摘 要：目前QR二維碼采用隱形印刷等材料防偽加密比較復(fù)雜，只能在證件上使用，現(xiàn)有的數(shù)字水印加密技術(shù)在用于二維碼加密時(shí)，沒有很好的結(jié)合QR二維碼自身的編碼規(guī)則，負(fù)載的加密信息較少。根據(jù)QR二維碼的信息存放位置特點(diǎn)和QR二維碼圖像特征，將水印位置和鏈碼相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新的二維碼水印加密和其解密算法。另外可以結(jié)合人體的多重生物特征對(duì)QR二維碼進(jìn)行加密，水印位置有限時(shí)采用模擬退火算法解決各項(xiàng)特征之間的位置競(jìng)爭(zhēng)問題。理論和實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有速度快，準(zhǔn)確率高，加密不影響二維碼基本信息的識(shí)別，加密后的二維碼圖片能夠被主流的QR碼識(shí)別工具識(shí)別。

關(guān)鍵詞：QR碼；模擬退火算法；鏈碼；水印

1 二維碼水印加密背景及目前加密解密現(xiàn)狀

1.1 QR二維碼的應(yīng)用背景

隨著中國(guó)3G技術(shù)的普及，以及手機(jī)本身性能的提高，二維碼作為一種全新的信息存儲(chǔ)、傳遞和識(shí)別技術(shù)迅速地融入到了社會(huì)生活當(dāng)中，其保密和安全問題也越來越有研究?jī)r(jià)值，2012年鐵道部出現(xiàn)了用戶隱私資料信息被二維碼泄密的問題，病毒也開始通過二維碼傳播。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)二維碼數(shù)字加密的技術(shù)的論述并不多，在當(dāng)前期刊網(wǎng)上有關(guān)二維碼討論的258篇論文也主要集中于二維碼自身的編碼解碼規(guī)則，只有16篇是討論二維碼數(shù)字手段加密的。其中加密采取的主要手段是通過復(fù)雜昂貴的隱形印刷技術(shù)。而討論數(shù)字加密的只是對(duì)一般圖像都通用的結(jié)合水印加密，未能很好的結(jié)合QR二維碼自身的編碼規(guī)則，所能負(fù)載的加密信息量也極少[3]。

1.2 國(guó)內(nèi)外二維碼加密研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于二維碼信息隱藏技術(shù)的文獻(xiàn)不是很多，研究對(duì)象主要是四一七條碼（Portable Data File417，PDF417碼）和QR碼。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)PDF417碼的研究較多且以空域水印為主，在國(guó)外，以研究QR碼居多，以頻域水印為主。牛夏牧[7]等利用變形技術(shù)對(duì)PDF417碼中的各組成單元寬度加以適量的變動(dòng)，采用誤差累積的方式實(shí)現(xiàn)隱藏信息的嵌入和提取。陳崢等[3]針對(duì)PDF417碼，提出了基于邊界移位的隱藏信息嵌入算法。趙博等[4]提出一種基于結(jié)構(gòu)微調(diào)法的水印算法，對(duì)PDF417碼的組成條空進(jìn)行適量的微調(diào)，將信息隱藏進(jìn)二維碼中。晁玉海等[5]提出一種對(duì)隱藏信息進(jìn)行擴(kuò)頻和映射處理，根據(jù)PDF417碼自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過微調(diào)條碼中的條和空將信息隱藏的方法。Ming Sun等[6]提出兩種基于離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）變換的QR碼數(shù)字水印，分別可以嵌入隨機(jī)序列和圖片。Jau-Ji Shen等[7]針對(duì)PDF417碼提出一種稱作關(guān)聯(lián)水印的盲水印算法，該算法可以提高水印的嵌入容量并可將PDF417碼用于數(shù)據(jù)認(rèn)證。

⑴二維碼圖和傳統(tǒng)防偽制作技術(shù)（主要是印刷）相結(jié)合，避免碼圖被直接影印、拍照，比如采用隱形印刷等等；

⑵掌握二維碼編碼技術(shù)，對(duì)二維碼碼圖本身做特殊處理（如加密、復(fù)合、變形等），這種方法的目的有二，一是可以讓別人的識(shí)讀軟件無法識(shí)別碼圖，二是可以在這些碼圖中編入特別信息，以作防偽校驗(yàn)之用。

簡(jiǎn)而言之，一個(gè)采用特殊印刷技術(shù)，一個(gè)采用特殊編碼，從而提高技術(shù)門檻也就提高了造假的成本與難度。本文研究算法基于第二種方式，對(duì)二維碼碼圖進(jìn)行特殊處理，達(dá)到嵌入 信息進(jìn)行防偽校驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2 適用于QR的數(shù)字水印算法

2.1 水印的嵌入算法

2.1.1 水印嵌入位置及表示方案

鏈碼和QR二維碼水印信息的位置選擇和像素值改變方案，根據(jù)鏈碼、改進(jìn)的LSB算法和二維碼的基本理論，本文結(jié)合處如下表示方案。QR碼圖像是由N*N個(gè)深色或者淺色的模塊圖形組成，實(shí)驗(yàn)中是黑色和白色模塊?？紤]水印需要的隱蔽性，我們選取黑色的正方形作為水印嵌入單元。假設(shè)QR碼的一個(gè)模塊圖形的大小為M*M，其中M為模塊的長(zhǎng)度（高度），單位是像素。條碼矩陣的大小為N*N。每個(gè)正方形基元占用的像素點(diǎn)為M/N。

如圖2.1所示：跟四鏈碼的結(jié)合方式為將正方形基元平分成四等份，每一塊的大小為M/2N，選擇其中的一塊，按統(tǒng)一水印規(guī)則改變整個(gè)選中塊的像素值，嵌入水印信息，按照鏈碼方向的規(guī)則給四個(gè)方向的小矩陣編碼為0，1，2，3，四幅圖中的紅色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)著0，1，2，3。這樣每個(gè)黑色QR碼的正方形基元便可以承載一位四進(jìn)制的數(shù)。當(dāng)圖像格式為RGB三色圖時(shí)，結(jié)合第一章所介紹的改進(jìn)的LSB編碼規(guī)則，每一塊像素值按規(guī)則改變后又可表示為00，01，10，11的四進(jìn)制，跟位置的編碼規(guī)則相結(jié)合，每個(gè)正方形模塊就可以表示一位十六進(jìn)制的數(shù)，也就是4bit的信息。

2.1.2 水.印嵌入流程

如圖2.2 水印算法的整體嵌入步驟：

第一步：根據(jù)基本信息編碼出未加密的二維碼舉證，自左向右，自上而下，統(tǒng)計(jì)N*N黑色和白色模塊的QR二維碼可用來嵌入水印的黑色模塊的個(gè)數(shù)，記為C，并記錄下各個(gè)可用的黑色模塊在二維碼的二維矩陣中的位置。

第二步：依據(jù)偽指紋特征隨機(jī)密鑰生成技術(shù)，隨機(jī)生成三個(gè)指紋特征數(shù)據(jù)記為T1、T2、T3，并將T1、T2、T3轉(zhuǎn)碼成和水印嵌入方式所采用的編碼進(jìn)制（八進(jìn)制、十六進(jìn)制等）相同的編碼進(jìn)制，統(tǒng)計(jì)出T1，T2，T3所需要的占用編碼位數(shù)記為n1，n2，n3。

第三步：如果n1+n2+n3>c，則說明水印嵌入位置不足以嵌入所有的指紋特征數(shù)據(jù)，當(dāng)嵌入位置不足時(shí)采用基于模擬退火算法競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，解決各個(gè)特征信息之間采樣數(shù)競(jìng)爭(zhēng)問題，模擬退火的優(yōu)勢(shì)能保證了嵌入位置的隨機(jī)性，和各個(gè)特征信息的均衡性。

第四步：依照模擬退火算法競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制產(chǎn)生的二維指紋矩陣加密位置對(duì)應(yīng)表，對(duì)QR二維碼圖形進(jìn)行加密。

2.2 水印的提取算法

如圖2.3：首先，從加密的二維碼圖片中解碼出二維碼的基本信息。

將加密后的二維碼圖片記為map1和未水印加密的二維圖片記為map2，導(dǎo)入解碼程序中。

第二步：將相應(yīng)的兩幅圖像做減法代數(shù)運(yùn)算，提取圖像中目標(biāo)區(qū)域，給定閾值大小為水印差值的一半，將低于閾值的像素點(diǎn)看作相同像素點(diǎn)，差值取絕對(duì)值選取為了實(shí)現(xiàn)精確定位，因?yàn)閮煞鶊D像編碼格式一致，除了不通目標(biāo)區(qū)域以外，其他區(qū)域完全相同，包括圖像大小等。

第三部：使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)斷線的連接，主要目的是保持目標(biāo)區(qū)域邊緣連續(xù)，為孤立點(diǎn)的去除做準(zhǔn)備。第三步：使用改進(jìn)中值濾波去除圖像中孤立異常點(diǎn)，如果除了目標(biāo)區(qū)域以外，其他區(qū)域完全相同，那么基本不需要去處異常點(diǎn)，在做加入噪聲干擾實(shí)驗(yàn)時(shí)去除邊緣毛邊是一個(gè)需要除了的問題。

第四步：采用曲線全向跟蹤技術(shù)，尋找目標(biāo)區(qū)域的邊緣輪廓，探查到所有目標(biāo)區(qū)域邊緣。

第五步：將圖像按照二維碼自身的編碼規(guī)則分成N*N塊，根據(jù)上圖中提取去的各個(gè)嵌入水印的矩形區(qū)域的位置，并將區(qū)域大小經(jīng)過閾值判斷，去掉干擾點(diǎn)，定位出各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)得編碼值，返回二維矩陣各個(gè)嵌入水印值位置對(duì)應(yīng)得值。和加密時(shí)候保存的加密二維矩陣值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行水印驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)

含有水印的QR碼的識(shí)別和提取實(shí)驗(yàn)

算法穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，流程如下：

（1）產(chǎn)生一段隨機(jī)長(zhǎng)度和隨機(jī)內(nèi)容的文本T1。

（2）將文本T1編碼為QR碼圖形Q1。

（3）計(jì)算Q1的水印容量大小。

（4）通過通過隨機(jī)指紋發(fā)生器和模擬退火競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制產(chǎn)生水印信息W。

（5）向Q1中嵌入水印信息W得到含有水印的QR碼圖形Q2。

（6）識(shí)讀Q2得到T2，并與原始編碼內(nèi)容T1對(duì)比，記錄對(duì)比結(jié)果。

（7）從含有水印的QR碼圖形Q2中提取水印信息WR。

（8）比較W和WR，記錄對(duì)比結(jié)果。

（9）重復(fù)1000次步驟（1）～（8）的試驗(yàn)，并計(jì)算QR碼的識(shí)別正確率和水印嵌入和提取的正確率。

隨機(jī)文本T包含英文字母、數(shù)字和常用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)為100次，最后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并計(jì)算正確率。實(shí)驗(yàn)最終得到的數(shù)據(jù)是QR碼的識(shí)別正確率為97%，嵌入和提取水印的正確率為95%。該實(shí)驗(yàn)表明，水印算法非常穩(wěn)定，嵌入的水印不會(huì)影響到QR碼的正確識(shí)別，并且水印信息的嵌入和提取不受水印內(nèi)容和QR碼載體圖像的影響。

4 結(jié)論

提出了一種適用于QR碼的魯棒性和嵌入信息量都適中的水印算法，該算法用鏈碼的方向編碼和改進(jìn)的LSB算法嵌入水印信息，保證水印信息不會(huì)改變QR碼的圖形結(jié)構(gòu)，并確保嵌入的水印信息不會(huì)影響到QR碼的正確識(shí)別。與現(xiàn)有的利用誤差特性進(jìn)行信息隱藏的算法相比，該算法極大程度增強(qiáng)了數(shù)字水印的隱蔽性，提高了水印信息的嵌入量。同時(shí)算法不會(huì)受到QR碼的容量限制，并且適合電子保存和打印等多種形式，具有提取水印速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。并且提出了由多種生物特征提取出的信息組成水印信息的方式，將二維碼與用戶綁定，實(shí)現(xiàn)了人碼一體的認(rèn)證功能。

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