DIGITAL WATERMARKING DALAM DOMAIN SPATIAL MENGGUNAKAN PENDEKATAN BLOK Oleh : MURINTO 1, AGUS HARJOKO 2 1) Prog.Studi Teknik Informatika UAD Jogjakarta, email :rintokusno@yahoo.com 2) Staf Pengajar Fakultas MIPA UGM Jogjakarta ABSTRAK Teknologi digital menunjukkan perkembangan yang pesat pada akhir-akhir ini. Teknologi digital menawarkan beberapa keunggulan dibanding dengan sistem analog. Keunggulan tersebut diantaranya : kemudahan dalam transmisi data, penyuntingan dalam bagian data digital, tanpa menimbulkan kerusakan yang berarti pada kualitas data tersebut. Kemudahan-kemudahan tersebut pada akhirnya dapat dimanfaatkan secara negatif tanpa memperhatikan aspek hak intelektual ( Intellectual Property Right). Salah satu cara untuk mengatasi persoalan hak cipta digunakanlah sistem digital watermarking. Dalam penelitian ini delaskan tentang pemakaian teknik digital wateramking dalam domain spatial untuk perlindungan hak cipta. Teknik ini mengeksploitasi sensitifitas indra penglihatan. Citra watermark disisipkan dalam citra host, dimana citra tersebut secara adaptif dapat dilihat dengan baik oleh indra penglihatan tanpa kehilangan kualitasnya. Hasil percobaan memperlihatkan bahwa watermark yang diekstrak dari citra host memperlihatkan hasil tetap terlihat dengan jelas, walaupun sudah mengalami pemrosesan citra secara umum. Pemrosesan citra yang dilakukan dalam penelitian ini adalah : Linear low-pass filtering linear, median filtering, resampling, cropping, rotation, and lossy JPEG compression Kata kunci : blok-blok citra,digital watermarking, domain spatial domain, pemrosesan citra
1. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi digital memperlihatkan kemajuan yang sangat pesat. Data digital selain mudah dalam penyebarannya melalui jaringan internet, juga mudah dan murah dalam penggandaan serta penyimpanannya. Banyak cara yang sudah ditempuh untuk memberikan atau melindungi data digital, seperti: encryption, visible marking, header marking, dan sebagainya, tetapi semua cara tersebut memiliki kelemahannya masing-masing. Satu dekade terakhir ini muncul penggunaan steganography untuk mengatasi masalah hak cipta pada data digital. Cara ini lebih dikenal dengan istilah tanda air (watermarking) (Mohanty,1999; Cox,1996). Teknik digital watermarking menyisipkan suatu digital watermark, yang digunakan untuk pembuktian keaslian kepemilikan atau perlindungan hak cipta, dalam media digital seperti teks, audio, citra, dan video. Beberapa penelitian terdahulu tentang digital watermarking telah dilakukan (Matsui,1996;Handoko, 2003; Pitas,1998 ; Watson, 1994). Perbedaaan antara satu penelitian dan lainnya adalah pada algoritma atau teknik watermarking yang digunakan. Dalam penelitian ini akan dibahas bagaimana cara menyisipkan watermark kedalam citra host dan mengekstraksi watermark tersebut untuk mendapatkan kembali citra asli tanpa watermark dengan menggunakan teknik digital watermarking. Selanjutnya akan diuji apakah teknik watermarking yang digunakan untuk penyisipan tersebut robust terhadap pemrosesan citra secara umum. 2. SISTEM DIGITAL WATERMARKING Terdapat dua hal penting dalam sistem digital watermarking yaitu encoder atau proses penyisipan dan decoder atau proses pengekstraksian. 2.1. Encoder Encoder atau proses penyispan watermark ke dalam citra host melalui dua tahap utama yaitu : pengacakan citra watermark (scrambling the watermark) dan penyisipan citra watermark kedalam citra host (embedding the scrambled watermark). Tujuan akhir dari penyisipan watermark adalah didapatkan watermark yang tahan terhadap tampering atau diakses oleh yang tidak berhak melalui suatu serangan. Untuk mendapatkan hal tersebut maka citra watermark pertama kali dipermutasi menjadi data acak yang terpilih (scrambled data) sebelum disisipkan. Algoritma penyisipan citra watermark ke dalam citra host adalah : 1. Urutkan pixel-pixel dalam blok yang terpilih (blok B) berdasarkan tingkat intensitas pixelnya. 2. Hitung intensitas rata-rata g mean, maksimal intensitas g max dan minimum intensitas g min dari blok B tersebut. 1 1 1 n n mean b 2 n i 0 j 0 g (1) g Maksimal( b ), 0 i, j n max (2) gmin min( b ), 0 i, j n (3) b = intensitas dari piksel ke (i,j) dalam blok B. 3. Kelompokkan setiap piksel blok B ke dalam satu kategori berikut dengan menggunakan g mean :
b b Z, jika b g (4) H L mean Z, jika b g, (5) mean dimana Z H dan Z L merepresentasikan kategori intensitas tinggi dan intensitas rendah. 4. Hitung nilai-nilai mean, m H dan m L dari dua kategori diatas. 5. Definisikan nilai kontras blok B sebagai : C n = max (C min, (g max - g min )) (6) dimana suatu kostanta, dan C min adalah suatu nilai konstan dimana merupakan suatu nilai minimal piksel yang akan dimodifikasi. 6. Asumsikan bahwa nilai yang disisipkan b w adalah 0 atau 1. Modifikasi nilai piksel dalam blok B tersebut melalui aturan sebagai berikut : a. Jika b w = 1 ; g =g max, jika g > m H g =g mean, jika m L g g mean g =g +, nilai lainnya. o Jika b w = 0 ; g =g min, jika g < m L g =g mean, jika g mean g< g =g -, nilai lainnya. Dimana g nilai intensitas piksel modifikasi dan adalah nilai generate random diantara 0 dan C n. 7. Modifikasi pixsel-pixsel dalam blok B, namakan B baru, kemudian tempatkan dalam lokasi yang sama pada blok B pixel-pixel dari citra host asli. 2.2. Decoder Decoder atau proses pengekstraksi watermark sama halnya dengan proses penyisipan dimana terjadi pembalikan. Dalam teknik ini, ekstraksi dari citra watermark harus mengacu pada citra host. Adapun langkah-langkahnya adalah sebagai berikut : 1. Urutkan pixel-pixel dalam blok yang terpilih (blok B). Gunakan nilai seed k, untuk mendapatkan suatu barisan dari posisi atau blok dimana citra watermark tersebut disisipkan. 2. Setiap posisi yang dipilih, misal B dan B mereprentasikan korespondensi blok-blok dari citra host dan citra watermark Hitung jumlah intensitas piksel S 0 dan S w, dari B dan B. 3. Dapatkan kembali nilai bit citra watermark b w dengan membandingkan S 0 dan S w : o b w =1, jika S w > S o o b w =0,untuk nilai yang lain. ' 4. Nilai bit watermark yang diekstraksi, b w s kemudian diinvers permutasi untuk mendapatkan kembali citra watermark yang asli. g m H
3. HASIL-HASIL PENELITIAN Citra host dalam penelitan ini mempunyai ukuran 512x512 gray level 256 dan watermark yang disisipkan berupa citra binary bitmap dengan ukuran 128x128 pixel. Gambar 1 dan Gambar 2, memperlihatkan citra host dan citra terwaternark. Gambar 1. Citra Host Gambar 2. CitraTerwatermark Dari Gambar 1 dan Gambar 2, dapat dilihat bahwa gambar antara citra host dan citra terwatermark kelihatan hampir sama. Sedangkan nilai signal to noise rasio (SNR) antara kedua citra tersebut adalah 45.8546 db. Untukmemperlihatkan robustness teknik watermarking yang digunakan dalam penyisipan ini terhadap operasi pemrosesan citra secara umum, dilakukan operasi proses sebagai berikut : linear low-pass filtering, median filtering, scaling, cropping, rotasi dan lossy JPEG compression pada index 25, 50, 75, dan 100. Dari pemrosesan citra terhadap citra watermark, didapatkan hasil dalam Gambar 3, yang memperlihatkan hasil dari penerapan linear lowpass filtering terhadap citra watermark. Filter merupakan suatu neighborhood averaging operation dengan mask berukuran 3x3. Sedangkan Gambar 4. memperlihatkan pemakaian 3x3 neighborhood median filtering untuk citra terwatermark. Gambar 5 menunjukkan operasi scaling. Citra terwatermark terlebih dahulu ukurannya dadikan ¼ dari citra asli dengan menggunakan scaling. Setelah itu citra subsampled diinterpolasi ke ukuran aslinya menggunakan interpolasi billinear. Adapun hasil operasi lowpass filtering, median filtering, scaling secara berurutan dapat dilihat dalam Gambar 3, Gambar 4, Gambar 5. Gambar 3. Lowpass Filtering Gambar 4. Median Filtering Gambar 5. Scaling Untuk memperlihatkan robustness metode ini terhadap lossy JPEG compression, pertama kali citra terwatermark dikompres dan kemudian citra watermark diekstrak dari citra yang dikompres tersebut. Hasil pengkompresan dapat dilihat dalam Gambar 6, Gambar 7, Gambar 8, Gambar 9, berturut-turut masing-masing memperlihatkan citra dikompres dengan menggunakan lossy JPEG pada index 100, 75, 50, 25.
Gambar 6. JPEG Index 100 Gambar 7. JPEG Index 75 Gambar 8.JPEG Index 50 Gambar 9.JPEG Index 25 Dari Gambar 10 dan Gambar 11, masing-masing dapat ditunjukkan hasil operasi cropping, rotasi 15 derajat. Citra terwatermark di-cropp dengan suatu mask berukuran 225 x 300 pixel. Sedangkan rotasi citra terwatermark sebesar 15 derajat menggunakan interpolasi billinear. Gambar 10. Cropping Gambar 11. Rotasi 15 Derajat Citra watermark yang disisipkan ke dalam citra host, kemudian diekstrak kembali setelah diadakan serangan-serangan terhadap citra terwatermark. Pengekstraksian tersebut bertujuan untuk mendapatkan kembali citra watermark yang sudah disisipkan ke dalam citra host. Pada Gambar 12. memperlihatkan citra watemark yang tidak diproses dengan serangan apapun. Sedangkan Gambar 13, dan Gambar 14. berturut-turut memperlihatkan hasil ekstraksi watemark dari penerapan linear lowpass filtering dan median linear filtering. Setelah dihitung nilai NC untuk kedua proses diatas, maka diperoleh hasil nilai NC proses linear lowpass filtering adalah 0.8538 dan nilai NC proses median linear filtering adalah 0.9318. Gambar 12.Tidak Di Proses Gambar 13. Ekstraksi Lowpass Gambar 14. Ekstraksi Median
Pada Gambar 15, dan Gambar 16. berturut-turut memperlihatkan hasil ekstraksi watemark dari penerapan proses cropping dan rotasi 15 derajat. Setelah dihitung nilai NC untuk kedua proses diatas, maka diperoleh hasil nilai NC proses cropping adalah 0.7064 dan NC proses rotasi adalah 0.9341. Gambar 15. Ekstraksi Cropping Gambar 16. Ekstraksi Rotasi Pada Gambar 17. memperlihatkan hasil ekstraksi watemark dari penerapan proses lossy JPEG pada index 100, 75, 50, 25. Setelah dihitung nilai NC dan SNR untuk proses diatas, maka didapatkan pada index 100,75, 50, 25 berturut-turut nilai NC adalah 0.9901, 0.9458, 0.9120, dan 0.8845. JPEG Index 75 JPEG Index 100 Gambar 17. Ekstraksi Lossy JPEG Compression Dari gambar-gambar yang ditampilkan diatas terlihat bahwa untuk citra watermark masih dapat diperlihatkan eksistensinya. Walaupun untuk ketahanan terhadap serangan lowpass filtering, citra watermark hasil ekstraksi kelihatan yang samar-samar Similaritas antara kedua citra watermark yaitu antara citra watermark yang tidak diproses dan citra watermark yang diperoleh dari hasil ekstraksi pemrosesan citra secara kuantitatif diukur dengan normalized cross correlation (NC) (Hsu and Wu, 1999) yang didefinisikan sebagai ' w w i NC 2 [ w ] i j j (7) Adapun hasil perhitungan hasil ekstraksi citra watermark dari citra host setelah mengalami pemrosesan citra secara umum dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai NC Citra Watermark Terekstrak Dari Citra Host No. Nam File Operasi Proses Citra NC 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. lowpass.m median.m scaling.m jpeg100.m jpeg75.m jpeg50.m jpeg25.m cropp.m rotasi.m Lowpass Filtering Median Filtering Scaling JPEG index 100 JPEG index 75 JPEG index 50 JPEG index 25 Cropping Rotasi +15 0.8538 0.9318 0.9341 0.9901 0.9408 0.9120 0.8845 0.7064 0.9358
4. KESIMPULAN DAN SARAN Dalam penelitian ini digunakan suatu algoritma untuk menyisipkan citra. watermark ke dalam citra host. Penyisipan tersebut mengadaptasi utilitas sensitifitas mata manusia dalam memodifikasi isi suatu kumpulan blok-blok Dari hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan menunjukkan bahwa algoritma yang dipakai dalam penelitian ini robust terhadap lowpass filtering, median filtering, scaling, cropping, rotasi dan lossy JPEG compression index 100, 75, 50 dan 25. Hal ini menunjukkan bahwa suatu penyisipan citra watermark masih dapat direkonstruksi kembali setelah disisipkan dan mengalami operasi pemrosesan citra secara umum. Pada akhirnya bisa dibuktikan bahwa citra yang diberi watermark tamper terhadap operasi pemrosesan citra tersebut. Perlu dikembangkan lebih baik lagi tentang penggunaan teknik digital watermarking untuk mendapatkan hasil penyisipan citra watermark pada host citra yang lebih baik yaitu hasil ekstraksi citra watermark yang mendekati citra watermark aslinya, terutama pada operasi pemrosesan cropping, lowpass filtering dan lossy JPEG pada index-index yang kecil. DAFTAR PUSTAKA [1] Cox, I.J, Kilian,J, Leighton, F.T and Shamoon,T,1997, Secure spread spectrum watermarking for multimedia, IEEE Transactions of Image Processing, Vol.6 No.12, pp. 1673-1687. [2] Cox, I.J, Kilian,J, Leighton, F.T, and Shamoon,T, 1996, Secure spread spectrum watermarking for images, audio and video, IEEE Southcon96. [3] Cox,I.J, Kilian,J, Miller, M.L, Bloom,J.A, 2000, Watermarking applications and their properties, Proceedings of the Conf. Information Technology. [4] Handoko, T, 2003,Watermarking pada citra digital dengan Discrete Cosine Transform (DCT), tesis Master, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada Jogjakarta. [5] Hsu, C.T, Wu, J.I, 1999, Hidden Digital Watermark in Images, IEEE Transactions On Images Processing, Vol.8, No.1.pp.58-68 [6] Matsui,K, and Tanaka,K, 1996, Video-steganography : how to embed signature in a picture, Proceedings of IMA Intellectual Property, Vol. 2, pp.237-240. [7] Mohanty,S.P, Digital watermarking: A Tutorial review, 1999, Masters Project Report, Dept. of Electrical Engineering, Indian Institute of Sciences, Bangalore -560 012. [8] Mohanty,S.P, A dual watermarking techniques for images, 1999, Proceedings of IEEE Int.Conf. on Multimedia Computing Systems, ICMCS 99, Part.2, pp.49-51. [9] Pitas,I, 1998, A method for watermark easting on digital images, IEEE Transaction on Circuits and system for video Technology, Vol. 8 No. 6, pp. 775-780. [10] Pitas,I, Adrian, G.S,1998, Image watermarking using block site selection and DCT domain constraints, Optics Express 512, Vol.3, No.12. [11] Watson, A.B, 1994, Image compression using discrete cosine transform, Mathematica Journal, Vol. 4 No. 1, pp. 81-88.