TINJAUAN PUSTAKA
ManggisManggis (Garcinia mangostana) merupakan tanaman asli Indonesia. Kulit
buah yang belum matang berwarna hijau kekuningan, jika matang berwarna
merah ungu. Bentuk buah manggis bulat, diameter ≤ 8 cm, berat buah 80 - 130 gram, dan tebal kulit buah 6 - 10 mm (Gambar 1). Isi buahnya lembut
berwarna putih bersih, rasanya eksotik (rasa manis berpadu dengan rasa asam dan sedikit sepat), pada setiap buah terdapat 4 - 7 pasi. Ukuran setiap pasi dalam buah yang sama tidak sama besar, pasi yang besar bijinya berbentuk pipih berwarna coklat kehitaman, sementara pasi yang berukuran kecil biasanya tidak berbiji.
Gambar 1 Bentuk bunga, buah muda, buah siap panen dan buah manggis siap dikonsumsi (Nasution 2006).
Kerusakan bagian dalam buah manggis yang sering ditemukan adalah getah kuning (gummosis), daging buah berwarna bening dan mengeras (transluscent),
serta kebusukan (decay). Getah kuning merupakan penyakit utama buah manggis,
buah yang terkena penyakit ini arilnya mengandung getah berwarna kuning sehingga rasa daging buahnya menjadi pahit (Gambar 2).
Gambar 2 Kerusakan bagian dalam buah manggis (a) gummosis,
(b) transluscent dan (c) decay (Nasution 2006).
Tabel 1 berikut merinci persyaratan minimum kelas Mutu Super, Mutu I, dan Mutu II (SNI 01-3211-1992) :
Tabel 1 Persyaratan pengkelasan mutu buah manggis SNI *)
Persyaratan Jenis Uji
Mutu Super Mutu I Mutu II
Keseragaman seragam seragam seragam Diameter buah > 65 mm 55 – 65 mm < 55 mm
Tingkat kesegaran segar segar segar Warna kulit hijau kemerahan –
merah muda mengkilat hijau kemerahan – merah muda mengkilat hijau mengkilat Buah cacat / busuk 0 % 0 % 0 % Tangkai / kelopak utuh utuh Utuh Kadar kotoran 0 % 0 % 0 % Serangga hidup / mati tidak ada tidak ada tidak ada Warna daging buah putih bersih khas
manggis putih bersih khas manggis putih bersih khas manggis
*) Sumber: Dewan Standar Nasional (1992)
Umur petik buah manggis didasarkan pada umur petik yang biasa dilakukan oleh petani, yaitu berdasarkan ciri warna kulit buah manggis (berwarna hijau penuh hingga ungu kehitaman umur 90, 100, 110, 114 dan 126 hari setelah bunga mekar), masing-masing sebanyak 40, 20, 49, 39 dan 40 buah.
Nurhasanah (2005) menyatakan bahwa penentuan tingkat ketuaan dan kematangan manggis melalui pengukuran standar kekerasan buah dan total padatan terlarut (TPT) yang diukur secara langsung dapat digunakan sebagai parameter pembeda umur petik buah manggis (Tabel 2). Data kekerasan dan total padatan terlarut (TPT) untuk umur petik 90 hari dapat dikelompokkan kedalam kelompok umur muda, sedangkan untuk umur petik 100 hari, 110 hari, 114 hari dan 126 hari dapat dikelompokkan kedalam kelompok umur tua.
Tabel 2 Nilai kekerasan, total padatan terlarut, rata-rata berat dan rata-rata diameter buah manggis pada berbagai umur petik
Umur Petik setelah bunga
mekar (hari)
Kekerasan Kulit
Buah (kgf) Terlarut (Total Padatan OBrix) Rata-rata Berat (gram) Rata-rata Diameter
(gram) 90 6.71 4.64 142.37 65.42 100 2.66 16.54 116.68 61.84 110 1.43 17.40 126.55 63.07 114 0.92 17.39 127.11 63.26 126 0.92 18.40 123.98 62.25
Teknik Pengolahan Citra
Teknik pengolahan citra (image processing) adalah suatu teknologi yang
dikembangkan untuk mendapatkan informasi dari image atau citra digital dengan
cara memodifikasi bagian dari image yang diperlukan sehingga menghasil image
lain yang lebih informatif (Jain et al, 1995).
Pengolahan warna pada citra didasarkan kepada spektrum cahaya yang dapat dilihat oleh mata manusia yang menggunakan model warna RGB (Red, Green, Blue ). Model warna RGB dapat dinyatakan dalam bentuk indeks warna
RGB. Untuk mendapatkan indeks warna RGB yaitu dengan menormalisasikan
nilai R,G,B yang didapat dari pengolahan citra digital. Penormalan dilakukan
dengan menghitung nilai r, g, b dengan persamaan (1-3).
R, G, B = nilai pembacaan pada berkas citra warna r, g, b = nilai indeks warna merah, hijau, dan biru.
Untuk mengidentifikasi suatu objek yang telah direkam dengan kamera, tekstur merupakan salah satu karakteristik yang penting dari teknik pengolahan citra digital. Menurut Haralick et al.(1973) untuk menentukan tekstur diperlukan beberapa fitur ( 14 fitur).
Fitur energi berfungsi untuk mengukur kosentrasi pasangan grey level pada matriksco-occurance. Energi dapat dihitung dengan persamaan:
i dan j = Sifat keabuan dari resolusi 2 piksel yang berdekatan
P (i,j) = Frekwensi relatif matrik dari resolusi 2 piksel yang berdekatan (1) B G R R r + + = (2) B G R G g + + = B G R B b + + = (3) (4)
∑
∑
= = = n i j m i j i p Energi (, ) 1Fitur kontras berfungsi untuk mengukur perbedaan lokal dari hasil pengolahan citra, pada citra berukuran mxn. Persamaan fitur kontras adalah sebagai berikut:
Sandra (2005) menyatakan bahwa pengolahan citra dapat menduga tingkat kematangan buah manggis dengan bantuan jaringan syaraf tiruan berdasarkan parameter pengolahan citra area, indeks warna green dan blue, dan tekstur untuk
fitur energi dan fitur kontras. Parameter pengukuran teknik pengolahan citra pada buah manggis yang telah dilakukan adalah indeks warna red, green dan blue,
tekstur untuk fitur energi, kontras, homogenitas, dan entropi, serta pengukuran luas area.
Citra manggis dalam berbagai tingkatan kelas mutu diambil dengan menggunakan kamera CCD. Pengambilan citra untuk indek kematangan dilakukan sebanyak 3 kali. Untuk menentukan jumlah kelopak buah manggis diletakkan di atas kain hitam sebagai latar belakang, dan indek kematangan latar belakangnya putih, ukuran latar belakang yang ditangkap lensa 15.5 x 11.5 cm. Jarak antara kamera dengan latar belakang kurang lebih 23.5 cm. Intensitas reflektans dari buah manggis ditangkap sensor kamera CCD melalui lensa dan ditampilkan di monitor komputer yang dihubungkan dengan sensor kamera. Citra buah manggis direkam dan disimpan secara otomatis dengan ukuran 256X192 piksel. Skema perekaman objek manggis ke dalam citra digital pada penelitian tahap pertama diperlihatkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Skema perekaman obyek manggis ke dalam citra digital. Obyek/manggis
Algoritma pengolahan citra Kartu konversi A/D Memori Citra
Kartu penangkap citra
PC Kamera Lampu (5)
( )
i j p( )
i j Kontras n i j m i , , 2 1∑
∑
= = =Identifikasi ketuaan dan kematangan manggis dengan metode pengolahan citra dilakukan secara langsung yaitu pengambilan citra dilakukan secara real time
(tanpa perlu menyimpannya terlebih dahulu). Langkah pertama adalah mengaktifkan program pengolahan citra dalam bahasa C yang telah dicompile dan
dibuat file aplikasinya dalam format exe. Setelah program aplikasi dijalankan,
muncul 3 layar (Gambar 4). Layar besar untuk pengisian nama file menyimpan citra, menyimpan data hasil pengolahan dalam format txt dan untuk tampilan data
hasil pengolahan citra. Dua layar kecil lainnya untuk menampilkan citra asli dan citra hasil binerisasi.
Gambar 4 Tampilan program setelah dijalankan (Sandra 2005).
Pengukuran luas area dilakukan dengan terlebih dahulu mengubah citra warna menjadi citra biner untuk membedakan obyek dan latar belakang melalui proses thresholding dengan nilai threshold tertentu. Dimana objek berwarna putih
dan latar belakang berwarna hitam. Kemudian dilakukan proses labelling untuk
menemukan obyek dengan luas area terbesar, untuk selanjutnya menentukan titik pusat objek dan melakukan perhitungan luas area dengan cara menghitung jumlah
pixel warna putih (obyek), seperti Gambar 5. luas area merupakan banyaknya pixel milik buah manggis, dengan rumus
(6)
∑
∑
= = = n j m i y x O A 2 1 ) , (A = luas area obyek
O = titik obyek dalam citra biner
x dan y = lokasi dalam array atau bidang citra
Gambar 5 Manggis Hasil Thresholding.
Penentuan diameter, ukur setiap panjang garis tengah yang tegak lurus pada tinggi buah manggis segar dari seluruh contoh uji dengan menggunakan alat pengukur diameter yang sesuai. Pisahkan sesuai dengan ketentuan penggolongan yang dinyatakan dalam standar yaitu >65 mm; 55-65 mm; <55 mm (Dewan Standar Nasional, 1992). Kemudian cari batasan nilai batas dari setiap mutu yaitu jumlah area dari buah manggis yang berukuran 65 mm dan jumlah area buah manggis yang berukuran 55 mm.
Teknik Gelombang ultrasonic
Gelombang ultrasonik bukan merupakan spektrum gelombang elektromagnetik tetapi merupakan gelombang akustik (suara) yang mempunyai frekuensi sangat tinggi untuk dideteksi oleh telinga manusia rata-rata. Berdasarkan frekwensinya gelombang akustik terbagi tiga jenis yaitu infrasonik memiliki frekwensi di bawah 20 Hz, audiosonik memiliki frekwensi 20 Hz - 20 kHz, dan ultrasonik memiliki frekuensi di atas 20 kHz. Batas atas frekuensi gelombang ultrasonik masih belum dapat ditentukan. Sifat gelombang ultrasonic
yang umum dipakai untuk menentukan sifat bahan atau medium adalah kecepatan rambat, koefisienatenuasi, dan power spectral density.
Pengukuran dengan menggunakan gelombang ultrasonik terdiri dari tiga metode, yaitu; Metode Resonansi, Metode Intensitas, dan Metode Waktu Tempuh Ketiga metode ini dipilih berdasarkan pada jenis pengujian, karekteristik sampel uji, dan jenis transduser yang digunakan. Pengukuran dengan metoda intensitas didasarkan atas banyaknya berkas intensitas gelombang ultrasonik yang dikirim oleh transmitter yang dapat diterima oleh receiver setelah melewati medium.
Juansah (2005) menyatakan bahwa dari sistem integrasi dan komunikasi data untuk buah manggis dengan gelombang ultrasonic serta integrasi peralatan
yang terdiri dari ultrasonic tester, ultrasonic tranduser, dudukan manggis,
osikoskop digital dan komputer telah berhasil dilakukan proses pengukuran gelombang ultrasonic dengan frekuensi 50 kHz dengan medium penjalaran udara
dan buah manggis (Gambar 6). Komunikasi datanya bisa diambil dari software osiloscope berupah bentuk file excel atau text, yang disertai grafik pulsanya
Gambar 6 Instrumen pengukuran gelombang ultrasonic
untuk manggis (Nasution 2006).
Nasution (2006) menyatakan bahwa dari ketiga karakteristik gelombang ultrasonik (kecepatan rambat, atenuasi, dan power spectral density), hanya
kecepatan rambat gelombang ultrasonik yang dapat memprediksi kerusakan bagian dalam buah manggis. Manggis yang mengalami rusak bagian dalamnya mempunyai kecepatan gelombang ultrasonik yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan manggis yang mutunya bagus. kecepatan rambat gelombang manggis tidak rusak dari 0.1152 mm/µs hingga 0.1339 mm/µs dan pada manggis rusak dari 0.1339 mm/µs hingga 0.1536 mm/µs.
Pengukuran karakteristik gelombang ultrasonik dilakukan dengan 4 kali ulangan dimana kedua tranduser ultrasonik terletak pada posisi garis tengah buah manggis (Gambar 7). Nilai karakteristik gelombang ultrasonik pada sampel satu buah manggis merupakan nilai rata-rata dari 4 kali ulangan yang dilakukan.
Kurva pada Gambar 8 memperlihatkan bentuk gelombang ultrasonik yang merambat pada salah satu sampel buah manggis, yaitu gambaran fluktuasi perubahan tegangan selama perambatan. Besarnya Δt (waktu rambat gelombang
ultrasonik dalam detik) dan Am0/Am1 (amplitudo awal/amplitudo akhir dalam mV) yang masing-masing merupakan kecepatan variabel yang menentukan besarnya kecepatan rambat (c dalam m/s) dan koefsien atenuasi (α dalam Np/m)
gelombang ultrasonik ditentukan melalui kurva tersebut. Kurva tersebut dibentuk dari data yang direkam dan ditransfer ke dalam softwear excel.
Asumsi yang diambil dalam menentukan nilai variabel Δt persamaan
kecepatan rambat gelombang ultrasonik adalah besarnya waktu sejak terbentuknya hingga terjadinya perubahan nyata dari bentuk sinyal seperti terlihat pada kurva Gambar 8. Bentuk persamaan kecepatan rambat gelombang ultrasonik adalah :
Dimana x adalah tebal bahan atau diameter bahan dalam satuan mm. Setiap buah
manggis mempunyai referensi sendiri.
Gambar 8 Menentukan variabel Δt dari persamaan kecepatan rambat dan
variabel Am dari persamaan koefisien atenuasi (Nasution 2006).
(7)
(
)
t x t t x c Δ = − = 0 1Sistem Kecerdasan Buatan untuk Sortasi dan Pemutuan
Sistem Jaringan Syaraf Tiruan merupakan salah satu metode sistem kecerdasan buatan (artificial intelligence). JST yang merupakan soft computing
dari sistem kecerdasan buatan yang akan dibangun menggunakan data hasil pengukuran gelombang ultrasonik dan image processing sebagai masukan dan
akan mengolahnya dengan keluaran berupa mutu buah manggis dan tingkat ketuaan buah.
Pembelajaran sistem kecerdasan buatan yang dikembangkan menggunakan metoda Jaringan Syaraf Tiruan. Struktur pemodelan JST menggunakan Multi
Layer Neural Network. Pelatihan model menggunakan algoritma
backpropagation, sebelum melakukan pelatihan perlu menentukan nilai-nilai
parameter konstanta momentum dan parameter konstanta fungsi sigmoid
dengan cara mencoba-coba (trial and error), nilai yang dipilih antara 0 sampai
0.9. Keseluruhan proses dilakukan pada setiap contoh dan setiap iterasi sampai
sistem mencapai keadaan optimum. Iterasi tersebut mencakup pemberian contoh
pasangan input dan output, perhitungan nilai aktivasi dan perubahan nilai
pembobot.
Data pada JST dibagi dalam dua bagian yaitu data uji training (pelatihan)
dan validasi. Kinerja jaringan dapat dinilai berdasarkan nilai RMSE (root mean square error), semakin rendah nilai RMSE maka semakin bagus kinerja dari
jaringan. Untuk mendapatkan nilai RMS Error dengan persamaan berikut:
p = nilai prediksi Jaringan Syaraf Tiruan a = nilai aktual yang diberikan
n = jumlah contoh pada data validasi
Validasi dilakukan sebagai proses pengujian kinerja Jaringan Syaraf Tiruan terhadap contoh yang diberikan selama proses training. Pada proses Validasi,
setelah model diberikan pelatihan dengan data pelatihan, model diuji dengan data yang lain, ini dimaksudkan sejauh mana model dapat memprediksi nilai-nilai
∑
− = n n a p RMSError 2 ) ( (8)keluaran dari nila-nilai masukan yang diberikan pada JST. Persentase validasi
model dirumuskan dengan persamaan % 100 (%) X B A Validasi ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ =
A = Jumlah data hasil pendugaan yang sama dengan target. B = Jumlah data target
Masukan JST yang digunakan adalah hasil pengolahan citra dan gelombang ultrasonik yang bisa digunakan untuk mendeteksi pemutuan. yang selama ini dilakukan oleh eksportir. Sortasi dan pemutuan buah manggis yang dilakukan oleh eksportir antara lain diameter, warna kulit persyaratan ini diharapkan bisa dideteksi dengan menggunakan teknik pengolahan citra digital dimana diameter dideteksi dengan luas area, warna dengan indek warna (g.b) dan tekstur (energi,
kontras) kemudian persyaratan mutu yang tak kalah pentingnya yang belum dilakukan oleh eksportir dan tidak masuk kedalam prasyarat SNI adalah keadaan daging buah (pemutuan bagian dalam buah manggis). Untuk mendeteksi keadaan daging buah menurut hasil penelitian Nasution (2006) dengan menggunakan kecepatan rambat gelombang ultrasonik. Jadi ada enam masukan JST masing-masing area, r, g, energi, kontras dan kecepatan.
Gambar 9 Arsitektur JST untuk pemutuan manggis. Input Lapisan terselubung Output
Area g b Energi Kontras Kecepatan Output 1 Output 2 Output 3
Sedangkan target keluaran untuk penentuan mutu berupa bilangan biner yang berbentuk vektor untuk mutu super (1,0,0); mutu satu (0,1,0); apkir (0,0,1), arsitekturnya seperti Gambar 9. Tingkat keberhasilan uji training (pelatihan)
Jaringan Saraf Tiruan yang dibuat adalah 98.89 % dan hasil uji validasi yang dilakukan sebagai proses pengujian kinerja Jaringan Syaraf Tiruan terhadap contoh yang diberikan selama proses training adalah 93. 94 % (Sandra 2005).
Kontrol Lup Tertutup
Sistem kontrol lup tertutup (closed-loop control system) adalah sistem
kontrol yang sinyal keluaranya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik, diumpankan ke kontroler untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Gambar 10 menunjukkan hubungan masukan-keluaran dari sistem kontrol lup tertutup (Ogata 1985).
Gambar 10 Sistem kontrol loop tertutup.
Sistem kontrol ON/OFF adalah kontrol yang paling sederhana. Input sensor
dan sinyal output pada aktuator dinyatakan hanya dalam dua keadaan yaitu ON/OFF atau logika 1 dan 0. Terdapat berbagai aktuator dasar yang beroperasi
cukup dengan kemudi ON/OFF ini misalnya solenoid, relay untuk mengemudi
arus besar, sistem alarm seperti LED, dan sebagainya. Gambar 11 berikut
mengilustrasikan diagram kontrol loop tertutup berdasarkan ON/OFF (Pitowarno
2006).
Gambar 11 Diagram kontrol loop tertutup berdasarkan ON/OF.
+
I/O Kontroler I/O I/O
ON/OFF Robot
I/O
− −
Masukan Keluaran
Kontrolel Plant atau proses Elemen
ukur
Input ON/OFF bekerja dalam dua keadaan yaitu ON atau OFF (I/O)
berdasarkan level tegangan TTL (Transistor-Transistor Logic) 5V untuk logika 1
dan 0V untuk logika 0. Dalam rangkaian yang sebenarnya tegangan logika terukur tidak selalu 5 V atau 0 V. Untuk sistem rangkaian dengan Vcc +5V dengan semua komponen IC berorientasi CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor),
logika 1 memiliki jangkauan (3.5 ÷ 5 V) logika 0 adalah (0 ÷ 0.7 V).
Sinyal output yang beroperasi secara ON/OFF hanya memiliki dua keadaan,
yaitu logika 1 sebagai representatif tegangan +5 V (TTL) dan logika 0 V sebagai
representatif tegangan 0 V. Level tegangan sesungguhnya tergantung dari standar
IC yang digunakan. Untuk embedded controler yang beroperasi dalam level TTL
(0 ÷ 5 V) standar tegangan logika 1/0 adalah seperti deskripsi pada input
ON/OFF. Jika controler dioperasikan pada tegangan Vdd (tipe CMOS) = 3.3 V maka tegangan logika 1 dapat berkisar antara (2.3 ÷ 3.3 V), sedang logika 0 dapat bernilai antara (0 ÷ 0.5 V).
