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