Diterima: 30 Oktober 2020; Direvisi: 21 November 2020; Disetujui: 1 Desember 2020 JTERA, Vol. 5, No. 2, Desember 2020

## Analisa Kapasitas Watermark pada Sistem
Watermarking Reversibel Berbasis OFDM-CDMA
Rahmawati Hasanah # , Nurul Zahra Nafila Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir Ds. Ciwaruga, Bandung 40012, Indonesia
# rahmawati@polban.ac.id

## Abstrak
Watermarking reversibel  merupakan  sistem watermarking yang  bertujuan  untuk  mendapatkan watermark ataupun menghapus watermark dari  media  yang  disisipi watermark tanpa  merusak  kualitas  media  tersebut.  Salah  satu  metode yang  digunakan  pada watermarking reversibel  adalah  metode Orthogonal  Frequency  Division  Multiplexing-Code Division  Multiple  Access (OFDM-CDMA).  Pada  metode  ini watermark bentuk  serial  dikonversi  menjadi  paralel, kemudian dimultipleks  untuk  mengefisiensikan bandwidth . Deretan watermark paralel ini kemudian dikalikan dengan kode spreading untuk memperkuat sifat orthogonalitas tiap deretan, sehingga meminimalisir error pada saat ekstraksi. Metode  ini  dapat  menampung watermark dengan  kapasitas  yang  tinggi,  namun  pada  beberapa  nilai  kapasitas  yang diberikan, terdapat beberapa nilai kapasitas yang menyebabkan nilai Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) menurun dan nilai Bit Error Rate (BER) meningkat. Salah satu faktor yang mempengaruhi besarnya kapasitas watermark adalah nilai power watermark (α). Pada penelitian ini, dilakukan analisis mengenai hubungan besarnya kapasitas watermark dengan besarnya  nilai power watermark (α)  yang  digunakan  agar  tetap  menghasilkan  nilai  BER  yang  kecil.  Penelitian  ini menggunakan  beberapa  jenis  skema  modulasi  yang  berbeda  yaitu Binary  Phase  Shift  Keying (BPSK), Quadrature Phase  Shift  Keying (QPSK),  dan Quadrature  Amplitude  Modulation (QAM).  Hasil  yang  didapat  yaitu,  untuk mempertahankan nilai BER yang kecil, besarnya nilai kapasitas watermark yang digunakan berbanding terbalik dengan besar nilai power watermark .
Kata kunci: reversibel, kapasitas, power watermark , BPSK, QPSK.

## Abstract
Reversible watermarking is a watermarking system that aims to obtain a watermark or remove a watermark from the media  with  a  watermark  inserted  without  damaging  the  quality  of  the  media.  One  of  the  methods  used  in  reversible watermarking  is  Orthogonal  Frequency  Division  Multiplexing - Code  Division  Multiple  Access ( OFDM-CDMA ) method. In this method, the serial form watermark is converted to parallel, then multiplexed to streamline bandwidth. This parallel row of watermarks is then multiplied by the spreading code to strengthen the orthogonality of each row, thereby  minimizing  errors  during  extraction.  This  method can  accommodate  watermarks  with  a  high  capacity,  but at some given capacity values, there are several capacity values  that cause the nilai Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) value  to  decrease  and  the  Bit  Error  Rate  (BER)  value  to  increase.  One  of  the  factors  that  influence  the  watermark capacity  is  the  watermark  power  value  (α).  In  this  study,  an  analysis  was  carried  out  regarding  the  relationship between the amount of watermark capacity and the value of the watermark  power (α) used in order to still produce a small  BER  value.  This  study  uses  several  different  types  of  modulation  schemes,  namely  Binary  Phase  Shift  Keying (BPSK), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), and Quadrature Amplitude Modulation (QAM). The results obtained are, to maintain a small BER value, the value of the watermark capacity used is inversely proportional to the value of the watermark power.
Keywords: reversible, capacity, power watermark, BPSK, QPSK

## I. P ENDAHULUAN
Watermarking adalah proses menyisipkan watermark yang  berisi  informasi  kepemilikan,
tujuan  atau  data  lain  ke  dalam  suatu  media  lain tanpa  mempengaruhi  kualitas  media  yang  disisipi watermark tersebut. Watermarking terdiri  atas  tiga bagian utama yaitu penyisipan watermark , serangan
watermark dan  pengekstraksian watermark .  Ada beberapa  karakteristik  atau  sifat  khusus  tertentu yang  harus  dimiliki  oleh  sebuah watermark , diantaranya  adalah perceptual  transparency atau imperceptibility,  robustness (ketahanan) ,  secure (keamanan) dan payload  capacity. Parameter- parameter ini  saling  mempengaruhi  satu  sama  lain. Contohnya,  meningkatkan payload atau  jumlah  bit watermark yang  disisipi  untuk  meningkatkan ketahanan  akan  menurunkan  kualitas  gambar , dan sebaliknya. Parameter-parameter ini dapat dikompromikan  dengan  membuat  sistem  yang sesuai  dengan  kebutuhan  aplikasi  yang  ingin dikembangkan  [1].  Dalam  perkembangan  sistem watermarking ,  terdapat  beberapa  metode  yang dikembangkan  sesuai  tujuan  penggunaan  dan pengaplikasian watermarking tersebut.  Salah  satu diantaranya  ialah  sistem watermarking reversibel. Pada sistem ini, setelah data watermark diekstraksi, gambar  berwatermark  dapat  dipulihkan  kembali seperti gambar asli semula [2].  Sifat reversibel ini biasanya  dibutuhkan  pada  gambar  yang  bersifat sensitif  seperti  pencitraan  medis  atau  militer, dimana  gambar  asli  diperlukan  setelah watermark diekstraksi,  sedikit  saja  kerusakan  pada  gambar tersebut, dapat mengakibatkan kesalahan pembacaan informasi.  Dua  karakteristik  penting  yang  harus dipenuhi  oleh watermarking reversibel  adalah imperceptibility dan  kapasitas  penyisipan  [3]. Imperceptibility adalah  ukuran  kesamaan  antara gambar  asli  dan  gambar  berwatermark. Capacity atau  dapat  disebut sebagai kapasitas,  merujuk  pada jumlah  bit watermark yang  dapat  disisipkan  ke dalam  gambar  asli  [4]. Payload merupakan jumlah bit watermark yang disisipi pada gambar asli.
Sistem watermarking yang menawarkan kemampuan reversible salah satunya ialah
watermarking berbasis OFDM-CDMA. Pada OFDM,  transmiter  mengirim  data stream tunggal melewati  sejumlah  pasangan  sub-carrier  ortogonal dengan  kecepatan  yang  lebih  rendah  untuk menghasilkan sebuah sinyal dengan resistansi yang tinggi  terhadap  interferensi.  Pada  [5],  menjelaskan metode  penyembunyian  informasi  OFDM  dengan preposisi penyisipan QIM. Pemetaan yang digunakan  ialah  4-QAM.  Pada  saat  penyisipan, output  dari  4-QAM  dikombinasikan  dengan algoritma QIM yang diajukan oleh [6]. Dari metode ini  dihasilkan  sistem  penyembunyian  informasi dengan  kapasitas  data payload yang  tinggi. Modifikasi  QIM  untuk  penyisipan  data  ketahanan yang lebih tinggi. Analisis ketahanan berbasis QIM ditampilkan  oleh  [7].  Pada  prinsip  CDMA,  setiap pengguna menggunakan frekuensi yang sama dalam waktu  bersamaan  tetapi  menggunakan  sandi  unik yang  saling orthogonal untuk  membedakan  antara
pengguna  satu  dengan  pengguna  yang  lain.  Hal  ini berarti  beberapa bandwith sinyal  informasi  dapat menggunakan  frekuensi  yang  sama  tanpa  adanya interferensi satu sama lain. Penelitian [2] menyajikan sistem watermarking reversible berbasis  CDMA.  Dalam  makalah  ini watermark disebar  oleh spreading  code ,  lalu  ditambahkan kedalam koefisien frekuensi dalam domain Discrete Wavelet.  Pada  [8]  menjelaskan  bahwa  sistem watermarking reversibel  berbasis  OFDM-CDMA mampu menampung bit watermark dalam kapasitas besar  sekaligus  mempertahankan  bit error dalam jumlah  yang  kecil.  Namun  pada  beberapa  nilai kapasitas  yang  diberikan,  terdapat  beberapa  nilai kapasitas yang menyebabkan nilai PSNR  menurun dan  nilai  BER  meningkat.  Salah  satu  faktor  yang mempengaruhi  besarnya  kapasitas watermark adalah  nilai power  watermark (α)  yang  digunakan. Pada  penelitian  tersebut,  modulasi  yang  diujikan hanya  BPSK  dan  nilai power  watermark hanya dicoba  untuk  beberapa  nilai  saja  sehingga  belum diketahui  berapakah  nilai power watermark yang dapat  menghasilkan  nilai  kapasitas  yang  tinggi dengan  tetap  mempertahankan  nilai error yang kecil.  Oleh  karena  itu  perlu  dianalisis  lebih  lanjut hubungan  kapasitas  dan power  watermark agar mencapai hasil yang optimum.
Pada penelitian ini, dilakukan analisis mengenai hubungan  kapasitas watermark dengan  nilai power watermark yang  digunakan.  Setelah  hubungan didapat,  hubungan  tersebut  diuji  dengan  beberapa variasi  nilai power watermark .  Adapun  modulasi yang  diujikan  pada  bagian  skema  signal  mapping OFDM-CDMA  ini  adalah  BPSK,  QPSK  dan  4- QAM.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## A. Penyisipan Watermark
Pada proses penyisipan, pertama-tama watermark dipetakan dengan proses signal mapping. Watermark yang  digunakan  adalah gambar  biner  dengan  ukuran  32x32  pixel. Kemudian watermark diubah  ke  bentuk conjugate symmetry dan  dikalikan  dengan spreading  codes . Pada  gambar  asli,  pertama-tama  dilakukan  proses FFT  ( Fast  Fourier  Transform )  lalu  memilih  lokasi penyisipan.  Gambar  asli  yang  digunakan  adalah gambar  dengan  ukuran  512x512  pixel  [9].  Adapun yang  menjadi lokasi penyisipan pada penelitian ini adalah  blok-blok  Non-ROI  ( Region  of  Interest ) Kemudian  dilakukan  metode  penyisipan  QIM  dan diikuti  proses  IFFT  ( Inverse Fast  Fourier Transform ) hingga menghasilkan gambar berwatermark. Blok diagram penyisipan watermark ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Blok diagram penyisipan watermark
1. Signal Mapping
Skema  signal  mapping  yang  digunakan  dapat bermacam-macam  M-ary  QAM  atau  M-ary  PSK. Pada penelitian  ini signal mappin g  yang  digunakan adalah  skema  BPSK,  QPSK  dan  4-QAM. BPSK  merupakan  salah  satu  teknik  modulasi sinyal  dengan  konversi  sinyal  digital  “0”  atau  “1” menjadi  suatu  simbol  berupa  sinyal  kontinyu  yang mempunyai  dua  fasa  berbeda.  Bit  “1” dikodekan dengan  pergeseran  fasa  sinyal carrier sebesar  0°, sedangkan  bit  “0”  dikodekan  dengan  pergeseran fasa  sinyal carrier sebesar  180°.  Atau  bisa  juga sebaliknya. Dalam  binary  PSK  (BPSK),  komponen in-phase dari  sinyal baseband  complex dimodulasi menggunakan  data  input.  Komponen quadrature sama  dengan  nol. Komponen in-phase (I) merepresentasikan  bagian real dan  komponen quadrature (Q)  merepresentasikan  bagian  imajiner. Pada  BPSK,    sinyal band-pass didefinisikan sebagai:
( ) ( ) (1)
( ) ( )
( ) (2)
Persamaan  diatas  sesuai  dengan  plot  konstelasi pada Gambar 2.  Pada skema konstelasi M-ary ASK PSK,  bit-bit  pada  gambar  dipetakan  menjadi  M plane ,  masing-  masing  berisi  S  (0,1,2…,M-1) simbol  dengan  menggabungkan  log 2 M  bit  dari tiap pixel.  Pada  pemetaan  tersebut  2  bit  dari  gambar biner  yang  akan  disisipkan  dipetakan  menjadi  2 plane ,  masing-masing  berisi  2 simbol  (0,1)  dengan menggabungkan  1  bit  dari  tiap  pixel.  Karena watermark yang  diproses  berukuran  32x32  pixel, maka  hasil  keluaran  BPSK  ini  adalah  matriks bilangan kompleks dengan ukuran 32x32 bit.

## Gambar 2. Diagram konstelasi BPSK
Kelebihan BPSK adalah menggunakan format yang sederhana  sehingga  cocok  untuk  transmisi  data dengan  kecepatan  tinggi.  Kekurangannya  adalah hanya  bisa  mentransmisikan  satu  bit  per  simbol. QPSK  adalah  pengembangan  dari  modulasi PSK.  Dalam  QPSK  ada  4  fasa  output  berbeda. Karena  input  digital  ke  modulator  QPSK  adalah sinyal  biner,  maka  untuk  menghasilkan  4  output yang berbeda harus dipakai bit input lebih dari 1 bit tunggal.  Setiap  dua  bit  biner  diwakili  satu  simbol. Keempat  buah  bentuk  sinyal  termodulasi  QPSK masing-masing  memiliki  beda  fasa  90°.  Bentuk persamaan sinyal QPSK adalah sebagai berikut:
( )    √     (            ) (3)
( )    √     (           ) (4)
( )    √     (            ) (5)
( )    √     (           ) (6)
Pada  modulasi  QPSK,  2  bit  dari  gambar  biner yang  akan  disisipkan  dipetakan  menjadi  4 plane seperti  yang  terlihat  pada  Gambar  3.  Karena watermark yang  diproses  berukuran  32x32  pixel, maka  hasil  keluaran  QPSK  ini  adalah  matriks bilangan kompleks dengan ukuran 16x32 bit.

## Gambar 3. Diagram konstelasi QPSK

## Gambar 4. Diagram konstelasi 4-QAM
Kelebihan QPSK adalah memiliki bandwidth dua kali  lebih  besar  dibandingkan  BPSK,  satu  fasanya dapat  mengkodekan  2  bit,  dan  BER  lebih  rendah daripada  ASK  dan  FSK.  Kekurangannya  adalah fasanya lebih sensitive daripada BPSK. QAM merupakan suatu metode untuk menggabungkan  dua  sinyal  AM  ( Amplitudo- Modulated ) dalam  satu  saluran,  dengan  pergeseran fasa  90°  dan  output  yang  dihasilkan  terdiri  dari variasi amplitude dan variasi fasa. Pada modulasi 4- QAM,  variasi  yang  dihasilkan  adalah  1  amplitudo dan  4  fasa.  Bentuk  persamaan  sinyal  QAM  dapat ditulis sebagai berikut:
( )    ( )            ( ) (7) dengan :
( ) ( ) ( )

## (     )
Pada  modulasi  4-QAM,  2  bit  dari  gambar  biner yang  akan  disisipkan  dipetakan  menjadi  4 plane seperti  yang  ditampilkan  pada  Gambar  4.  Sama seperti  hasil  keluaran  QPSK,  karena watermark yang  diproses  berukuran  32x32  pixel,  maka  hasil keluaran  4-QAM  inipun  adalah  matriks  bilangan kompleks dengan ukuran 16x32 bit.
QAM  dapat  mentransmisikan  lebih  banyak  bit- bit  informasi  per  simbol  dibandingkan  skema modulasi  amplitudo  dan  skema  modulasi  phasa
biasa  sehingga  dapat  meningkatkan  efisiensi transmisi.  Kekurangan  QAM  adalah  lebih  rentan terhadap noise karena  titik  konstelasi  yang berdekatan.
2. Conjugate Symmetry
Keluaran  dari watermark yang  telah  melalui proses  s ignal  mapping adalah  matriks watermark dengan  nilai  berupa  bilangan  kompleks,  maka  dari itu  dibutuhkan  proses conjugate  symmetry agar bilangan  kompleks  tersebut  tersusun  sebagai bilangan real ,  sehingga  ketika  dikalikan  dengan spreading  codes, maka  keluaran  yang  dihasilkan merupakan  matriks  bilangan  real.  Langkah  untuk membangun complex conjugate symmetry ini ialah; untuk  matriks  C i dengan  ukuran  MxN,  sediakan tambahan  baris  kosong  dibawahnya  sebanyak  M baris.  Pindahkan  bagian  imajiner  dari  bilangan kompleks  baris  ke-1  kedalam  baris    m+1.  Lalu gantikan bilangan kompleks pada baris ke-1 dengan bagian real pada baris ke-1. Lakukan hal yang sama untuk  baris-baris  berikutnya,  hingga  baris  ke-M. Hasil  akhir  dari  matriks  conjugate  symmetric  yang dibutuhkan ialah matriks C i berukuran 2MxN [5].
3. Spreading Watermarks
Prinsip  sistem  CDMA  digunakan  pada  bagian spreading  dari  penelitian  ini.  Matriks  conjugate symmerty  berisi  data  yang  berisikan  antipodal  bits {1,-1}.    Pilih  “ n ”  buah  deretan mutually orthogonal  spreading  codes [ ] dengan panjang “ l ”. Panjang spreading codes yang digunakan  berpengaruh  terhadap  orthogonalitas deretan watermark .  Spreading  codes  ini  harus mempunyai  nilai  rata-rata  nol  dan  hasil  kali transformasi sama dengan nol [2].
Pada penelitian ini mutually orthogonal spreading  codes yang  digunakan  adalah  Kode Walsh  Hadamard  sebanyak  8  deretan  dengan panjang  masing-masing  deretan  256  bit.    Pada percobaan  dengan signal  mapping BPSK,  matriks conjugate  symmetry watermark dengan  ukuran 64x32  bit  dibentuk  menjadi  matriks  ukuran  256x8 bit,  agar  dapat  dikalikan  dengan  matriks  kode Walsh  Hadamard.  Sedangkan  percobaan  dengan signal  mapping QPSK  dan  4-QAM,  Kode  Walsh Hadamard  yang  digunakan  sebanyak  8  deretan dengan panjang masing-masing deretan 128 bit, dan matriks conjugate  symmetry watermark dengan ukuran  32x32 bit  dibentuk  menjadi  matriks  ukuran 128x8  bit.  Proses  perkaliannya  sebagai  berikut  [2]:
(8)
dengan:
= matriks conjugate symmetry watermark c = matriks Walsh Hadamard codes
cw =  matriks watermark yang  telah  disebar  oleh spreading codes
4. Pemilihan Lokasi Penyisipan :
Pemilihan  lokasi  penyisipan  pada  penelitian  ini berdasarkan konsep ROI ( Region of Interest ). ROI merupakan  daerah-daerah  pada  gambar  yang menarik  perhatian  manusia  dibanding  daerah lainnya.  Pada  [10],  dijelaskan  langkah-langkah untuk mendeteksi ROI pada suatu gambar. Pertama, gambar  dibagi  menjadi  16  blok.  Kemudian,  nilai ROI  dihitung  untuk  setiap  blok  berdasarkan  5 parameter yang berpengaruh terkait daya tarik  ROI sub-images tersebut, antara lain Intensitas, Kontras, Lokasi, Edginess ,  dan  Tekstur.  Ukuran  untuk  tiap parameter  tersebut  kemudian  dinormalisasi  dalam range (0,1) dengan simbol , , , , dan .  Setelah  itu,  dapat  dihitung  IM  ( Importance Measure )  untuk  tiap  sub-gambar  dengan  rumus sebagai berikut:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
Nilai  IM  dari  tiap  sub-gambar  diurutkan  dari  yang paling  tinggi  hingga  paling  rendah.  Sub-gambar yang  memiliki  nilai  IM  paling  tinggi  dianggap sebagai  daerah  yang  paling  penting.  Sub-gambar dapat  dikelompokkan  menjadi  2  kelompok.  8  Sub- gambar dengan nilai IM tertinggi termasuk kedalam kelompok  ROI,  dan  8  sub-gambar  lainnya  sebagai kelompok Non-ROI. Adapun estimasi nilai kompleksitas  gambar  dapat  dihitung  dengan menghitung  rata-rata  nilai  dari  semua  sub-gambar. Pada  penelitian  [8]  dengan  menggunakan  gambar asli  berukuran  512x512  pixel  dan  ukuran  masing- masing sub-gambar 128x128 pixel, didapat nilai IM ternormalisasi  dari  tiap  sub-gambar  dan  diperoleh urutan  peringkat  kompleksitas  tiap  sub-gambar seperti yang terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Penentuan blok ROI dan Non-ROI
Delapan  gambar  peringkat  1-8  dikelompokkan sebagai  ROI.  Bagian  ini  dianggap  sebagai  bagian yang  penting.  Delapan  gambar  peringkat  9-16 dikelompokkan  sebagai  Non-ROI.  Pada  penelitian ini,  gambar  yang  digunakan  sama  dengan  gambar yang  digunakan  pada  penelitian  [8]  sehingga pembagian  ROI  dan  Non-ROI  nya  pun  merujuk pada penelitian [8]. Pada penelitian ini, bagian Non- ROI  dipilih  sebagai  lokasi  penyisipan  agar watermark tidak  mempengaruhi  bagian  penting dalam gambar.
Untuk  modulasi  dengan  BPSK, cw (matriks watermark yang  telah  disebar  oleh spreading codes ) yang telah didapat pada rumus (8) berukuran 256x256  bit  sehingga  membutuhkan  4  sub-gambar ukuran  128x128  bit  untuk  lokasi  penyisipan.  Sub- gambar  yang  dipilih  adalah  no.  11,  10,  16  dan  14 dikarenakan susunan rangking tersebut membentuk gabungan  sub-gambar  berukuran  256x256  pixel sehingga memudahkan penyisipan matriks watermark yang berukuran 256x256 bit. Sedangkan untuk  modulasi  QPSK  dan  4-QAM, cw yang dihasilkan  berukuran  128x128  bit  sehingga  hanya membutuhkan 1 sub-gambar untuk lokasi penyisipan.  Sub-gambar  yang  dipilih  adalah  no.11 dikarenakan  sub-gambar  ini  termasuk  bagian  Non- ROI.
Dari nilai IM yang telah didapat, dapat diestimasi kapasitas watermark dari gambar asli dapat dihitung menggunakan rumus :
( ) (10)
dengan:
W = bandwidth kanal
Dalam  sebuah  gambar  dengan  ukuran  M  pixel, bandwidth didapat  dengan  rumus  W=M/2  sesuai dengan teori sampling Nyquist
= varians noise =  varians  MWI  ( Maximum  Watermark  Image ),
Persamaan  di  atas  dapat  dihitung  dengan menggunakan estimasi yaitu ̅̅̅̅ , dengan perhitungan:
̅̅̅̅ ∑ (  ( ) ( ) ) (11)
dengan:
=  varians  dari  nilai  intensitas  dalam  sub- gambar x.
Hasilnya  pada  penelitian  [8]  total  estimasi kapasitas yang didapat 459124 bit atau 1.75 bpp (bit per pixel).
2 1 9 3 4 10 6 5 8 7 11 12 13 14 15 16
5. QIM (Quantization Index Modulation)
Algoritma  QIM  yang  digunakan  mengacu  pada algoritma yang dijelaskan oleh Chen [6]. Perubahan pesan  akan  didistribusikan  keseluruh  bidang  lokasi penyisipan  dalam  domain  spasi  (ruang),  setelah transformasi  jika  setiap  titik  (koefisien)  diubah. Gambar  asli  yang  akan  disisipi watermark terlebih dahulu  ditransformasi  oleh  FFT,  sehingga  keluaran koefisiennya  menjadi  frekuensi  kompleks.  Gambar asli yang tertransformasi ini kemudian dikuantisasi. Pembawa  informasi x diubah  oleh  pengkuantisasi menjadi  vektor Q[x]. Sementara  itu watermark yang telah disebar oleh spreading codes (cw) dikali dengan power  watermark ( a), dan  kemudian ditambahkan  pada Q[x] sehingga  menghasilkan vektor y [5].  Vektor y merupakan  hasil  gambar berwatermark. Rumus penyisipannya adalah:
[ ]   (      ) (12)

## B. Pengekstraksian Watermark
Pengektraksian watermark yang digunakan pada penelitian ini adalah metode ekstraksi blind , karena selama  proses  pengekstraksian  tidak  memerlukan gambar  asli.  Pertama,  gambar  ber- watermark ditransformasi oleh FFT  sehingga koefisien keluarannya  berada  dalam  domain  frekuensi. Kemudian menentukan lokasi pengekstraksian yang mana  sama  dengan  lokasi  penyisipan.  Kemudian dilakukan  proses  kebalikan  dari  QIM.  Koefisien- koefisien  informasi  diketahui  dengan  menghitung perbedaan  antara sinyal gambar berwatermark yang terkuantisasi dengan yang tidak terkuantisasi [2].
̂ [ ] (13)
Namun  koefisien  informasi  ini  belum  dapat terbaca  karena  harus  melalui  proses  korelasi  silang antara  koefisien  informasi  dengan spreading  codes terlebih dahulu:
̂ ̂ (14)
Hingga didapat watermark terekstraksi. Selanjutnya,  dilakukan  deconjugate  symmetric  dan signal  mapping  sesuai  modulasi  yang  digunakan yakni  De-BPSK/De-QPSK/  De-4QAM/  untuk memperoleh hasil akhir dari ekstraksi watermark .

## C. Penghapusan Watermark
Setelah watermark berhasil diekstraksi, watermark dapat  dihapus  dari  gambar  pembawa, tanpa merusak gambar pembawa tersebut. Cara yang diajukan  hampir  sama  dengan  saat  menyisipkan watermark ,  namun  pada  saat  proses  QIM,  yang dilakukan  adalah  proses  pengurangan watermark . Nilai  power  waternark  ( )  saat  pengekstraksian harus sama dengan nilai watermark saat penyisipan.
[ ]   ( ̂ ) (15) dengan ̂ adalah  penyebaran watermark hasil ekstraksi dengan spreading codes .
̂ ̂ (16)

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Gambar  asli  yang  diujikan  pada  penelitian  ini adalah  pencitraan  gambar  militer,  berjenis gray scale dengan format  Bitmap  ukuran  512x512  pixel [9] dan watermark yang  digunakan  adalah  gambar dengan format Bitmap berukuran 32x32 pixel.
A. Penyisipan, Pengekstraksian, dan

## Penghapusan Watermark
Percobaan  pertama  yaitu  dilakukan  penyisipan watermark dengan  ukuran  32x32  pixel  dengan menggunakan satu nilai power watermark ( ) yaitu 0,08.  Percobaan  diujikan  dengan  3  jenis  modulasi yaitu  BPSK,  QPSK  dan  4-QAM.  Kualitas  gambar berwatermark  yang  dihasilkan  diukur  dengan parameter  PSNR  dan  MSE  ( Mean  Square  Error ) sebagai berikut [11]:
(17)
∑ ∑ ( (   ) (   ) ) (18)
dengan:
(   ) :  koefisien gambar asli
(   ) : koefisien gambar berwatermark.
Hasil ditampilkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.
Gambar 6. Perbandingan PSNR dengan kapasitas

## Gambar 7. Perbandingan MSE dengan kapasitas
Dari  Gambar  6  dan  Gambar  7  dapat  dilihat bahwa semakin besar kapasitas payload watermark yang  disisipkan,  semakin  kecil  PSNR  yang dihasilkan  dan  semakin  besar  MSE  nya.  Hal  ini dikarenakan  semakin  banyak  bit-bit watermark yang disisipkan maka pengaruh terhadap perubahan koefisien  gambar  juga  semakin  besar  sehingga menaikkan  jumlah  MSE  dan  menurunkan  nilai PSNR, sehingga kualitas gambar semakin menurun. Dari  3  jenis  modulasi  yang  diujikan,  tampak bahwa  modulasi  QPSK  dan  4-QAM  mempunyai nilai  PSNR  yang  lebih  tinggi  jika  dibandingkan dengan  PSNR  hasil  modulasi  BPSK.  Hal  ini dikarenakan  pada  modulasi  QPSK  dan  4-QAM,  2 bit  dari  gambar  biner  yang  akan  disisipkan dipetakan  menjadi  4 plane. Watermark yang diproses berukuran 32x32 pixel, maka hasil keluaran QPSK  dan  4-QAM  ini  adalah  matriks  bilangan kompleks  dengan  ukuran  16x32  bit.  Matriks  ini lebih  kecil  jika  dibandingkan  matriks watermark keluaran  BPSK  yaitu  matriks  bilangan  kompleks dengan  ukuran  32x32  bit.  Hal  ini  membuktikan QPSK  dan  4-QAM  dapat  mentransmisikan  lebih banyak  bit-bit  informasi  per  simbol  dibandingkan dengan BPSK, sehingga mengefisiensikan transmisi data.
Setelah penyisipan dilakukan, pengujian selanjutnya  adalah  mengekstraksi watermark untuk mengetahui  bit error yang  dihasilkan.  Proses ekstraksi  dilakukan  sebagaimana  yang  dijelaskan pada  Bab  III. Watermark hasil  ekstraksi  kemudian dibandingkan dengan watermark asli untuk dihitung tingkat error nya menggunakan parameter BER.
(19)
Tabel  1  menunjukkan  BER  dari  hasil  ekstraksi watermark .
Gambar 8. Perbandingan hasil PSNR setelah penghapusan watermark dengan kapasitas watermark
Tabel 1. BER watermark hasil ekstraksi
Kapasitas(bpp) BER BPSK BER QPSK BER 4-QAM 0,2344 0 0 0 0,3906 0 0 0 0,5078 0 0 0 0,625 0,0068 0 0,000977 0,7813 0,006836 0 0,0068 0,9766 0,000977 0 0,0049 1,171875 0,0146 0,0107 0,0225
Hasil  pada  Tabel  1  merupakan  nilai  BER dengan  menggunakan  nilai power  watermark yang sama  yaitu  0,08  didapat  hasil  bahwa  kapasitas maksimum  BPSK  dan  4-QAM  sebelum  terdapat error yaitu  0,5078  bpp  (bit  per  pixel).  Sedangkan kapasitas maksimum QPSK sebelum terdapat error yaitu  0,9766  bpp.  Sehingga  dapat  disimpulkan QPSK  memiliki  kapasitas watermark yang  lebih tinggi  dibandingkan  BPSK  dan  4-QAM.  QPSK dapat  mempertahankan  nilai error yang  kecil karena  pada  QPSK,  satu  simbol  mewakili  dua  bit biner.  Kesalahan  pada  dua  bit  akan  lebih  kecil probabilitasnya  dibandingkan  dengan  kesalahan pada  satu  bit.  Nilai  bit error QPSK  lebih  kecil dibanding skema modulasi lainnya [12].
Setelah  ekstraksi watermark didapat, watermark dapat  dihapus  dari  gambar  pembawa,  tanpa merusak  kualitas  gambar  pembawa.  Hasil  kualitas gambar  pembawa  setelah  penghapusan watermark dapat dilihat pada Gambar 8.
Dapat  dilihat  pada  persamaan  (15),  gambar berwatermark  dikurangi watermark hasil  ekstraksi. Maka  BER  yang  dihasilkan  saat  ekstraksi watermark berpengaruh  terhadap  kualitas  gambar setelah  penghapusan watermark .  Apabila  BER  nya kecil,  kualitas  gambar  pembawa  akan  tetap  baik setelah watermark dihapus  dari  gambar  pembawa.
Hal  ini  berlaku  pada  semua  modulasi  baik  BPSK, QPSK dan 4-QAM.

## B. Analisa Kapasitas Watermark
Dari  hasil  yang  didapat  pada  proses  ekstraksi watermark ,  dapat  dianalisis  pada  nilai  power watermark dan nilai kapasitas maksimum berapakah  yang  menghasilkan  nilai  BER=0  atau mendekati 0.
Pada  sistem  BPSK  dan  4-QAM,  dengan  nilai watermark 0,08  didapat  kapasitas  maksimum sebesar  0,5078  bpp  untuk  menghasilkan  BER=0. Bila  nilai  power watermark dikalikan  dengan  nilai kapasitas, akan didapat nilai pembagi:
Dari  hasil  tersebut  dapat  ditulis  sebagai  berikut:
Dari  persamaan  di  atas,  dapat  dihitung  kapasitas dari nilai power watermark atau sebaliknya, dengan perbandingan:
(20)
Sedangkan  pada  sistem  QPSK,  dengan  nilai watermark 0,08  didapat  kapasitas  maksimum sebesar  0,9766  bpp  untuk  menghasilkan  BER=0 atau  mendekati  0.  Bila  nilai  power watermark dikalikan dengan nilai kapasitas, akan didapat nilai pembagi:
Dari hasil tersebut dapat ditulis sebagai berikut:
Dari persamaan di atas kita dapat mencari kapasitas dari nilai power watermark atau sebaliknya, dengan perbandingan:
(21)
Dengan  menggunakan  beberapa  nilai power watermark yang  bervariasi  dari  0,045  sampai  4, didapat  grafik  nilai  kapasitas  maksimum  yang menghasilkan  BER  =  0  atau  mendekati  0  yang
ditunjukkan  pada  Gambar  9.  Tabel  2  dan  Tabel  3 menunjukkan  nilai  BER  untuk  beberapa  nilai  yang diujikan.
Hasil  pada  Tabel  2  dan  3  membuktikan  bahwa dengan  menggunakan  (20)  dan  (21)  kita  dapat mengetahui  kapasitas  maksimum  yang  dapat digunakan  sesuai  nilai power  watermark nya,  untuk menghasilkan BER=0 atau mendekati 0.
Gambar 10 menampilkan hasil gambar berwatermark  dengan  modulasi  QPSK, power watermark sebesar  0,045  dan  kapasitas payload watermark sebesar  1,736178  bpp.  PSNRyang dihasilkan  pada  gambar  berwatermark  didapat sebesar 43,5781 dB. BER hasil ekstraksi sebesar 0, dan  PSNR  setelah watermark dihapus  sebesar 43,5982 dB.
Gambar 9. Perbandingan kapasitas dan power watermark yang digunakan
Tabel 2. Nilai BER hasil pengekstraksian watermark pada modulasi BPSK dan 4-QAM
Power Watermark Kapasitas (bpp) BER BPSK BER 4-QAM 0,045 0,902756 0 0 0,08 0,5078 0 0 0,4 0,10156 0 0
Tabel 3. Nilai BER hasil pengekstraksian watermark pada modulasi QPSK Power Watermark Kapasitas (bpp) BER QPSK 0,045 1,736178 0 0,08 0,9766 0 0,4 0,19532 0
(a)                                      (b)
(c)               (d)                             (e)
Gambar 10. (a) Gambar asli
(b) Gambar berwatermark (PSNR= 43,5781 dB) (c ) Watermark asli 32x32 (d) Watermark hasil ekstraksi (BER=0)  (e) Gambar setelah watermark dihapus (PSNR=43.5982 dB)
Pada [8] penyisipan watermark dengan menggunakan  modulasi  BPSK  dan  nilai power watermark sebesar  0,08  didapat  hasil  kapasitas maksimum  sebelum  terdapat error yaitu  0,9766 bpp.  Namun  pada  penelitian  tersebut  belum diketahui  nilai  kapasitas  maksimum  yang  dapat digunakan  agar  tetap  menghasilkan  BER=0  jika digunakan  nilai power  watermark yang  berbeda- beda.

## IV. K ESIMPULAN
Pada watermarking reversibel,  BER  ( Bit  Error Rate )  yang  dihasilkan  saat  ekstraksi watermark berpengaruh  terhadap  kualitas  gambar  setelah penghapusan watermark .  Apabila  BER  nya  kecil, maka kualitas gambar setelah penghapusan watermark akan baik. Dalam mempertahankan nilai BER yang kecil, besarnya nilai kapasitas watermark yang  digunakan  berbanding  terbalik  dengan  besar nilai power  watermark .  Didapat  hasil,  dari power watermark terkecil  yang  diujikan  yaitu,  pada modulasi  BPSK  dan  QAM,  dengan  nilai  α=0,045 didapat  kapasitas watermark sebesar  0,9028  bpp. Sedangkan  pada  modulasi  QPSK  dengan  nilai α=0,045  didapat  kapasitas watermark sebesar 1,7361  bpp.  Untuk  penelitian  lebih  lanjut,  dapat diteliti  mengenai  ketahanan  sistem watermarking ini  dalam  menghadapi attack atau  serangan.  Selain itu,  dapat  dianalisa  juga  parameter  lain  yang  dapat
meningkatkan performa sistem misalnya pemakaian kode  lain  untuk spreading  codes pada  bagian CDMA.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis  mengucapkan terima  kasih  kepada P3M  Politeknik  Negeri  Bandung  yang  telah mendanai  penelitian  ini  melalui  Skema Penelitian  Mandiri  DIPA  POLBAN  tahun 2020, Nomor: B/249.70/PL1.R7/PG.00.03/2020.

## R EFERENSI
[1] G.  C.  Langelaar,  I.  Setyawan  and  R.  L.  Lagendijk, "Watermarking  digital  image  and  video  data.  A state-of-the-art overview," in IEEE Signal Processing Magazine , vol. 17, no. 5, pp. 20-46, Sep 2000.
[2] M.  K.  Samee  and  J.  Götze,  "CDMA  based  blind and  reversible  watermarking  scheme  for  images  in Wavelet domain," IEEE 19th International Conference  on  Systems,  Signals  and  Image Processing (IWSSIP) , pp. 154-159, Vienna, 2012.
[3] K.  Asifullah,  A.  Siddiqa,  S.  Munib,  and  S.  A. Malik, "A recent survey of reversible watermarking techniques," Elsevier  Information  Sciences ,  vol. 279, pp. 251-272, April 2014.
[4] I. J. Cox, M. L. Miller, J. A. Bloom, J. Fridrich, and T. Kalker, “Digital watermarking and steganography,” Morgan  Kaufmann  Publisher, Elsevier , USA, 2008.
[5] T.  S.  Fan,  J.  S.  Xue,  W.  H.  Xuan,  and  D.  P.  Qu, "OFDM Information Hiding Method by Preposition Embedded QIM," IEEE Computational Intelligence for  Modelling  Control  &  Automation,  2008 International  Conference  on ,  pp.  19-24,  Vienna, 2008.
[6] B.  Chen  and  G.  W.  Wornell,  “Quantization  index modulation:  A  class  of  provably  good  methods  for digital  watermarking  and  information  embedding," submitted  to  IEEE  Trans.  on  Information  Theory , 1999.
[7] S.  Maiti,  A.  Roy,  T.  S.  Das,  and  S.  K.  Sarkar, “OFDM based high capacity information hiding in grey  scale  image,” International  Journal  of  Soft Computing and Engineering (IJSCE) , vol. 1, no. 6, January 2012.
[8] R.  Hasanah  and  M.  S.  Arifianto,  "A  high  payload reversible  watermarking  scheme  based-on  OFDM- CDMA," 10th  International  Conference  on Telecommunication Systems Services and Applications (TSSA) , October 2016.
[9] http://glcharvat.com/Dr._Gregory_L._Charvat_Proj ects/Synthetic_Aperture_Radar_(SAR).html,
(diakses terakhir Oktober 2020)
[10] F.  Yaghmaee  and  M.  Jamzad,  “Estimating watermarking capacity in gray  scale  images based on  image  complexity,” EURASIP  Journal  on Advance  in  Signal  Processing ,  vol.  2010,  January 2010.
[11] M. B. Aliwa, T. E. El-Tobely, M. M. Fahmy, M. E. S.  Nasr,  and  M.  H.  Abd  El-Aziz, “Fidelity  and
robust  digital  watermarking  adaptively  pixel  based on  medial  pyramid  of  embedding  error  gray  scale images”, IJCSNS International Journal of Computer  Science  and  Network  Security ,  vol.  10, no. 6, June 2010.
[12] S.  Haykin,  “Communication  System  4 th Edition,”
John Wiley & Sons, Inc. , USA, 2001.