Febri Puguh Permana¹, Adiwijawa², Tjokorda Agung Budi Wirayuda³. ¹Teknik Informatika, Fakultas Teknik Informatika, Universitas Telkom

(1)

PENDETEKSIAN DAN PERBAIKAN CITRA MEDIS TERMANIPULASI YANG TELAH DISISIPI REVERSIBLE WATERMARK MENGGUNAKAN LSB MODIFICATION DAN RUN LENGTH ENCODING (RLE) COMPRESSION

Febri Puguh Permana¹, Adiwijawa², Tjokorda Agung Budi Wirayuda³

¹Teknik Informatika, Fakultas Teknik Informatika, Universitas Telkom

Abstrak

Dalam dunia medis moderen, citra medis telah digunakan sebagai salah satu obyek untuk mendiagnosa pasien. Citra medis dengan format digital mudah disimpan dan didistribusikan.

Namun di sisi lain citra digital juga mudah dimanipulasi dengan bantuan berbagai perangkat lunak. Kemudahan manipulasi citra digital khususnya pada citra medis bisa membahayakan pasien. Keaslian dan integritas dari citra medis sangat diperlukan karena akan sangat berpengaruh terhadap hasil diagnosa dokter pada suatu penyakit. Oleh karena itu, untuk melindungi citra medis diperlukan suatu sistem yang dapat mendeteksi manipulasi-manipulasi yang dilakukan pada citra medis tersebut.

Watermarking citra digital merupakan solusi yang bisa digunakan untuk melindungi citra medis.

Dengan menyisipkan authentication watermark yang bersifat fragile, sistem watermarking bisa mendeteksi dan menentukan lokasi manipulasi yang dilakukan pada citra medis. Selain itu, dengan menyisipkan ekstraksi ciri berupa intensitas rata-rata dari blok-blok citra, citra termanipulasi bisa direkonstruksi kembali sehingga kembali mendekati bentuk aslinya.

Pada Tugas Akhir ini digunakan watermarking dengan LSB Modification untuk melakukan deteksi dan perbaikan manipulasi pada ROI. Selain itu, untuk membuat skema watermarking ini menjadi reversible juga digunakan RLE untuk menyisipkan LSB asli citra di bagian RONI.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem watermarking ini mampu mendeteksi serangan modifikasi blok, sharpening, penambahan brightness, maupun penambahan contrast dengan akurasi mencapai 100%. Sistem juga dapatmelakukan perbaikan terhadap serangan modifikasi blok dengan recovery rate mencapai 100%.

Kata Kunci : citra medis, deteksi manipulasi, LSB modification, perbaikan, reversible, RLE, watermarking

Fakultas Teknik Informatika Program Studi S1 Teknik Informatika

(2)

Abstract

In the modern health care facilities, medical images have been used as one of the objects to diagnose the patient. Digitally formatted medical images is easier to be stored and distributed but also easier to be modified for illegal purposes. This illegal modifications of medical images can be very dangerous because can affect doctor’s diagnosis. So, a system that can verify the integrity and authenticity of medical images is needed.

Digital image watermarking offers a solution to protect digital medical images. By embedding fragile authentication watermark, the watermarking system can detect and localize the tampered area of medical images. Moreover, by embedding the feature extraction in the form of average intensities of the image, an original image can be recovered from the tampered image

In this final project, a watermarking scheme using LSB Modification is used to perform tamper detection and recovery in the ROI. To make this watermarking scheme reversible, RLE is used to embed the original LSBs in the RONI.

The experimental results show that this watermarking system can detect and localize tamper from block modification, sharpening, and brightness or contrast adjustment attack with up to 100%

accuracy. This watermarking scheme can also perform image recovery from block modification attack with up to 100% recovery rate.

Keywords : LSB Modification, medical image, tamper detection, recovery, RLE, reversible, watermarking

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

(3)

1

1. Pendahuluan

1.1 Latar belakang masalah

Pada beberapa tahun terakhir, perkembangan teknologi berjalan dengan sangat cepat. Teknologi memungkinkan pembentukan citra digital dengan mudah dan efisien. Dalam dunia medis moderen citra digital digunakan sebagai salah satu obyek untuk mendiagnosa pasien. Citra medis tersebut bisa didapatkan dengan berbagai peralatan medis yang bisa mengambil citra representasi bagian tubuh manusia. Salah satunya adalah ultrasound image atau citra USG (ultrasonografi).

Otentisitas atau keaslian dari citra medis sangat diperlukan karena akan sangat berpengaruh terhadap hasil diagnosa suatu penyakit. Di sisi lain, perkembangan teknologi saat ini memudahkan kita untuk memanipulasi citra digital dengan bantuan berbagai perangkat lunak, bukan tidak mungkin manipulasi pada citra medis. Hal tersebut tentu saja bisa membahayakan dan merugikan karena akan mengakibatkan kesalahan dalam diagnosa pasien. Oleh karena itu, citra medis harus dilindungi dari tindakan seperti ini dan sebisa mungkin citra yang termanipulasi bisa diperbaiki kembali mendekati citra aslinya untuk penggunaan lebih lanjut.

Salah catu cara yang dapat dilakukan untuk menangani permasalahan tersebut adalah dengan digital image watermarking. Digital image watermarking adalah teknik penyisipan informasi tertentu ke dalam citra digital (host/carrier image). Informasi yang disisipkan inilah yang disebut sebagai watermark.

Watermark dapat berupa teks, logo, atau ekstraksi ciri dari host image. Penyisipan dilakukan sedemikian rupa sehingga watermark tidak merusak citra digital yang dilindungi [1].

Untuk melindungi citra medis, dalam Tugas Akhir ini digunakan reversible watermarking dengan metode LSB Modification berbasis blok yang dikombinasikan dengan teknik kompresi data Run Length Encoding. Reversible artinya watermark dapat dihilangkan dan citra dikembalikan ke bentuk originalnya. Block-based LSB Modification dipilih karena teknik ini bersifat sensitif terhadap serangan (fragile) sehingga operasi manipulasi akan terdeteksi karena akan merubah nilai watermark. Watermark yang disisipkan juga mengandung ekstraksi ciri dari citra yang bisa digunakan untuk memperbaiki citra yang termanipulasi. Selain itu, metode ini hanya merubah LSB citra sehingga perubahan pada citra tidak akan signifikan mengingat pentingnya keaslian dari citra medis.

Run Length Encoding (RLE) merupakan salah satu teknik kompresi data lossless sederhana. Sebelum dilakukan Block-based LSB Modification, LSB asli citra akan diambil terlebih dahulu. LSB asli bisa digunakan untuk mengembalikan citra ke bentuk originalnya (menghilangkan watermark) sehingga teknik ini bisa bersifat reversible. RLE akan digunakan untuk mengkompresi LSB asli sebelum disimpan di dalam citra untuk memperbesar kapasitas penyisipan sehingga diharapkan kualitas citra hasil recovery bisa lebih baik [5].

(4)

2 Citra medis yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah citra USG.

Sebelum disisipi watermark, citra host dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian ROI (Region of Interest) dan bagian RONI (Region of Non-Interest). ROI merupakan bagian tengah citra medis yang akan menjadi acuan diagnosa yang dilakukan oleh dokter, bagian ini harus dijaga keasliannya agar tidak terjadi kesalahan dalam diagnosa. Oleh karena itu, pada bagian ROI inilah akan dilakukan watermarking dengan Block-based LSB Modification. Sedangkan RONI adalah bagian sisi citra medis yang nantinya akan dimanfaatkan untuk menyisipkan LSB asli yang dikompresi dengan RLE.

Dengan metode tersebut diharapkan bisa dihasilkan suatu teknik watermarking citra digital dimana operasi-operasi manipulasi pada citra ter- watermark yang dihasilkan dapat dideteksi dan kemudian dapat dilakukan perbaikan terhadap citra termanipulasi tersebut.

1.2 Perumusan Masalah

Dalam tugas akhir ini permasalahan yang akan dibahas di antaranya adalah:

1. Bagaimana cara mengimplementasikan reversible watermarking pada citra medis menggunakan LSB Modification dan Run Length Encoding Compresision?

2. Bagaimana kualitas citra ter-watermark dibandingkan dengan citra asli?

3. Bagaimana kemampuan metode watermarking menggunakan LSB Modification dan Run Length Encoding Compresssion dalam mendeteksi operasi-operasi manipulasi dan melakukan perbaikan pada citra?

4. Bagaimana kualitas citra hasil perbaikan dari citra termanipulasi yang telah disisipi watermark?

1.3 Batasan Masalah

Dalam tugas akhir ini citra yang digunakan berupa citra medis USG (ultrasound images) berformat bitmap (*.bmp) dengan ukuran 640x480 piksel.

Citra USG dengan ukuran 640x480 piksel merupakan citra grayscale yang mempunyai resolusi cukup bagus untuk menganalisis metode yang digunakan.

Penguna dapat menggunakan software seperti Paint atau Adobe Photoshop untuk memanipulasi citra hasil watermarking. Serangan yang akan diberikan terhadap citra adalah modifikasi blok, sharpening, penambahan brightness, dan penambahan contrast. Pendeteksian dan perbaikan manipulasi hanya dilakukan pada bagian ROI (Region of Interest). Penentuan lokasi ROI dilakukan secara statis dan sama untuk semua citra.

1.4 Tujuan

Tujuan penelitian Tugas Akhir ini adalah :

1. Menganalisis dan mengimplementasikan metode LSB Modification dan Run Length Encoding Compression untuk mendeteksi dan memperbaiki citra termanipulasi dengan pendekatan reversible watermark.

2. Menganalisis performansi sistem deteksi dan recovery citra termanipulasi yang telah dibangun.

(5)

3

1.5 Hipotesis

Pada Tugas Akhir ini citra USG dibagi menjadi ROI (Region of Interest) dan RONI (Region of Non-Interest). Pada bagian ROI dilakukan watermarking dengan metode Block-based LSB Modification dengan ukuran blok 6x6 piksel.

Metode fragile watermarking ini akan mendeteksi manipulasi pada citra hingga pada level subblok 3x3 piksel sehingga bisa dilakukan tamper localization atau lokasi terjadinya manipulasi akan terdeteksi. Selain itu, watermark yang digunakan juga mengandung ekstraksi ciri berupa intensitas rata-rata tiap-tiap blok sehingga suatu blok yang termanipulasi dapat diperbaiki dengan menggunakan ekstraksi ciri tersebut dan dihasilkan citra perbaikan yang mendekati citra aslinya. Dengan menggunakan LSB Modification berbasis blok diharapkan perubahan yang terjadi pada citra setelah disisipi watermark tidak akan terlihat sebab hanya merubah nilai LSB piksel dan kualitas citra ber- watermark akan cukup tinggi.

Sebelum dilakukan perubahan LSB saat pemrosesan pada ROI, LSB asli citra akan diambil dan disimpan di RONI dengan terlebih dahulu dikompresi dengan metode kompresi RLE (Run Length Encoding). LSB asli yang disimpan ini bisa dikembalikan lagi pada citra sehingga citra kembali ke nilai original sebelum dilakukan watermarking. Hal ini menjadikan sistem watermarking ini akan bersifat reversible. Dengan menggunakan RLE, kapasitas penyimpanan LSB pada RONI akan semakin besar sehingga kualitas citra hasil recovery akan semakin baik dan seluruh LSB asli bisa dikembalikan.

1.6 Metodologi Penyelesaian Masalah

Metodologi yang digunakan adalah untuk menyelesaikan masalah di atas adalah menggunakan langkah-langkah berikut :

1. Studi literatur

Pada tahap ini, penulis mencari dan mempelajari konsep dan teori yang berhubungan dengan topik yaitu Reversible Watermarking, Block-Based LSB Modification, Run Length Encoding Compression, dan Tamper Detection and Recovery.

2. Pengumpulan data

Pada tahap ini dilakukan pencarian data, data yang akan digunakan pada tugas akhir ini berupa citra medis digital yang akan disisipi watermark dan citra digital hasil manipulasinya yang akan di-recovery. Citra medis diambil dari Internet dan dikonversi ke format bitmap.

3. Analisis kebutuhan dan perancangan sistem

Melakukan analisis dan perancangan terhadap sistem yang dibangun, menganalisis metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan, termasuk menentukan bahasa pemrograman yang digunakan, arsitektur, fungsionalitas, dan antarmuka sistem. Input dari sistem ini adalah citra digital yang akan disisipi watermark atau citra termanipulasi yang telah disisipi watermark. Sedangkan output dari sistem adalah citra digital yang sudah disisipi watermark atau citra hasil deteksi manipulasi dan perbaikan dari citra termanipulasi tersebut.

(6)

4 4. Implementsi dan pembangunan sistem

Pembangunan sistem dalam Tugas Akhir ini terdiri dari proses penyisipan watermark serta tamper detection and recovery (pendeteksian operasi manipulasi dan perbaikan citra termanipulasi).

5. Pengujian dan analisis

Pengujian dan analisis dilakukan dengan cara:

a. Mengukur kualitas citra hasil watermarking (citra ber-watermark) terhadap citra asli dengan menggunakan parameter PSNR, BER, Error Rate, dan MOS.

b. Menganalisis reversibility dari sistem watermark dengan cara mengukur kualitas citra hasil ekstraksi (reverse/invert) watermark terhadap citra asli dengan menggunakan parameter PSNR, BER, Error Rate dan MOS.

c. Mengukur kualitas citra hasil pendeteksian dan perbaikan manipulasi dengan menggunakan parameter PSNR.

d. Menganalisis proses deteksi dan perbaikan menggunakan perhitungan persentase deteksi dan recovery rate. Recovery rate digunakan untuk melihat keberhasilan recovery dengan membandingkan jumlah blok yang termanipulasi dengan jumlah blok yang berhasil diperbaiki [12].

6. Pengambilan kesimpulan dan penyusunan laporan Tugas Akhir.

Berdasarkan hasil pengujian dan analisis yang telah dilakukan akan diambil kesimpulan dan penyusunan laporan hasil penelitian berupa buku Tugas Akhir.

1.7 Sistematika Penulisan Tugas Akhir

BAB I. PENDAHULUAN

Berisi latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan pembahasan, metodologi penyelesaian masalah dan sistematika penulisan.

BAB II. LANDASAN TEORI

Berisi penjelasan singkat mengenai konsep-konsep yang mendukung dikembangkannya sistem ini. Konsep-konsep yang digunakan untuk mendukung sistem ini adalah pengolahan citra digital, citra medis, digital image watermarking, block-based LSB modification, run length encoding compression, dan metode pengukuran performansi sistem watermarking.

BAB III. ANALISIS KEBUTUHAN DAN PERANCANGAN SISTEM Berisi mengenai analisis kebutuhan perangkat lunak yang akan dibangun serta rincian perancangan sistem untuk proses penyisipan watermark dan proses pendeteksian dan perbaikan citra medis termanipulasi.

(7)

5 BAB IV. IMPLEMENTASI DAN ANALISIS HASIL PENGUJIAN

Berisi rincian pengujian terhadap sistem yang telah dibangun disertai analisis terhadap hasil pengujian sistem tersebut. Pada bab ni akan dilakukan analisis terhadap kualitas citra yang dihasilkan serta performansi sistem dalam melakukan pendeteksian dan perbaikan citra medis termanipulasi.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Berisi tentang kesimpulan yang didapat dari pelaksanaan Tugas Akhir ini dan saran saran yang diperlukan untuk perbaikan maupun pengembanganya lebih lanjut

(8)

40

5. Kesimpulan dan Saran

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis dan pengujian yang telah dilakukan dapat diberikan beberapa kesimpulan sebagai berikut.

1. Menurut pendapat dokter baik citra ber-watermark, citra hasil ekstraksi watermark, maupun citra hasil perbaikan modifikasi blok seluas ± 5%

masih menghasilkan diagnosa yang sama dengan citra asli atau memiliki kualitas excellent.

2. Sistem watermarking yang dibangun dapat menghasilkan citra ber- watermark dengan PSNR >46 dB.

3. Sistem watermarking yang dibangun bersifat partially reversible untuk seluruh bagian citra dan fully reversible untuk bagian ROI dengan nilai PSNR citra hasil ekstraksi >56 dB.

4. Sistem watermarking yang dibangun dapat mendeteksi serangan modifikasi blok dengan akurasi pendeteksian 100 % dan dapat mendeteksi serangan sharpening, penambahan brightness, maupun penambahan contrast dengan akurasi mencapai 99 % .

5. Keberhasilan perbaikan serangan modifikasi blok tergantung dari luas area dan lokasi pada citra yang diserang, dengan penjelasan lebih detil sebagai berikut:

 Serangan modifikasi blok seluas 5 % ROI dapat diperbaiki dengan recovery rate 100 % dan nilai PSNR antara 34 dB hingga 43 dB.

 Serangan modifikasi blok seluas 20 % ROI di bagian tepi dapat diperbaiki dengan recovery rate 100 % dengan PSNR 32 dB hingga 35 dB sedangkan serangan blok 20% ROI di bagian tengah diperbaiki dengan recovery rate 58.333 % dengan PSNR antara 21 dB hingga 27 dB.

 Serangan modifikasi blok seluas 40 % ROI dapat diperbaiki dengan recovery rate 62.5 % dan nilai PSNR antara 17 dB hingga 25 dB.

 Serangan modifikasi blok 6% yang tersebar secara acak diperbaiki dengan recovery rate antara 90-100% dan PSNR antara 30-43 dB.

6. Performansi perbaikan citra terhadap serangan sharpening, penambahan contrast, dan penambahan brightness cukup buruk dengan recovery rate < 48 % dan PSNR citra perbaikan antara 4 dB hingga 30 dB.

7. Citra hasil perbaikan setelah mengalami modifikasi blok mempunyai performansi yang lebih baik daripada citra yang mengalami serangan sharpening, brightness, atau contrast. Hal ini disebabkan citra yang mengalami serangan sharpening, brightness, atau contrast akan mengalami kerusakan watermark yang acak dan menyebar di seluruh bagian ROI.

(9)

41

5.2 Saran

Untuk pengembangan sistem yang lebih baik, terdapat beberapa hal yang dapat dikembangkan, yaitu:

1. Sistem dapat dikembangkan dengan mengkompresi LSB menggunakan metode kompresi lossless yang lain untuk memperkecil kebutuhan kapasitas penyisipan.

2. Sistem dapat dikembangkan agar menjadi fully reversible untuk seluruh bagian citra.

3. Sistem dapat dikembangkan dengan menggunakan skema penyisipan informasi recovery yang lebih aman untuk mendapatkan kualitas citra

hasil perbaikan yang tinggi.

(10)

42

Daftar Pustaka

[1] Agustina, R., Adiwijaya, Ari M. Barmawi. 2010. Pendeteksian dan Perbaikan Citra Termanipulasi yang Disisipi Watermark Menggunakan Block Truncation Coding (BTC) Berbasis Wavelet. Jurnal Telekomunikasi (preprint).

[2] Antony, Joe, M.D. Ultrasound image gallery: A free gallery of high- resolution, ultrasound, color doppler and 3D images.

http://www.ultrasound-images.com/. terakhir diakses tanggal 12 Desember 2011.

[3] Chang, Chin-Chen et. Al. 2006. New Image Steganographic Methods Using Run-Length Approach. Information Sciences 176 (2006) - Elsevier.

[4] Feng , Jen-Bang. et. Al. 2006. Reversible Watermarking: Current Status and Key Issues. International Journal of Network Security, Vol. 2, No. 3.

[5] Liew, Siau-Chuin. et. al.2010. Reversible Medical Image Watermarking For Tamper Detection And Recovery With Run Length Encoding

Compression. World Academy of Science, Engineering and Technology 72.

[6] Liew, Siau-Chuin and Jasni Mohamad Zain. 2011. Reversible Tamper Localization and Recovery Watermarking Scheme with Secure Hash.

European Journal of Scientific Research 2011.

[7] Munir, Rinaldi. Sekilas Image Watermarking untuk Memproteksi Citra Digital dan Aplikasinya pada Citra Medis. Bandung : Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung.

[8] Muslimah, U., Adiwijaya, Tri Brotoharsono. 2011. Multiple Watermarking Citra Medis Menggunakan Spread Spectrum dan Secure Hash Algorithm Berbasis Wavelet dan Hash Block Chaining. Bandung: Institut Teknologi Telkom.

[9] Wu, Jeffery. H. K. et. Al. 2008. Tamper Detection and Recovery for Medical Images Using Near-lossless Information Hiding Technique.

Journal of Digital Imaging, Mac 2008 , Vol. 21, No 1, p. 59-76.

[10] Zain, Jasni Mohamad and Afifah Nailah Muhamad. 2007. Authentication Watermarking with Tamper Detection and Recovery. Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Informatics Institut Teknologi Bandung, Indonesia.

(11)

43 [11] Zain, Jasni Mohamad and Siau-Chuin Liew. 2010. Experiment of Tamper

Detection and Recovery Watermarking in Picture Archiving and Communication Systems. Journal of Computer Science 6 (7).

[12] Zain, Jasni Mohamad. and Fauzi, A.R.M, 2006. Medical Image

Watermarking With Tamper Detection and Recovery, The 28th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, New York, USA, 1-4 September 2006.