i Universitas Kristen Maranatha
Watermarking Citra Digital Berwarna Dalam Domain Discrete
Cosine Transform (DCT) Menggunakan Teknik Direct Sequence
Spread Spectrum (DSSS)
Sesto Sumurung (0722077) Email: sesto.sianturi@gmail.com
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Kristen Maranatha
Jl. Prof. Drg. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia
ABSTRAK
Banyak sumber data multimedia yang mudah diakses dan diunduh oleh pengguna internet. Oleh karena itu, keamanan data atau perlindungan hak cipta menjadi penting. Untuk itu dikembangkan teknologi untuk melindungi hak cipta dan keaslian data multimedia yang dikenal dengan istilah Digital Watermarking.
Pada Tugas Akhir ini direalisasikan watermarking citra digital berwarna menggunakan teknik DSSS dalam domain DCT. Citra host akan dipisah menjadi 3 channel warna yaitu R (Red), G (Green), dan B (Blue). Channel B (layer Blue) dari
citra host ditransformasi ke dalam domain frekuensi dengan DCT lalu disisipi citra watermark (citra biner) hasil modulasi spread spectrum dengan pseudorandom
sequence. Untuk meningkatkan ketahanan watermark, penyisipan dilakukan pada
middle frequency koefisien DCT. Watermark dapat diekstraksi kembali tanpa
memerlukan citra host tetapi memerlukan pseudorandom sequence yang sama yang digunakan pada proses penyisipan.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa, citra ber-watermark memiliki rata-rata nilai PSNR lebih besar dari 30dB dan MOS lebih besar dari 3 (fair – citra ber-watermark cukup mirip dengan citra host). Watermark tahan terhadap kompresi
JPEG dengan faktor kualitas Q = 20 hingga Q = 80, penambahan Gaussian noise dengan noise density 0.001, 0.01, 0.05, dan 0.1, Cropping dengan persentase 10%, 25%, 35%, dan 50% (bergantung pada daerah yang di crop), dan Scaling dengan persentase 20% hingga 120%. Watermark tidak tahan terhadap Rotation.
ii Universitas Kristen Maranatha
Digital Color Image Watermarking In Discrete Cosine Transform
(DCT) Domain Using Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
Technique
Sesto Sumurung (0722077) Email: sesto.sianturi@gmail.com
Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering Maranatha Christian University
Jl. Prof. Drg. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia
ABSTRACT
Most multimedia data sources are readily accessible to and downloadable by
all users of the Internet. Therefore, data security or copyright protection is
important. For that a technology is developed to protect copyright and authenticity
of multimedia data which is known as digital watermarking.
In this final project ,it is implemented digital color image watermarking using
DSSS technique in DCT (Discrete Cosine Transform) domain. The host image will
be separated into three color channels, namely R (Red), G (Green), and B (Blue).
Blue channel of host image transformed into the frequency domain, then embedded
the watermark image (binary images) which is result of spread spectrum
modulation with pseudorandom sequence. To improve the robustness, watermark
is embedded into the middle frequency of DCT coefficients. Watermark can be
extracted back without requiring the original image but requires the same
pseudorandom sequence used on embedding process.
Experimental results show that watermarked images have average PSNR value
greater than 30dB and MOS value greater than 3 (fair – watermarked image quite
similar to host image). Watermark is robust to common image processing and some
geometric attacks, such as JPEG lossy compression within 20 up to 80 quality
factor, adding Gaussian noise within 0.001, 0.01, 0.05, and 0.1 density, Cropping
within 10%, 25%, 35%, and 50% (rely on cropping field of image), and Scaling
within 20% up to 120%. Watermark can not withstand to image processing such as
Rotation.
v Universitas Kristen Maranatha
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ...v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... ix
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Perumusan Masalah ...2
1.3 Tujuan ...2
1.4 Pembatasan Masalah ...2
1.5 Sistematika Penulisan ...3
BAB II LANDASAN TEORI ...4
2.1 Teori Citra ...4
2.1.1 Citra Digital ...4
2.1.2 Klasifikasi Citra Digital ...5
2.1.3 Model Warna RGB (Red Green Blue) ...7
2.2 Digital Watermarking ...7
2.3 Discrete Cosine Transform (DCT) Dimensi Dua (2-D DCT) ...8
2.4 Zig-zag Scanning ...9
2.5 Spread Spectrum ...10
2.5.1 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) ...11
2.5.2 PSEUDO RANDOM SEQUENCE ...11
vi Universitas Kristen Maranatha
2.6.1 Peak Signal to Noise Rasio (PSNR) ...13
2.6.2 Mean Opinion Score (MOS) ...14
2.6.3 Normalized Cross Corelation (NCC) ...15
BAB III PERANCANGAN PERANGKAT LUNAK ...16
3.1 Proses Penyisipan Watermark ...16
3.1.1 Diagram Blok Proses Penyisipan Watermark ...16
3.1.2 Diagram Alir Proses Penyisipan Watermark ...18
3.1.3 Diagram Alir Subrutin Modifikasi Bit Watermark ...20
3.1.4 Diagram Alir Subrutin Modifikasi Pseudorandom Sequence...21
3.1.5 Diagram Alir Subrutin Penyisipan Mid-band Frequency ...22
3.2 Proses Ekstraksi Watermark ...23
3.2.1 Diagram Blok Proses Ekstraksi Watermark ...23
3.2.2 Diagram Alir Proses Ekstraksi Watermark ...24
3.2.3 Diagram Alir Subrutin Ekstraksi Dari Koefisien Mid-band Frequency ...26
3.3 Rancangan Tampilan GUI (Graphic User Interface) Program ...27
BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISIS ...28
4.1 Tampilan Hasil Rancangan GUI (Graphic User Interface) Program ...28
4.2 Prosedur Pengujian ...28
4.2.1 Pengukuran Kualitas Citra ...31
4.3 Pengujian Ketahanan Watermark ...32
4.3.1 Gaussian Noise ...33
4.3.2 Rotation ...35
4.3.3 Scaling ...37
4.3.4 JPEG Compression ...39
vii Universitas Kristen Maranatha
BAB V SIMPULAN DAN SARAN ...43
5.1 Simpulan ...43
5.2 Saran ...44
viii Universitas Kristen Maranatha
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Citra Biner ... 5
Gambar 2.2 Citra Grayscale ... 6
Gambar 2.3 Citra Berwarna ... 6
Gambar 2.4 Ruang Warna RGB ... 7
Gambar 2.5 Proses Zig-zag Scanning ... 9
Gambar 3.1 Diagram Blok Proses Penyisipan ... 16
Gambar 3.2 Diagram Alir Proses Penyisipan ... 18
Gambar 3.3 Diagram Alir Subrutin Modifikasi Bit Watermark ... 20
Gambar 3.4 Diagram Alir Subrutin Modifikasi Pseudorandom Sequence ... 21
Gambar 3.5 Diagram Alir Subrutin Penyisipan Mid-band Frequency ... 22
Gambar 3.6 Diagram Blok Proses Ekstraksi Watermark ... 23
Gambar 3.7 Diagram Alir Proses Ekstraksi Watermark ... 24
Gambar 3.8 Diagram Alir Subrutin Ekstraksi Koefisien Mid-band Frequency .... 26
Gambar 3.9 Rancangan Tampilan GUI... 27
Gambar 4.1 Tampilan Hasil Rancangan GUI Program ... 28
Gambar 4.2 Grafik PSNR dengan α = 10 hingga α = 50 dan rc = 30... 30
ix Universitas Kristen Maranatha
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kriteria Mean Opinion Score (MOS) ... 14 Tabel 4.1 Hasil Penyisipan dan Ekstraksi Watermark ... 29 Tabel 4.2 Penilaian MOS Citra Airplane, Pepper, dan Boats (α = 10, 20, 30,
40, dan 50) ... 31 Tabel 4.3 Watermark Hasil Ekstraksi Setelah Dilakukan Proses Penambahan
Gaussian Noise... 33
Tabel 4.4 Watermark Hasil Ekstraksi Setelah Dilakukan Proses Rotation ... 35 Tabel 4.5 Watermark Hasil Ekstraksi Setelah Dilakukan Proses Scaling... 37 Tabel 4.6 Watermark Hasil Ekstraksi Setelah Dilakukan Proses JPEG
Compression ... 39
Bab I Pendahuluan
1 Universitas Kristen Maranatha
BAB I
PENDAHULUAN
Pada bab ini membahas mengenai latar belakang, perumusan masalah, tujuan, pembatasan masalah, dan sistematika penulisan dari Tugas Akhir ini.
1.1 Latar Belakang
Banyak sumber data multimedia mudah diakses dan diunduh oleh pengguna internet. Maka keamanan data atau perlindungan hak cipta sangat penting. Watermarking digital adalah teknologi yang dikembangkan untuk melindungi hak
cipta multimedia. Tujuan dari watermarking digital tidak untuk membatasi penggunaan sumber daya multimedia, tetapi untuk mengetahui keaslian dan perlindungan hak cipta suatu data multimedia. Watermark dapat diperoleh kembali dari data bit informasi yang tersembunyi dalam citra ber-watermark (watermarked image) menggunakan proses ekstraksi yang tepat[11].
Dalam bidang watermarking citra berwarna, banyak metode yang dilakukan dengan menyisipkan informasi pada channel luminansi suatu citra[3][10], atau dengan mengolah setiap channel warna secara terpisah[6][14]. Penyisipan watermark dapat dilakukan pada domain spasial[14] dan domain frekuensi[2]. Kekokohan watermark dapat diperoleh jika penyisipan watermark dilakukan dalam domain
transform, artinya watermark disisipkan ke dalam koefisien transformasi. Transformasi yang umum digunakan adalah DFT (Discrete Fourier Transform), DCT (Discrete Cosine Transform), dan DWT (Discrete Wavelet Transform).
Bab I Pendahuluan 2
Universitas Kristen Maranatha Istilah “spread spectrum” muncul karena penyisipan watermark ke dalam citra menggunakan teknik yang analog dengan komunikasi spread spectrum, yaitu watermark ditebar ke dalam sekumpulan komponen frekuensi yang signifikan
secara persepsi (perceptually significant region). Menyisipkan watermark ke dalam komponen frekuensi tersebut dapat mendistorsi kualitas citra itu sendiri, oleh karena itu harus dipilih parameter yang menyeimbangkan antara robustness dan invisibility[4].
Dalam tugas akhir ini watermark disisipkan ke dalam channel biru (layer blue) dengan teknik Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) pada middle frequency subband.
1.2 Perumusan Masalah
Perumusan masalah pada tugas akhir ini, yaitu :
1. Bagaimana merealisasikan watermarking citra digital dalam domain DCT dengan teknik Direct Sequence Spread Spectrum?
2. Bagaimana kualitas citra yang telah disisipi watermark? 3. Bagaimana ketahanan watermark terhadap pemrosesan citra?
1.3 Tujuan
Tugas akhir ini dilakukan dengan tujuan :
1. Merealisasikan watermarking citra digital dalam domain DCT menggunakan teknik Direct Sequence Spread Spectrum.
2. Menganalisis kualitas citra yang telah disisipi watermark. 3. Menganalisis ketahanan watermark terhadap pemrosesan citra. 1.4 Pembatasan Masalah
Pembatasan masalah pada laporan tugas akhir ini adalah :
1. Menggunakan citra host berwarna dalam format BMP (Bitmap) berukuran 512x512 piksel dan citra watermark biner (hitam-putih) dengan format BMP (Bitmap) berukuran 64x64 piksel.
Bab I Pendahuluan 3
Universitas Kristen Maranatha 3. Kualitas watermark hasil ekstraksi diukur dengan koefisien korelasi atau
NCC (Normalized Cross Corelation).
4. Pengujian ketahanan watermark yang akan dilakukan antara lain penambahan Gaussian Noise, JPEG compression, cropping, scaling, dan rotation.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika yang akan digunakan untuk menyusun laporan ini adalah sebagai berikut :
Bab I. Pendahuluan.
Bab ini menjelaskan mengenai latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan dan sistematika penulisan dari Tugas Akhir ini.
Bab II. Landasan Teori.
Bab ini disusun untuk memberikan penjelasan tentang Watermarking pada Citra Digital berwarna dalam domain Discrete Cosine Transform (DCT) Menggunakan Teknik Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).
Bab III. Perancangan Perangkat Lunak.
Bab ini berisi penjelasan desain yang akan dilakukan untuk merancang perangkat lunak Watermarking pada Citra Digital berwarna dalam domain Discrete Cosine Transform (DCT) Menggunakan Teknik Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).
Bab IV. Data Pengamatan dan Analisis.
Bab ini berisi hasil yang diperoleh dari data pengamatan dan analisa data yang diperoleh melalui Tugas Akhir ini.
Bab V. Simpulan dan Saran.
Bab V Simpulan Dan Saran
43 Universitas Kristen Maranatha
BAB V
SIMPULAN DAN SARAN
5.1 Simpulan
Simpulan yang dapat diperoleh dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Watermarking Citra Digital Berwarna Dalam Domain DCT Menggunakan
Teknik Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) dapat direalisasikan dengan baik.
2. Nilai koefisien α yang optimal terletak pada range nilai 10 – 40, dengan PSNR lebih besar dari 35 dB dan perubahan pada citra ber-watermark tidak terlihat oleh penglihatan mata manusia. Hal ini terbukti pada nilai hasil MOS (Mean Opinion Score) dengan nilai rata-rata lebih besar dari 3,86. 3. Nilai koefisien α yang optimal tersebut menghasilkan NCC lebih besar dari
0,99 dapat diartikan bahwa watermark dapat diekstraksi dengan baik dan watermark dapat terlihat jelas oleh penglihatan mata manusia.
4. Semakin kecil nilai koefisien α maka nilai PSNR akan semakin besar, tetapi menyebabkan nilai NCC yang semakin kecil.
5. Watermark yang disisipkan pada citra umumnya tahan terhadap pemrosesan citra :
• JPEG Compression dengan faktor kualitas Q dari 20 hingga 80, • Penambahan Gaussian noise dengan noise density 0.001, 0.01, 0.05,
dan 0.1,
• Cropping dengan persentase 10%, 25%, 35%, dan 50% (bergantung daerah yang di crop), dan
• Scaling dengan persentase 20% hingga 120%.
6. Watermark tidak tahan terhadap pemrosesan citra berupa Rotation, karena watermark hasil ekstraksi tidak dapat dikenali dan nilai NCC jauh lebih
Bab V Simpulan Dan Saran 44
Universitas Kristen Maranatha 5.2 Saran
Saran yang dapat diberikan untuk memperbaiki dan mengembangkan Tugas Akhir ini adalah :
1. Penelitian lanjutan adalah mencari metode penyisipan citra watermark pada komponen AC (mid-freq subbands), yang memiliki ketahanan lebih baik terhadap image processing berupa Rotation.
Daftar Pustaka
45 Universitas Kristen Maranatha
DAFTAR PUSTAKA
[1] Aprilius, G., 2015. "Teknik Watermarking Citra Digital Dalam Domain DCT (Discrete Cosine Transform) dengan Algoristma Double Embedding". Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Maranatha. Bandung, Indonesia.
[2] Barni, M., F.Bartolini, and A.Piva. Multichannel watermarking of color images. IEEE Transaction on Circuits and Systems for Video Technology, 2002.
[3] Bender, W., D. Gruhl, N. Morimoto, and A. Lu. Technique for data hiding. IBM Systems Journal, 1996.
[4] Cox, I., Killian, J., dan Leighton, F.T. 1997. “Secure Spread Spectrum
Watermarking for Multimedia”. dalam IEEE Trans on Image Processing. [5] Cox, I. J., and M. L. Miller. The first 50 years of electronic watermarking.
EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 2002.
[6] Du, Z. Y., Y. Zhou, and P. Z. Lu. An optimized spatial data hiding scheme combined with convolutional codes and hilbert scan. LNCS 2532, 2002. [7] Gagalowicz, A., Wilfried Philips, 2005, Computer Analysis of Images and
Patterns: 11th International Conference, Versailles, France.
[8] Gonzalez, C.R. and Wood, E.R. 2008. Digital Image Processing, Third Edition, Prentice Hall inc. Upper Saddle River, New Jersey.
[9] http://www.mathworks.com/help/images/ref/normxcorr2.html, diakses 7
September 2015.
[10] Langelaar, G. C., J. C. A. V. der Lubbe, and R. L. Lagendijk. Robust labeling methods for copy protection of images. in Storage and Retrieval for Image and Video Databases V, 1997.
Daftar Pustaka 46
Universitas Kristen Maranatha [13] Munir. R., Bambang Riyanto, Sarwono Sutikno, dan Wiseto P. Agung.
2009.Secure Spread Spectrum Watermarking Algorithm Based on Chaotic Map for Still Images. Bandung Institute of Technology & PT. Telekomunikasi, Bandung, Indonesia
[14] Nikolaidis, N., and I. Pitas. Robust image watermarking in the spatial domain. Signal Processing, 1999.
[15] Parthasarathy, Arvind Kumar and Sri Chandrasekharendra Saraswathi Viswa Maha Vidyalaya. 2006. "Improved Content Based Watermarking for Images ". Louisiana State University. Kanchipuram, India.
[16] Reddy, P. Ramana, Munaga .V.N.K.Prasaad , D. Sreenivasa Rao. 2009. Robust Digital Watermarking of Color Images under Noise attacks.Research Paper International Journal of Recent Trends in Engineering. JNTU College of Engineering, Anantapur, India.
[17] Samcovic, A., Jan Turan. Digital Image Watermarking by Spread Spectrum. Proceedings of the 11th WSEAS International Conference on Communications, Agios Nikolaos, Crete Island, Greece, 2007.
