## PERBANDINGAN PLAYFAIR CIPHER DENGAN 3D PLAYFAIR CIPHER PADA PENGAMANAN CITRA
( Comparison of Playfair Cipher with 3D Playfair Cipher on Image Security )

## Rika Ayu Sukmawati , Abduh Riski , Ahmad Kamsyakawuni
Jurusan Matematika, Fakultas MIPA, Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121, Indonesia Email: rikaayusukmawati@gmail.com, {riski, kamsyakawuni}.fmipa@unej.ac.id
Abstract. The  development  of  sending  messages  that  are  increasingly  easy  and sophisticated makes it easier for third parties to access or sabotage the contents of the message, so we need a science called cryptography to secure the message. This research is to  secure  the  message  on  image  encoding  using  Playfair  Cipher  and  3D  Playfair Cipher. The process of encryption and decryption on Playfair Cipher uses two-letter pairs  (bigram),  while  in  3D  Playfair  Cipher  uses  three-letter  pairs  (trigrams).  The encryption process uses Playfair Cipher and 3D Playfair Cipher to produce a different image cipher with plain image visually. In the decryption process, the cipher image returns into the plain image using Playfair Cipher and 3D Playfair Cipher. Histogram analysis, NPCR, and UACI are used to see the difference between ordinary images and password images using Playfair Cipher and 3D Playfair Cipher. The average results of histogram  analysis  that  shows  safe  based  on  research  data  are  14061,483  using  3D Playfair Cipher, the average NPCR results that show safe based on research data are 99.2%  using  Playfair  Cipher,  and  the  average  UACI  results  showing  safe  based  on research data is 29.1% using 3D Playfair Cipher. The results of the study indicate that the proposed method can be used to secure the message.
Keywords: Histogram Analysis, Image, NPCR, Playfair Cipher, 3D Playfair Cipher, UACI. MSC2020: 94A60

## 1. Pendahuluan
Perkembangan teknologi  yang semakin canggih  membuat semakin mudahnya seseorang mengirimkan suatu pesan kepada orang lain tetapi hal ini juga dapat membuat semakin mudahnya pihak ketiga mengakses atau menyabotase isi pesan tersebut maka dibutuhkan suatu ilmu yang  dinamakan  kriptografi  untuk  mengamankan  isi  pesan. Kriptografi merupakan suatu ilmu untuk melindungi atau menyembunyikan pesan agar tidak diketahui oleh pihak ketiga dengan cara mengubah isi pesan asli menjadi kode – kode  yang sulit dimengerti  maknanya. Terdapat  beberapa  metode  yang  digunakan  pada  kriptografi, diantaranya adalah Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher . Playfair Cipher merupakan salah  satu  metode kriptografi yang  proses  enkripsi dan  dekripsinya  menggunakan tabel berukuran 5 × 5 ,  dimana  setiap  bagian  dalam  tabel  kunci  mewakili  huruf-huruf  kapital dalam  alfabet  dengan  menghilangkan  huruf  J  tanpa  perulangan  yang  akan  digunakan sebagai acuan proses enkripsi dan dekripsi. Playfair Cipher mengenkripsi pasangan huruf (digram) melalui kunci yang telah dituliskan pada tabel [1]. Playfair Cipher dikembangkan
menjadi 3D Playfair Cipher untuk meningkatkan keamanan pesan teks. 3D Playfair Cipher menggunakan kunci untuk melakukan proses enkripsi dan dekripsi, dimana kunci tersebut dituliskan pada empat tabel berukuran 4 × 4 yang mendukung 10 digit angka (0-9), 26 huruf (A-Z),  dan 28 karakter khusus yang kemudian akan dijadikan acuan untuk proses enkripsi dan dekripsi. 3D Playfair Cipher bekerja dalam bentuk trigram sebagai proses enkripsi dan dekripsi [2].
Pada penelitian kali ini membahas tentang peningkatan keamanan pada penyandian citra menggunakan  algoritma Playfair  Cipher dan 3D  Playfair  Cipher yang  dianalisis  hasil enkripsinya menggunakan analisis histogram, NPCR, dan UACI.

## Kriptografi
Kriptografi merupakan salah satu ilmu di bidang komputasi matematika yang mempelajari tentang bagaimana suatu pesan atau informasi agar tetap aman dan tidak dapat diketahui oleh pihak  yang  tidak  berkepentingan.  Terdapat  beberapa  aspek  yang  harus  terpenuhi dalam keamanan  informasi  yaitu  aspek  kerahasiaan  ( confidentiality ),  integritas  data  ( data integrity ),  otentifikasi  ( authentication ),  dan  penyangkalan  ( non  repudiation ).  Kriptografi ( cryptography ) merupakan ilmu dan seni untuk menjaga pesan agar aman. Crypto berarti secret yang  artinya  rahasia  dan graphy berarti writing yang  artinya  tulisan.  Kriptografi ( cryptography ) dapat diartikan sebagai tulisan atau pesan rahasia. Pesan yang dirahasiakan dinamakan plaintext ,  sedangkan  pesan  hasil  penyandian  disebut ciphertext . Proses penyandian plaintext menjadi ciphertext disebut enkripsi dan proses membalikkan ciphertext menjadi plaintext disebut dekripsi [3].

## Playfair Cipher
Playfair menggunakan kunci dalam tabel berukuran 5 × 5 yang berisi 25 huruf alfabet dan mengganti huruf J menjadi huruf I yang ada didalam alphabet. Pada algoritma ini dibutuhkan dua huruf yang berpasangan (digram) dalam mengenkripsi dan mendekripsi pesan.
Tabel 1. Kunci pada Playfair Cipher
R X C N Y A B D E F G H I K L M O P Q S

## T U V W Z
Beberapa aturan pada Playfair Cipher [1], yaitu:
a. Playfair  Cipher mengenkripsi plaintext berupa  huruf  besar  selain  huruf  J.  Spasi, karakter yang bukan huruf besar, dan huruf J harus dihilangkan dari plaintext. b. Apabila terdapat huruf J pada plaintext , maka digantikan dengan huruf I.
c. Plaintext yang akan dienkripsi dituliskan dalam pasangan huruf (bigram).
d. Apabila ada huruf yang sama dalam pasangan huruf, maka disisipkan huruf X atau Z di tengahnya. Huruf yang disisipkan sebaiknya huruf X, karena kemungkinan terdapat huruf X yang sama dalam bigram sangat kecil.
e. Apabila  jumlah  huruf  pada plaintext adalah  ganjil,  maka  dipilih  sebuah  huruf sembarang untuk ditambahan di akhir plaintext .
Langkah-langkah enkripsi Playfair Cipher [1] yaitu:
a. Apabila ada dua huruf terdapat pada baris kunci yang sama, maka setiap huruf diganti dengan huruf di kanannya.
b. Apabila ada dua huruf terdapat pada kolom kunci yang sama, maka setiap huruf diganti dengan huruf di bawahnya.
c. Apabila ada dua huruf tidak pada baris atau kolom yang sama, maka huruf pertama diganti  dengan  dengan  huruf  pada  perpotongan  baris  huruf  pertama  dengan  kolom huruf kedua. Huruf kedua diganti dengan huruf pada titik sudut keempat dari persegi panjang yang dibentuk dari huruf yang digunakan.
Langkah-langkah dekripsi Playfair Cipher [1] yaitu:
a. Apabila ada dua huruf terdapat pada baris kunci yang sama maka tiap huruf diganti dengan huruf di kirinya.
b. Apabila ada dua huruf terdapat pada kolom yang sama maka tiap huruf diganti dengan huruf diatasnya.
c. Jika dua huruf tidak pada baris yang sama atau kolom yang sama, maka huruf pertama diganti  dengan  huruf  pada  perpotongan baris  huruf  pertama  dengan  kolom  huruf kedua. Huruf kedua diganti dengan huruf pada titik sudut keempat dari persegi panjang yang dibentuk dari huruf yang digunakan.

## 3D Playfair Cipher
3D Playfair Cipher adalah pengembangan dari Playfair Cipher melalui tabel yang semula berukuran 5 × 5 menjadi  empat  tabel  berukuran 4 × 4 untuk  menuliskan  kunci  sebagai acuan untuk menyelesaikan proses enkripsi dan dekripsi.
Tabel 2. Kunci pada 3D Playfair Cipher TINGKAT 1 TINGKAT 2 0 1 2 3 G H I J 4 5 6 7 K L M N 8 9 A B O P Q R C D E F S T U V TINGKAT 3 TINGKAT 4 W X Y Z - . / : ! “ = $
; < = > % & ‘ ( ? @ [ \ ) * + , ] ^ _ |
Proses  enkripsi pada 3D  Playfair  Cipher adalah plaintext akan dipecah menjadi trigram (pasangan yang tediri dari tiga huruf). Huruf tambahan X dan Z digunakan untuk memenuhi trigraph,  X  ditambahkan jika terdapat tersisa satu tempat kosong pada pesan,  X  dan  Z ditambahkan jika terdapat dua tempat kosong. Contohnya LOLLIPOP akan dirubah menjadi {LOL}, {LIP}, {OPX}, dan GOODGRACES menjadi {GOO}, {DGR}, {ACE), {SXZ). Proses enkripsi dan dekripsi menggunakan model circular, dimana penggantian huruf dalam trigram akan diganti oleh pesan yang sehubungan dengan posisi huruf dalam trigram di baris, kolom, dan tingkat dengan cara melingkar [2].
Tabel 3. Proses enkripsi pada 3D Playfair Cipher Trigram Plaintext Trigram Plaintext Trigram Ciphertext Kar-1 Kar-2 Kar-3 Kar-1 Baris Kolom Tingkat Kar-1 Kar-2 Tingkat Baris Kolom Kar-2 Kar-3 Kolom Tingkat Baris Kar-3
Proses  dekripsi sama  seperti  proses  enkripsi  yaitu  dengan model melingkar, akan  tetapi hanya berbeda pada urutannya yaitu baris, tingkat, kolom dalam trigraf [2].
Tabel 4. Proses dekripsi pada 3D Playfair Cipher Trigram Ciphertext Trigram Ciphertext Trigram Plaintext Kar-1 Kar-2 Kar-3 Kar-1 Baris Tingkat Kolom Kar-1 Kar-2 Kolom Baris Tingkat Kar-2 Kar-3 Tingkat Kolom Baris Kar-3

## Citra
Citra  adalah  gambar  ( image )  pada  bidang  dua  dimensi.  Citra  dapat  dilakukan  proses komputasi pada program komputer apabila citra didigitalkan terlebih dahulu. Citra memiliki dua jenis yaitu citra grayscale dan citra RGB (citra warna atau truecolor ).
Citra grayscale merupakan citra digital yang hanya memiliki satu nilai kanal pada setiap pixel- nya,  artinya  nilai Red  =  Green  =  Blue. Nilai-nilai  tersebut  digunakan  untuk menunjukkan intensitas warna. Citra yang ditampilkan terdiri atas warna abu-abu,  bervariasi pada warna hitam sebagai bagian intensitas terlemah dan putih sebagai intensitas terkuat [4].
Citra berwarna yaitu citra yang nilai pixel- nya merepresentasikan warna tertentu. Banyaknya warna  yang  mungkin  digunakan  bergantung  kepada  kedalaman pixel citra  yang bersangkutan.  Citra  RGB  direpresentasikan  dalam  beberapa  kanal  yang  menyatakan komponen-komponen warna  penyusun.  Banyak  kanal  yang  digunakan  bergantung  pada model warna yang digunakan pada citra tersebut [5].

## ASCII
ASCII  ( American  Standard  Code  for  Information  Intercange )  merupakan  standar internasional dalam kode huruf dan simbol yang bersifat universal. ASCII digunakan oleh komputer dan alat komunikasi lainnya untuk menunjukkan teks [5].
ASCII merupakan kode yang digunakan untuk merepresentasikan huruf, angka dan simbol. Jumlah  ASCII  adalah  250  kode.  ASCII  0-127  merupakan  kode  untuk  manipulasi  teks, sedangkan ASCII 128-255 merupakan kode untuk manipulasi grafik.

## Analisis Histogram
Teknik  analisis  histogram  digunakan  untuk  melihat  kesesuaian  distribusi  warna  antara plainimage dengan cipherimage . Jika histogram cipherimage memiliki keragaman distribusi dan  memiliki  perbedaan  yang  signifikan  dengan plainimage ,  maka  dapat  dikatakan cipherimage tidak  memberikan  petunjuk  untuk  melakukan statistical  attack pada cipherimage yang  dihasilkan.  Pengujian digunakan  untuk  menganalisis  keseragaman histogram dari gambar yang terenkripsi.
= ∑ ( ) (1)
dimana merupakan  frekuensi  yang  diamati  dari  nilai pixel (0 ≤ ≤ 255) dan merupakan frekuensi yang diharapkan dari sebuah nilai pixel , jadi = × , dimana m merupakan panjang citra dan n merupakan lebar citra . Semakin kecil hasil dari maka tingkat  keseragaman  dalam  histogram  semakin  merata  dan  hasil  dari  pengenkripsian semakin baik (aman), sedangkan semakin besar hasil dari maka tingkat keseragaman dalam histogram semakin tidak merata dan hasil dari pengenkripsian tentunya semakin tidak baik (tidak aman) [6].

## NPCR
NPCR ( Number  of  Pixel  Change  Rate ) yaitu  untuk  menjamin  bahwa  pada  setiap pixel terdapat perubahan elemen warna.
NPCR = ∑ ∑ ∑ , , × 100% (2)
Nilai d ( i,j,k ) adalah banyaknya perbedaan pixel yang dikalikan dengan nilai 100% setelah itu dibagi dengan lebar dan tinggi dari citra sampel. Kanal pada setiap jenis citra berbeda, diantaranya Greyscale yang  memiliki  1  kanal,  hitam  putih  memiliki  2  kanal,  dan  RGB memiliki 3 kanal. Cipherimage dapat dikatakan baik (aman) jika nilai pada indikator NPCR semakin besar [6].

## UACI
UACI  ( Unified  Averaged  Changed  Intensity )  merupakan  salah  satu  parameter  yang digunakan untuk menganalisa perubahan satu pixel dalam plainimage yang menyebabkan perubahan besar pada cipherimage .
UACI = ∑ ∑ ∑ | ( , , ) ( , , )| . × 100% (3)
Cipherimage dapat dikatakan baik (aman) jika nilai pada indikator UACI semakin besar [6].

## 2. Metodologi
Data yang digunakan pada penilitian ini adalah citra yang disebut sebagai plainimage . Data yang digunakan untuk pengujian pada penelitian ini sebanyak  5 kunci dan 10 citra.
Langkah-langkah penelitian yang dilakukan adalah pertama mengumpulkan literatur yang berkaitan  dengan  Playfair  Cipher  dan  3D Playfair  Cipher .  Kedua  melakukan  percobaan enkripsi  dan  dekripsi  menggunakan Playfair  Cipher dan  3D Playfair  Cipher .  Kemudian pembuatan  program  enkripsi  dan  dekripsi  pada  citra  menggunakan software MATLAB R2015b dan disimulasikan program enkripsi dan dekripsi yang telah dibuat pada software MATLAB R2015b. Selanjutnya  menganalisis hasil keamanan citra dengan membandingkan hasil  perhitungan  dari  analisis  histogram,  NPCR  dan  UACI.  Sehingga  dapat  dianalisis perbandingan keamanan citra terenkripsi menggunakan Playfair Cipher dan 3D  Playfair Cipher .

## 3. Hasil dan Pembahasan
Simulasi dilakukan dengan mengenkripsi 10 citra dengan 5 kunci yang berbeda.
a. Hasil proses enkripsi  menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher

## Tabel 5. Hasil proses enkripsi
No Data Penelitian Kunci Playfair Cipher 3D Playfair Cipher 1 KRIPTO 2 KRIPTO 3 Sigma15 4 Sigma15 5 Himatika 6 Himatika 7 1234567890 8 1234567890
9
!@+$%*)#_(= 10 !@+$%*)#_(= b. Hasil perhitungan menggunakan Playfair Cipher
dan 3D Playfair Cipher Tabel 6. Hasil Perhitungan No Data Penelitian Kunci 1 Citra 1 KRIPTO Playfair Cipher = 20921,80 3D Playfair Cipher = 18000,33 2 Citra 2 KRIPTO Playfair Cipher = 26762,26 3D Playfair Cipher = 20986,91 3 Citra 3 Sigma15 Playfair Cipher = 4833,88 3D Playfair Cipher = 4990,31 4 Citra 4 Sigma15 Playfair Cipher = 3309,72 3D Playfair Cipher = 2630,94 5 Citra 5 Himatika Playfair Cipher = 5736,83 3D Playfair Cipher = 4581,74 6 Citra 6 Himatika Playfair Cipher = 4845,27 3D Playfair Cipher = 4269,59 7 Citra 7 1234567890 Playfair Cipher = 57755,68 3D Playfair Cipher = 51764,08 8 Citra 8 1234567890 Playfair Cipher = 30557,19 3D Playfair Cipher = 24985,76 9 Citra 9 !@+$%*)#_(= Playfair Cipher = 4980,06 3D Playfair Cipher = 4738,54 10 Citra 10 !@+$%*)#_(= Playfair Cipher = 5475,72 3D Playfair Cipher = 3666,63
Perbandingan Playfair Cipher dengan ... Sukmawati, R.A., Riski, A., Kamsyakawuni, A.
c. Hasil NPCR menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher
Tabel 7. Hasil NPCR
No Data Penelitian Kunci Playfair Cipher 3D Playfair Cipher 1 Citra 1 KRIPTO 99,46% 97,62% 2 Citra 2 KRIPTO 98,88% 98,67% 3 Citra 3 Sigma15 99,38% 99,21% 4 Citra 4 Sigma15 99,44% 99,38% 5 Citra 5 Himatika 99,29% 99,30% 6 Citra 6 Himatika 99,21% 99,18% 7 Citra 7 1234567890 98,15% 97,72% 8 Citra 8 1234567890 99,20% 99,24% 9 Citra 9 !@+$%*)#_(= 99,48% 99,40% 10 Citra 10 !@+$%*)#_(= 99,55% 99,47%
d. Hasil UACI menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher
Tabel 8. Hasil UACI No Data Penelitian Kunci Playfair Cipher 3D Playfair Cipher 1 Citra 1 KRIPTO 26,92% 27,30% 2 Citra 2 KRIPTO 41,16% 41,13% 3 Citra 3 Sigma15 25,36% 25,74% 4 Citra 4 Sigma15 29,14% 29,29% 5 Citra 5 Himatika 19,70% 20,42% 6 Citra 6 Himatika 21,69% 21,24% 7 Citra 7 1234567890 30,29% 29,94% 8 Citra 8 1234567890 31,18% 31,35% 9 Citra 9 !@+$%*)#_(= 31,52% 31,75% 10 Citra 10 !@+$%*)#_(= 32,55% 32,55%
Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses enkripsi citra menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher terlihat acak (tidak berpola) sehingga sulit untuk menduga citra aslinya.  Proses enkripsi citra menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher juga diterapkan  melalui  program  MATLAB  R2015b  berdasarkan  metode  yang  diajukan  oleh penulis.
Majalah Ilmiah Matematika dan Statistika Volume 21 Nomor 1 2021, 15 – 24 https://jurnal.unej.ac.id/index.php/MIMS/index ISSN 1441-6669
Proses dekripsi merupakan kebalikan dari proses enkripsi. Pada proses dekripsi dilakukan juga dua perlakuan yaitu Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher . Hasil yang diperoleh dari proses dekripsi menggunakan kedua perlakuan diatas dapat mengembalikan cipherimage menjadi citra asli ( plainimage ). Proses dekripsi citra menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher juga diterapkan melalui program MATLAB R2015b berdasarkan metode yang diajukan oleh penulis.
Hasil dari analisis histogram pada kedua perlakuan menunjukkan bahwa 3D Playfair Cipher menghasilkan  histogram  yang  lebih  merata  dengan  hasil  perhitungan lebih  kecil dibandingkan hasil histogram menggunakan Playfair Cipher yang dapat dilihat pada Tabel 6. Artinya, hasil dari proses enkripsi dengan menggunakan 3D Playfair Cipher akan lebih aman dan kuat terhadap serangan dibandingkan dengan menggunakan Playfair Cipher .
Hasil  perhitungan  NPCR  pada  kedua  perlakuan  menunjukkan  bahwa Playfair  Cipher menghasilkan nilai NPCR yang lebih besar dibandingkan hasil nilai NPCR  menggunakan 3D Playfair Cipher yang dapat dilihat pada Tabel 7. Sedangkan hasil perhitungan UACI pada kedua perlakuan menunjukkan bahwa 3D Playfair Cipher menghasilkan nilai UACI yang lebih besar dibandingkan hasil nilai UACI  menggunakan Playfair Cipher yang dapat dilihat  pada  Tabel  8.  Berdasarkan  hasil  yang  telah  diperoleh,  semakin  besar  suatu  hasil perhitungan nillai NPCR dan UACI maka semakin kuat suatu citra hasil enkripsi terhadap serangan.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, didapat beberapa  kesimpulan sebagai berikut:
a. Proses  enkripsi  menggunakan Playfair  Cipher dan 3D Playfair  Cipher berhasil karena terlihat jelas bahwa plainimage dan cipherimage sangat berbeda secara visual. Begitu  juga  pada  proses  dekripsi  menggunakan Playfair  Cipher dan 3D  Playfair Cipher berhasil karena cipherimage kembali seperti plainimage semula.
b. Hasil perbandingan tingkat keamanan citra terenkripsi menggunakan Playfair Cipher dan 3D Playfair Cipher berdasar analisis histogram, NPCR, dan UACI adalah sebagai berikut:
1) Berdasarkan  hasil  analisis  histogram,  tingkat  keamanan  citra  terenkripsi menggunakan 3D Playfair Cipher lebih aman daripada Playfair Cipher , hal ini dikarenakan perhitungan nilai 3D Playfair Cipher lebih kecil daripada Playfair Cipher dan grafik histogram 3D Playfair Cipher lebih merata daripada Playfair Cipher karena tidak ada pixel yang mendominasi.
2) Berdasarkan  hasil  NPCR,  tingkat  keamanan  citra  terenkripsi  menggunakan Playfair Cipher lebih aman daripada 3D Playfair Cipher , hal ini dikarenakan nilai NPCR Playfair Cipher lebih besar daripada 3D Playfair Cipher .
3) Berdasarkan  hasil  UACI,  tingkat  keamanan  citra  terenkripsi  menggunakan 3D Playfair Cipher lebih aman daripada Playfair Cipher , hal ini dikarenakan nilai UACI 3D Playfair Cipher lebih besar daripada Playfair Cipher .
Adapun  saran  yang  perlu  diperhatikan  untuk  penelitian selanjutnya  adalah  Peneliti selanjutnya  dapat  menerapkan  algoritma  Playfair  Cipher  atau  3D  Playfair  Cipher  yang dikombinasikan dengan algoritma kriptografi lainnya

## Daftar Pustaka
[1] Nurkifli.E.H, (2014), Modifikasi  Algoritma  Playfair  dan  Menggabungkan  dengan Linear Feedback Shift Register (LFSR), SENTIKA 2014 , 366-371.
[2] Singh.S, R.Jain, dan P.Deep.Agarwal, (2015), Developing Mobile Message Security Application Using 3D Playfair Cipher Algorithm, ICACEA , 838-841.
[3] Santi.R.C.N, (2010), Implementasi Algoritma Enkripsi Playfair pada File Teks, Jurnal Teknologi Informasi DINAMIK , 15(1): 27-33.
[4] Sholehah.D.P.T,  (2017), Penerapan  Algoritma  DNA-Vigenere  Cipher  dengan  Kunci Citra Grayscale pada Data Teks, Skripsi , Jember: Universitas Jember.
[5] Muhendra.A.Z, (2016), Implementasi  Kriptografi  Affine  Cipher  pada  Citra  Digital Hasil Steganografi Metode Parity Coding dengan Pseudo Random Number Generator (PRNG), Skripsi , Jember: Universitas Jember.
[6] Boriga.R.E, A.C.Dăscălescu, dan A.V.Diaconu, (2014), A New Fast Image Encryption Scheme Based on 2D Chaotic Maps, IAENG International Journal of Compuer Science 41 (4).