Copyright © 2021, JPLP, e ISSN 2654-251X
Teknik Interpolasi Bikubik untuk Memperbesar Gambar Hasil Pemetaan Suhu dari Sensor MLX90640 pada Praktikum Mikrokontroller

## Mochammad Darwis
Departemen Tehnik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS) Corresponding Author : mdarwis@staff.pens.ac.id
Received: 20 th November 2020; Revised: 11 th December  2020; Accepted: 10 th January 2021;
Available online: 24 th January 2021; Published regularly: January 2021

## Abstract
The  occurrence  of  various  disruptions  and  damage  to  equipment  and  electrical  installations  begins  with  a significant temperature increase in it. The temperature increasing in electrical equipment and installations will also increase the consumption of energy or power required. Previous technology used a temperature sensor and current sensor which had to be installed in the environment to be monitored. The temperature measurement system without touching  the  surface  which  is  measured  using  infrared  rays  is  a  new  breakthrough  that  really  helps  maintenance and  repair.  Also  with  the  existence  of  a  temperature  sensor  arranged  in  an  array,  it  can  map  the  existing temperature  so  that  it  can  provide  a  better  picture  for  analyzing  the  symptoms  that    occur,  compared    to  using  a temperature  sensor  that  measures  one  point  only.  A  temperature  imaging  camera  is  currently  very  expensive, making  procurement  a  bit  difficult  for  laboratories  dealing  with  electrical  equipment  and  installations.  In  this research,  we  will  try  to  make  an  inexpensive  temperature  imaging  camera  using  the  MLX90640  sensor  and  the ESP32  microcontroller.  Bicubic  interpolation  is  used  to   enlarge  the  resulting  image obtained   by  the  MLX90640 sensor.  The  MATLAB  program  is      used  to  simulate  and  create  an  overall  temperature  imaging  camera  system. Tested and compared with two other interpolation methods to ensure that bicubic interpolation can produce better magnified  images.
Key  Words : Bicubic Interpolation, Temperature Array Sensor, MLX90640, Image  Processing

## Abstrak
Terjadinya  berbagai  gangguan  dan  kerusakan  peralatan  dan    instalasi    listrik    dimulai    dengan    adanya kenaikan  suhu  yang  berarti  padanya.  Kenaikan  suhu  pada  peralatan  dan  instalasi  listrik,  juga  akan  menaikkan konsumsi energi atau daya yang dibutuhkan. Teknologi  terdahulu menggunakan  sebuah sensor  suhu dan  sensor arus  yang  harus  dipasang  pada  lingkungan  yang  akan  dipantau.  Sistem  pengukuran  suhu  tanpa    menyentuh permukaan  yang  diukur  menggunakan  bantuan  sinar  infra  merah  merupakan  terobosan  baru  yang  sangat membantu  bagian  pemeliharaan  dan  perbaikan.  Juga  dengan  adanya  sensor  suhu  yang    disusun    secara    array, dapat  memetakan suhu yang ada sehingga dapat memberikan gambaran yang lebih baik untuk menganalisa gejala yang  terjadi,  dibandingkan  jika  menggunakan  sensor  suhu  yang  mengukur  satu  titik  saja.    Sebuah    kamera penggambar  suhu saat ini harganya sangat mahal sehingga pengadaannya sedikit sulit untuk laboratorium yang berhubungan  dengan  peralatan  dan  instalasi  listrik.  Pada  penelitian  ini,  akan  dicoba  untuk  membuat  kamera penggambar  suhu    yang  murah  menggunakan  sensor  MLX90640  dan  mikrokontroller  ESP32.  Interpolasi  bikubik digunakan untuk memperbesar hasil gambar yang diperoleh oleh sensor MLX90640. Digunakan program MATLAB 2017b  untuk  membuat  simulasi  dan  membuat  sistem  kamera  penggambar  suhu  secara  keeluruhan.    Diuji    dan
dibandingkan    dengan  dua  buah  metode  interpolasi  yang lain  untuk  memastikan  bahwa  Interpolasi  bikubik  dapat menghasilkan gambar perbesaran yang lebih baik..
Kata Kunci : MLX90640, Interpolasi Bikubik, Pemrosesan Gambar, Sensor Array Suhu

## PENDAHULUAN
Gangguan dan kerusakan peralatan dan instalasi listrik terjadi  dimulai  dengan  adanya  kenaikan suhu  yang  berarti  padanya.  Kenaikan  suhu  pada  peralatan  dan  instalasi  listrik,  juga  akan  menaikkan konsumsi energi atau daya yang dibutuhkan. Pada gambar 1. dengan menggunakan kamera penggambar suhu,  terlihat  bahwa  instalasi  mekanik  yang  kurang  baik  pada  sebuah  sambungan  motor,  juga  akan menimbulkan panas, konsumsi daya yang tinggi, menyebabkan kerusakan peralatan dan memperpendek umur perlatan. Teknologi terdahulu yang menggunakan sebuah sensor suhu dan sensor arus yang harus dipasang  pada  lingkungan  yang  akan  dipantau  digantikan  dengan  sistem  pengukuran  suhu    tanpa menyentuh  permukaan  yang  diukur  menggunakan  bantuan  sinar  infra  merah.  Hal  ini  merupakan terobosan baru yang sangat membantu bagian pemeliharaan dan perbaikan. Sensor suhu disusun secara array,  sehingga dapat memetakan suhu yang ada. Perangkat ini dapat memberikan gambaran yang lebih baik    untuk  menganalisa  gejala  yang  terjadi,  dibandingkan  jika  menggunakan  sensor  suhu  yang mengukur  satu  titik  saja.  Sebuah  kamera  penggambar  suhu  saat  ini  harganya  sangat  mahal  sehingga pengadaannya sedikit sulit untuk laboratorium yang berhubungan dengan peralatan dan instalasi listrik. Pada  penelitian  ini,  akan  dicoba  untuk  membuat  kamera  penggambar  suhu  yang  murah  menggunakan sensor MLX90640 dan mikrokontroller ESP32. Interpolasi bikubik digunakan untuk memperbesar hasil gambar    yang  diperoleh oleh  sensor  MLX90640  yang hanya  berukuran  32x24  piksel  seperti  gambar  2. Jika  hasil  resolusi  piksel  yang  rendah  ini  langung  ditampilkan  pada  layar  LCD,  hasilnya  akan  terlihat aneh dan sulit untuk diterjemahkan.

## Gambar 1. Gambar pemetaan suhu instalasi mekanik pada sebuah poros moto
Digunakan  program  MATLAB  versi  2017b  untuk  membuat  simulasi  dan  membuat  sistem kamera  penggambar  suhu  secara  keeluruhan.  Diuji  dan  dibandingkan  dengan  dua    buah  metode interpolasi  yang    lain  untuk  memastikan  bahwa  Interpolasi  bikubik  dapat  menghasilkan  gambar perbesaran yang lebih baik .
Gambar 1.2. Hasil display sensor suhu array dengan resolusi 32x24 piksel

## BAHAN DAN METODE

## Lokasi Penelitian
Penelitian  ini  dilakukan  di  Laboratorium  Otomasi  Industri  dan  Pengemudian  Elektrik, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

## Alat dan Bahan
Alat  dan  bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  :  Sensor  MLX90640,  modul  ESP32 WROOM, LCD TFT, Program MATLAB 2017b dan Visual Basic 6.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Tahapan Penelitian
Penelitian  ini  terdiri  dari  beberapa tahapan  yaitu  mulai  memahami  karakteristik  dari sensor  suhu array  MLX90640  seperti  yang  ditunjukkan  pada  gambar  3.  Hasil  dari  sensor  ini  akan  kita  coba  untuk dibesarkan  menjadi  10  kalinya,  menjadi  320x240  piksel.  Sehingga  sesuai  dengan  ukuran  piksel  LCD TFT yang digunakan .

## Gambar 3. Sensor MLX90640
Berdasar spesifikasi pada datasheet yang ditunjukkan pada Tabel 1, sensor MLX90640 dapat melakukan pengukuran suhu dari -40 derajat celcius sampai 300 derajat celcius .
Tabel 1. Spesifikasi sensor MLX90640
Item Value Operating voltage 3.3V/5V Operating current ＜ 23mA Communication interface I2C (address 0x33) Field of view (Horizontal×Vertical) MLX90640-D55 Thermal Camera: 55°×35° (narrow angle FOV, suit for long range measuring) MLX90640-D110 Thermal Camera: 110°×75° (wide angle FOV, suit for short range measuring) Operating temperature -40 ℃ ～ 85 ℃ Target temperature -40 ℃ ～ 300 ℃ Resolution ±1 ℃ Refresh rate 0.5Hz~64Hz (programmable) Dimensions 28mm×16 mm Mounting hole size 2.0mm
Sensor MLX90640 menghasilkan hasil pemetaan suhu dalam bentuk matrik berukuran 32x24 (lihat gambar  4).  32  adalah  ukuran  kolom  dan  24  adalah  ukuran  baris. Jadi  total ada 768  piksel. Tiap  sel  dari matrik ini akan kita ubah menjadi piksel yang warnanya tergantung dari nilai pembacaan suhunya. Hasil setiap  sel  pembacaan  suhunya  disimpan  pada  memori  RAM  pada  alamat  0x400H  sampai  0x6FFH. Merupakan sebuah data 8 bit seperti yang tertera pada Gambar 5
Gambar 4. Matrik hasil pemetaan suhu sensor MLX90640
Gambar 5. Peta memori RAM hasil pengukuran sensor
Kemudian  langkah  selanjutnya  adalah  memahami  dan  menerapkan  interpolasi  pada  matrik  hasil sensor suhu MLX90640. Ada berbagai cara untuk melakukan perbesaran ukuran  sebuah  gambar.  Jenis cara atau metoda yang digunakan akan mempengaruhi kualitas gambar  dan  kecepatan  proses  konversi nya. Pola nilai RGB pada sebuah piksel yang saling berdekatan yang menyusun sebuah gambar, dapat kita identikkan  dengani  sebuah  fungsi  f(x).  Sehingga  apabila  suatu  gambar  atau  image,  kita    besarkan ukurannya,  maka  kita  dapat  memperkirakan  nilai  RGB  sebuah  piksel  tertentu  yang  akan  mengisi  piksel matrik pengembangannya.

## Gambar 6. Memperbesar ukuran sebuah gambar.
Pada  gambar  6.,  dapat  kita  lihat  bahwa  untuk  memperbesar  gambar  dengan  ukuran  2x2  piksel menjadi  6x6  piksel,  kita  melakukan  perbesaran  sebesar  3x.  Berarti  pada  setiap  piksel  awal,    harus dikelilingi oleh 8 piksel baru. Untuk mencari piksel baru tersebut, kita menggunakan metode interpolasi bikubik .
Gambar 7. Memperkirakan nilai suatu titik dengan menggunakan ordo persamaan
Gambar 8. Interpolasi 1 dimensi

## Gambar 9. Pengembangan Interpolasi 1 dimensi ke 2 dimensi
Jika sebuah fungsi f(x) dan turunannya, diketahui nilainya pada x = 0 dan x = 1, maka fungsi tersebut dapat diinterpolasi pada interval [0,1] menggunakan sebuah polinomial orde tiga  yang  disebut juga dengan interpolasi kubik. Rumus polinomial ini dapat dengan mudah  diturunkan. Polinomial orde tiga dan turunannya :
(1)
(2)
Nilai polinomial dan turunannya pada x = 0 dan x = 1, dan nilai konstantanya:
(3) (4) (5) (6)
Rumus  interpolasi  kubik  (persamaan  orde  tiga)  kita  dapatkan  dan  jika  dihubungkan  dengan teori Catmull-Rom spline, kita dapat memiliki nilai p0, p1, p2 dan p3 masing-masing pada x=-1, x=0, x=1, dan x=2. Kemudian kita dapat menetapkan nilai f(0), f(1), f '(0) dan f'(1) menggunakan rumus di bawah ini untuk melakukan interpolasi (titik prediksi baru) antara p1 dan p2.
(7) (8) (9) (10)
Menggabungkan empat rumus terakhir dan empat sebelumnya, kita mendapatkan : (11) (12) (13) (14)
Sehingga rumus interpolasi kubik kita menjadi :
(15)
Interpolasi  bikubik  adalah  interpolasi  kubik  dalam  dua  dimensi.  Dalam  penelitian  ini  dibahas mengenai penggunaan interpolasi bikubik untuk mengubah ukuran gambar dan dibandingkan dengan dua metode yang ada, yaitu nearest dan bilinier.
Dalam  pembuatan  sebuah  gambar  pemetaan  suhu,  ada  beberapa  standar  gradasi  warna  yang digunakan.  Seperti  gambar  10.  Gambar  sebelah  kiri adalah standar  dari  produsen  kamera  suhu  bernama FLIR dan yang sebelah kanan adalah standar produsen yang lain. Dapat kita lihat perbedaannya bahwa, standar  FLIR  tidak  menggunakan  warna  hijau  dan  biru  pada  gradasi  warnanya.  Dalam  penelitian  ini menggunakan  standar  gradasi  warna  pada  gambar  2.8.  yang  sebelah  kanan  dengan  tabel  gradasi    warna yang tertera pada gambar 11.
Gambar 10. Standar gradasi warna pada sebuah gambar pemetaan suhu
Gambar 11. Standar gradasi warna yang digunakan
Setiap  warna,  secara  umum  dikodekan  dalam  komposisi  warna  RGB  (Red,  Green,  Blue).  Dan formasi  komposisi  RGB  nya,  ada  yang  menggunakan  standar  RGB888  dan  RGB565.  Program MATLAB  2017b  dan  Visual  Basic  6  menggunakan  standar  kode  warna  RGB888.  Ini  berarti  bahwa komposisi  warna  merah  (Red)  sebesar  8  bit,  warna  hijau  (Green)  sebesar  8  bit  dan  warna  Blue  (Biru) sebesar    8  bit.    Jadi      total  ada  24  bit  (lihat  gambar  2.10).  Tetapi  untuk  mikrokontroller  ESP32  dan display LCD TFT menggunakan standar kode warna RGB565. Sehingga total ada 16  bit.

## Gambar 12. Konfigurasi bit pada sistem RGB888 dan RGB565
Kita  harus  dapat  memahami  proses  konversi  standar  kode  warna  ini  sehingga  tidak  terjadi kesalahan  waktu  membuat  sistem  kamera  penggambar  suhu  menggunakan  mikrokontroller Esp32  dan  display  LCD  TFT.  Konversiya  dapat  dilihat  rumusnya  pada  gambar  13.  Simulasi konversi  dibuat  menggunakan  program  Visual  Basic  6  untuk  menguji  kebenaran  algoritma konversinya (lihat  gambar 14.)
Gambar 13. Konversi RGB88 ke RGB565 dan sebaliknya.
Gambar 14. Simulasi konversi RGB888 ke RGB 565 menggunakan program Visual Basic 6
Kemudian dibuat simulasi memperbesar gambar menggunakan program MATLAB 2017b dengan input  gambar  berukuran  32x24  piksel  dengan  berbagai  motif.  Dicoba  simulasi  hasil  perbesarannya menggunakan  3  metode.  (lihat  baris  program  ke  4,  pada  gambar  2.13.).  Di  contoh  program  nilai perbesarannya adalah 3, namun untuk penggunaan kali ini, nilai perbesarannya adalah 10. Ada metode
nearest, bilinear dan bicubic. Hasilnya kemudian diamati. Gambar diperbesar 10 kali sehingga menjadi 320x240 piksel.
Gambar 15. Program MATLAB 2017b (m file) untuk memperbesar gambar
Langkah selanjutnya adalah membuat rangkaian ESP32 dan display LCD TFT dan sensor MLX90640. Kemudian ditambahkan addon ESP32 Support Package pada program MATLAB 2017b (lihat gambar 16. dan gambar 17.).
Gambar 16. Rangkaian kamera penggambar suhu.
Gambar 17. MATLAB 2017b Support Package Installer.

## Gambar 18. Simulink MATLAB 2017b yang digabungkan dengan support package Esp32
Langkah  terakhir  adalah  membuat  blok  diagram  Simulink  secara    lengkap    untuk    membentuk sistem  kamera  penggambar  suhu  dengan  menggabungkan  ESP32  Support  Package  (Gambar  18.).  Hasil simulink yang telah berhasil dengan baik, akan dikompilasi dan didownloadkan ke modul ESP32 supaya dapat berfungsi sendiri tanpa menggunakan MATLAB 2017b.
Hasil dari perbesaran gambar menggunakan tiga buah algoritma interpolasi yang dismulasikan di MATLAB 2017b, dapat dilihat pada gambar 19.. Dapat kita lihat bahwa, dengan menggunaka interpolasi bikubik, hasilnya masih mengikuti gambar aslinya dibanding dengan yang bilinear.
Gambar 19. Hasil interpolasi bikubik dan perbandingn dengan interpolasi yang lain.
Interpolasi bilinier hasilnya kabur, batas warnanya kurang jelas, warna-warnanya menjadi sedikit lebih suram dan perubahan pinggiran warnanya kurang jelas dibandingkan dengan hasil  bikubik.  Hasil dari penerapan simulasi pemrosesan gambar di MATLAB 2017b pada modul ESP32 dapat dilihat pada gambar  3.2.  Hasil  dari  interpolasi  nearest  tidak  digunakan  karena  gambar  yang  dihasilkan  pinggiran perbedaan warnanya terlalu tajam dan bentuk gambarnya tetap kotak-kotak atau  pixelite .

## Gambar 20. .Hasil Simulink MATLAB 2017b diterapkan pada mikrokontroller Esp32

## KESIMPULAN
Interpolasi  bikubik  dapat  memperbaiki  hasil  perbesaran  gambar  dari  ukuran    32x24  menjadi 320x240.  Penggunaan  program  MATLAB  2017b  dapat  memudahkan  peneliti  dan  pengembang  alat khususnya  yang  berhubungan  dengan  pemrosesan  gambar  dengan  lebih  mudah  dan  cepat,  karena  dapat dilakukan simulasinya terlebih dahulu dan tanpa  melakukan pemrograman yang rumit. Untuk penelitian selanjutnya, akan digunakaan sensor dengan resolusi yang lebih tinggi, agar hasil penggambaran suhunya lebih baik dan lebih  presisi.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada tim P3M Politeknik Elektronika Negeri Surabaya atas pemberian dana penelitiannya.

## DAFTAR PUSTAKA
Adiwijoyo,  Projo  Danoedoro,  "Perbandingan  Teknik  Resampling  Pada  Citra  Hasil  Pan-Sharpening Untuk  Pemetaan  Penutup  Lahan  Dengan  Menggunakan  Klasifikasi  Terselia  Maximum Likelihood", Universitas Gajah Mada, 2009
Dianyuan Han, "Comparison of Commonly Used Image Interpolation Methods",Proceedings of the 2nd International  Conference  on  Computer  Science  and  Electronics  Engineering  (ICCSEE  2013), Dept. of Computer Engineering, Wei Fang University,Shandong 261061, China.
Hamdy  Amin  Morsy,  "Performance  Analysis  of  the  Effects  of  Non-Adaptive  Image  Scaling  on  Image Edges", International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), ISSN: 2277-3878, Volume-7, Issue-6, March 2019.
PankajS. Parsania, Paresh V.Virparia, "A Review: Image  Interpolation Techniques for Image Scaling",
International  Journal  of  Innovative  Research  in  Computer  and  Communication  Engineering  (An ISO  3297:  2007  Certified  Organization)  Vol.  2,  Issue  12,  December  2014,  College  of  FPTBE, Anand  Agricultural  University,  Anand,  Gujarat,  India  and  Department  of  Computer  Science, Sardar Patel University, VallabhVidyanagar, Gujarat, India
Philippe  Thévenaz,  Thierry  Blu  and  Michael  Unser,  "Image  Interpolation  and  Resampling",  Swiss Federal Institute of Technology—Lausanne
Prachi  R  Rajarapollu,  Vijay  R  Mankar,  "Bicubic  Interpolation  Algorithm  Implementation  for  Image Appearance  Enhancement",  IJCST  Vol.  8,  ISSue  2,  AprIl  -  June  2017,  SGBAU  Amaravati, Maharashtra, India
Zolyviade  Zarcelonia, "Perancangan  Aplikasi  Perbesaran  Citra  dengan  Metode Proyeksi  Cahaya",  Prodi Teknik  Informatika,  Jurusan  Teknik  Elektro,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Tanjungpura, 2014