PUSTEKDATA - LAPAN

Proof of Concept ESTIMASI KINERJA SPEKTRORADIOMETRIS KAMERA INDUSTRI JAI LQ-200CL PADA PENGGUNAAN LUAR RUANGAN DENGAN SUMBER ILUMINASI MATAHARI

Ahmad Maryanto, dkk Maret 2015

Pengantar Kapustekdata

1

Abstrak

Kamera industry pada dasarnya adalah kamera yang diperuntukkan bagi

penggunaan dalam ruangan (in-door). Agar tetap memberikan hasil yang optimal,

penggunaan kamera in-door untuk keperluan luar ruangan (out-door) memerlukan

penyesuaian/pengaturan parameter akuisisi yang tepat, karena selain sumber

iluminasinya yang berbeda, varian obyek yang diliput juga lebih beragam dengan

jangkau dinamik obyek tampak (scene) yang juga lebih lebar. Studi ini mempelajari

kinerja tanggap daya cahaya kamera industry LQ-200CL dari JAI melalui estimasi

simulatif signal keluaran detector sebagai fungsi tingkat iluminasi matahari, yang

diwakili dengan sudut zenith matahari atau jam matahari setempat, untuk tiga

contoh obyek penutup lahan berbeda yaitu rumput hijau (Green Grass/GG) rumput

kering (Dry Grass/DG) dan tanah kekuningan (Light Yellowish Brown Loamy

Sand/YS) pada beberapa scenario pengaturan parameter kamera. Hasilnya

menunjukkan bahwa dengan waktu integrasi 2ms dan bukaan diafragma 5.6,

kamera dapat dioperasikan hingga jam 12 siang asal signal pada kanal merah dan

merah-infra dekat (NIR) direduksi hingga setengahnya atau lebih rendah lagi (

50%) agar keluarannya tidak melebihi batas atas jangkau kerja kamera. Di lain

pihak, untuk memperoleh tingkat keluaran kanal biru yang mencukupi, signal pada

kanal tersebut dapat diperkuat (amplifikasi) hingga 150% agar tidak terlalu mepet

dengan batas bawah jangkau kerja kamera.

2

Pendahuluan

Latar Belakang

Kamera JAI LQ-200CL adalah kamera 4-pita spectrum Vis-NIR yang pada

dasarnya dirancang untuk keperluan industry. Karena rentang kerja

spektrumnya yang menjangkau hingga daerah merah-infra dekat (NIR), maka

selain industry manufaktur, kamera ini juga dapat digunakan pada industry

pengolahan makanan/minuman atau produk pertanian yang pada umumnya

memerlukan piranti yang peka terhadap cahaya merah-infra dekat. Dalam

penerapannya, pada umumnya kamera digunakan sebagai bagian dari

mekanisme control mutu. Kamera dipasang di atas conveyor belt untuk

memindai produk yang lewat didepannya, menandai produk-produk yang tidak

memenuhi baku mutu, baik melalui analisis geometri (bentuk) maupun analisis

spektrometri (warna) untuk kemudian dilakukan isolasi dan penyortiran produk

cacat tersebut dari rantai proses yang sedang berjalan. Karena kemampuan

analisis geometric dan spektrometriknya itu, maka kamera sangat berpeluang

untuk diaplikasikan pada system penginderaan jauh kebumian, baik

penginderaan jauh udara (foto udara) maupun penginderaan jauh antariksa (foto

satelit).

Sungguhpun demikian, penggunaan kamera industry untuk aplikasi luar

ruangan perlu didahului dengan kajian menyeluruh dan mendalam akan

kemampuan adaptasinya terhadap lingkungan kerja yang berbeda dari

rancangan awal peruntukannya. Di lingkungan industry, kamera digunakan

untuk mengidentifikasi obyek yang pada umumnya sudah terdefinisi dan

seragam karakteristiknya, geometric maupun spektrometrik, sehingga proses

pengambilan gambar dapat dilakukan pada kondisi pencahayaan yang

sederhana dan tidak terlalu lebar sebaran spektrumnya. Keadaan ini jauh

berbeda dengan pemotretan luar ruangan, terlebih lagi pemotretan untuk

penginderaan jauh. Obyek penutup lahan sangat beragam, geometric maupun

spektroradiometrik, mulai dari obyek alamiah hayati/non-hayati hingga obyek

buatan, dari pemantul baur hingga pemantul specular yang sangat menyilaukan.

Matahari sebagai sumber iluminasi alamiah juga memiliki karakteristik yang

jauh berbeda dengan sumber-sumber optis buatan yang biasanya dipakai pada

pemotretan dalam ruang. Spectrum eksitan matahari membentang cukup lebar

dari daerah biru (~…nm) hingga merah-infra menengah? (~…nm) dengan total

rapat arus energy pada permukaan atas atmosfer sebesar …W/m2/nm. Dengan

demikian pada aplikasi penginderaan jauh luar ruangan, kamera akan

dihadapkan pada obyek yang sangat beragam dengan rentang dinamik obyek

tampak (scene) yang sangat lebar, bahkan mungkin lebih lebar dari jangkau

dinamik kamera itu sendiri.

Studi ini akan mempelajari kinerja tanggap daya cahaya kamera industry LQ-

200CL dari JAI pada aplikasi luar ruangan melalui estimasi simulatif signal

3

keluaran detector sebagai fungsi tingkat iluminasi matahari, yang diwakili

dengan sudut zenith matahari atau jam matahari setempat, untuk tiga contoh

obyek penutup lahan berbeda yaitu rumput hijau (Green Grass/GG) rumput

kering (Dry Grass/DG) dan tanah kekuningan (Light Yellowish Brown Loamy

Sand/YS) pada beberapa scenario pengaturan parameter kamera yang

dicobakan. Studi dimaksudkan untuk memberi dasar masukan yang cukup bagi

kepentingan adaptasi/pengaturan parameter kamera LQ-200CL dalam

penggunaannya sebagai sensor penginderaan jauh udara..

Rumusan Masalah

- Bagaimana rumusan analitis yang menghubungkan signal keluaran kamera

dengan karakteristik obyek dan karakteristik illuminator.

- Seberapa besar pengaruh ketinggian matahari atau waktu matahari local

pada saat pemotretan dilakukan terhadap keluaan kamera untuk 3 contoh

obyek penutup lahan yang dianggap muwakil (representative), pada

beberapa skema pengaturan parameter kamera yang dicobakan.

- Kombinasi pengaturan parameter kamera seperti apa yang dapat diterapkan

agar keluaran kamera pada tiap-tiap kanal/pita spectrum tetap optimal.

Tujuan dan Sasaran

- Tujuan: mempelajari perilaku keluaran kamera LQ-200CL pada tiap-tiap

pita spectrum yang ada terhadap perubahan tingkat iluminasi matahari

dengan 3 contoh obyek penutup lahan yang berbeda

- Sasaran: tersedianya bahan masukan yang memadai dalam mensiasati

penggunaan kamera industry LQ-200CL dari JAI (in door camera) untuk

aplikasi penginderaan jauh luar ruangan agar tetap memberikan data/citra

yang optimal.

Metodologi

Metode

- Merumuskan hubungan analitis keluaran detector (signal/tegangan listrik

terbangkit) dengan karakteristik obyek dan tingkat pencahayaan yang

menerangi obyek tersebut. Pendekatan/andaian: obyek luas, perlakuan

diperuntukkan bagi piksel sumbu (on axis pixel), mengabaikan radiansi

langit (upward-downward sky radiation), mengabaikan kilatan oleh

selongsong lensa/kamera

4

1. Signal terbangkit pada keluaran detector (konversi rapat arus energy

radian pada bidang citra (Ei) menjadi tegangan terbangkit (Vdet) oleh

sel-sel detector) [Ref. …]:

𝑉𝑑𝑒𝑡 = 𝐸𝑖𝑡𝑖𝑛𝑡𝑅𝑑𝑒𝑡 (1)

tint = waktu integrasi, Rdet = responsifitas detektor

2. Transfer energy radian dari obyek ke bidang citra (persamaan kamera).

Pendekatan/andaian: obyek sangat jauh sehingga bayangan jatuh tepat

pada bidang fokus, radiansi langit ke arah atas (upward sky radiation)

diabaikan, radiansi oleh kilatan di dalam kamera dan lensa (glare/flare)

diabaikan [Ref. …]:

𝐸𝑖 = 𝜋𝐿𝑜𝑇𝑢𝑇𝑜𝑇1 4𝑁2⁄ (2)

Lo = radiansi obyek, To = transmitansi system optis (lensa), Tu =

transmitansi medium antara (udara/atmosfer), T1 = transmittansi tapis,

N = f/D adalah bilangan focus (bukaan diafragma) dengan f = jarak

focus dan D = diameter lensa

3. Transfer energy oleh permukaan obyek (transformasi energy dari rapat

arus enegi datang (E) menjadi kecerahan/radiansi obyek (Lo)).

Pendekatan/andaian: radiansi langit ke arah bawah ataupun cahaya dari

ruang obyek (o)

pusat perspektif

bidang citra/bidang

pendeteksian, Ei, Rdet

sinyal optis

polikromatik

dari obyek, Lo

Obyek, ρ

pri

sma

dik

roik

T1

(sep

aras

i d

an s

elek

si

war

na)

kel

ua

ran

(ou

tpu

t),

DN

Sinyal listrik

analog (Vdet)

cahaya

matahari,

E0

Sis

tem

len

sa,

To

4x

CC

D

(ko

nv

ersi

opti

s-el

ektr

is)

4x

AM

P-A

DC

(pen

gu

atan

dan

ku

anti

sasi

)

ruang citra (i)

θz

Tθz

Tu

5

lingkungan (stray light) diabaikan, permukaan obyek dianggap

pemantul baur sempurna (Lambertian reflector) [Ref. …]

𝐿𝑜 = 𝜌𝐸

𝜋 (3)

dengan

𝐸 = 𝐸0 cos 𝜃𝑧𝑇𝜃𝑧

adalah iradiansi matahari yang jatuh pada permukaan obyek, dengan E0

= iradiansi matahari pada top of atmosphere (toa), z = sudut zenit

matahari, dan Tz = transmitansi atmosfer pada panjang lintasan optis

yang dilalui. Sudut zenit matahari adalah sudut yang terbentuk antara

garis normal (sumbu vertikal) dengan posisi matahari pada saat

dilakukan pengukuran, terhubung dengan waktu/jam matahari setempat

(H), koordinat lokasi tempat tersebut (,) dan deklinasi matahari pada

saat pengkuran dilakukan () oleh:

cos 𝜃𝑧 = sin sin 𝛿 + cos cos 𝛿 cos 𝐻

dengan H = - s, di mana s adalah bujur lokasi matahari pada saat

pengukuran dilakukan, sedangkan transmitansi atmosfer (Tz)

ditentukan oleh besaran ekstinsi ketebalan optis (’ext) yang nilainya

bergantung pada tebal atmosfer yang dilalui.

𝑇𝜃𝑧 = exp[−𝜏′𝑒𝑥𝑡 𝑠𝑒𝑐 𝜃𝑧]

4. Rumusan (penyederhanaan) hubungan signal terbangkit dengan

karakteristik obyek, sumber iluminasi dan karakteristik kamera dapat

dituliskan menjadi:

𝑉𝑑𝑒𝑡 =𝐸0 cos 𝜃𝑧exp [−𝜏′𝑒𝑥𝑡

sec 𝜃𝑧]

4𝑁2 𝜌𝑇𝑢𝑇𝑜𝑇1𝑡𝑖𝑛𝑡 𝑅𝑑𝑒𝑡 (4)

E0, Tz, , Tu, To, T1, Rdet adalah besaran fisik fungsi panjang

gelombang, karena itu untuk rentang panjang gelombang tertentu,

nilainya harus dihitung secara efektif dengan memasukkan keseluruhan

nilai dari setiap komponen panjang gelombang yang ada di dalam pita

spectrum tersebut, dapat didekati secara numeric menggunakan aturan

trapezoid.

- Membuat simulasi signal keluaran detector sebagai fungsi tingkat iluminasi

matahari (diwakili dengan waktu matahari setempat atau sudut zenith

matahari)

- Mengevaluasi grafik yang diperoleh dan mengidentifikasi variable-variabel

penentu yang bisa diatur untuk memperoleh signal keluaran yang optimal.

6

Alat/Bahan

- PC dan perangkat lunak spread sheet

- Onscreen digitizer (untuk digitasi data-data grafis yang diperlukan)

Data

- Data transmitans pita spectrum kamera [Ref. …]

- Data teknis/spesifikasi detector PerkinElmer RL2048 [Ref. ...]

o Responsifitas

7

o Tabel parameter kinerja kelistrikan

- Data teknis/spesifikasi jangkau kerja operasional detector [Ref. ...]

8

- Data irradiansi matahari [Ref. …]

- Data spectrum reflektans obyek contoh (rumput hijau/GG, rumput

kering/DG, tanah kekuningan/YS) [Ref. …]

- Data parameter atmosfer model (ekstinsi optis untuk ketebalan (0-2) km

dan (0-∞) km dari Elterman, 1964) untuk menurunkan besaran transmitansi

atmosfer [Ref. …]

0

10

20

30

40

50

60

70

400 500 600 700 800 900 1000

refl

ekta

ns

(%)

panjang gelombang (nm)

spektrum relektans obyek

GG

DG

YS

9

Implementasi dan Hasil

1. Tabulasi parameter fisik obyek, kamera, sumber iluminasi, dan medium antara

yang berkontribusi pada signal keluaran detector

Besaran Nilai

BandName Blu Grn Red Nir

LWL (nm) 392.00 491.00 579.00 762.00

UWL (nm) 487.00 573.00 672.00 912.00

BW (, nm) 95.00 82.00 93.00 150.00

CWL (nm) 439.50 532.00 625.50 837.00

T1 (%) 43.35 54.90 58.71 39.57

E0 (W*m-2*nm-1) 170.32 153.42 155.29 157.37

τ'ext (0-∞) 0.5018 0.3463 0.2776 0.1797

ρGG (%) 4.0551 8.3705 6.4256 49.2475

ρDG (%) 19.5043 28.4088 37.8654 55.8358

ρYS (%) 11.10 21.79 32.27 40.53

Rdet 13.6389 19.0541 23.8505 21.7959

Tu (0-2km) 0.7805 0.8251 0.8022 0.8756

To 0.85 0.85 0.85 0.85

Vsat (mV) 600 600 600 600

Vsat90 (mV) 540 540 540 540

Vclip (mV) 230 230 230 230

Catatan: LWL = lower wave length, UWL = upper wave lenth, BW = band

width, Vsat = signal keluaran jenuh, Vsat90 = 90% signal keluaran jenuh, Vclip =

batas atas signal operasional, T1 = transmitansi tapis dalam, Tu = transmitansi

atmosfer, To = transmitansi system optis (lensa)

2. Estimasi signal keluaran pada tiap-tiap pita spectrum (biru, hijau, merah, nir)

sebagai fungsi tingkat iluminai matahari untuk 3 contoh obyek penutup lahan:

rumput hijau (GG), rumput kering (DG), dan tanah kekuningan (YS)

10

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

500.0

550.0

600.0

-90.0 -75.0 -60.0 -45.0 -30.0 -15.0 0.0

Tega

nga

nTe

rban

gkit

, Vd

et

(mV

)

SudutZenitMatahari, θz (◦)

GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARIPITA BIRU (BLU) KAMERA JAI LQ-200CL

untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera

VGGBluN40t2

VGGBluN56t2

VGGBluN80t2

VDGBluN40t2

VDGBluN56t2

VDGBluN80t2

VYSBluN40t2

VYSBluN56t2

VYSBluN80t2

VCLIP

VSAT90

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

500.0

550.0

600.0

-90.0 -75.0 -60.0 -45.0 -30.0 -15.0 0.0

Tega

nga

nTe

rban

gkit

, Vd

et

(mV

)

SudutZenitMatahari, θz (◦)

GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARIPITA HIJAU (GRN) KAMERA JAI LQ-200CL

untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera

VGGGrnN40t2

VGGGrnN56t2

VGGGrnN80t2

VDGGrnN40t2

VDGGrnN56t2

VDGGrnN80t2

VYSGrnN40t2

VYSGrnN56t2

VYSGrnN80t2

VCLIP

VSAT90

11

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

500.0

550.0

600.0

-90.0 -75.0 -60.0 -45.0 -30.0 -15.0 0.0

Tega

nga

nTe

rban

gkit

, Vd

et

(mV

)

SudutZenitMatahari, θz (◦)

GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARIPITA MERAH (RED) KAMERA JAI LQ-200CL

untuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera

VGGRedN40t2

VGGRedN56t2

VGGRedN80t2

VDGRedN40t2

VDGRedN56t2

VDGRedN80t2

VYSRedN40t2

VYSRedN56t2

VYSRedN80t2

VCLIP

VSAT90

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

500.0

550.0

600.0

-90.0 -75.0 -60.0 -45.0 -30.0 -15.0 0.0

Tega

nga

nTe

rban

gkit

, Vd

et

(mV

)

SudutZenitMatahari, θz (◦)

GRAFIK TEGANGAN TERBANGKIT vs SUDUT ZENIT MATAHARIPITA MERAH INFRA DEKAT (NIR) KAMERA JAI LQ-200CLuntuk 3 macam obyek pada 3 skenario bukaan kamera

VGGNirN40t2

VGGNirN56t2

VGGNirN80t2

VDGNirN40t2

VDGNirN56t2

VDGNirN80t2

VYSNirN40t2

VYSNirN56t2

VYSNirN80t2

VCLIP

VSAT90

12

3. Analisis grafik

o Untuk andaian waktu integrasi 2 ms pada kondisi matahari apapun

(termasuk tengah hari), 3 contoh obyek yang difoto tidak akan

mengakibatkan terjadinya signal berlebih (Vdet Vsat90, grafik signal

keluaran tidak melampaui garis merah) jika bukaan diafragma diatur pada

nilai N 5.6.

o Namun demikian, pada N = 5.6 tersebut keluaran detector akan mulai

melampaui batas operasional kamera (grafik signal keluaran melampaui

garis pink, dalam format digital DN mencapai nilai tertinggi, yaitu 255

untuk pilihan kuantiasasi data 8 bit atau 1023 untuk pilihan kuantisasi data

10 bit) yang berarti data sudah tidak dapat digunakan lagi, pada pemotretan

di atas jam 08.30 (lihat grafik untuk pita merah dan merah-infra dekat).

o Untuk mengatasi keadaan tersebut, perlu dilakukan pelemahan/reduksi

sinyal keluaran detector sebelum masuk ke piranti kuantisator (ADC) yang

bisa dilakukkan secara elektronik dengan mengtur GAIN yang disediakan

pada masing-masing kanal.

o Selain gain elektronik, reduksi signal keluaran detector juga dimungkinkan

dengan mengurangi waktu integrasi (tint) dan atau memperkecil bukaan

diafragma (memperbesar bilangan focus, N). Pada kebanyakan kamera

consumer (tidak pada kamera yang sedang dibicarakan), dua parameter ini

berpengaruh secara skalatif dan sama pada keseluruhan pita keluaran,

karena itu penetapannya harus benar-benar memperhatikan tanggap daya

cahaya terrendah dan derau signal pada pita spectrum tersebut.

o Pada pemotretan bergerak, durasi bukaan rana (lama waktu integrasi)

berasosiasi dengan jarak spasial yang ditempuh oleh wahana, jarak ini

merupakan batas atas resolusi spasial (tingkat kedetilan tertinggi) yang bisa

dicpai oleh system. Sebagai cotoh pada kasus ini, jika kamera diterbangkan

oleh satelit LEO dengan kecepatan di bumi VG = 7000 m/s, sementara waktu

integrasi minimal yang bisa diterapkan adalah 2ms, maka resolusi spasial

(GSD = GroundSamplingDistance) tertinggi yang bisa diharapkan dari

system ini adalah 7000 (m/s) x 0.002 (s) = 14 m. Jika kamera dioperasikan

dari pesawat terbang komersial (misalnya Boeing 747) dengan kecepatan

jelajah 920 km/jam ( 255 m/s) maka GSD maksimum yang bisa diharapkan

adalah 51cm

Kesimpulan dan Tindak Lanjut

Kesimpulan

1. Dengan mengetahui informasi reflektansi obyek dan data-data teknis

kamera secara lengkap dapat diperkirakan status signal keluaran yang akan

diberikan oleh kamera, jenuh atau belum jenuh, untuk tiap scenario

pengaturan parameter yang dipilih.

13

2. Dengan fasilitas pengaturan diafragma yang disediakan, dan kemampuan

pengaturan waktu integrasi dan gain per kanal, kamera industry JAI LQ-

200CL sangat mungkin untuk digunakan di luar ruangan dengan sumber

iluminasi matahari.

3. Untuk penggunaan sebagai kamera udara, kamera disarankan dioperasikan

dengan bilangan fokus N 5.6, tint = 2ms (sama untuk semua kanal

spectrum), gain 150% untuk kanal biru dan 50% untuk kanal merah dan

merah-infra dekat.

Tindak Lanjut/Saran

- Hasil-hasil kajian estimatif ini perlu dikonfirmasi dengan uji lapangan

dengan obyek yang lebih beragam

- Dalam penggunaanya sebagai instrumen/sensor penginderaan jauh, riwayat

perubahan pengaturan parameter kamera harus selalu tercatat agar dalam

proses analisis spektrometris data dapat menghasilkan informasi akhir yang

sahih (valid).

oooOooo