Vol 2, No 1 Juni 2011 ISSN 2088-2130
Pemanfaatan Subband LL Sebagai Watermark Untuk Deteksi
Kerusakan dan Pemulihan Citra Digital
*
Lusia Rakhmawati,
**Rr. Hapsari Peni A.T
*,** Jurusan Teknik Elektro - FT- UNESA
E-Mail: [email protected]*, [email protected]**
Abstrak
Dalam artikel ini, skema watermarking yang sederhana untuk deteksi kerusakan dan pemulihan citra digital diusulkan. Fitur penting diambil dari koefisien band frekuensi terendah dari DWT level 1 (subband LL) dan paritas bit dari suatu citra disisipkan dengan cara memodifikasi nilai pixel dari citra asli (host). Setelah citra dirusak oleh pengguna lain, bit paritas dan fitur penting tersebut dapat digunakan untuk mendeteksi dan memulihkan kembali citra telah dirusak. Algoritma ini sederhana dan mudah untuk diimplementasikan. Hasil eksperimen menunjukkan efektivitas metode yang diusulkan.
Kata kunci: Fragile watermarking, tamper recovery, parity bit.
Abstract
In recent years, the image authentication comes to the front of the image processing. This is mainly a result of the rapid growth of Internet technology. A huge amount of multimedia data is easily accessible for everyone through the Internet daily. Nevertheless, multimedia data in digital format can be modified or tampered with ease using a lot of image processing tools. The protection of intellectual property rights is another increasingly important issue while a large number of digital images are interchanged on the Internet everyday. In this paper, a simple watermarking scheme for image tamper detection and recovery is proposed. The important features from the coefficients of the lowest frequency bands for the first level DWT (subband LL) and parity bits of an image are embedded by modifying the pixel value of the host image. Once an image is tampered by other users, the parity bits and important features can be used to detect and recover the image. The algorithm is simple and easy to implement. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed method.
Keywords: Discrete Wavelet Transform, Fragile watermarking, tamper recovery
PENDAHULUAN
Perkembangan internet jalur lebar menyebabkan distribusi data multimedia menjadi mudah dan cepat. Data multimedia dalam format digital dapat diubah atau dirusak dengan mudah menggunakan alat pengolahan citra yang banyak tersedia. Adanya perlindungan intelektual hak milik untuk memastikan integritas dan kepemilikan citra yang diterima menjadi isu penting saat ini.
Masalah utamanya adalah bagaimana menghindari kerusakan yang dapat mengurangi isi informasi yang sebenarnya. Banyak penelitian mengenai perlindungan hak cipta dan otentikasi citra telah diusulkan. Salah satu
solusinya adalah menggunakan teknik watermarking yang menyediakan perlindungan hak kekayaan intelektual untuk informasi multimedia digital. Penerapan teknik watermarking untuk otentikasi gambar dipisahkan menjadi dua kategori: berbasis watermark (watermark based) dan berbasis tanda tangan (signature based) [1] - [3]. Teknik-teknik berbasis digital watermark digunakan untuk menegaskan kepemilikan hak cipta citra. Sedangkan yang berbasis tanda tangan memanfaatkan satu set fitur yang diekstraksi dari citra itu sendiri. Fitur-fitur yang disisipkan ke dalam citra, akan diekstraksi kemudian untuk proses deteksi dan pemulihan citra. Sebuah karakteristik yang sangat penting dari
sebuah tanda tangan digital adalah data yang disisipkan cukup mewakili isi dari citra asli. Tanda tangan ini harus terdeteksi ketika citra yang diterima mengalami kerusakan. Oleh karena itu, jika terdapat bagian citra mengalami modifikasi atau sengaja dirusak maka akan dapat langsung diidentifikasi.
Perbedaan utama antara watermarking dan tanda tangan digital adalah pada komponen yang akan disisipkan. Kesamaannya terdapat pada fitur umum berupa imperceptibility, yang tidak terlihat dan bahkan tidak dapat diperiksa oleh apapun. Pada artikel ini, kami mengusulkan sebuah skema watermarking untuk mendeteksi jika gambar telah dirusak, dan selanjutnya untuk memulihkan daerah yang telah dirusak tersebut, dimana setiap blok citra disisipi dengan watermark, yang mencakup isi-fitur dan bit paritas blok lain. Hal tersebut menunjukkan bahwa tanda tangan digital dapat dianggap sebagai fragile watermarking.
Makalah ini disusun sebagai berikut. Bagian 2, menggambarkan skema yang diusulkan. Hasil simulasi dan diskusi dibahas dan dibandingkan dengan metode lain pada bagian 3. Pada akhirnya, ditarik kesimpulan pada bagian 4.
SKEMA YANG DIUSULKAN
Skema ini mengadopsi teknik watermarking, dimana beberapa informasi feature yang signifikan diekstrak dari citra dan disisipkan kembali ke dalam citra itu sendiri. Kemudian, citra asli dengan data yang disisipkan dikodekan dan ditransmisikan.
Pada dekoder, data yang disisipkan di rekonstruksi dan citra asli di dapatkan kembali berdasarkan rekonstruksi data yang disisipkan bersamaan dengan metode post processing.
Metode yang diusulkan disini tidak hanya mendeteksi dan mencari modifikasi dalam citra, tetapi juga memulihkan daerah yang diubah tersebut dengan informasi yang tersembunyi dalam citra. Watermark tidak lagi sebuah logo atau sepotong pesan, melainkan citra itu sendiri. Citra asal biasanya dikurangi menjadi ukuran yang sesuai yang disebut sebagai fitur citra, yang masih berisi informasi yang cukup untuk mewakili data citra asli. Fitur citra ini kemudian
tertanam ke dalam citra asli melalui berbagai teknik untuk membentuk citra yang
ter-watermark. Kualitas citra ter-watermark biasanya cukup tinggi, citra ini yang kemudian
dipublikasikan di internet sebagai pengganti citra asli. Dalam kasus ini, bilamana citra
ter-watermark rusak, maka fitur citra yang
disisipkan tersebut dapat diekstraksi untuk merekonstruksi citra yang rusak tersebut.
Gambar 1. Blok diagram skema penyisipan
watermark
Algoritma Penyisipan Watermark
Seperti terlihat pada Gambar 1, penyisipan watermark meliputi 3 langkah utama, yaitu pembangkitan watermark, pembangkitan bit parity dan bit cek dan algoritma pemetaan blok menggunakan torus automorphis.
a. Pembangkitan Watermark
Pemilihan komponen watermark harus memiliki informasi yang cukup yang dapat mewakili citra itu sendiri. Dengan kata lain, fitur penting yang dapat mencirikan sebuah citra akan diekstrak dan digunakan dalam proses penyisipan. Transformasi Wavelet Diskrit (Discrete Wavelet Transform, DWT) digunakan untuk mengubah citra dari domain spasial ke domain frekuensi, kemudian koefisien frekuensi terendah dari DWT level 1, LL, diekstrak sebagai fitur penting yang akan disisipkan. Bit stream dari koefisien LL tersebut yang digunakan sebagai watermark. Koefisien LL masing-masing akan menjadi delapan bit untuk
me-recover, recovery bit (r). Recovery bit,
didapatkan dari nilai rata-rata blok korespondennya hasil dari pemetaan blok yang akan dijelaskan pada bagian C.
Kemudian nilai tersebut diubah ke dalam bentuk biner, dan delapan bit biner tersebut merupakan recovery bit.
𝑅(10)⟹ 𝑟7𝑟6𝑟5𝑟4𝑟3𝑟2𝑟1𝑟0 (2)
𝑅(10)= rata-rata blok koresponden hasil
pemetaan dalam bentuk decimal
𝑟7𝑟6𝑟5𝑟4𝑟3𝑟2𝑟1𝑟0 (2)= bentuk biner dari 𝑅(10)
Citra Asli
Pembangkitan
Watermark
Pembangkitan Parity dan cek
bit Algoritma Torus Automorphism Penyisipan Watermark Citra Ter-watermark LL LL Baru
b. Pembangkitan Parity dan Cek bit Citra asli akan dibagi ke dalam blok-blok 2x2 yang tidak overlap. Untuk setiap blok 2x2 piksel, akan dibangkitkan dua check bit (c), dua
parity bit (p). Untuk mendapatkan nilai
c, maka dihitung nilai rata-rata swiss untuk tiap-tiap blok dimana diperoleh dari rata-rata nilai piksel blok-blok tetangga, yaitu blok atas, bawah, kanan, dan kiri dengan terlebih dahulu membuat nol nilai LSB 0, LSB 1, dan LSB 3.
Kemudian melalui persamaan 1, akan diperoleh nilai check bit c1 dan c2 untuk tiap-tiap blok.
𝑐1 = 1, 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑅𝑎𝑡𝑎 − 𝑟𝑎𝑡𝑎_𝑏𝑙𝑜𝑘𝐴 ≥ 𝑅𝑎𝑡𝑎 − 𝑟𝑎𝑡𝑎_𝐴 0, 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑙𝑎𝑖𝑛 (1) 𝑐2 = 1, 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑐1 = 0 0, 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑙𝑎𝑖𝑛
Untuk mendapatkan nilai parity bit p1 dan p2 dapat dilihat melalui persamaan 3, dimana terlebih dahulu nilai rata-rata blok diubah kedalam bentuk biner.
𝑋(10)⟹ 𝑋7𝑋6𝑋5𝑋4𝑋3𝑋2𝑋1𝑋0 (2)
𝑋(10)= rata-rata blok dalam bentuk desimal
𝑋7𝑋6𝑋5𝑋4𝑋3𝑋2𝑋1𝑋0 (2)= bentuk biner dari 𝑋(10) 𝑝1 = 𝑋7⊕ 𝑋6⊕ 𝑋5⊕ 𝑋4⊕ 𝑋3
(2) 𝑝2 = 1, 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑝1 = 0
0, 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑙𝑎𝑖𝑛
c. Penyisipan Watermark
Setelah mendapatkan cek bit, parity bit, dan recovery bit, dengan total terdapat 12 bit watermark, maka komponen
watermark tersebut disisipkan ke dalam
tiga LSB pasangan hasil pemetaan untuk masing-masing piksel seperti terlihat pada Gambar 2 berikut.
1 2 3 4 Bit 7 6 5 4 3 p1 p2 c1 c2 2 r0 r1 r2 r3 1 r4 r5 r6 r7 0
Data Citra Asli Data Penyisipan
Gambar 2. 12-bit watermark (c, p, r)
disisipkan ke dalam piksel 1, 2, 3, 4
d. Algoritma Thorus Automorphism Torus automorphism adalah sejenis sistem yang dinamis, di mana tiap keadaan berubah terhadap waktu t. Ketika t adalah diskrit, sebuah sistem dinamis dapat ditampilkan sebagai sebuah iterasi dari sebuah fungsi f, sebagai contoh, 𝑆𝑡+1= 𝑓(𝑆𝑡), 𝑡 ∈ 𝑍 =
0, 1, 2, … , 𝑆𝑡, 𝑆𝑡+1 adalah keadaan
pada saat t dan t+1. Torus automorphism dapat dianggap sebagai sebuah fungsi permutasi atau sebuah transformasi spasial dari daerah tertentu. Transformasi ini dapat digambarkan menggunakan matrik A 2 x 2 dengan elemen-elemen konstan. Lebih spesifik, sebuah keadaan 𝑆𝑡+1
atau sebuah titik (𝑥𝑖+1, 𝑦𝑖+1) dapat
ditransformasikan dari keadaan lain 𝑆𝑡
atau titik lain (𝑥𝑖, 𝑦𝑖) oleh
𝐴 = 𝑎𝑎1 𝑎2 3 𝑎4 , 𝑥𝑖+1 𝑦𝑖+1 = 𝐴 × 𝑥𝑖 𝑦𝑖 𝑚𝑜𝑑 𝑁, (3) Dimana 𝑎𝑖 ∈ 𝑍, 𝐴 (determinan A) = 1,
dan A memiliki nilai eigen 𝜆1,2∈ 𝑅 −
−1,0,1 , R adalah himpunan bilangan rasional.
Voyatzis dan Pitas [6] menampilkan satu parameter, 2D, torus automorphism diskrit, ditunjukkan pada persamaan (4), untuk membuat pemetaan random yang unik dari piksel dari sebuah citra:
𝐴 = 1 1 𝑘 𝑘 + 1 , 𝑥𝑖+1 𝑦𝑖+1 = 𝐴 × 𝑥𝑖 𝑦𝑖 𝑚𝑜𝑑 𝑁, Dimana (𝑥𝑖, 𝑦𝑖) ∈ 0, 𝑁 − 1 × 0, 𝑁 − 1 dan
𝑘 ∈ 0, 𝑁 − 1 , waktu berulang R tergantung pada parameter k, N, dan titik awal (𝑥0, 𝑦0).
𝑁 − 1 atau 𝑁 + 1, ketika N adalah bilangan prima [6]
Sebelum mengolah lebih lanjut, dilakukan tahap persiapan, dimana melakukan pemetaan blok 𝐴 → 𝐵 → 𝐶 → 𝐷 → ⋯ → 𝐴 untuk enkripsi informasi watermark. Intensitas fitur blok 𝐴 akan dilekatkan pada blok 𝐵, dan intensitas fitur blok 𝐵 akan dilekatkan pada blok 𝐶 dan seterusnya menggunakan algoritma transformasi 1-D yang dirumuskan pada [3] seperti terlihat pada persamaan 5 untuk menghasilkan deret pemetaan satu-satu.
𝑋′ = [𝑓(𝑋) = (𝑘 × 𝑋)𝑚𝑜𝑑 𝑁] + 1,
(5) Dimana 𝑋, 𝑋′ ∈ [0, 𝑁 − 1] adalah jumlah blok, 𝑘 sebuah bilangan prima∈ [0, 𝑁 − 1] adalah kunci rahasia, dan 𝑁 ∈ 𝑍 − {0} adalah jumlah total blok citra.
Deteksi Kerusakan
Proses penyisipan watermark yang dilakukan pada sisi enkoder akan menghasilkan citra
ter-watermark (stego-image). Citra tersebut akan
dikirim dan mengalami kerusakan akibat transmisi yang tidak sempurna. Di sisi dekoder citra terwatermark ditambah kerusakan diterima, kemudian dilakukan proses deteksi dan pemulihan citra. Proses deteksi hampir sama dengan proses penyisipan, adapun prosedur deteksi dapat dijelaskan sebagai berikut.
1. Citra terwatermark yang diterima dibagi ke dalam blok-blok tidak overlap 2x2 piksel. 2. Untuk setiap blok, hitung nilai rata-rata
blok dan rata-rata swiss
3. Seperti halnya yang dilakukan disisi enkoder, hitung nilai check bit (c1, c2) dan
parity bit (p1, p2) dari citra terwatermark.
4. Ekstrak 12-bit watermark di setiap blok 5. Ambil nilai parity bit ( p1’, p2’) dan check
bit (c1’,c2’) dari 12-bit watermark
tersebut.
6. Bandingkan dengan nilai parity dan check
bit citra terwatermark. Jika tidak sama,
maka blok ditandai sebagai error; yang lain ditandai sebagai blok yang valid.
Pemulihan Citra
Setelah proses deteksi, masing-masing blok akan ditandai sebagai blok yang valid atau
invalid. Pada metode yang diusulkan disini
akan merecover blok-blok yang invalid saja dan membiarkan blok-blok yang valid.
Untuk setiap blok-blok 2 x 2 piksel yang ditandai sebagai invalid, maka dilakukan pengecekan terhadap blok korespondennya melalui tabel look_up. Kemudian ekstrak 12-bit informasi watermark dari blok korespondennya dan ambil 8-bit recovery dari LSB 0, LSB 1 untuk digantikan ke dalam pasangan blok yang
invalid tersebut. Sehingga metode yang
diusulkan dalam penelitian ini lebih baik dari metode referensi [5], karena menggunakan 8-bit
recovery yang sebelumnya hanya menggunakan
6-bit recovery.
Bila masih terdapat kerusakan, median filter digunakan untuk interpolasi piksel-piksel yang belum kembali [5], sehingga dapat menghasilkan kualitas citra recovery yang lebih baik.
HASIL SIMULASI
Simulasi teknik watermarking untuk deteksi kerusakan dan pemulihan citra ini menggunakan tiga standar tes citra (selanjutnya disebut citra asli) dengan tekstur yang berbeda, ukuran 512 x 512 dan jumlah tingkat gray adalah 256, yaitu: Lena, Babboon, dan Sailboat
Untuk mengevaluasi performansi deteksi kerusakan, perlu ditambahkan degradasi pada citra ter-watermark sebagai bentuk kerusakan setelah melalui kanal transmisi. Makalah ini menggunakan degradasi blok error pada bagian tertentu dari citra, Hasil rekonstruksi dapat dilihat pada Tabel 1.
Dari hasil simulasi, didapatkan bahwa rata-rata nilai PSNR mengalami kenaikan signifikan sampai dengan 4 dB. Karena dalam metode yang diusulkan memanfaatkan fitur citra yang tepat, sehingga dapat memulihkan citra yang telah rusak dengan lebih baik.
KESIMPULAN
1. Komponen watermark menggunakan Sub band LL sesuai dan dapat mewakili fitur citra.
2. Teknik watermarking ini sederhana dan mudah diimplementasikan, dengan menggunakan 8 recovery bit , rata-rata dapat memperbaiki nilai PSNR sampai dengan 41 dB.
Tabel 1. Contoh hasil deteksi kerusakan 10 error block 16x16 dan hasil pemulihan citra
Citra Lena Baboon Sailboat
Asli (512 x512) Error (512 x512) Deteksi Error (512 x512) Ekstraksi Watermark (256 x256) Pemulihan Citra (512 x512) PSNR 41.6424 41.2137 41.3717
DAFTAR PUSTAKA
[1] Chun-Shien Lu and H.-Y.M. Liao, ”Structural digital signature for image authentication: an incidental distortion resistant scheme,” IEEE Transactions on Multimedia, vol. 5, pp.161 – 173, June 2003.
[2] Jaejin Lee and Chee Sun Won, “Image integrity and correction using parities of error control coding,” IEEE International Conference on Multimedia and Expo, vol. 3, pp. 1297 -1300, 2000.
[3] Phen-Lan Lin, Chung-Kai Hsieh, and Po-Whei Huang, “Hierarchical watermarking scheme for image authentication and recovery,” IEEE International Conference on Multimedia and Expo, vol. 2, pp. 963 – 966, 27-30 June 2004.
[4] Shinfeng D. Lin, Yu-Chan Kuo, Ming-Hua Yao, “An Image Watermarking Scheme with Tamper Detection and Recovery,“
International Journal of Innovative Computing, Information and Control,
Volume 3, Number 6(A), pp. 1379- 1387, 2007.
[5] Shinfeng D. Lin, Zong- Lin Yang, “Hierarchical Fragile Watermarking Scheme for Image Authentication, “ CVGIP
2005, pp. 1023-1028, 2005.
[6] Voyatzis, I. Pitas, Applications of toral automorphisms in image watermarking, in: Proceedings of the International Conference on Image Processing, vol. II, 1996, pp. 237– 240.
