Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Sistem Pengoreksi Lembar Jawab Pilihan Ganda Berbasis Citra Menggunakan Webcam

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
Materai Rp,
6000,Karol Woytila Halauw


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, templatematching, 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.

i

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.

ii

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

iii


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
iv

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

v

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
vi

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

vii

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

viii

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

ix

DAFTAR LAMBANG

A

Citra Analog

D

Citra Digital

f x, y 

Nilai fungsi pada suatu titik x & y

g x, y 

Histogram citra

hx, y 

Citra hasil segmentasi citra g x, y 

hFE

Kelipatan arus rangkaian Darlington

hFE min

Kelipatan arus terkecil rangkaian Darlington

hFE1

Kelipatan arus transistor BC546

hFE 2

Kelipatan arus transistor TIP31

I Bsat

Arus basis saat saturasi

I Csat

Arus kolektor saat saturasi

IF

Arus maju LED

J

Filter rata-rata

l

Lebar

M,N

Lebar, tinggi citra

p

Panjang

P

Nilai kecocokan

Psq _ diff

P dengan metode Square Difference

Pccorr

P dengan metode Correlation

Pccoeff

P dengan metode Correlation Coefficient

RM

Hambatan Motor

x

R1

Resistor LED

R2

Resistor fototransistor

RB

Resistore Basis

S

Hambatan Motor

SAD

Jumlahan selisih absolut antara pixel dalam citra dan template

SADmin

SAD terkecil

t

Tinggi

Tm

Template

T

Nilai threshold

VBE

Tegangan buka transistor

V BE1

Tegangan buka transistor BC546

V BE 2

Tegangan buka transistor TIP31

VOM

Tegangan keluaran mikrokontroler

VS

Tegangan supply

VF

Tegangan maju

VCEsat

Tegangan buka kolektor dan emitter saat saturasi

w
Mask

x, y, i, j

Koordinat posisi pixel

Z

Koefisien normalisasi template matching

xi