## SISTEM KONTROL AKSES BERBASIS REAL TIME FACE RECOGNITION DAN GENDER INFORMATION
Putri Nurmala 1 ; Wikaria Gazali 2 ; Widodo Budiharto 3
1, 2 Mathematics and Statistics Department, School of Computer Science, BINUS University
3 Computer Science Department, School of Computer Science, BINUS University
1 putrinurmala91@gmail.com; 2 wikaria@binus.edu; 3 wbudiharto@binus.edu

## ABSTRACT
Face recognition and gender information is a computer application for automatically identifying or verifying a person's face from a camera to capture a person's face.  It is usually used in access control systems and it can be compared to other biometrics such as finger print identification system or iris. Many of face recognition algorithms have been developed in recent years. Face recognition system and gender information in this system based on the Principal Component Analysis method (PCA). Computational method has a simple and fast compared with the use of the method requires a lot of learning, such as artificial neural network. In this access control system, relay used and Arduino controller. In this essay focuses on face recognition and gender - based information in real time using the method of Principal Component Analysis ( PCA ). The result achieved from the application design is the identification of a person’s face with gender using PCA. The results achieved by the application is face recognition system using PCA can obtain good results the 85 % success rate in face recognition with face images that have been tested by a few people and a fairly high degree of accuracy.
Keywords: face recognition, gender information, real time, PCA, Arduino

## ABSTRAK
Face recognition dan gender information merupakan suatu aplikasi komputer untuk mengidentifikasi wajah secara otomatis atau memverifikasi wajah seseorang dari kamera  untuk menangkap wajah seseorang. Hal ini biasanya digunakan dalam sistem kontrol akses dan dapat dibandingkan dengan biometrik lain seperti sistem pengenalan sidik jari atau iris mata. berbagai algoritma face recognition, beserta dengan  modifikasinya, telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir. Pada sistem face recognition dan gender information digunakan metode Principal Component Analysis (PCA). Metode ini mempunyai komputasi yang sederhana dan cepat dibandingkan dengan penggunaan metode yang memerlukan banyak pembelajaran seperti jaringan syaraf tiruan. Pada sistem kontrol akses ini, relay digunakan serta controller Arduino. Dalam penelitian ini,  fokus pada face recognition dan gender information berbasis real time dengan menggunakan metode Principal Component Analysis (PCA). Hasil yang dicapai dari perancangan sistem ini adalah identifikasi wajah seseorang beserta gender menggunakan metode Principal Component Analysis (PCA) dan menggunakan Microcontroller arduino uno sebagai kontrol akses. Hasil yang dicapai oleh aplikasi adalah sistem pengenalan wajah menggunakan PCA dapat memperoleh hasil yang baik yang tingkat keberhasilan 85% dalam pengenalan wajah dengan citra wajah yang telah di uji oleh beberapa orang dan tingkat keakuratan cukup tinggi.
Kata kunci:  face recognition, gender information, real time, PCA, Arduino Uno

## PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan teknologi informasi, kemajuan di bidang pengembangan aplikasi sedang mendapatkan perhatian penting bagi perkembangan teknologi informasi. Salah satu bidang yang sedang berkembang yaitu sistem mengenai pengenalan wajah untuk identifikasi wajah dan informasi gender . Pengenalan wajah dan informasi gender merupakan sebuah sistem yang digunakan untuk mendeteksi wajah dan menginformasikan gende r. Pengenalan wajah dan informasi gender difungsikan untuk memberikan keakuratan pada sebuah sistem yang digunakan untuk kontrol akses bagi fasilitas yang membutuhkan sistem keamanan. Sistem kontrol akses sangat penting digunakan untuk keamanan. Biasanya sistem pengenalan wajah hanya menggunakan webcam sebagai alat pendeteksi nya. Pada saat ini telah dikembangkan dengan menggunakan microcontroller arduino uno dapat membantu sebagai kontrol akses relay dengan relay yang dapat on/off otomatis ketika wajah terdeteksi dengan data yang akurat maka tingkat keakuratannya lebih tepat. Sistem ini dibangun dengan menggunakan  metode Principal Component Analysis ( PCA). Principal Component Analysis (PCA) adalah salah satu metode pengenalan yang dikembangkan sebagai metode pengenalan wajah dengan hasil tingkat akurasi yang cukup tinggi.
Berdasarkan latar belakang penelitian yang dijelaskan sebelumnya, maka dapat dirumuskan masalah penelitian, yaitu bagaimana mengembangkan sistem keamanan berbasis Pengenalan wajah dengan informasi gender serta mengetahui tingkat akurasi sistem tersebut. Selain itu, diperlukan sistem pendeteksian wajah secara real time dan otomatis untuk meningkatkan kemanan bagi kontrol akses relay yang handal.
Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini adalah mengembangkan  kontrol akses sistem dan informasi gender serta mampu menguji proses pengenalan wajah dan informasi sebagai akses kontrol. Program aplikasi dibuat untuk pengenalan wajah dan informasi gender menggunakan metode Principal Component Analysis (PCA) sebagai proses pengenalan wajah dan pengenalan pola titik ekstraksi wajah untuk menghasilkan informasi gender serta penggunaan mikrokontroler arduino untuk mengaktifkan relay.

## METODE
Untuk merancang dan membuat aplikasi maka digunakanlah metode analisis dan metode perancangan aplikasi. Metode analisis terbagi menjadi beberapa langkah diantaranya studi pustaka dan metode analisis. Metode analisis yang digunakan pada penelitian ini adalah mempelajari metode PCA pada implementasinya dengan menggunakan OpenCV library . Perancangan algoritma dan struktur program dikembangkan dalam  perancangan program aplikasi kontrol akses sistem dan informasi gender serta penggunaan mikrokontroler berbasis Arduino.
Metode perancangan yang digunakan dalam penelitian adalah metode Waterfall Model , yaitu: (1) System Engineering . Permodelan ini diawali dengan mencari kebutuhan dari keseluruhan sistem yang akan diaplikasikan ke dalam bentuk software . Hal ini sangat penting, mengingat software harus dapat berinteraksi dengan elemen-elemen yang lain seperti hardware , database , dan sebagainya. Tahap ini sering disebut dengan Project Definition . (2) Software Requirement Analysis . Fase ini mengumpulkan kebutuhan secara lengkap dari sistem yang akan dibuat. Kemudian membentuk user stories yang akan menggambarkan fitur dan fungsional software yang dibutuhkan sesuai dengan kebutuhan. (3) Design . Tahap ini akan dirancang user interface pada sistem serta arsitektur pengkodean dengan menggunakan design pattern . Design pattern adalah solusi umum yang dapat digunakan dalam permasalahan umum yang sering terjadi pada software design dan bersifat object
oriented programming . (4) Coding . Setelah melakukan perancangan user interface , kemudian dilakukan pengkodean dengan menggunakan bahasa pemrograman. Dalam hal ini coding dilakukan menggunakan OpenCV. (5) Testing. Dalam pembuatan program dilakukan juga testing untuk memastikan bahwa semua kode berjalan dengan baik dan benar sesuai dengan ketentuan yang ada . Aplikasi dilakukan testing untuk memastikan bahwa semuanya berjalan dengan benar. (6) Maintenance . Pada fase ini dilakukan pemeliharaan sistem untuk mengatasi setiap masalah-masalah yang terjadi berkenaan dengan sistem. Fase ini berakhir ketika sistem yang dibuat sudah sesuai dengan kebutuhan yang telah dianalisa dari fase awal dan tidak terjadi kesalahan ketika sistem dijalankan. Tahapan ini adalah tahapan akhir dari waterfall model, tahapan ini merupakan tahapan untuk melakukan maintenance pada aplikasi yang telah dibuat. Tujuannya adalah untuk terus mengoptimalkan kinerja dari aplikasi yang telah dibuat.
Setelah program aplikasi telah selesai dibuat, maka pengujian program akan dilakukan lalu dievaluasi.

## Metode Principal Component Analysis (PCA) dan Computer Vision
Computer vision dapat diterapkan pada sistem akses dan robotika (Budiharto, Modern Robotics with OpenCV , 2014 dan Szeliski, 2010). Pada penelitian sebelumnya (Budiharto, The Access Control System Based on Linear Analysis , 2014), sudah dikembangkan pengembangan kontrol akses berbasis LDA (Eleyan dan Demirel, 2007), namun tidak mampu membedakan gender. Metode yang umum digunakan untuk face recognition dapat menggunakan PCA. Adapun perhitungan dari PCA adalah sebagai berikut: Principal Component Analysis (PCA) dikenal juga dengan metode Karhunen- Loeve Transformation (KLT). Metode PCA merupakan teknik standar yang digunakan dalam pengenalan pola statistikal dan pemrosesan sinyal untuk data reduction dan ekstraksi fitur. Sebagai pola statistical sering mengandung informasi yang berlebihan, pada pemetaan sebuah vector dapat menyingkirkan redudansi namun sebagian memperbesar instrinsik pola (Eleyan dan Demirel, 2007).
Sebuah gambar wajah dalam 2D dengan ukuran N x N dapat dianggap sebagai vektor dimensi . Gambar wajah yang mirip secara keseluruhan konfigurasi tidak akan secara acak didistribusikan dalam ruang gambar yang besar dengan demikian dapat dijelaskan oleh subruang dimensi yang  relatif lebih rendah. Pemikiran utama dari prinsip komponen untuk menentukan vektor yang paling cocok untuk distribusi citra wajah dalam keseluruhan ruang gambar vektor. Vektor ini mendefinisikan subruang dari citra wajah, yang kita sebut face space . Masing-masing vektor tersebut adalah panjang , menjelaskan N × N gambar, dan merupakan kombinasi linear dari gambar wajah aslinya karena vektor ini adalah vektor eigen dari matriks kovarians sesuai dengan gambar wajah aslinya.
PCA memberikan transformasi ortogonal yang disebut juga dengan eigenimage yaitu sebuah citra akan direpresentasikan ke dalam bentuk proyeksi linear searah dengan eigenimage yang bersesuaian dengan nilai Eigen terbesar dari matriks covariance . Dalam prakteknya, matriks covariance ini dibangun dari sekumpulan image training yang diambil dari berbagai objek. Sebuah citra 2D dengan dimensi kolom dan baris dapat direpresentasikan ke dalam bentuk citra 1D. Dalam penelitian ini ukuran jumlah kolom dan baris pixel citra adalah sama, sehingga nantinya akan terbentuk dimensi   (Turk dan Pentland, 1991).
Misalnya ada sejumlah individu yang dijadikan sampel. Dari setiap individu diambil citra, sehingga total citra didalam training set adalah:
Sejumlah sampel citra dinyatakan sebagai Γ , , Γ , Γ , … . . , Γ M didalam sebuah ruang citra dimensi. Kumpulan citra tersebut dihitung nilai rata-ratanya yang disebut juga sebagai average face dengan perhitungan berikut:
∑ Γ (2)
Setiap nilai citra wajah dikurangi dengan nilai rata-rata membentuk kumpulan vektor menggunakan rumus:
Γ ψ (3)
Kemudian kumpulan vektor yang sangat besar ini kemudian mengikuti pada aturan PCA, vektor tersebut mencari sejumlah vektor-vektor ortonormal dan nilai Eigen yang terbaik dalam menggambarkan distribusi dari data tersebut.
∑ Φ (4) nilai maksimumnya 1, 0,
Vektor-vektor dan nilai-nilai adalah vektor-vektor Eigen dan nilai-nilai Eigen dari matriks covariance
∑ Φ Φ (5)
matriks A = Φ Φ … Φ
Matriks covariance C, yaitu matriks adalah benar matriks simetris. Perhitungan eigenvector dan eigenvalue adalah untuk mengkonfersi ukuran images. Memerlukan komputasi yang layak untuk menemukan eigenvector . Matriks diambil vektor-vektor Eigen terbaik sebanyak jumlah data. Karena vektor-vektor Eigen ini memiliki dimensi yang sama dengan dimensi citra yang asli, maka vektor-vektor ini jika disusun menjadi matriks berukuran akan membentuk citra yang mirip dengan wajah aslinya.
Eigenvector untuk   untuk adalah
(6) Premultipying dari A adalah
(7) Kita melihat bahwa adalah eigenvector dan   adalah eigenvalue dari    C = . Setelah analisis ini, membangun M x M matriks L = yaitu
Φ Φ dan menemukan M eigenvector, , dari L
Vektor ini menentukan kombinasi linear dari M untuk membentuk Eigenfaces
∑ Φ , 1, … , (8)
Dengan menganalisis penggunaaan PCA sangat mengurangi kalkulasi dari sejumlah piksel  di dalam citra ke urutan jumlah gambar pada training M, training set gambar wajah akan relatif kecil (M << ) dan perhitungan menjadi sangat mudah. Eigen yang berhubungan memungkinkan untuk menentukan peringkat eigen vector menurut kegunaannya dalam menggambarkan variasi antara gambar. Gambar eigenface dihitung dari vector eigen dari L span dasar yang dapat digunakan untuk menggambarkan citra wajah. Komponen eigenface di proyeksikan dengan operasi sederhana.
= Γ (9)
Untuk k = 1,…, M   membentuk vektor proyeksi
Ω … (10)
Masing-masing eigenface dapat mewakili citra wajah. Vektor proyeksi ini kemudian digunakan dalam algoritma pengenalan wajah standar untuk mengidentifikasi dari sejumlah kelas wajah yang ditetapkan. Titik vektor wajah Ω dapat dihitung dengan rata-rata hasil representasi eigenface atas sejumlah kecil citra wajah masing-masing individu. Klasifikasi dilakukan dengan membandingkan vektor proyeksi gambar wajah pelatihan dengan vektor proyeksi gambar input wajah. Perbandingan ini didasarkan pada jarak Euclidean antara kelas wajah dan citra input wajah. Hal ini digunakan untuk meminimalkan Euclidean distance .
Ω Ω (11)

## Euclidean Distance
Euclidean distance adalah salah satu metode yang digunakan dalam pengenalan wajah. Metode ini digunakan untuk melakukan perhitungan jarak antara fitur yang ada pada wajah seperti mata, kuping, hidung serta untuk melakukan klasifikasi citra wajah yang baru dengan citra wajah yang telah diketahui. Nilai Euclidean distance bisa dilakukan dengan menggunakan rumus berikut:
(12)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilaksanakan, maka dibentuklah suatu sistem pengenalan wajah dan informasi gender dengan menggunakan microcontroller sebagai kontrol akses relay . Adapun usecase diagram yang digunakan sesuai dengan konsep Pressman (2010) dan Sommerville (2011) untuk pembuatan aplikasi adalah sebagai berikut:
2 i i e y x y x   
Gambar 1 Use Case Diagram sistem
Berikut ini adalah alur flowchart face recognition
Gambar 2 Alur Flowchart sistem
Tampilan Form Relay yang dikembangkan terdiri dari beberapa komponen yaitu:  (1) Port yang dipilih adalah port Com 3 pada menu combo box dan klik connect relay microcontroller untuk mengaktifkan relay secara otomatis ketika pengenalan wajah dikenali pada proses selanjutnya. (2) Button click disconnect tidak menemukan port pada relay. (3) Box akan menampilkan nilai biner dari sistem relay jika 1 maka On (terdeteksi), jika 0 maka Off (tidak terdeteksi).
Tampilan layar input data, setelah proses ditemukan objek wajah maka user menekan tombol n dan meng- input data berupa nama dan gender . Setelah data di- input maka proses selanjutnya yaitu training .  Pada saat training data, wajah yang terdeteksi adalah wajah secara frontal. Proses training data melalui beberapa tahapan training yaitu melakukan perhitungan PCA, mengkalkulasi perhitungan confidence dari data yang dimasukkan dan menyimpan file dalam train.txt setelah dilakukan training data dan perhitungan menggunakan metode PCA. Gambar 1 menampilkan hasil pengenalan wajah dan gender:
Gambar 3 Hasil face and gender recognition untuk menghidup/matikan relay
Pada tampilan hasil akhir sistem ini menghasilkan sebuah deteksi wajah, nama, gender yang telah di- input sebelumnya serta tingkat keakurasian data.
Gambar 4 Tampilan Relay On pada microcontroller
Pada relay akan tampil relay on jika terdeteksi dan lampu relay akan menyala. Data diterima dengan baik, kamera mendeteteksi dengan tepat maka terdeteksi selanjutnya relay akan menyala seperti gambar di atas.
.
Gambar 5 Display Wajah Tidak Terdeteksi
Tampilan wajah tidak terdeteksi oleh webcam maka, webcam tidak mendapat gambar objek wajah.
Gambar 6 Tampilan Relay Off
Tampilan relay ketika tidak menemukan objek wajah, maka relay akan mati/off. Tabel 1 menampilkan evaluasi testing set:

## Tabel 1 Evaluasi Testing Set
Testing Set Time (Second) Accuracy 15 8 93 % 20 12 96%
25 20 98%
Tabel 2 Menampilkan  Hasil Evaluasi Training Data dengan Test Data .
Tabel 2 Evaluasi Training data .pgm Hasil Training Label Nama 1 Fikar
2 Sujono 3 Limbong 4 Putri

## SIMPULAN
Aplikasi ini  dapat membantu proses peningkatan keamanan dalam mendapatkan informasi identitas seseorang dengan mendeteksi wajah. Aplikasi membantu petugas keamanan dalam menjaga dan meningkatkan keamanan serta mengurangi tindakan pemalsuan identitas. Metode Principal Component Analysis memiliki tingkat akurasi rata-rata di atas 75%. Kesalahan dalam melakukan pengenalan dapat terjadi karena kemiripan antara dua wajah atau citra wajah yang berbeda. Relay bekerja dengan baik sehingga keakuratan sistem berfungsi dengan baik. Metode Principal Component Analysis, Nearest Neighbor, Haar Cascade Classifier, dan lain- lain yang digunakan memiliki kerterkaitan yang baik. Sistem ini hanya mengenali bentuk rupa wajah secara standar. Nilai akurasi mencapai 98 %, di mana cukup memuaskan untuk dapat diterapkan pada kehidupan nyata.
Adapun saran mengenai keterbatasan akan perancangan sistem ini jika akan digunakan sebagai bahan penelitian atau perancangan lebih lanjut adalah: (1) Menggunakan program perancangan lain, misalnya seperti Visual Studio C#. (2) Menggunakan Graphic User Interface (GUI) yang lebih menarik dan mudah dipahami oleh orang lain sehingga lebih user friendly. (3) Menggunakan fitur-fitur yang lebih kompleks dan detail, bukan saja deteksi wajah dan gender, melainkan juga mengenali kornea mata, suara dan foto. (4) Menggunakan database sehingga data yang disimpan bisa dalam jumlah yang banyak.

## DAFTAR PUSTAKA
Budiharto, W. (2014). Modern Robotics with OpenCV . Jakarta: Science Publishing Group.
Budiharto, W. (2014). The Access Control System Based On Linear Discriminant Analysis. Journal of Computer Science , 10 (3), 453-457.
Eleyan, A., Demirel, H. (2007). PCA and LDA Based Neural Networks for Human Face Recognition . Face Recognition. Austria: Intech.
Pressman, R. S. (2010). Software Engineering: A Practitioner’s Approach 7th Edition . New York: McGraw-Hill Higher Education.
Sommerville, I. (2011). Software Engineering (9 th ed.). Pearson.
Szeliski, R. (2010). Computer Vision: Algorithms and Applications . Washington: Springer.
Turk, M. and Pentland, A. (1991). Eigenfaces for Recognition. Journal of Cognitive Neuroscience , 3 .