發(fā)布時(shí)間：2022-04-28所屬分類：計(jì)算機(jī)職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 快速響應(yīng)碼( QR 碼) 以存儲信息量大、編解碼速度快、安全性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但 QR 碼本身并不具備安全保護(hù)能力，通過分析其編解碼原理，本文提出一種結(jié)合信息隱藏和可視秘密共享的 QR 碼安全認(rèn)證技術(shù)，可應(yīng)用于用戶信息傳遞及身份認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)證明
摘 要: 快速響應(yīng)碼( QR 碼) 以存儲信息量大、編解碼速度快、安全性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但 QR 碼本身并不具備安全保護(hù)能力，通過分析其編解碼原理，本文提出一種結(jié)合信息隱藏和可視秘密共享的 QR 碼安全認(rèn)證技術(shù)，可應(yīng)用于用戶信息傳遞及身份認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)證明本方法具備可行性，且具有透明性高、計(jì)算成本低、效率快等優(yōu)點(diǎn)，提高了信息傳遞的安全性。
關(guān)鍵詞: QR 碼; 信息隱藏; 消息認(rèn)證; LSB; 可視秘密共享
0 引 言
QR 碼( 快速響應(yīng)碼) 是一種矩陣式二維碼，以識別效率高、存儲信息量大、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、產(chǎn)品營銷、支付系統(tǒng)、信息管理等方面。QR 碼傳輸具有便利性，但所攜信息存在很大的安全隱患，如信息泄露、偽造、篡改等。目前，針對提高二維碼安全性的研究已有眾多成果。例如，先將信息加密[1]再編碼，能夠有效提高 QR 碼攜帶信息的安全性; 牛夏牧等人利用隱寫技術(shù)將機(jī)密信息隱藏在二維碼中[2]; Jen-Bang Feng 等人提出使用基于圖像的可視秘密共享技術(shù)來傳輸秘密信息[3]等等。
本文利用 QR 碼的冗余特性，結(jié)合隱寫術(shù)和可視秘密共享技術(shù)，將 QR 碼應(yīng)用在用戶身份的安全認(rèn)證中。該方法加解密過程效率高，無需額外傳遞密鑰，在提高 QR 碼的真實(shí)性和機(jī)密性、實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證的同時(shí)，有效地保證了信息的安全。并且，只有在用戶許可的前提下，管理員才能獲取到用戶信息，保證了用戶信息不被泄露。
1 基礎(chǔ)理論知識
QR 碼編碼包括信息編碼、糾錯(cuò)編碼等過程，具體流程如圖 1 所示。與傳統(tǒng)一維條碼不同，使用Reed-Solomon ( RS) 糾錯(cuò)碼，使 QR 碼具有很強(qiáng)的容錯(cuò)糾錯(cuò)能力。
1.1 Reed-Solomon ( RS) 糾錯(cuò)碼
Reed-Solomon ( RS) 是一種糾錯(cuò)算法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的校驗(yàn)碼即是糾錯(cuò)碼。在糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)，根據(jù)冗余的校驗(yàn)碼可以確保原始數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性。
1.2 最低有效位( LSB) 隱寫技術(shù)
LSB( least-significant -bit) 是一種信息隱藏技術(shù)[4]，即將信息嵌入到靜止圖像中。圖像是由許多像素組成，利用 LSB 修改像素的最低位，使人眼不易察覺。以圖 2 所示，將字母‘A’隱藏到部分圖像中為例，簡要說明 LSB 原理。
一個(gè)好的隱寫技術(shù)要有良好的視覺或者統(tǒng)計(jì)上的不可感知性，以及足夠的有效載荷。本文采用的隱寫方法是改進(jìn)后的 LSB 技術(shù)，提高了原始 LSB 的隱蔽性，該方法每次對兩個(gè)像素進(jìn)行操作。選取完成信息隱寫后圖像的兩個(gè)像素，其像素值分別為 yi， yi+1。 根據(jù)像素值可以得到兩位隱藏的信息，分別用 si，si+1 表示。
1.3 可視秘密共享( VSS) 技術(shù)
可視秘密共享技術(shù)是一種基于圖像的信息隱藏技術(shù)，可將信息隱藏在多個(gè)子圖像中。通過合成圖像即可得到秘密信息，無需秘鑰。秘密共享，也稱為 ( k，n) - VSS 門限方案[5]，即將秘密圖像加密成 n 個(gè)分享圖像，分別由 n 個(gè)人保管，解密時(shí)需要至少 k 個(gè)人將各自的分享圖像合成才能獲得秘密信息，否則將無法正確顯示。
本文采用的是基于隨機(jī)網(wǎng)格的 ( 2，2) - VSS 門限方案。由于 QR 碼為黑白圖像，即二值圖像，故本文只討論針對二值圖像的 ( 2，2) - VSS 方案。在二值圖像中，數(shù)值 1 代表黑色像素，數(shù)值 0 代表白色像素。需要將秘密圖像加密成 2 個(gè)分享圖像，也就是將一個(gè)像素分為兩個(gè)子像素，可分為四種情況[6]，如圖 3 所示。
假設(shè)秘密圖像的任意一個(gè)像素值為 p，兩個(gè)分享圖像的對應(yīng)值 p1，p2 的生成及解密過程如下:
( 1) 隨機(jī)生成 p1，其值為 0 或 1;
( 2) p2 的值由等式( 4) 計(jì)算得出。由圖 3 可知，若 p = 0，則 p1 和 p2 相同，若 p = 0，則 p1 和 p2 相反，其中 p 珋1 表示 p1 的按位互補(bǔ)操作
2 QR 碼安全認(rèn)證
選擇 QR 碼作為加密和認(rèn)證載體，是因?yàn)?QR碼編解碼速度快，且用其隱藏加密信息效率高，能夠快速解密。為實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證功能，首先對用戶信息進(jìn)行編碼，初步生成 QR 碼; 其次根據(jù)用戶信息生成認(rèn)證信息并隱寫入 QR 碼中; 最后利用可視秘密共享技術(shù)，將所得 QR 碼分為兩個(gè)子圖像，所得子圖像由用戶和管理員分別保留。具體流程如圖 4 所示。
2.1 圖像生成
圖像生成包括 QR 碼信息填充、認(rèn)證信息隱寫、可視秘密共享三大步驟，如圖 4( a) 所示。其中，信息填充時(shí)不對 QR 碼矩陣進(jìn)行掩膜操作，當(dāng)數(shù)據(jù)信息隱寫完成后才對其進(jìn)行掩膜操作。目的是保證 QR 碼黑白像素分布更加均衡。具體步驟如下:
( 1) 信息填充。將用戶信息作為輸入信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼以及糾錯(cuò)碼編碼，并將所得信息序列分塊填充到相應(yīng)規(guī)格的 QR 碼矩陣中，如圖 5 所示。其中，D1，D2，…，Dm 和 E1，E2，…，En 分別表示數(shù)據(jù)碼塊和糾錯(cuò)碼塊。
( 2) 認(rèn)證信息隱寫。認(rèn)證碼的產(chǎn)生主要分為消息認(rèn)證碼( MAC) 和散列函數(shù)( Hash) [7]兩大類。消息認(rèn)證碼是以消息和密鑰作為公開函數(shù)的輸入，產(chǎn)生一個(gè)定長的輸出，并以此作為認(rèn)證碼。散列函數(shù)是一個(gè)無需密鑰的公開函數(shù)，它將任意長度的輸入信息映射成固定長度的輸出值，將此作為認(rèn)證標(biāo)識。本文采用基于 DES 的消息認(rèn)證碼( CBC-MAC) ，將用戶信息 D 以及密鑰 k 作為輸入信息。其中密鑰 k 是雙方共享的，由系統(tǒng)管理密鑰。采用 DES 加密算法對 D 進(jìn)行加密，把加密后的最后 64 位數(shù)據(jù)分組作為消息認(rèn)證碼 s，生成的消息認(rèn)證碼需要進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，得到糾錯(cuò)碼 Es。
相關(guān)文獻(xiàn)您還可以查看：研究信息隱藏相關(guān)領(lǐng)域的論文文獻(xiàn)
QR 碼共有 40 個(gè)版本，L、M、Q、H 四種糾錯(cuò)等級。由于不同版本、糾錯(cuò)等級，所能容納的錯(cuò)誤位數(shù)不同，需要根據(jù)用戶信息、認(rèn)證碼及其糾錯(cuò)碼的數(shù)據(jù)位，選取適合版本及糾錯(cuò)等級的 QR 碼。考慮到功能圖形，如位置檢測圖形、定位圖形、校正圖形等是 QR 碼正確識別的重要依據(jù)，不適合用來隱藏信息。再者，雖然格式和版本信息存在冗余設(shè)計(jì)，但占比很小，且信息隱藏可能會破壞這些信息導(dǎo)致譯碼失敗，故也不適合。最終選取數(shù)據(jù)碼塊中數(shù)據(jù)碼字的最低有效位作為信息隱藏位置。數(shù)據(jù)碼塊隱藏空間大，并且可以提高 QR 碼版本增加隱藏的信息量。不同版本和糾錯(cuò)等級的 QR 碼對應(yīng)的信息隱藏容量如圖 6 所示。在確認(rèn)隱寫位置后，將消息認(rèn)證碼 s 和糾錯(cuò)碼糾錯(cuò)碼 Es 隱寫入 QR 碼中。本文使用的隱寫方法是基于改進(jìn)后的 LSB 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)證信息的隱藏。
( 3) VSS。信息隱寫完成后，對生成的圖像進(jìn)行掩膜，得到最終的 QR 碼。若直接對 QR 碼進(jìn)行識讀，就能讀取到用戶信息。為了保證在用戶許可的條件下，僅有管理員可獲取用戶信息，本文采用基于二值圖像的 ( 2，2) - VSS 門限方案。將 QR 碼加密成兩個(gè)分享圖像，由用戶和管理員分別保存，只有在二者同時(shí)呈現(xiàn)圖像時(shí)，才能合成 QR 碼獲取用戶信息。
2.2 安全認(rèn)證
安全認(rèn)證與子圖像生成的過程相反，可分為信息提取和安全認(rèn)證兩步，如圖 4( b) 所示。首先將用戶和管理員持有的子圖像進(jìn)行合成得到 QR 碼，再利用隱寫過程的逆過程得到認(rèn)證信息。確認(rèn)認(rèn)證信息是否與原先的認(rèn)證碼相同，即可判斷用戶身份的真實(shí)性。具體認(rèn)證過程如下:
( 1) 信息提取。首先，掃描用戶和管理員持有的圖像，將兩個(gè)分享圖像進(jìn)行合成，就是將圖像對應(yīng)像素進(jìn)行異或操作，即可得到 QR 碼; 使用專用識別設(shè)備，對 QR 碼進(jìn)行識讀，得到用戶信息 D; 最后將識別到的 QR 碼去除掩膜，并提取出隱藏的認(rèn)證信息 s。
( 2) 安全認(rèn)證。利用用戶信息 D 和共享密鑰 k，以同樣的方法生成消息認(rèn)證碼 V。若 V 和 S 相同，則認(rèn)證成功，說明用戶信息正確未被篡改，反之則失敗。
此方法的驗(yàn)證過程安全高效，其優(yōu)勢在于無需傳遞密鑰。因密鑰由系統(tǒng)進(jìn)行管理，可自動完成解密工作，不需要第三方參與，極大地減少了信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。由于采用可視秘密共享技術(shù)，若有一方信息泄露或者被篡改，沒有另一方的許可，則不能通過安全認(rèn)證，有效地保證用戶信息的安全性。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
為了驗(yàn)證上述信息隱藏和安全認(rèn)證方法的可行性及性能，對提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文所提出的信息隱藏和安全認(rèn)證算法，與 QR 碼的編碼標(biāo)準(zhǔn)密切結(jié)合，同時(shí)利用了 QR 碼的糾錯(cuò)冗余特性。試驗(yàn)選擇基于 C++的 QR 碼標(biāo)準(zhǔn)編碼器，可以生成標(biāo)準(zhǔn)的 QR 碼。在此基礎(chǔ)上，對源代碼進(jìn)行修改，在糾錯(cuò)編碼以及數(shù)據(jù)塊填充的代碼后，添加認(rèn)證信息生成以及信息隱寫代碼，最后再進(jìn)行掩膜操作。
圖 7( a) 是未經(jīng)修改的編碼器生成的 QR 碼圖像，編碼信息為“上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院”，版本號是 11，糾錯(cuò)等級為 M。圖 7( b) 是將認(rèn)證信息隱寫后的 QR 碼�？梢园l(fā)現(xiàn)，二維碼本身無法看出其攜帶的信息，能夠很好地保護(hù)信息不外泄; 另一方面，該信息隱藏方法不會改變圖像的視覺質(zhì)量，無法察覺隱藏的信息。
上文最終生成的 QR 碼雖然在一定程度上能夠保證信息不外泄，但使用普通的識讀設(shè)備，如手機(jī)等移動設(shè)備仍能夠快速獲取其包含的用戶信息。因此，本文最后采用基于二值圖像的 ( 2，2) - VSS 門限方案，將 QR 碼加密成兩個(gè)子圖像，如圖 7 ( c) 、 ( d) 所示。因此，單獨(dú)任何一個(gè)子圖像均不能得到用戶信息，僅當(dāng)兩個(gè)子圖像合成時(shí)才能得到 QR 碼，再進(jìn)行解碼獲取認(rèn)證信息，如圖 8 所示。
4 結(jié)束語
本文在分析 QR 碼糾錯(cuò)機(jī)制的基礎(chǔ)上，利用糾錯(cuò)編碼的冗余特性，結(jié)合改進(jìn)后的 LSB 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)證信息的隱藏。采用基于二值圖像的 ( 2，2，) - VSS 門限方案，實(shí)現(xiàn)秘密共享，確保在雙方許可的條件下才能獲取信息。該方法使用改進(jìn)后的 LSB 技術(shù)，改善了原始 LSB 技術(shù)對原圖像改動較大的缺點(diǎn); 采用基于 DES 的消息認(rèn)證碼( CBC-MAC) ，進(jìn)一步確認(rèn)消息的完整性; 最后利用可視秘密共享技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)秘密共享，又保證了信息的機(jī)密性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的方法，計(jì)算成本較低，能夠高效地保護(hù)用戶信息，且具有很好的透明性。——論文作者：燕雨薇1 ，余 粟2
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