PUBLIPRENEUR POLIMEDIA: JURNAL ILMIAH JURUSAN PENERBITAN POLITEKNIK NEGERI MEDIA KREATIF Vol. No. Dec 2022 hal. Submitted: 24 Oct 2022 Accepted: 25 Nov 2022 IMAGE RESTORATION TECHNIQUES USING MAXWELL BOLTZMANN DISTRIBUTION Yulianto Agung Rezeki*. Nurul Azizah. Raga Patmita Roro Febriani. Rania Milenia. Rendi Aldona Fajar 1Program Studi Pendidikan Fisika. Universitas Sebelas Maret. Indonesia E-mail: yarezeki@staff. ABSTRACT Image restoration technology has many functions and roles in various fields. With the image restoration technology, it is easy for human to describe something through the displayed pictures. However, in practice there are many shortcomings, one of which is the amount of noise and the resulting image is not clear. Therefore, the image restoration method is a solution that can be used to solve this problem. With image restoration, the image that have been previously produced can be modified so that the results are clearer. Maxwell Boltzmann distribution plays a very important role in supporting this image restoration method. The applications in Maxwell Boltzmann we will discuss in here are image restoration filters with Simulated Annealing in magnitude image restoration, modelling in adaptive spatial image restoration, and endoscopic image restoration. In conclusion, image technology can be found in various fields and with different Keyword: filter, image restoration, kernel. Maxwell Boltzmann TEKNIK RESTORASI CITRA MENGGUNAKAN DISTRIBUSI MAXWELL BOLTZMANN ABSTRAK Teknologi restorasi citra memiliki banyak fungsi dan peran di berbagai bidang. Dengan adanya teknologi restorasi citra, manusia dapat dengan mudah untuk mendeskripsikan sesuatu hal melalui citra yang ditampilkan. Namun, dalam prakteknya banyak kekurangan, salah satunya adalah banyaknya noise dan tidak jernihnya citra yang Oleh karena itu, metode restorasi citra menjadi solusi alternatif yang dapat digunakan untuk mengatasi hal tersebut. Dengan restorasi citra, citra awal yang telah dihasilkan sebelumnya dapat dimodifikasi sehingga hasilnya menjadi lebih jernih. Distribusi Maxwell Boltzmann sangat berperan dalam mendukung metode restorasi citra Penerapan Maxwell Boltzmann yang akan dibahas di sini yaitu restorasi citra pada dengan Simulated Annealing dalam restorasi citra magnitude, pemodelan dalam restorasi citra spasial adaptif, restorasi citra endoskopi. Kesimpulannya adalah teknologi citra dapat ditemukan diberbagai bidang serta dengan teknologi yang berbeda-beda. Kata kunci: filter, restorasi citra, kernel. Maxwell Boltzmann Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. PENDAHULUAN permasalahan noise yang muncul secara Hal tersebut tentunya bisa diselesaikan dengan cara mekanika Mekanika statistik adalah salah satu metode yang dapat memperlakukan citra secara konsisten. Metode ini memproses informasi citra secara Pada mekanika statistik terdapat beberapa fungsi distribusi, salah satunya adalah distribusi Maxwell Boltzmann yang berlaku untuk partikel identik tetapi terbedakan. Secara khusus dalam mekanika statistik, distribusi Maxwell Boltzmann distribusi yang digunakan untuk menggambarkan kecepatan partikel gas yang bergerak bebas antara tumbukan kecil tetapi berinteraksi satu sama lain dan dipengaruhi oleh temperatur sistem, massa partikel, dan kecepatan partikel (Pratomo, 2. Noise yang bersifat acak pada citra dapat diselesaikan dengan distribusi Maxwell Boltzmann Pada artikel ini akan Maxwell Boltzmann. Masalah yang kerap muncul dalam proses restorasi adalah munculnya Kemunculan noise ini dapat menyebabkan nilai pixel menjadi turun. Selain kemunculan noise, terdapat juga beberapa permasalahan pada restorasi citra seperti citra terlalu gelap atau terang, citra kurang tajam, blur, dll (Afiyat, 2. Harus ditemukan cara yang efektif agar pengamat tidak terkecoh dengan hasil restorasi citra yang terdegradasi. Solusi yang bisa dilakukan untuk mewujudkan citra dalam tampilan yang jernih yang banyak dilakukan salah satunya adalah proses restorasi citra. Restorasi citra merekonstruksi citra yang sebelumnya menyerupai citra aslinya (Erwin, 2. Citra yang terdegradasi sebetulnya dapat diolah melalui proses yang konvensional yaitu menggunakan filter linear dan filter non linear. Filter linear contohnya high pass filter dan low pass filter, sedangkan filter non linear Proses konvensional tersebut hanya bisa digunakan apabila noise pada citra muncul karena faktor derajat keabuan . ray-leve. , akan tetapi jika citra mengalami noise yang muncul secara acak maka metode konvensional Penyebab munculnya noise pada citra bisa dikarenakan dari karakteristik derajat keabuan . ray-leve. , ataupun karena adanya variabel acak yang terjadi karena karakteristik Probability Density Function (PDF) (Wedianto et al. Dalam hal inilah, peran statistika untuk menghitung peluang yang datang secara acak diperlukan sebagai Begitu juga halnya dengan METODE PENELITIAN Metode penulisan artikel ini adalah literature Artikel-artikel berhubungan dengan teknik restorasi citra menggunakan distribusi Maxwell Boltzmann disusun dan dijadikan sebagai rujukan dalam penulisan HASIL DAN PEMBAHASAN Pemanfaatan kernel distribusi Maxwell Boltzmann Permodelan Restorasi Citra Spasial Adaptif Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. Cho dkk. pada tahun 2014 telah membuktikan apakah metode yang disulkannya akan memunculkan detail yang lebih jelas. Metode desain yang eksperimen restorasi citra spasial adaptif ini adalah FIR (Finite Impulse Respons. filter, spesifiknya filter ini memotong filter kuadrat terkecil restorasi citra yang dibatasi atau biasa disebut Constrained Least Squares (CLS) yang asli untuk menghasilkan real time restorasi citra spasial adaptif (Cho et al. Filter kuadrat terkecil itu sendiri dalam restorasi citra merupakan mengestimasikan fungsi linear dari sebuah data dan meminimalkan kesalahan kuadrat rata-rata antara solusi sebenarnya dan solusi itu sendiri (Helstrom, 1. Filter CLS dipotong oleh beberapa kernel untuk mengurangi kehabisan energi di tengah-tengah dan untuk menghaluskan sekeliling filter atau biasa disebut Truncated Constrained Least Squares (T-CLS). lebih tinggi sehingga pemotongan di sekitar filter nya kurang halus, tetapi kehilangan energi di tengah-tengah (Kim et al. , 2. Dalam pemodelan FIR filter di sini digunakan kernel distribusi Maxwell Boltzmann yang jauh lebih unggul daripada kernel Gaussian maupun kernel Cosinus. Gambar 1 merupakan hasil percobaan restorasi citra menggunakan kernel Gaussian, kernel Cosinus, dan kernel yang diusulkan dari pemodelan Maxwell Boltzmann. Pada eksperimen tersebut, digunakan filter T-CLS yang berukuran 13y13, dan standar deviasi dari fungsi penyebaran titik distribusi Gaussian sebesar 1,5. Kernel sendiri merupakan inti dari sistem pengoperasian yang berfungsi untuk mengendalikan dan mengolah kerja sistem hardware pada komputer (Wamiliana et al. , 2. Pada pemodelan yang biasanya, dilakukan menggunakan kernel Gaussian ataupun kernel Cosinus. Masing-masing kernel Gaussian dan kernel Cosinus memiliki kekurangan dan kelebihan. Kernel Gaussian mengalami kehilangan energi di tengahtengah, akan tetapi kernel Gaussian memiliki pemotongan yang lebih halus di sekitar filter karena adanya artefak dering yang lebih rendah. Adapun kernel Cosinus memiliki dering yang Gambar 1. Gambar restorasi dengan filter T-CLS dengan menggunakan . Kernel Gaussian, . kernel Cosine, dan . kernel yang diusulkan Dalam eksperimen ini, citra yang asli didegradasi dengan fungsi penyebaran Gaussian menunjukan bahwa metode yang diusulkan lebih kompatibel untuk perestorasian citra. Kernel distribusi Maxwell Boltzmann dalam penelitian ini memotong filter CLS dengan tujuan Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. mempertahankan satu set lobus utama dari filter CLS asli yang diberikan dukungan filter terbatas. Boltzmann dalam domain frekuensi dan hibridisasi dengan algoritma SURE-LET untuk pemulihan yang efektif dari citra endoskopi yang terdegradasi. Filter TCLS berhasil mengurangi degradasi dan algoritma SURE-LET dan mengurangi noise acak pada citra endoskopi. Metode yang diusulkan tersebut menggunakan kernel distribusi Maxwell Boltzmann yang dapat mengatasi keterbatasan kernel Pemanfaatan Maxwell Boltzmann dalam Restorasi Citra Endoskopi Endoskopi merupakan salah satu teknik yang sering digunakan pada dunia medis untuk melihat secara langsung kondisi di dalam saluran pencernaan menggunakan alat yang bernama endoskop (Kaminang et al. , 2. Endoskopi sering digunakan untuk seseorang dan merupakan tindakan non Ada tiga bagian utama dari prosedur endoskopi, yang pertama yaitu. Sigmoidoscopy. Colonoscopy, dan Upper GI (Gastro Intesitina. Prosedur Sigmoidoscopy menentukan rektum dan bagian bahwa usus . sus besa. , sedangkan prosedur Clonoscopy digunakan untuk memeriksa pada bagian seluruh usus besar . dan bagian bawah usus kecil, sedangkan untuk lapisan sistem GI atas prosedur Upper GI (Trambadia & Mayatra, 2. Percobaan metode tradisional T-CLS filter. Jenis didegradasi oleh tingkat ekstrim yang lebih tinggi dari dimensi topeng blur 70 dan noise acak (White nois. level 0,001. Gradien lereng E dan nilai median kemiringan d dalam kernel distribusi Maxwell Boltzmann masing-masing disetting pada 1000 dan 7 yang memberikan hasil terbaik untuk citra Perbedaan citra endoskopi dengan prosedur Sigmoidoscopy. Colonoscopy dan Upper GI terdegradasi dengan jumlah penutup buram dimensi 70 dan noise acak 0,001 untuk memvalidasi metode yang diusulkan memberikan hasil yang lebih baik dalam ketentuan parameter PSNR. MSE dan SSIM dibandingkan dengan metode konvensional (Kim et al. , 2. Citra yang dihasilkan dari pemeriksaan menggunakan endoskopi terdapat pencahayaan pada saat pengambilan citra, dan juga peningkatan noise ini endoskopi serta disebabkan oleh kurang fokusnya kamera pada alat endoskop (Bonaccorsi et al. , 2. Parameter PSNR (Peak signal to noise rati. adalah salah satu paramter yang sangat umum di dalam bidang kompresi sebuah data yang digunakan untuk memahami citra konstruksi dengan citra aslinya. Pada parameter ini Itulah sebabnya (Trambadia & Mayatra, 2. telah merancang filter T-CLS (Truncated Constrained Least Square. dengan kernel distribusi Maxwell Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. terkuadrat rerata atau MSE (Mean Squared Erro. Jika galat antara citra terkonstruksi dengan citra asli maka akan semakin mengecil dan sebaliknya PSNR akan bertambah besar. PSNR = 10 log 2 Filter T-CLS dengan kernel distribusi Maxwell Boltzmann mampu memulihkan citra yang terdegradasi untuk sebagian besar bagian, akan tetapi pada pembuluh darah vena tipis tidak dapat dipulihkan secara efektif. AAu Dimana E adalah galat terkuadrat rerata (MSE) yang diberikan oleh: 1 M Oe1 N Oe1 AAu 2 = xt , j xIt , j ) Eu Eu MN t =0 j =0 Dimana x[. ] adalah citra asli dengan dimensinya adalah MxN dan ycuC [. adalah citra terekonstruksi. PSNR yang mengahasilkan kualitas citra yang juga jauh lebih baik. (Sianipar et al. , n. Gambar 2. (Gambar Sigmoidoscop. Gambar Asli, . Gambar yang terdegredasi dengan 70 dimensi yang buram dan intensitas random noise . T-CLS filter Maxwell Boltzmann . Metode yang Sedangkan untuk parameter SSIM (Structural Similarit. sering digunakan pada pengukuran kualitas citra yang didasarkan dari pengukuran degradari kualitas dari suatu citra input yang juga bisa dijadikan sebagai nilai akurasi. ( 2A x A y )( 2A xy c2 ) SSIM ( x , y ) = 2 ( A x A y2 c. (A x2 A y2 c2 ) Pada Gambar 3, bagian yang disoroti menunjukan refleksi yang disebabkan oleh jaringan lembab. Terkadang refleksi memperlihatkan posisi dari tukak lambung pada citra endoskopi. Dikarenakan adanya degradasi, refleksi mengusulkan metode dipulihkan secara efektif dibandingkan dengan metode Dari SSIM menjelaskan bahwa yuNycu adalah nilai dari rata-rata gambar x dan yuNyc gambar x dan yuaycu 2 merupakan nilai variansi yang ada pada gambar x. Selanjutnya yuayc 2 adalah nilai variansi gambar y, dan yang terakhir yuaycuyc yaitu nilai dari kovarian pada gambar x dan y. (Santosa et al. Pada Gambar 2, bagian yang disoroti adalah pembuluh darah vena tipis. Ini ada kemungkinan untuk tidak dapat terlihat atau tersembunyi dipengaruhi oleh degradasi. Degradasi disini seperti yang diamati pada gambar Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. Gambar 3. (Gambar Colonoscop. gambar asli, . Gambar yang terdegredasi dengan 70 dimensi yang buram dan intensitas random noise, . T-CLS filter Maxwell Boltzmann . Metode yang pada citra grayscale yaitu menggunakan distribusi posterior. Distribusi posterior distribusi sampel dan distribusi prior melalui metode Bayes (Hazhiah et al. Metode Bayes sendiri adalah membutuhkan informasi dalam bentuk kemungkinan untuk setiap pilihan yang ada pada kasus yang kemudian dapat memberikan nilai harapan sebagai (Matematika, 2. Dari metode tersebut. Adi dkk. pada tahun 20017 mengusulkan sebuah metode untuk restorasi citra menggunakan distribusi Maxwell Boltzmann sebagai probabilitas energi dari tiap piksel dan juga menggunakan Simulated Annealing (SA) untuk penjadwalan suhu pada citra Dengan metode SA, parameter suhu akan berfungsi menjadi sebuah kontrol. Pada awal proses SA suhu akan di-setting tinggi, kemudian seberapa optimal solusi sementara yang telah diperoleh akan mengalami Modifikasinya bersifat bebas, jika hasil evaluasi dari nilai fungsinya mengecil maka solusi hasil modifikasi ini akan digunakan sebagai solusi selanjutnya. Jika hasil evaluasi dari nilai fungsinya masih tetap tinggi saat temperature annealing maka solusi yang lebih buruk ini juga masih mungkin untuk diterima. Tahapan selanjutnya pada SA adalah penurunan temperature secara perlahan, dengan begitu probabilitas untuk menerima memperbaiki nilai fungsi evaluasi semakin sedikit, sampai akhirnya ditemukan solusi akhir yang paling optimal (Firdaus et al. , 2. Pada Gambar 4, hal yang disoroti adalah pada bagian kerongkongan yang Dikarenakan jumlahnya yang besar mungkin saja degradasi dari maag tidak terlihat atau Metode konvensional menghasilkan efek halo . enghalusan tepi yang tidak diinginka. di posisi maag dan ukuran akurat tidak dapat Sedangkan metode yang diusulkan secara efektif memulihkan degradasi citra dan mengembalikan efek halo yang sebagian besar terlihat dari hasil gambar Upper GI di atas. Gambar 4. (Gambar Upper GI). gambar asli, . Gambar yang terdegredasi dengan 70 dimensi yang buram dan intensitas random, . T-CLS filter dengan kernel distribusi Maxwell Boltzmann . Metode yang diusulkan Pemanfaatan Distribusi Maxwell Boltzmann dan Simulated Annealing dalam Restorasi Citra Magnitude Sebelumnya sebuah metode untuk restorasi citra Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. ycN = temperature ycs = fungsi partisi Teknik Maxwell Boltzmann dan SA pada restorasi citra di sini diawali dengan membangun sebuah rantai Markov. Kemudian rantai Markov yang terdiri dari citra dengan distribusi Maxwell Boltzmann, temperaturnya diatur mulai dengan instalasi citra awal yce0 . sebagai notasi dari citra digita. Rantai Markov sendiri merupakan suatu model yang menggambarkan dan menganalisa kealamian suatu perubahan diakibatkan oleh perubahan yang diakibatkan oleh pergerakan dari satu tempat ke tempat lain dan juga dari satu state . esarnya suatu kelas/kelompo. ke state lain (Aidi, 2. Adapun sistematisasi pengaplikasian Maxwell Boltzmann dan SA pada restorasi citra digital ini yaitu: Menghitung Maxwell Boltzmann dari citra yceyco , kemudian ditandai dengan ycEycyco . Adapun persamaannya diberikan oleh persamaan. Untuk rasio probabilitas diberikan oleh persamaan ycEycyco /ycEycyc Oeyayco ycEycyco ycs yce ycoycN yc ycEycyc 1 Oeya ycoycN yce ycs = yce Oe. ayco Oeyayc )/ycoycN = yce OeOIya/ycoycN Restorasi citra menggunakan metode distribusi Maxwell Boltzmann dan Simulated Annealing menggunakan algoritma Metropolis Hastings Markov Chain Monte Carlo (MHMCMC). Pada dasarnya algoritma Metropolis Hastings merupakan formula umum untuk semua penggunaan metode Markov Chain Monte Carlo. Adapun metode Markov Chain Monte Carlo sendiri adalah suatu rangkaian untuk menciptakan barisan sampel acak yang berasal dari distribusi probabilitas, dengan membangun rantai Markov sesuai dengan distribusi tertentu yang Berikut ini penjabaran algoritma Metropolis Hastings dengan menggunakan langkah-langkah iterasi, dimana yeo. adalah vektor dari nilainilai yang dibangkitkan di iterasi ke-t dari algoritma: Mengatur nilai awal ycu . Untuk t = 1. mengatur nilai ycu = ycu . cOe. membangitkan calon nilai baru ycuA dari distribusi proposal yc. cu Ie ycuA) = yc. cuAiCyc. menghitung min. , . cuA)yc. cuiCycuA))/ . cuAiCyc. )) membangkitkan sampel acak uycO . ycEycyco = yce Oeyayco/ycoycN ycs Memilih piksel secara acak dari citra tersebut Menghitung distribusi dari Maxwell Boltzmann pada piksel citra sampel . ceyc ) dan ditandai ycEycyc . Adapun persamaannya diberikan oleh ycEycyc = ycs yce Oeyayc /ycoycN Menerima piksel dari citra sampel dengan probabilitas p yang diberikan oleh persamaan ycEyc ycy = ycoycnycu . , ycEyc ycn ) yayco = energi piksel pada citra yceyco yayc = energi piksel pada citra yceyc yco = konstanta Boltzmann Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. memperbaharui ycu . = ycuA penerimaan dan ycu . = ycu . cOe. dengan probabilitas 1. Jika uO yu maka ycuA diterima sebagai anggota sampel dan jika yc > yu maka nilai sebelumnya . yang akan diterima sebagai anggota (Irawanti et al. , 2. Adapun algoritma dari MHMC dapat dijabarkan sebagai berikut: Menginisialisasi temperature awal T dan inisialisasi citra yce0 = yci1 yceyco = yce0 Mengacak nilai threshold dan tandai dengan ft Menghitung persamaan 1 Menghitung persamaan 2 Menghitung probabilitas untuk penolakan Jika perbandingan probabilitas < 1, maka piksel citra sampel diterima dengan yce1 = yceyc , atau yce1 = yce0 Mengambil yce1 sebagai piksel citra sampel yceyco Kembali mengacak nilai threshold dengan ditandai ft Gambar 5. Restorasi citra dengan model distribusi Maxwell Boltzmann pada temperature awal . 1,18, . 2,60, dan . 4,40. Proses Maxwell Boltzmann dan Simulated Annealing dapat dikatakan berjalan dengan baik apabila piksel yang diupdate akan semakin berkurang seiring bertambahnya iterasi. Hal ini dapat ditunjukan dari Gambar 6. Gambar 5 merupakan hasil restorasi citra digital menggunakan pendekatan distribusi Maxwell Boltzmann dan Simulated Annealing Gambar 6. Grafik SNR vs iterasi pada temperature awal . 1,18, . 2,60, dan . 4,40. Publipreneur Polimedia: Jurnal Ilmiah Jurusan Penerbitan Politeknik Negeri Media Kreatif Vol. No. Dec 2022 hal. Proses update piksel masih belum dapat dikatakan dengan baik menurut grafik pada Gambar 5 karena masih banyak piksel-piksel yang belum terupdate. Hal tersebut disebabkan karena sifat dari noise Gaussian yang menambahkan nilai hampir semua piksel dan proses penurunan energi dari piksel-piksel sudah mencapai titik jenuh. Masih diperlukan pengembangan algoritma dari keseluruhan proses restorasi citra agar memberikan hasil yang lebih Constrained Least Square. dengan kernel distribusi Maxwell Boltzmann dalam domain frekuensi dan hibridisasi dengan algoritma SURE-LET, penelitian tersebut berusaha membuat restorasi citra endoskopi agar lebih optimal. Pada pembahasan terakhir, muncul lagi pengaplikasian Maxwell Boltzmann dalam bidang medis. Sebetulnya pengaplikasiannya di sini pada alat yang bernama MRI (Magnetic Resonance Imagin. Oleh karena itu, pada pembahasannya spesifik ditajamkan tentang penggunaan distribusi Maxwell Boltzmann AumagnitudeAy. Untuk teknik yang Maxwell Boltzmann dengan teknik Simulated Annealing. Sama seperti pembahasan sebelumnya, terdapat algoritma yang disusun dalam teknik restorasi citra magnitude ini. Algoritma yang dikembangkan di sini Metropolis Hastings Markov Chain Monte Carlo (MHMCMC). Terbukti bahwa sering bertambahnya iterasi pada algoritma yang diusulkan tersebut dapat mengupdate piksel pada citra magnitude. KESIMPULAN Dari beberapa pembahasan dapat Maxwell Boltzmann dalam teknologi restorasi citra sangatlah luas. Metode yang digunakan dalam restorasi citra serta jenis-jenis citra pun sangat Pada Maxwell Boltzmann digunakan spesifik pada jenis kernel. Jenis citra yang dibahas adalah citra yang diambil menggunakan kamera untuk mencetak panorama alam. Metode eksperimen dengan membandingkan kernel Gaussian, cosinus, dan Maxwell Boltzmann. Terbukti bahwa hasil citra yang menggunakan kernel Maxwell Boltzmann yang paling jernih. Pada pembahasan kedua, pemanfaatan Maxwell Boltzmann juga masih digunakan spesifik pada jenis kernel. Pengaplikasiannya sendiri digunakan dalam bidang medis, yaitu pada pencitraan endoskopi. Menggunakan T-CLS (Truncated DAFTAR PUSTAKA