤− − ⎡ ⎤−⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎡ ⎤ − − = −⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥− − ⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦

(2.1.15)

dimana 3Ttd r C t= − + yang didefinisikan sebagai kedalaman pusat koordinat ruang

terhadap koordinat kamera pada arah z. Selain itu, terdapat pula pengaruh perbesaran

focal length, k, terhadap matriks P yang disebabkan oleh penambahan focal length

tanpa mengubah ukuran benda. Perbesaran focal length oleh faktor

Perspective

Weak Perspective Perspective

15

0

tdkd

= dirumuskan dengan mengalikan matriks K dengan ( )1kkdiag . Sehingga

pengaruh perubahan jarak camera center terhadap objek dan perbesaran focal length

adalah,

( )( )( )

1 1 31 10

2 2 3 2 2t

0 03 3 3 3

00

P =K K

1

tT T

T T

T T T Tt t

T T T t

dd r r C tr r r C

d dr r C tr r r Cd d

dr r C tr r dd

⎡ ⎤⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎡ ⎤− − ⎢ ⎥−⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥− − = −⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥

⎣ ⎦

(2.1.16)

apabila kamera digerakkan menjauh pada jarak yang tak terhingga ( )∞→t , matriks

P menjadi 1 1

lim 2 2t

0

P P =K0

T T

T T

r r C

t r r Cd

∞∞

⎡ ⎤−⎢ ⎥

= ⎯⎯→ −⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

(2.1.17)

Persamaan (2.1.17) di atas adalah persamaan (2.1.14) dengan baris terakhir bernilai

( )0 0 0 1 [13].

2.1.1.2 Triangulation

Triangulation adalah penentuan koordinat suatu titik di dalam ruang tiga dimensi

dari dua atau lebih gambar dua dimensi titik tersebut. Gambar 2-6 adalah ilustrasi

proses triangulation. Gambar-gambar dua dimensi tersebut diambil menggunakan

kamera yang telah terkalibrasi dan diketahui posisinya didalam ruang tiga dimensi

[9].

16

Gambar 2-6 Ilustrasi proses triangulation [10].

Terdapat beberapa teori yang mendasari triangulation yang akan dibahas satu

persatu dibawah ini.

a. Epipolar geometry

Epipolar geometry antara dua sudut pandang pada dasarnya adalah geometri yang

memotong image plane dari 2 buah kamera. Geometri tersebut dibentuk oleh

principal axis masing-masing kamera tersebut.

Sebuah titik X pada suatu sistem koordinat ruang ditranformasikan ke dalam dua

dimensi oleh kamera dari dua sudut pandang yang berbeda, menjadi titik x pada

kamera 1 dan titik 'x pada kamera 2. pada gambar 2-7 tampak bahwa sinar dari

pusat kamera menujut titik x dan 'x berpotongan di titik X dan membentuk satu

bidang datar π .

Gambar 2-7 Korespondesi titik pada ruang 3D oleh dua kamera [13].

17

Diasumsikan hanya titik x yang diketahui dan bidang datar π hanya dapat dibentuk

oleh garis sinar x - X dan baseline sehingga titik 'x menjadi titik yang tidak

diketahui pada garis perpotongan (garis 'l ) antara bidang datar π dan image plane

kamera 2. Garis 'l adalah garis proyeksi dari garis sinar x - X terhadap image plane

kamera 2. Garis ini yang disebut sebagai garis epipolar dari titik x . Dari penjelasan

ini dapat dibuat beberapa definisi, antara lain:

• Epipolar titik, titik perpotongan antara baseline dengan image plane.

• Epipolar plane, bidang datar yang mengandung baseline.

• Epipolar line, perpotongan antara Epipolar plane dengan image plane.

Ilustrasi dari geometri Epipolar dapat dilihat pada gambar 2-8 di bawah ini.

Gambar 2-8 Epipolar geometry [13].

b. Fundamental matriks F

Matriks F adalah representasi aljabar dari geometri Epipolar. Dari pembahasan pada

sub bab geometri Epipolar, Epipolar line dapat direpresentasikan sebagai

'lx → (2.1.18)

Gambar 2-9 Geometri matriks F [13].

18

Bidang datar π pada gambar 2-9 berada pada ruang tiga dimensi memotong camera

center dari kedua kamera. Garis sinar pertama yang melalui camera center 1 dan

titik x berakhir pada bidang π di titik X . Kemudian titik X diproyeksikan menuju

titik 'x yang terletak pada garis 'l . Langkah ini disebut dengan transformasi melalui

bidang datar π (tranfer via the plane π ). Dari pernyataan ini dapat disimpulkan

bahwa titik x dan 'x adalah gambar dua dimensi dari titik X yang terletak pada

ruang tiga dimensi. Apabila terdapat titik ix pada image plane 1 yang berkoresponsi

dengan titik ix' pada image plane 2 melalui titik iX pada bidang datar π , maka

akan terdapat 2D Homography πH antara ix dan ix' yang dirumuskan sebagai;

ii xHx π=' (2.1.19)

dan Epipolar line 'l yang melalui titik 'x dan epipolar 'e yang dapat dirumuskan

sebagai,

[ ]' ' ' ' 'x

l e x e x= × = (2.1.20)

Berdasarkan persamaan (2.1.19), maka persamaan (2.1.20) dapat ditulis sebagai

berikut,

[ ]' 'x

l e H x Fxπ= = (2.1.21)

[ ]F 'x

e Hπ= disebut sebagai fundamental matrix F. Secara geometri, F adalah suatu

matriks yang memetakan proyeksi bidang datar 2P pada image plane 1 menjadi

epipolar line pada image plane 2 yang melalui epipolar 'e [13].

c. Rekontruksi 3D

Metode untuk melakukan rekontruksi 3D dari dua gambar suatu benda yang dilihat

dari dua sudut pandang yang berbeda adalah sebagai berikut:

1. Menghitung Fundamental matrix F dari titik-titik yang bersesuaian.

2. Menghitung camera projection matrix P dari matriks F.

19

3. Dari titik-titik yang bersesuaian ii xx '↔ , dapat ditentukan posisi titik

tersebut pada ruang 3D.

Gambar 2-10 Diagram alir proses rekontruksi 3D.

2.1.1.3 Orientasi

Rekontruksi benda tiga dimensi yang berasal dari gambar dua dimensi benda

tersebut membutuhkan orientasi dari koordinat kamera terhadap koordinat ruang tiga

dimensi. Seperti tampak pada gambar 2-11.Terdapat dua jenis orientasi, yaitu inner

orientation dan outer orientation. Hubungan antara koordinat gambar ( )yx, dan

koordinat ruang tiga dimensi ( ), ,w w wX Y Z dinyatakan dengan persamaan berikut

[12]:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

11 21 31

13 23 33

w w wx

w w w

r X X r Y Y r Z Zx p f

r X X r Y Y r Z Z− + − + −

− = −− + − + −

(2.1.22)

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

12 22 32

13 23 33

w w wy

w w w

r X X r Y Y r Z Zy p f

r X X r Y Y r Z Z− + − + −

− = −− + − + −

(2.1.23)

Ketiga parameter tersebut termasuk dalam inner orientation/ internal parameter

yang mendefinisikan posisi dari projection center relatif terhadap bidang gambar

atau image plane (film/chip). ijr adalah element dari matriks R (matriks orientasi

akibat rotasi).

Gambar 2D Fundamental matriks F

Camera projection matriks P

Ekstrinsic parameter (Orientasi kamera)

Intrinsic parameter (focal length, distorsi, principle titik, forma size)

Posisi pada ruang 3D

20

Gambar 2-11 Orientasi koordinat kamera terhadap koordinat ruang tiga dimensi [10].

2.2 Teknik rekontruksi dengan Photogrammetry Terdapat beberapa teknik Photogrammetry yang dapat diterapkan tergantung

terhadap ketersediaan kamera dan hasil yang diharapkan (dua dimensi atau tiga

dimensi). Bila dilihat dari jumlah gambar yang digunakan untuk merekontruksi

suatu benda, teknik Photogrammetry dibagi menjadi tiga bagian, yaitu:

a. Rekontruksi dari satu gambar

Teknik ini hanya berlaku untuk merekontruksi benda dua dimensi. Untuk

mendapatkan hasil yang baik, benda yang akan direkontruksi harus bidang datar, dan

karena hanya menggunakan satu gambar dua dimensi, gambar dua dimensi tersebut

diambil dari arah tegak lurus benda [5].

b. Stereophotogrammetry

Metode ini dapat disebut juga Stereomatric camera, yaitu metode yang digunakan

jika hanya terdapat satu kamera untuk mengambil dua gambar dua dimensi dari

21

suatu titik. Dua gambar dua dimensi dari benda yang akan direkontruksi dapat

diambil dari dua posisi yang berbeda menggunakan satu kamera tersebut [5].

c. Rekontruksi dari beberapa gambar

Metode ini pada umumnya menggunakan lebih dari dua gambar untuk melakukan

rekontruksi sebuah benda yang diambil dari beberapa sudut pandang yang dapat

meliputi seluruh permukaan benda. Pada gambar-gambar tersebut minimal terdapat

sebuah titik yang berada pada dua gambar. Gambar-gambar dua dimensi tersebut

dapat dimbil menggunakan kamera yang berbeda (kamera SLR atau kamera

autofocus) pada waktu yang berbeda pula, dengan syarat benda yang akan

direkontruksi tetap diam (tidak bergerak) [5].

2.3 Kamera digital

Untuk memahami cara kerja kamera digital, perlu diketahui terlebih dahulu beberapa

pengetahuan dasar yang berhubungan dengan kemera digital yang dijelaskan pada

sub bab dibawah ini.

2.3.1 Prinsip-prinsip dasar kamera

Rekontruksi tiga dimensi menggunakan teknik photogrammetry dilakukan

menggunakan perangkat sebagai alat untuk mengambil gambar dua dimensi dari

benda yang akan direkontruksi. Dalam penelitian ini, perangkat tersebut adalah

kamera digital. Oleh karena itu, perlu diketahui terlebih dahulu pengetahuan dan

cara kerja kamera khususnya kamera digital. Dasar-dasar kamera digital sama

dengan kamera pada umumnya yaitu posisi perspektif suatu objek di dalam ruang

tiga dimensi (R3) ( )TZYXM ,,= pada bidang (R2) Tyxm ),(= yang dapat dilihat

pada gambar 2-12 dan 2-13 berikut [14]:

22

Gambar 2-12 Ilustrasi penangkapan gambar oleh kamera digital [14].

Gambar 2-13 Model kamera perspektif [14].

Dengan menelaah lebih jauh gambar-gambar model kamera perspektif, maka

gambar-gambar tersebut dapat dimodelkan dengan persamaan dasar sebagai berikut,

ZYfy

ZXfx == ; (2.3.1)

Persamaan (2.3.1) diatas sebagai dasar pembahasan lebih lanjut pada sub bab 2.1.

Dalam pembahasan model kamera perspektif, terdapat beberapa istilah mengenai

kamera, khususnya kamera digital yang perlu diketahui. Istilah-istilah tersebut

adalah:

23

a. Focal length/ Panjang fokus

Focal length dapat didefinisikan sebagai jarak antara permukaan gambar atau image

plane (dalam hal ini adalah film atau CCD/CMOS chip pada kamera digital)

terhadap suatu titik pada lensa yang dilalui oleh semua berkas cahaya, titik tersebut

adalah pusat kamera. Besaran focal length menunjukkan luas daerah yang dapat

diambil oleh kamera. Semakin kecil focal length luas daerah yang dapat diambil

semakin besar dengan jarak antara lensa dan benda tetap [4].

b. Zoom lens / Fixed lens

Zoom lens adalah sebuah lensa yang dapat merubah focal length. Pada saat ini,

Kebanyakan kamera digital mempunyai Zoom lens. Akan tetapi pada kamera

tertentu yang harganya relatif lebih mahal mampunyai mode Fixed lens sehingga

kamera tersebut dapat menggunakan Zoom lens atau Fixed lens sesuai kebutuhan

[4].

c. Format size

Format size adalah ukuran gambar digital dua dimensi dalam satuan millimeter.

Ukuran tersebut bukan ukuran gambar dua dimensi yang telah dicetak [4].

e. Principal axis dan Principal point

Principal axis adalah garis yang berasal dari camera center tegak lurus terhadap

image plane. Titik potong antara principal axis dan image plane disebut principal

point [13].

f. Pixel

Pixel adalah elemen-elemen atau kode warna pembentuk gambar digital dua dimensi

hasil dari pemotretan oleh kamera digital. Elemen-elemen tersebut disimpan dalam

bentuk matriks. Ilustrasi dari pixel dapat dilihat pada gambar 2-15 [14].

Proses pengambilan gambar dua dimensi dari benda tiga dimensi menggunakan

kamera merupakan tahapan yang sangat penting dalam Photogrammetry karena hasil

akhir rekontruksi tiga dimensi dipengaruhi oleh kualitas gambar dua dimensi

24

tersebut. Terdapat dua aspek utama yang mempengaruhi hasil pengambilan gambar

2D, yaitu [10]:

a. Field of View

Field of View dari kamera adalah luas daerah dua dimensi yang dapat diambil

oleh kamera. Field of View dipengaruhi oleh panjang fokus dari lensa dan ukuran

format. Semakin besar format semakin besar pula field of View nya dan semakin

kecil panjang fokus, semakin luas daerah daerah yang dapat diambil oleh kamera

digital. Hubungan antara panjang fokus dan ukuran format terhadap field of view

dapat dilihat pada gambar 2-14 di bawah ini [10].

Gambar 2-14 Ilustrasi Field of View pada sistem kamera digital [10].

b. Focusing

Focusing Menentukan ketajaman dari gambar dua dimensi. Rentang

ketajaman gambar yang dihasilkan disebut depth of focus yang dipengaruhi

oleh beberapa faktor, diantaranya adalah panjang fokus dari lensa, ukuran

format, jarak antara kamera dengan benda uji, dan jumlah lensa.

2.3.2 Dasar-dasar gambar digital

Sistem pengambilan gambar secara digital terdiri atas 3 bagian, yaitu kamera yang

terdiri atas optik dan sensor array, frame grabber, dan host computer seperti tampak

pada gambar 2-15. Berkas cahaya sebagai input pada sistem kamera digital

ditangkap oleh lensa dan diteruskan menuju image plane. Pada sistem kamera

25

digital, sensor array bertindak sebagai sensor. Terdapat berbagai tipe sensor array

yang digunakan oleh kamera digital, antara lain CCD dan CMOS. Sensor array

adalah sebuah bidang datar segiempat yang terbagi dalam N x M bidang segiempat

yang peka terhadap intensitas cahaya. sensor array dapat mengubah energi cahaya

menjadi tegangan listrik (sinyal elektrik) sebagai output yang disebut juga sebagai

video signal. Sinyal elektrik tersebut diteruskan menuju frame grabber yang

berfungsi mengubah sinyal elektrik dari tiap bidang tersebut menjadi sinyal digital

dan menyimpannya dalam bentuk matriks seperti tampak pada gambar 2-16. Matriks

tersebut dikenal juga dengan pixels. Setelah data sinyal digital disimpan di dalam

memori, data tersebut dapat diproses lebih lanjut oleh host computer.

Gambar 2-15 Sistem pengambilan gambar secara digital [14].

Gambar digital (gambar 2-16 a) direpresentasikan sebagai matriks N x M yang tiap

komponenennya (pixel) berisi kode digital sebagai representasi dari intensitas

cahaya. Kode digital tersebut terdiri atas 256 kode atau dari angka 0 sampai 255

pada tiap level warna. Untuk warna hitam-putih (grey level) atau monochromatic 0

adalah kode warna hitam dan 255 adalah warna putih (gambar 2-16 b). Angka-angka

antara 0 dan 255 adalah warna abu-abu dengan berbagai intensitas cahaya. Untuk

gambar berwarna, dibutuhkan tiga level warna dasar yaitu merah, hijau, dan biru

yang lebih dikenal dengan istilah RGB [14].

26

Gambar 2-16 (a). Gambar monochrome. (b). Kode penyimpanan warna monochrome dalam format digital [14].

2.3.3 Jenis kamera digital

Gambar dua dimensi hasil pemotretan suatu benda adalah gambar perspektif. Yang

artinya, setiap garis sinar sebelum mengenai permukaan sensor selama pemotretan,

terlebih dahulu melalui lensa yang secara metematika dianggap melalui suatu titik.

Untuk menentukan posisi suatu titik dari gambar dua dimensinya, perlu dilakukan

rekontruksi pada garis-garis sinar yang melalui titik tersebut. Oleh karena itu,

internal geometri dari kamera yang digunakan harus diketahui terlebih dahulu.

Berdasarkan penjelasan diatas, para ahli Photogrammetry membagi kamera digital

menjadi tiga kategori, yaitu:

Kamera SLR (Single Lens Reflex)

Kamera SLR mempunyai banyak keunggulan, antara lain besar fokus dan panjang

fokus dapat diatur sesuai keinginan, jenis kamera yang stabil dan internal

geometrinya diketahui dengan sangat teliti serta distorsi pada lensa sangat rendah.

Akan tetapi, harganya sangat mahal. Principal distance kamera ini konstan, artinya

tidak terjadi perubahan posisi lensa pada waktu pengambilan gambar. Pada saat ini,

27

kamera SLR mempunyai ukuran format 23 x 23 milimeter. [5]. Contoh dari kamera

SLR dapat dilihat pada gambar 2-17.

Gambar 2-17 Kamera SLR Canon EOS 30D sensor kamera CMOS [7].

Kamera autofocus

Geometri internal dari kamera autofocus tidak stabil dan tidak diketahui. Kamera

jenis ini dapat juga dikalibrasi akan tetapi, ketelitiannya tidak akan sebaik kamera

SLR karena panjang fokus dan besar fokusnya tidak dapat diatur sesuai dengan

keinginan. Contoh dari kamera autofocus dapat dilihat pada gambar 2-18.

Gambar 2-18 Kamera autofocus Sony DSC-T20/S [8].

2.4 Kalibrasi kamera

Kalibrasi kamera adalah sebuah proses untuk menemukan parameter internal dari

kamera yang digunakan untuk merekontruksi suatu benda. Parameter-parameter

tersebut adalah focal length, format size, principal point, and lens distortion [4].

2.4.1 Parameter kamera

Rekontruksi 3D menggunakan metode Photogrammetry membutuhkan persamaan-

persamaan yang menghubungkan koordinat suatu titik di dalam ruang tiga dimensi

terhadap koordinat titik tersebut di atas bidang gambar (image plane) seperti

28

dijelaskan pada bab-bab sebelumnya. Akan tetapi proses rekontruksi tersebut

menggunakan asumsi:

• Pusat koordinat kamera telah diketahui.

• Koordinat dari principal point di atas image plane dapat ditentukan

menggunakan pixel coordinate.

Dengan kata lain, parameter-parameter kamera yang digunakan telah diketahui.

Untuk melakukan rekontruksi menggunakan Photogrammetry, perlu diketahui

terlebih dahulu parameter-parameter tersebut, bukan sebaliknya. Untuk

memperkirakan besaran dari beberapa parameter tersebut dilakukan kalibrasi

terhadap kamera yang akan digunakan [14]. Terdapat dua jenis parameter yang

terdapat pada kamera, yaitu:

1. Intrinsic parameter: parameter yang menghubungkan antara koordinat pixel

pada image plane terhadap koordinat kamera. Ilustrasi dari Intrinsic

parameter dapat dilihat pada gambar 2-19. Untuk kamera perspektif, terdapat

tiga karakteristik yang perlu untuk didefinisikan, yaitu:

• Panjang focus/ focal length, f

• Transformasi antara referensi koordinat kamera dan koordinat pixel pada

image plane yang terdiri atas format size dan principle point.

• Distorsi geometri akibat lensa.

Gambar 2-19 Geometri intrinsic parameter [13].

Untuk mendapatkan parameter-parameter yang diilustrasikan pada gambar

2-19 tersebut, harus dilakukan transformasi antara koordinat kamera

29

( )CC YX , dan koordinat gambar pada image plane ( )yx, menggunakan

persamaan:

( )( ) YYC

XXC

sOyYsOxX

−−=−−=

(2.4.1)

persamaan diatas mengasumsikan bidang pada sensor array berbentuk bujur

sangkar dan mengabaikan adanya distorsi dari lensa.

( )YX OO , = koordinat image center dalam pixel yang disebut juga

principal point.

( )yX ss , = ukuran efektif pixel dalam millimeter pada arah x dan y.

akan tetapi gambar yang dihasilkan oleh kamera mengalami distorsi terutama

di bagian pinggir dari gambar dan disebabkan oleh beberapa hal seperti

penggunaan field of view yang besar. Distorsi yang terjadi dapat dimodelkan

secara sederhana dengan persamaan:

( )( )4

22

1

42

21

1

1

rkrkyy

rkrkxx

d

d

++=

++= (2.4.2)

( )dd yx , adalah koordinat titik yang mengalami distorsi dan

222dd yxr += (2.4.3)

Principal point tidak mengalami distorsi dan distorsi akan semakin besar

pada jarak yang semakin jauh dari principal point. 1k dan 2k adalah koefisien

distorsi yang nilainya sangat kecil dan nilainya dapat diabaikan bila

menggunakan kamera dengan ketelitian yang sangat tinggi. Distorsi yang

terjadi dipengaruhi oleh kualitas lensa [14]. Dari pembahasan di atas,

intrinsic parameter ditentukan oleh:

• Focal length (f)

• Lokasi dari principal point ( )00 .yx

• Ukuran efektif pixel ( )yx ss ,

• Koefisien distorsi radial 1k dan 2k

2. Extrinsic parameter: parameter yang mendifinisikan referensi koordinat

kamera terhadap koordinat ruang tiga dimensi yang diilustrasikan pada

30

gambar 2-20. Paremeter ini didefinisikan oleh parameter geometri yang

mentransformasikan antara referensi koordinat kamera yang belum diketahui

terhadap referensi koordinat ruang tiga dimensi yang telah diketahui.

Sehingga dibutuhkan dua matriks tranformasi, yaitu [14]:

• 3D translation vector, T. Mendefinisikan posisi relatif antara kedua

koordinat.

• 3×3 rotation matrix, R. Matriks orthogonal ( )T TRR =R R=I yang

mentransformasikan sumbu-sumbu yang bersesuaian pada kedua

koordinat berada pada satu garis lurus.

Gambar 2-20 Referensi koordinat kamera terhadap koordinat ruang tiga dimensi.

Mw adalah vektor posisi titik M terhadap koordinat ruang tiga dimensi dan Mc adalah

vektor posisi titik M terhadap koordinat kamera. Persamaan (2.4.4) dan (2.4.5)

menghubungan Mw dan Mc, dan telah dibahas lebih jauh pada sub bab 2.1.

( )C WM =R M -T (2.4.4)

[ ]11 12 13

21 22 23

31 32 33

Rr r rr r rr r r

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

(2.4.5)

2.4.2 Metode kalibrasi

Terdapat dua metode kalibrasi yang sering digunakan, yaitu metode direct atau

langsung dan metode proyeksi matriks [14].

31

Kalibrasi menggunakan metode Direct/ Langsung.

Titik M yang mempunyai koordinat ( )TWWW ZYX ,, sistem koordinat ruang tiga

dimensi dan ( )TCCC ZYX ,, pada sistem koordinat kamera yang belum diketahui

posisi dan orientasinya. Pusat proyeksi terletak pada pusat koordinat kamera dan

sumbu Z dari koordinat kamera merupakan principal axis. Sehingga posisi titik M

pada sistem koordinat kamera dapat dirumuskan sebagai:

TZYX

RZYX

W

W

W

C

C

C

+⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ (2.4.6)

dengan mengasumsikan tidak terjadi distorsi, posisi titik M pada image plane dapat

dirumuskan sebagai:

CX

X C

CY

Y C

Xfx Os Z

Xfx Os Z

= − +

= − + (2.4.7)

Telah diketahui pada sub bab 2.4.1 bahwa persamaan di atas tergantung pada lima

intrinsic parameter yaitu f (focal length), sX dan sY (ukuran pixel dalam arah

horizontal dan vertikal), dan OX dan OY (pusat koordinat gambar). Kelima parameter

tersebut saling bergantung. Akan tetapi, bila didefinisikan

XX s

ff = dan X

Y

ss

=α (2.4.8)

akan didapat empat parameter yang tidak saling terikat, yaitu f, OX, OY, dan α

(aspect ratio). Dengan memasukkan persamaan (2.4.7) dan persamaan (2.4.8) ke

dalam persamaan (2.4.6) akan didapat persamaan seperti di bawah ini:

ZWWW

XZWWXX TZrYrXr

TXrYrXrfox

++++++

−=−332313

312111 (2.4.9)

ZWWW

YZWWYY TZrYrXr

TXrYrXrfox

++++++

−=−332313

312111 (2.4.10)

Ide dasar metode kalibrasi ini adalah mengasumsikan image center ( ),X YO O telah

diketahui. Dengan diketahuinya image center, dapat diperkirakan besaran dari

32

parameter-parameter lainya TRf X ,,,α dari N image titik sebagai proyeksi dari N

titik pada sistem koordinat ruang. Karena persamaan (2.4.9) dan (2.4.10) mempunyai

pembagi yang sama, maka kedua persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai

berikut:

( ) ( )XWi

Wi

WiXiY

Wi

Wi

WiYi TZrYrXrfyTZrYrXrfx +++=+++ 131211232221

(2.4.11)

karena dari persamaan (2.4.8) Y

X

ff

=α , maka persamaan (2.4.11) dapat ditulis

seperti persamaan (2.4.12) sebagai persamaan linier dengan 8 variabel yang tidak

diketahui jika 7≥N dan N titik tersebut tidak coplanar.

( ) 087654321 =+++−+++ vyvZyvYyvXyvxvZxvYxvXx iWii

Wii

Wiii

Wii

Wii

Wii

(2.4.12)

Dimana

XY TvTvrvrvrvrvrvrv

αααα

========

84

137233

126222

115211

Untuk N image titik, persamaan linier (2.4.12) dapat disingkat menjadi persamaan

berikut

[ ] 0iA v = (2.4.13)

Dengan A adalah sebuah matriks yang dituliskan sebagai berikut,

[ ]

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

W W W W W W

W W W W W W

W W W W W WN N N N N N N N N N N N N N

x X x Y x Z x y X y Y y Z yx X x Y x Z x y X y Y y Z y

A

x X x Y x Z x y X y Y y Z y

⎡ ⎤+ + + − − − −⎢ ⎥+ + + − − − −⎢ ⎥⎢ ⎥

= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥

+ + + − − − −⎢ ⎥⎣ ⎦

L

L

L

(2.4.14)

33

Bila matriks A mempunyai Rank 7, dan persamaan [ ] 0iA v = mempunyai solusi

nontrivial (mempunyai solusi yang unik sampai scale factor tertentu) yang dapat

diselesaikan dengan cara SVD (Singularity Value Decomposition) dari matriks A.

Kalibrasi menggunakan metode projection matrix.

Metode projection matrix terdiri atas dua tahap, yaitu:

1. Memperkirakan matriks transformasi (projection matrix) dari sistem koordinat

ruang ke sistem koordinat gambar.

2. Menghitung parameter kamera yang mempunyai besaran sedekat mungkin

dengan projection matrix.

Hubungan antara posisi suatu titik di dalam sistem koordinat ruang ( )Wi

Wi

Wi ZYX ,,

dan posisi titik di atas sistem koordinat image plane ( )yx, yang dibahas pada sub

bab 2 dapat dituliskan seperti persamaan (2.4.15) di bawah ini.

[ ]

1

Wi

i Wi

i Wi

i

Xu

Yv M

Zw

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎜ ⎟

⎝ ⎠

(2.4.15)

M adalah 3 x 4 projection matrix, dan nilai dari x dan y didefinisikan sebagai

berikut:

34333231

14131211

mZmYmXmmZmYmXm

wux W

iW

iWi

Wi

Wi

Wi

i

i

++++++

== (2.4.16)

34333231

24232221

mZmYmXmmZmYmXm

wvy W

iW

iWi

Wi

Wi

Wi

i

i

++++++

== (2.4.17)

Matriks M persamaan linier homogen dengan 11 variabel yang tidak saling terikat.

Matriks ini memerlukan paling sedikit enam titik yang bersesuaian. Semakin banyak

titik-titik yang bersesuaian, semakin banyak persamaan yang dapat dibentuk

sehingga matriks M dapat dipecahkan menggunakan teknik least square. Jika

diasumsikan terdapat N titik yang bersesuaian pada sistem persamaan linier, maka

matriks M dapat dituliskan sebagai berikut:

34

[ ] 0A m = (2.4.18)

Dengan A adalah sebuah matriks yang dituliskan sebagai berikut,

[ ]

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 0 0 0 00 0 0 0 1

1 0 0 0 00 0 0 0 1. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .

1 0 0 0 00 0 0 0 1

N N N N N N N N N N

N N N N N

X Y Z x X x Y x Z xX Y Z y X y X y X y

X Y Z x X x X x X xX Y Z y X y X y X y

A

X Y Z x X x X x X xX Y Z y X

− − − −− − − −− − − −− − − −

=

− − − −− − N N N N Ny X y X y

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥− −⎣ ⎦

(2.4.19)

Dan [ ]11 12 33 34, , , ,m m m m m= L (2.4.20)

Karena matriks A mempunyai Rank 11, vektor m dapat dapat dipecahkan

menggunakan SVD (Singularity Value Decomposition).