发布时间：2022-04-28所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要: 快速响应码( QR 码) 以存储信息量大、编解码速度快、安全性高等特点，广泛应用于各个领域。但 QR 码本身并不具备安全保护能力，通过分析其编解码原理，本文提出一种结合信息隐藏和可视秘密共享的 QR 码安全认证技术，可应用于用户信息传递及身份认证。实验证明
摘 要: 快速响应码( QR 码) 以存储信息量大、编解码速度快、安全性高等特点，广泛应用于各个领域。但 QR 码本身并不具备安全保护能力，通过分析其编解码原理，本文提出一种结合信息隐藏和可视秘密共享的 QR 码安全认证技术，可应用于用户信息传递及身份认证。实验证明本方法具备可行性，且具有透明性高、计算成本低、效率快等优点，提高了信息传递的安全性。
关键词: QR 码; 信息隐藏; 消息认证; LSB; 可视秘密共享
0 引 言
QR 码( 快速响应码) 是一种矩阵式二维码，以识别效率高、存储信息量大、纠错能力强等特点，广泛应用于数据传输、产品营销、支付系统、信息管理等方面。QR 码传输具有便利性，但所携信息存在很大的安全隐患，如信息泄露、伪造、篡改等。目前，针对提高二维码安全性的研究已有众多成果。例如，先将信息加密[1]再编码，能够有效提高 QR 码携带信息的安全性; 牛夏牧等人利用隐写技术将机密信息隐藏在二维码中[2]; Jen-Bang Feng 等人提出使用基于图像的可视秘密共享技术来传输秘密信息[3]等等。
本文利用 QR 码的冗余特性，结合隐写术和可视秘密共享技术，将 QR 码应用在用户身份的安全认证中。该方法加解密过程效率高，无需额外传递密钥，在提高 QR 码的真实性和机密性、实现身份认证的同时，有效地保证了信息的安全。并且，只有在用户许可的前提下，管理员才能获取到用户信息，保证了用户信息不被泄露。
1 基础理论知识
QR 码编码包括信息编码、纠错编码等过程，具体流程如图 1 所示。与传统一维条码不同，使用Reed-Solomon ( RS) 纠错码，使 QR 码具有很强的容错纠错能力。
1.1 Reed-Solomon ( RS) 纠错码
Reed-Solomon ( RS) 是一种纠错算法，对原始数据进行计算得到的校验码即是纠错码。在纠错能力范围内，根据冗余的校验码可以确保原始数据的可恢复性。
1.2 最低有效位( LSB) 隐写技术
LSB( least-significant -bit) 是一种信息隐藏技术[4]，即将信息嵌入到静止图像中。图像是由许多像素组成，利用 LSB 修改像素的最低位，使人眼不易察觉。以图 2 所示，将字母‘A’隐藏到部分图像中为例，简要说明 LSB 原理。
一个好的隐写技术要有良好的视觉或者统计上的不可感知性，以及足够的有效载荷。本文采用的隐写方法是改进后的 LSB 技术，提高了原始 LSB 的隐蔽性，该方法每次对两个像素进行操作。选取完成信息隐写后图像的两个像素，其像素值分别为 yi， yi+1。 根据像素值可以得到两位隐藏的信息，分别用 si，si+1 表示。
1.3 可视秘密共享( VSS) 技术
可视秘密共享技术是一种基于图像的信息隐藏技术，可将信息隐藏在多个子图像中。通过合成图像即可得到秘密信息，无需秘钥。秘密共享，也称为 ( k，n) - VSS 门限方案[5]，即将秘密图像加密成 n 个分享图像，分别由 n 个人保管，解密时需要至少 k 个人将各自的分享图像合成才能获得秘密信息，否则将无法正确显示。
本文采用的是基于随机网格的 ( 2，2) - VSS 门限方案。由于 QR 码为黑白图像，即二值图像，故本文只讨论针对二值图像的 ( 2，2) - VSS 方案。在二值图像中，数值 1 代表黑色像素，数值 0 代表白色像素。需要将秘密图像加密成 2 个分享图像，也就是将一个像素分为两个子像素，可分为四种情况[6]，如图 3 所示。
假设秘密图像的任意一个像素值为 p，两个分享图像的对应值 p1，p2 的生成及解密过程如下:
( 1) 随机生成 p1，其值为 0 或 1;
( 2) p2 的值由等式( 4) 计算得出。由图 3 可知，若 p = 0，则 p1 和 p2 相同，若 p = 0，则 p1 和 p2 相反，其中 p 珋1 表示 p1 的按位互补操作
2 QR 码安全认证
选择 QR 码作为加密和认证载体，是因为 QR码编解码速度快，且用其隐藏加密信息效率高，能够快速解密。为实现安全认证功能，首先对用户信息进行编码，初步生成 QR 码; 其次根据用户信息生成认证信息并隐写入 QR 码中; 最后利用可视秘密共享技术，将所得 QR 码分为两个子图像，所得子图像由用户和管理员分别保留。具体流程如图 4 所示。
2.1 图像生成
图像生成包括 QR 码信息填充、认证信息隐写、可视秘密共享三大步骤，如图 4( a) 所示。其中，信息填充时不对 QR 码矩阵进行掩膜操作，当数据信息隐写完成后才对其进行掩膜操作。目的是保证 QR 码黑白像素分布更加均衡。具体步骤如下:
( 1) 信息填充。将用户信息作为输入信息，进行数据编码以及纠错码编码，并将所得信息序列分块填充到相应规格的 QR 码矩阵中，如图 5 所示。其中，D1，D2，…，Dm 和 E1，E2，…，En 分别表示数据码块和纠错码块。
( 2) 认证信息隐写。认证码的产生主要分为消息认证码( MAC) 和散列函数( Hash) [7]两大类。消息认证码是以消息和密钥作为公开函数的输入，产生一个定长的输出，并以此作为认证码。散列函数是一个无需密钥的公开函数，它将任意长度的输入信息映射成固定长度的输出值，将此作为认证标识。本文采用基于 DES 的消息认证码( CBC-MAC) ，将用户信息 D 以及密钥 k 作为输入信息。其中密钥 k 是双方共享的，由系统管理密钥。采用 DES 加密算法对 D 进行加密，把加密后的最后 64 位数据分组作为消息认证码 s，生成的消息认证码需要进行纠错编码，得到纠错码 Es。
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QR 码共有 40 个版本，L、M、Q、H 四种纠错等级。由于不同版本、纠错等级，所能容纳的错误位数不同，需要根据用户信息、认证码及其纠错码的数据位，选取适合版本及纠错等级的 QR 码。考虑到功能图形，如位置检测图形、定位图形、校正图形等是 QR 码正确识别的重要依据，不适合用来隐藏信息。再者，虽然格式和版本信息存在冗余设计，但占比很小，且信息隐藏可能会破坏这些信息导致译码失败，故也不适合。最终选取数据码块中数据码字的最低有效位作为信息隐藏位置。数据码块隐藏空间大，并且可以提高 QR 码版本增加隐藏的信息量。不同版本和纠错等级的 QR 码对应的信息隐藏容量如图 6 所示。在确认隐写位置后，将消息认证码 s 和纠错码纠错码 Es 隐写入 QR 码中。本文使用的隐写方法是基于改进后的 LSB 技术，实现认证信息的隐藏。
( 3) VSS。信息隐写完成后，对生成的图像进行掩膜，得到最终的 QR 码。若直接对 QR 码进行识读，就能读取到用户信息。为了保证在用户许可的条件下，仅有管理员可获取用户信息，本文采用基于二值图像的 ( 2，2) - VSS 门限方案。将 QR 码加密成两个分享图像，由用户和管理员分别保存，只有在二者同时呈现图像时，才能合成 QR 码获取用户信息。
2.2 安全认证
安全认证与子图像生成的过程相反，可分为信息提取和安全认证两步，如图 4( b) 所示。首先将用户和管理员持有的子图像进行合成得到 QR 码，再利用隐写过程的逆过程得到认证信息。确认认证信息是否与原先的认证码相同，即可判断用户身份的真实性。具体认证过程如下:
( 1) 信息提取。首先，扫描用户和管理员持有的图像，将两个分享图像进行合成，就是将图像对应像素进行异或操作，即可得到 QR 码; 使用专用识别设备，对 QR 码进行识读，得到用户信息 D; 最后将识别到的 QR 码去除掩膜，并提取出隐藏的认证信息 s。
( 2) 安全认证。利用用户信息 D 和共享密钥 k，以同样的方法生成消息认证码 V。若 V 和 S 相同，则认证成功，说明用户信息正确未被篡改，反之则失败。
此方法的验证过程安全高效，其优势在于无需传递密钥。因密钥由系统进行管理，可自动完成解密工作，不需要第三方参与，极大地减少了信息泄露的风险。由于采用可视秘密共享技术，若有一方信息泄露或者被篡改，没有另一方的许可，则不能通过安全认证，有效地保证用户信息的安全性。
3 实验结果分析
为了验证上述信息隐藏和安全认证方法的可行性及性能，对提出的方法进行实验。本文所提出的信息隐藏和安全认证算法，与 QR 码的编码标准密切结合，同时利用了 QR 码的纠错冗余特性。试验选择基于 C++的 QR 码标准编码器，可以生成标准的 QR 码。在此基础上，对源代码进行修改，在纠错编码以及数据块填充的代码后，添加认证信息生成以及信息隐写代码，最后再进行掩膜操作。
图 7( a) 是未经修改的编码器生成的 QR 码图像，编码信息为“上海工程技术大学电子电气工程学院”，版本号是 11，纠错等级为 M。图 7( b) 是将认证信息隐写后的 QR 码。可以发现，二维码本身无法看出其携带的信息，能够很好地保护信息不外泄; 另一方面，该信息隐藏方法不会改变图像的视觉质量，无法察觉隐藏的信息。
上文最终生成的 QR 码虽然在一定程度上能够保证信息不外泄，但使用普通的识读设备，如手机等移动设备仍能够快速获取其包含的用户信息。因此，本文最后采用基于二值图像的 ( 2，2) - VSS 门限方案，将 QR 码加密成两个子图像，如图 7 ( c) 、 ( d) 所示。因此，单独任何一个子图像均不能得到用户信息，仅当两个子图像合成时才能得到 QR 码，再进行解码获取认证信息，如图 8 所示。
4 结束语
本文在分析 QR 码纠错机制的基础上，利用纠错编码的冗余特性，结合改进后的 LSB 技术，实现认证信息的隐藏。采用基于二值图像的 ( 2，2，) - VSS 门限方案，实现秘密共享，确保在双方许可的条件下才能获取信息。该方法使用改进后的 LSB 技术，改善了原始 LSB 技术对原图像改动较大的缺点; 采用基于 DES 的消息认证码( CBC-MAC) ，进一步确认消息的完整性; 最后利用可视秘密共享技术，既实现秘密共享，又保证了信息的机密性。实验结果表明，本文采用的方法，计算成本较低，能够高效地保护用户信息，且具有很好的透明性。——论文作者：燕雨薇1 ，余 粟2
参考文献
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[2]牛夏牧，黄文军，吴迪，等. 基于二维条码的信息隐藏技术[J].中山大学学报( 自然科学版) ，2004( S2) : 21-25.
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[4] LUO Weiqi，HUANG Fangjun，HUANG Jiwu. Edge Adaptive Image Steganography Based on LSB Matching Revisited[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security，5( 2) : 201 - 214.
[5]丁海洋. 一种基于秘密分享的高质量( k，n) 可视加密算法[J].计算机应用研究，2019，36( 8) : 2449-2453.
[6]YAN X，LU Y. Applying QR Code to Secure Medical Management [J]. 2018 9th International Conference on Information Technology in Medicine and Education ( ITME) ，2018: 53-56.
[7]徐津，温巧燕，王大印. 一种基于 Hash 函数和分组密码的消息认证码[J]. 计算机学报，2015，38( 4) : 793-803.
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[9]傅俊. QR 码图像信息隐藏技术及其隐秘通信系统研究与实现[D]. 湖南大学，2018.[10]张雅奇，张定会，江平. 一种提高 QR 码安全性的方法[J]. 信息技术，2012，36( 11) : 90-92.
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