KAEDAH WATERMARKING BAGI ISYARAT AUDIO

KOGILLAVANAN A/L MUNUSAMY

UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA

PSZ 19:16 (Pind. 1/97)

UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA

BORANG PENGESAHAN STATUS TESIS .JUDUL : KAEDAH WATERMARKING BAGI ISYARAT AUDIO

- SESI PENGAJlAN: 2004/2005 -n

Saya KOGILLA VANAN AIL MUNUSAMY(HURUF BESAR)

mengaku membenarkan tesis (PSMlSarjana/Doktor Fabafah)* ini disimpan di Perpustauan UniversitiTeknologi Malaysia dengan syarat-syarat kegunaan seperti berikut:

1. Tesis adalah hakmilik Universiti Teknologi Malaysia.2. Perpustakaan Universiti Teknologi Malaysia dibenarkan membuat salinan UDtuktujuan pengajian

sahaja.3. Perpustakaan dibenarkan membuat salinan tesis ini sebagai bahan pertukaran antara institusi

pengajian tinggi.4. **SiIatandaun ( ..J )

D sum

D TERHAD

o TIDAK TERHAD

(MengandUDgimaklumat yang berdarjah keselamatanatau kepentingan Malaysia seperti yang termaktnb didalam AKTA RABSIA RASl\II 1972)

(Mengandungi maklumat TERHAD yang tdab ditentukanoleh organisasilbadan di mana penyelidikan dijalankan.)

Disahkan oleb

~(TANDATANGAN PENULlS)

M4JAlamat Tetap:NO. 37 JLN E2/10. TAMAN EHSAN52100 KEPONG.KTJALA LUMPUR.

CIK l\IARINA BT. l\ID ARSHAD

Nama Penyelia

Tarikb: 24 MAC 2005 Tarikb: 24 MAC 2005

CATATAN: * Potong yang tidak berkenaan.** Jika tesis ini SULIT atau TERHAD, sila lampirkan surat daripada pibak

berknasalorganisasi berkenaan dengan menyatakan sekali sebab dan tempob tesisini perin dikelaskan sebagai SULIT atau TERHAD.

. Tesis dimaksudkan sebagai tesis bagi Ijazah Doktor Falsafab dan Sarjana seearapenyelidikan, atau disertasi bagi pengajian seeara kerja kursus dan penyelidikan,atau Laporan Projek Sarjana Muda (PSM).

- -

-----

"Saya akui bahawa saya telah membaca karya ini dan pada pandangan

saya karya ini adalah memadai dari segi skop dan kualiti untuk tujuan

penganugerahan ijazah SaIjana Muda Sains Komputer"

Tandatangan

Nama Penyelia

Tarikh

"

~~~SHAD18 MAC 2005

MA~'NA SINTI MD. A~SHADlectur.r

Departmertt of Computer SYllems & CommunicationsFaculty of C.mputer Science & Information Systems

Uni.ertiti Teknologi Malaysia8131DUTM Skudai

T.,: 87.5532375

KAEDAH WATERMARKING BAGI ISYARAT AUDIO

KOGILLAVANAN A/L MUNUSAMY

Laporan projek ini dikemukan

sebagai memenuhi sebahagian daripada syarat

penganugerahan ijazah Sarjana Muda Sains Komputer

FAKULTI SAINS KOMPUTER DAN SISTEM MAKLUMAT

UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA

MAC 2005

11

"Saya akui karya ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali nukilan dan ringkasan

yang tiap-tiap satunya telah saya jelaskan sumbernya."

Tandatangan

Nama Penulis

Tarikh

: ~........................: KOGILAVANANNt MUNUSAMY

18MAC2005

iii

Untuk ibu, ayah dan keluarga tersayang

iv

PENGHARGAAN

Saya ingin mengambil kesempatan di sini untuk merakamkan ucapan

setinggi-tinggi terima kasih kepada Cik Marina binti Mohd Arshad selaku penyelia

Projek Sarjana Muda saya yang telah banyak memberi bimbingan, tunjuk ajar dan

nasihat kepada saya dalam proses perlaksanaan dan penyempurnaan laporan Projek

Sarjana Muda ini.

Segulung penghargaan yang tidak terhingga kepada semua pensyarah di

Fakulti Sains Komputer dan Sistem Maklumat yang secara tidak langsung turut

membantu saya dalam menyiapkan laporan Projek Sarjana Muda ini. Di sini, saya

juga menghargai semua pertolongan yang diberikan oleh pensyarah dan mahasiswa

di Fakulti Kejuruteraan Elektrik yang turut terlibat dalam penyempurnaan Projek

Sarjana Muda ini.

Tidak lupa juga kepada keluarga saya yang banyak memberi sokongan moral

kepada saya ketika penulisan laporan projek ini. Terima kasih saya ucapkan.

Akhir sekali, saya juga ingin berterima kasih kepada rakan-rakan saya serta

sesiapa sahaja yang telah membantu secara langsung ataupun secara tidak langsung

dalam menjayakan laporan ini.

v

ABSTRAK

Banyak kaedah telah dibangunkan untuk penyembunyian data pada masa

kini. Antaranya ialah penyembunyian sebalik teks, imej gambar, isyarat audio dan

juga rakaman multimedia. Setiap kaedah menggunakan cara yang berlainan untuk

mengaplikasikan teknik tersebut walaupun tujuan adalah sama. Ini adalah untuk

memberi lebih banyak pilihan dan juga mengelirukan pihak ketiga yang tidak

berkaitan. Terdapat satu kaedah yang dapat digunakan untuk membenamkan satu

struktur bit-bit ke dalam isyarat audio asal yang dikenali sebagai kaedah

watermarking. Projek yang dibangunkan menyediakan satu persekitaran di mana bit-

bit watermark dapat dibentuk dan dibenamkan ke dalam isyarat audio yang

dipancarkan atau yang dihantar. Ini adalah untuk melindungi bit watermark yang

dihantar dan juga memastikan isyarat audio adalah isyarat yang diterima sama seperti

yang dihantar tanpa mengalami sebarang penyusutan. Fokus projek ini adalah

tertumpu kepada pembangunan aplikasi sistem yang menerapkan kaedah watermark

ke atas isyarat audio menggunakan model psychoacoustic auditory dan teori serakan

spektrum. Teknik yang digunakan adalah gabungan aplikasi bunyi dan aplikasi

penyembunyian maklumat yang dikenali sebagai steganografi. Sistem ini

membolehkan pengguna mudah mengguna kaedah watermark untuk isyarat audio

mereka bagi menjamin penyembunyian bit watermark yang dihantar. Perisian yang

digunakan untuk membangunkan sistem ini adalah Java. Dalam proses pembangunan

pula, metodologi prototaip akan digunakan. Aplikasi sistem yang dibangunkan ini

menyediakan sebuah kaedah untuk memelihara kualiti isyarat audio..

vi

ABSTRACT

There are so many approaches that has been done in order to maintain the

broadcasted audio signals quality to the users but the problem still exist till today.

One of techniques used is embedding a structure in the audio signals is more known

as watermarking. This project will prepare a platform where watermark structure can

embed more easily into audio signals. The structure will protect transmitted audio

signals quality against any signal decrease to make sure it is the same as the one

transmitted. The project focuses on developing an application system to use

watermarking on audio signals using psychoacoustic auditory model and spread

spectrum theory. The proposed techniques combine sound application and data

hiding application known as steganographic. This system allow user to use

watermark technique to their audio signals to guarantee quality. This system is

developed using Java programming software. Prototype methodology is use as

development process. It is hoped that this application system will be able to protect

and guarantee the quality of transmitted audio signals.

vii

KANDUNGAN

BAB PERKARA HALAMAN

JUDUL i

PENGAKUAN ii

DEDIKASI iii

PENGHARGAAN iv

ABSTRAK v

ABSTRACT vi

KANDUNGAN vii

SENARAI JADUAL xi

SENARAI RAJAH xii

SENARAI SINGKATAN xiii

SENARAI SIMBOL xiv

SENARAI LAMPIRAN xv

viii

1 PENGENALAN

1.1 Pendahuluan 1

1.2 Latarbelakang masalah 3

1.3 Matlamat projek 4

1.4 Objektif projek 4

1.5 Skop projek 5

2 KAJIAN LITERATUR

2.1 Pengenalan 6

2.2 Sistem sedia ada

2.2.1 Discrete Fourier Transform (DFT) 7

2.2.2 Rangkaian Jujukan Serakan untuk

pemetaan penukaran fasa binari

tanpa pengkodan 8

2.3 Model Psychoacoustic Auditory 8

2.4 Teori Serakan Spektrum 12

2.4.1 Pengkodan rangkaian jujukan serakan

untuk pemetaan penukaran fasa binari 13

2.5 Sistem yang dicadang 16

2.5.1 Penjanaan watermark 16

2.5.1.1 Pemilihan parameter serakan

spektrum 19

2.5.2 Segmen rangka 19

2.5.3 Perwakilan frekuensi 19

2.5.4 Fungsi serakan 20

2.5.5 Anggaran ambang penopengan 20

2.5.6 Membentuk spektrum watermark 20

2.5.7 Kombinasi isyarat audio dan watermark 21

2.6 Justifikasi pemilihan kaedah 21

ix

3 METODOLOGI PROJEK

3.1 Pengenalan 23

3.2 Paradigma Model Prototaip 24

3.2.1 Fasa 1 : Perancangan 25

3.2.2 Fasa 2 : Analisis 26

3.2.3 Fasa 3 : Rekabentuk 27

3.2.4 Fasa 4 : Implementasi 27

3.3 Analisis Keperluan Sistem 28

3.3.1 Spesifikasi perkakasan 28

3.3.2 Spesifikasi perisian 29

4 REKABENTUK

4.1 Pengenalan 30

4.2 Rekabentuk senibina sistem 31

4.2.1 Proses membenam bit watermark 31

4.2.2 Proses menjana bit watermark 33

4.3 Rekabentuk protokol sistem 34

4.3.1 Protokol membenam bit watermark 35

4.3.2 Protokol menjana bit watermark 35

4.4 Rekabentuk sistem 36

4.4.1 Rajah Use Case 37

4.4.1.1 Dokumentasi Use Case 38

4.4.2 Rajah Jujukan 39

4.4.3 Keseluruhan sistem 40

4.4.3.1 Penjanaan dan membenam

watermark 40

4.5 Antaramuka utama 43

x

5 IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN

5.1 Pengenalan 44

5.2 Kelas-kelas di dalam sistem 45

5.3 Teori Sains Komputer 47

5.4 Model Psychoacoustic Auditory 49

5.5 Data dan Hasil Input/Output 52

5.5.1 Input/Output Data 52

5.5.1.1 Input/Output Data untuk proses

menjana bit watermark 52

5.5.1.2 Input/Output Data untuk proses

membenam bit watermark 53

5.5.2 Pengujian 53

5.5.2.1 Pengujian Unit 55

5.5.2.2 Pengujian Integrasi 55

5.5.2.3 Pengujian Antaramuka 55

5.5.2.4 Analisis 56

5.6 Rumusan 58

6 PERBINCANGAN DAN KESIMPULAN

6.1 Pengenalan 59

6.2 Kelebihan 60

6.3 Kekurangan 60

6.4 Cadangan 61

6.5 Perbincangan 62

6.6 Kesimpulan 63

xi

SENARAI JADUAL

NO. JADUAL TAJUK HALAMAN

2.1 Matrik penyisip 17

xii

SENARAI RAJAH

NO. RAJAH TAJUK HALAMAN

2.1 Model Psychoacoustic Auditory 10

2.2 Rajah DS/BPSK di sebelah pihak

penghantar 14

2.3 Isyarat audio a(t) dan jujukan PN c(t)

sebelum dan selepas gabungan 15

2.4 Sistem penjanaan watermark 16

3.1 Model Prototaip Perancangan

Projek Sarjana 2 25

4.1 Proses membenam bit watermark 32

4.2 Proses menjana bit watermark 34

4.3 Rajah Use Case bagi

Sistem Watermarking Audio 37

4.4 Carta alir penjanaan watermark 41

4.5 Carta alir membenam watermark 42

4.6 Antaramuka utama sistem 43

5.1 Keratan aturcara yang menunjukkan

proses serakan ke atas input pengguna 48

5.2 Keratan aturcara yang menunjukkan bit

disusun sebelum proses FFT 49

5.3 Keratan aturcara yang menunjukkan

sebahagian proses FFT 50

5.4 Keratan aturcara yang menunjukkan

proses IFT 51

xiii

5.5 Pengujian antaramuka jika pengguna

menekan pilihan yang salah 56

5.6 Perbandingan antara isyarat audio

sebelum dan selepas proses watermarking 57

5.7 Perbandingan kedua isyarat audio sebelum

dan selepas proses watermarking 58

xiv

SENARAI SINGKATAN

FFT - fast fourier transfrom

IFFT - inverse fast fourier transfrom

DS/BPSK - coded direct-sequence / binary-phase-shift keying

UML - Unified Modelling Language

xv

SENARAI SIMBOL

S(t) - isyarat audio yang dihantar

S(jω) - isyarat dalam domain frekuensi

Sp(jω) - isyarat dalam tenaga spektrum

Spz(z) - isyarat dalam bentuk jalur bar

B(z) - fungsi serakan

Sm(z) - serakan penopengan

T(z) - anggaran ambang penopengan

s(t) - isyarat audio yang telah dikodkan

c(t) - nombor jujukan PN

x(t) - hasil isyarat yang akan dihantar

{w} - bit watermark asal

m - faktor kod pengulang

{wr} - bit watermark bersama faktor pengulang

I, H - lajur dan baris matrik penyisip

{wI} - bit watermark selepas proses penyisipan

{header} - bit kepala

{d} - {header} + {wI} ,diserakkan dan dihantar

f0 - frekuensi yang digunakan oleh modulasi

Nfinal(jω) - hasil akhir isyarat audio dengan bit watermark dibenamkan

xvi

SENARAI LAMPIRAN

LAMPIRAN TAJUK HALAMAN

A Carta Gantt Projek 1 66

B Carta Gantt Projek 2 68

C Rajah Jujukan bagi

sistem watermarking audio 70

D Manual Pengguna 72

BAB 1

PENGENALAN

1.1 Pendahuluan

Setiap hari bilangan rakaman data audio bertambah dan kebarangkalian untuk

mengedarkannya melalui Internet, rakaman cakera padat dan sebagainya juga turut

sama bertambah. Faktor-faktor ini boleh menyumbang kepada peningkatan rakaman,

salinan dan pengedaran hasil audio secara haram tanpa penghormatan kepada hak

cipta atau harta intelek pemilik asal. Selain itu, kebimbangan juga timbul tentang

penyebaran hasil audio melalui media penyiaran tanpa mengira had dan tahap

penggunaannya. Kaedah watermarking audio boleh menyelesaikan masalah-masalah

yang disebutkan tadi.

Konsep watermarking telah lama digunakan selama beberapa tahun dalam

bidang imej tetap dan imej bergerak. Idea asas kaedah watermark adalah untuk

membenamkan kod atau maklumat penting dalam isyarat yang dihantar. Kod ini

haruslah tidak kelihatan kepada pengguna dan tegar kepada pelbagai jenis serangan

pengalihan seperti gangguan isyarat.

Dalam isyarat audio, ciri-ciri yang dikehendaki untuk sesuatu watermark

boleh diwakilkan mengikut kepentingannya. Pertamanya watermark tersebut

2

mestilah tidak kelihatan iaitu maklumat audio mestilah sama kepada pengguna

sebelum dan selepas kod itu dibenamkan. Keduanya, watermark itu juga perlu

memiliki sifat tegar kepada penyusutan isyarat akibat penukaran jenis media (dari

televisyen, radio dan rakaman video). Selain itu, watermark mestilah turut tegar

kepada penyusutan isyarat disebabkan media digital (CD, .DAT dan fail wav ).

Akhirnya watermark itu perlu berkemampuan untuk mengelakkan penyingkiran

akibat penggunaan pengekod-pengekod lain (MPEG ).

Sebuah algoritma akan digunakan untuk menjana watermark digital

(aliran bit) yang mana telah dibentuk secara rawak dan dibenamkan ke dalam isyarat

audio. Teori serakan spektrum digunakan untuk menjana watermark tersebut.

Kekuatan pengekodan jujukan terus / pengkuncian tukar-fasa-binari (coded direct-

sequence / binary-phase-shift keying) (DS/BPSK) digunakan untuk menghasilkan

watermark yang kukuh. Konsep ini dapat diadaptasikan dengan lebih baik bagi

isyarat audio dalam lebar jalur audio yang dihadkan. Model psychoacoustic auditory

digunakan untuk membentuk dan membenamkan watermark ke dalam isyarat audio

dengan mengekalkan kualiti untuk pengguna.

Algoritma penuh bagi model psychoacoustic auditory akan diterangkan

dengan teliti kemudian. Maklumat ini akan berguna bagi aplikasi lain yang

melibatkan model auditory. Pengkodan dan penyahkodan menggunakan serakan

spektrum juga akan dibincangkan. Algoritma tersebut menjalankan analisis ke atas

isyarat audio dan akan menentukan ruang dalam domain frekuensi untuk

menyelitkan data serakan spektrum yang tidak boleh dikesan oleh pengguna. Model

psychoacoustic auditory digunakan untuk mencari ruang-ruang ini.

Selepas penghantaran, pihak penerima akan menerima maklumat serakan

spektrum yang dibenamkan dan menyahkodkannya untuk membina semula aliran bit

yang asal (watermark).

3

1.2 Latarbelakang Masalah

Kaedah watermark pada asalnya dicipta untuk menjaga hakcipta perkakasan

komputer. Kemudian kaedah ini mula dipraktikan untuk tujuan pemeliharaan hak

cipta pada imej digital atau hasil keluaran seseorang atau syarikat. Penggunaan

kaedah watermarking yang berkesan dan mudah ini menyebabkan banyak pihak

mengkaji pelbagai kegunaannya dan salah satunya ialah kaedah watermark untuk

isyarat audio bagi tujuan mengatasi masalah membenamkan bit isyarat tanpa

mengganggu isyarat audio.

Masalah yang paling ketara di dalam penyiaran isyarat audio ialah penyusutan

isyarat setelah melalui jarak yang tertentu atau melalui pelbagai jenis pemancar

isyarat. Ini menyebabkan kos yang tinggi dihabiskan untuk mengatasi masalah ini

dan cara yang digunakan memerlukan penjagaan yang berterusan sepanjang ianya

digunakan.

Selain itu, terdapat juga kerumitan dalam menghasilkan watermark bagi isyarat

audio dari segi pemilihan bentuk watermark yang sesuai mengikut jenis isyarat audio

yang digunakan. Penggunaan kaedah watermark yang salah atau kurang sesuai boleh

menyebabkan pemprosesan yang lama dan penghasilan isyarat audio yang yang tidak

sempurna.

Kaedah watermark yang sedia ada untuk isyarat audio juga dikatakan

mengganggu kualiti isyarat audio yang dihasilkan dan seterusnya menjejaskan proses

penyiaran isyarat tersebut. Isyarat baru bersama watermark yang dihasilkan juga

mengambil banyak ruang untuk disimpan dengan isyarat asal jika dihantar secara

bersama.

Bagi memastikan kaedah yang dipilih adalah yang bersesuaian, beberapa

algoritma, model atau teori digunakan untuk mejamin kualitinya. Kaedah yang

dipilih juga mestilah mudah dilaksanakan dan dapat membentuk semula isyarat audio

yang dihantar tanpa sumber isyarat asal.

4

1.3 Matlamat Projek

Matlamat projek ini adalah untuk menyediakan sebuah kaedah memelihara

kualiti isyarat audio dengan menyediakan sebuah aplikasi sistem yang mudah

digunakan dan cekap yang dapat membenamkan sesuatu struktur watermark ke

dalam isyarat audio untuk membolehkan penghantaran bit watermarking bersama

isyarat audio tanpa menganggu sumber isyarat audio asal.

1.4 Objektif Projek

Beberapa objektif yang telah dikenalpasti untuk mencapai matlamat projek ini

ialah :

a) mengkaji penggunaan kaedah watermarking dalam isyarat audio dan

potensinya dalam memelihara kualiti isyarat audio.

b) menggunakan teknik-teknik baru bagi kaedah watermarking yang lebih

baik dalam mengatasi masalah menganggu isyarat asal audio.

c) menyediakan sebuah sistem yang mudah digunakan untuk membenamkan

bit watermark ke dalam fail audio yang dipilih..

d) membina sistem kaedah watermarking yang dapat menjamin keutuhan dan

kualiti isyarat audio yang dibentuk.

5

1.5 Skop Projek

Beberapa skop juga ditetapkan untuk memfokuskan projek ini. Skop-skop

berikut ialah :

a) kaedah ini hanya akan digunakan untuk isyarat audio.

b) bahasa pengaturcaraan yang akan digunakan ialah JAVA.

c) projek ini hanya akan dibuat untuk kegunaan bagi pihak penghantar.

d) projek ini hanya akan memfokus kepada membentuk, menghasilkan dan

membenamkan watermark ke dalam isyarat audio.

e) projek ini hanya akan dibangunkan untuk memproses 256 bit untuk

mengurangkan penggunaan sumber komputer yang terhad.

f) menggunakan andaian magnitud isyarat audio telah diketahui sebelum

menggunakan sistem ini.