發布時間：2022-04-28所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 快速響應碼( QR 碼) 以存儲信息量大、編解碼速度快、安全性高等特點，廣泛應用于各個領域。但 QR 碼本身并不具備安全保護能力，通過分析其編解碼原理，本文提出一種結合信息隱藏和可視秘密共享的 QR 碼安全認證技術，可應用于用戶信息傳遞及身份認證。實驗證明
摘 要: 快速響應碼( QR 碼) 以存儲信息量大、編解碼速度快、安全性高等特點，廣泛應用于各個領域。但 QR 碼本身并不具備安全保護能力，通過分析其編解碼原理，本文提出一種結合信息隱藏和可視秘密共享的 QR 碼安全認證技術，可應用于用戶信息傳遞及身份認證。實驗證明本方法具備可行性，且具有透明性高、計算成本低、效率快等優點，提高了信息傳遞的安全性。
關鍵詞: QR 碼; 信息隱藏; 消息認證; LSB; 可視秘密共享
0 引 言
QR 碼( 快速響應碼) 是一種矩陣式二維碼，以識別效率高、存儲信息量大、糾錯能力強等特點，廣泛應用于數據傳輸、產品營銷、支付系統、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將機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來傳輸秘密信息[3]等等。
本文利用 QR 碼的冗余特性，結合隱寫術和可視秘密共享技術，將 QR 碼應用在用戶身份的安全認證中。該方法加解密過程效率高，無需額外傳遞密鑰，在提高 QR 碼的真實性和機密性、實現身份認證的同時，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 基礎理論知識
QR 碼編碼包括信息編碼、糾錯編碼等過程，具體流程如圖 1 所示。與傳統一維條碼不同，使用Reed-Solomon ( RS) 糾錯碼，使 QR 碼具有很強的容錯糾錯能力。
1.1 Reed-Solomon ( RS) 糾錯碼
Reed-Solomon ( RS) 是一種糾錯算法，對原始數據進行計算得到的校驗碼即是糾錯碼。在糾錯能力范圍內，根據冗余的校驗碼可以確保原始數據的可恢復性。
1.2 最低有效位( LSB) 隱寫技術
LSB( least-significant -bit) 是一種信息隱藏技術[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。
一個好的隱寫技術要有良好的視覺或者統計上的不可感知性，以及足夠的有效載荷。本文采用的隱寫方法是改進后的 LSB 技術，提高了原始 LSB 的隱蔽性，該方法每次對兩個像素進行操作。選取完成信息隱寫后圖像的兩個像素，其像素值分別為 yi， yi+1。 根據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
可視秘密共享技術是一種基于圖像的信息隱藏技術，可將信息隱藏在多個子圖像中。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 個分享圖像，分別由 n 個人保管，解密時需要至少 k 個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網格的 ( 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，數值 1 代表黑色像素，數值 0 代表白色像素。需要將秘密圖像加密成 2 個分享圖像，也就是將一個像素分為兩個子像素，可分為四種情況[6]，如圖 3 所示。
假設秘密圖像的任意一個像素值為 p，兩個分享圖像的對應值 p1，p2 的生成及解密過程如下:
( 1) 隨機生成 p1，其值為 0 或 1;
( 2) p2 的值由等式( 4) 計算得出。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 的按位互補操作
2 QR 碼安全認證
選擇 QR 碼作為加密和認證載體，是因為 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。為實現安全認證功能，首先對用戶信息進行編碼，初步生成 QR 碼; 其次根據用戶信息生成認證信息并隱寫入 QR 碼中; 最后利用可視秘密共享技術，將所得 QR 碼分為兩個子圖像，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，信息填充時不對 QR 碼矩陣進行掩膜操作，當數據信息隱寫完成后才對其進行掩膜操作。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，進行數據編碼以及糾錯碼編碼，并將所得信息序列分塊填充到相應規格的 QR 碼矩陣中，如圖 5 所示。其中，D1，D2，…，Dm 和 E1，E2，…，En 分別表示數據碼塊和糾錯碼塊。
( 2) 認證信息隱寫。認證碼的產生主要分為消息認證碼( MAC) 和散列函數( Hash) [7]兩大類。消息認證碼是以消息和密鑰作為公開函數的輸入，產生一個定長的輸出，并以此作為認證碼。散列函數是一個無需密鑰的公開函數，它將任意長度的輸入信息映射成固定長度的輸出值，將此作為認證標識。本文采用基于 DES 的消息認證碼( 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，由系統管理密鑰。采用 DES 加密算法對 D 進行加密，把加密后的最后 64 位數據分組作為消息認證碼 s，生成的消息認證碼需要進行糾錯編碼，得到糾錯碼 Es。
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QR 碼共有 40 個版本，L、M、Q、H 四種糾錯等級。由于不同版本、糾錯等級，所能容納的錯誤位數不同，需要根據用戶信息、認證碼及其糾錯碼的數據位，選取適合版本及糾錯等級的 QR 碼�？紤]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，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計，但占比很小，且信息隱藏可能會破壞這些信息導致譯碼失敗，故也不適合。最終選取數據碼塊中數據碼字的最低有效位作為信息隱藏位置。數據碼塊隱藏空間大，并且可以提高 QR 碼版本增加隱藏的信息量。不同版本和糾錯等級的 QR 碼對應的信息隱藏容量如圖 6 所示。在確認隱寫位置后，將消息認證碼 s 和糾錯碼糾錯碼 Es 隱寫入 QR 碼中。本文使用的隱寫方法是基于改進后的 LSB 技術，實現認證信息的隱藏。
( 3) VSS。信息隱寫完成后，對生成的圖像進行掩膜，得到最終的 QR 碼。若直接對 QR 碼進行識讀，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 碼加密成兩個分享圖像，由用戶和管理員分別保存，只有在二者同時呈現圖像時，才能合成 QR 碼獲取用戶信息。
2.2 安全認證
安全認證與子圖像生成的過程相反，可分為信息提取和安全認證兩步，如圖 4( b) 所示。首先將用戶和管理員持有的子圖像進行合成得到 QR 碼，再利用隱寫過程的逆過程得到認證信息。確認認證信息是否與原先的認證碼相同，即可判斷用戶身份的真實性。具體認證過程如下:
( 1) 信息提取。首先，掃描用戶和管理員持有的圖像，將兩個分享圖像進行合成，就是將圖像對應像素進行異或操作，即可得到 QR 碼; 使用專用識別設備，對 QR 碼進行識讀，得到用戶信息 D; 最后將識別到的 QR 碼去除掩膜，并提取出隱藏的認證信息 s。
( 2) 安全認證。利用用戶信息 D 和共享密鑰 k，以同樣的方法生成消息認證碼 V。若 V 和 S 相同，則認證成功，說明用戶信息正確未被篡改，反之則失敗。
此方法的驗證過程安全高效，其優勢在于無需傳遞密鑰。因密鑰由系統進行管理，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險。由于采用可視秘密共享技術，若有一方信息泄露或者被篡改，沒有另一方的許可，則不能通過安全認證，有效地保證用戶信息的安全性。
3 實驗結果分析
為了驗證上述信息隱藏和安全認證方法的可行性及性能，對提出的方法進行實驗。本文所提出的信息隱藏和安全認證算法，與 QR 碼的編碼標準密切結合，同時利用了 QR 碼的糾錯冗余特性。試驗選擇基于 C++的 QR 碼標準編碼器，可以生成標準的 QR 碼。在此基礎上，對源代碼進行修改，在糾錯編碼以及數據塊填充的代碼后，添加認證信息生成以及信息隱寫代碼，最后再進行掩膜操作。
圖 7( a) 是未經修改的編碼器生成的 QR 碼圖像，編碼信息為“上海工程技術大學電子電氣工程學院”，版本號是 11，糾錯等級為 M。圖 7( b) 是將認證信息隱寫后的 QR 碼。可以發現，二維碼本身無法看出其攜帶的信息，能夠很好地保護信息不外泄; 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備，如手機等移動設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 碼加密成兩個子圖像，如圖 7 ( c) 、 ( d) 所示。因此，單獨任何一個子圖像均不能得到用戶信息，僅當兩個子圖像合成時才能得到 QR 碼，再進行解碼獲取認證信息，如圖 8 所示。
4 結束語
本文在分析 QR 碼糾錯機制的基礎上，利用糾錯編碼的冗余特性，結合改進后的 LSB 技術，實現認證信息的隱藏。采用基于二值圖像的 ( 2，2，) - VSS 門限方案，實現秘密共享，確保在雙方許可的條件下才能獲取信息。該方法使用改進后的 LSB 技術，改善了原始 LSB 技術對原圖像改動較大的缺點; 采用基于 DES 的消息認證碼( CBC-MAC) ，進一步確認消息的完整性; 最后利用可視秘密共享技術，既實現秘密共享，又保證了信息的機密性。實驗結果表明，本文采用的方法，計算成本較低，能夠高效地保護用戶信息，且具有很好的透明性。——論文作者：燕雨薇1 ，余 粟2
參考文獻
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