蔣鵬程 熊禮治 韓嘯

摘 要：近年來(lái)，二維碼作為一種存儲(chǔ)與傳遞信息的新技術(shù)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如共享單車、安全支付等。在掃描過(guò)程中，二維碼作為信息媒介與身份認(rèn)證的工具發(fā)揮了重要作用，但因二維碼廣泛使用帶來(lái)的安全問(wèn)題也層出不窮。因此，在保證二維碼可用性的基礎(chǔ)上，需提高二維碼的安全性并對(duì)其進(jìn)行美化，使其圖案具有一定防偽能力。結(jié)合二維碼理論，使用安全哈希算法對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行加密，并采用像素替換法使二維碼具有較好的美觀性與視覺(jué)辨識(shí)度。掃描時(shí)通過(guò)二值化算法，并結(jié)合灰度化處理，從而獲取二維碼信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能達(dá)到較好的防偽效果，并能保持一般二維碼具有的最大內(nèi)容容量。

關(guān)鍵詞：二維碼;圖像加密;二值化處理;美觀二維碼;信息隱藏

DOI：10. 11907/rjdk. 181910

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）002-0119-04

Abstract：In recent years， two-dimensional code， as a new technology for storing and transmitting information， has been applied to many areas， such as sharing bicycles， secure payment and so on. In the process of scanning， two-dimensional code plays a very important role as a tool for information media and identity authentication， but the security problems brought about by the wide use of two-dimensional code keep emerging. Therefore， the purpose of this paper is to improve the security of two-dimensional code，beautify two-dimensional code on the basis of ensuring the availability of two-dimensional code， and also have a certain anti-counterfeiting ability on the pattern. This scheme will combine the two-dimensional code theory to encrypt the content by using the secure hash algorithm， and make the two-dimensional code with a certain beauty and visual identification by the pixel replacement method. The two valued algorithm and gray scale processing of two-dimensional code are used to get information. Experimental data show that it can resist attacks such as forged two-dimensional codes to some extent and can still maintain the maximum content capacity of general two-dimensional codes.

Key Words：QR-code; image encryption; binary processing; beautiful QR-code; information hiding

0 引言

現(xiàn)行的QR 二維碼編碼是屬于開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)格是公開(kāi)的，所以應(yīng)用比較廣泛。QR二維碼通過(guò)復(fù)雜的組合與數(shù)據(jù)混亂編碼算法（如Reed-Solomon error correction里德-所羅門糾錯(cuò)算法等）生成，使用方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。但同樣由于QR二維碼編碼標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性，使得偽造QR二維碼難度并不高。而且由于二維碼中內(nèi)容可以包含各種信息，當(dāng)二維碼中信息指向一個(gè)危險(xiǎn)站點(diǎn)時(shí)，用戶打開(kāi)則可能導(dǎo)致隱私泄露，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。由此可見(jiàn)，研究如何提高QR二維碼的安全性具有重要意義?？紤]到現(xiàn)有很多QR二維碼在編碼時(shí)并未進(jìn)行加密，因此對(duì)二維碼內(nèi)容及圖像進(jìn)行加密處理是十分必要的。本文提出一種基于內(nèi)容保護(hù)與優(yōu)化識(shí)別的二維碼方案，通過(guò)使用SHA加密算法對(duì)現(xiàn)有二維碼進(jìn)行改進(jìn)，并提高二維碼的美觀性，以增強(qiáng)人眼辨識(shí)度。同時(shí)采用羅松等[1]提出的用于條碼讀取的二值化算法，并結(jié)合灰度化處理，以保持二維碼的可用性。

1 相關(guān)技術(shù)與算法

1.1 QR二維碼

二維碼（2-dimensional Bar Code）近年來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用廣泛。二維碼是用某種特定幾何圖形按一定規(guī)律在平面上分布的黑白相間、用于記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的圖形，由探測(cè)圖形、定位圖形、數(shù)據(jù)區(qū)域與校正圖形4大功能模塊組成（見(jiàn)圖1）。QR二維碼編碼流程大致分為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)編碼、編碼糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)組織、應(yīng)用數(shù)據(jù)掩碼、格式填充等幾個(gè)步驟。

1.2 安全哈希算法

安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）主要適用于數(shù)字簽名標(biāo)準(zhǔn)（Digital Signature Standard，DSS）中定義的數(shù)字簽名算法（Digital Signature Algorithm，DSA）。對(duì)于長(zhǎng)度小于2^64位的消息，SHA1會(huì)產(chǎn)生一個(gè)160位的消息摘要。該算法經(jīng)專家多年來(lái)的研究與改進(jìn)已日益完善，其思想是接收一段明文，然后以一種不可逆的方式將其轉(zhuǎn)換成一段密文（通常更?。部梢院?jiǎn)單理解為取一串輸入碼（稱為預(yù)映射或信息），將其轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度較短、位數(shù)固定的輸出序列，即散列值（也稱為信息摘要或信息認(rèn)證代碼）的過(guò)程[2]。散列函數(shù)值可看作針對(duì)明文的一種“指紋”或“摘要”，所以對(duì)散列值的數(shù)字簽名即可視為對(duì)該明文的數(shù)字簽名。將這種“指紋”放入二維碼以實(shí)現(xiàn)信息隱藏與防偽的技術(shù)[3]，即通過(guò)編號(hào)信息與經(jīng)加密后信息組合的方式進(jìn)行傳輸，收到信息后按照發(fā)送方的方式通過(guò)編號(hào)進(jìn)行加密，再將兩次密文進(jìn)行比對(duì)，從而判斷信息是否正確或者被人篡改。

1.3 局部自適應(yīng)二值化算法

圖像二值化是將圖像上像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255，也即使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的只有黑與白的視覺(jué)效果[4]。局部二值化是指對(duì)于不同區(qū)域、不同閾值、不同光照區(qū)域，保留對(duì)應(yīng)紋理圖像的過(guò)程[5]。局部自適應(yīng)閾值計(jì)算法根據(jù)像素鄰域塊內(nèi)的像素值分布，確定該像素位置上的二值化閾值[6]，該方式適用于處理亮度變化大、光照不平衡的圖片。

1.4 圖像灰度化處理

在RGB模型中，如果R=G=B，則彩色表示一種灰度顏色，其中R=G=B的值稱為灰度值。因此，灰度圖像每個(gè)像素只需一個(gè)字節(jié)存放灰度值（又稱為強(qiáng)度值、亮度值），灰度范圍為0～255。一般采用分量法、最大值法、平均值法、加權(quán)平均法4種方法對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度化處理，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌叶戎档暮诎讏D片。

2 設(shè)計(jì)思想

2.1 總體設(shè)計(jì)思想

將明文內(nèi)容生成對(duì)應(yīng)的密鑰信息，再將兩部分分別加密形成部分密文內(nèi)容，兩部分與編號(hào)信息混合后形成整個(gè)密文內(nèi)容[7]，最后通過(guò)對(duì)二維碼顏色進(jìn)行擴(kuò)展嵌入彩色logo，并保證數(shù)據(jù)容量充足[8]，從而制作出彩色的加密二維碼。二維碼在生成時(shí)需盡量將標(biāo)志性圖像空出，通過(guò)二維碼糾錯(cuò)機(jī)制保證二維碼的可讀性[9]。二維碼生成流程如圖2所示。

讀取二維碼時(shí)，首先通過(guò)對(duì)整體背景的二值化處理找到二維碼所在位置[10]，便于后續(xù)讀碼，再對(duì)該位置圖像進(jìn)行灰度化處理，去除logo對(duì)掃碼的干擾，從而讀取二維碼中的信息。讀取二維碼后對(duì)其進(jìn)行信息編號(hào)與各部分密文的分離，由編號(hào)信息定位到密鑰值，由密鑰值加密后的密文比對(duì)結(jié)果確定信息是否修改或二維碼是否安全，再對(duì)原始信息進(jìn)行解密與讀取。二維碼識(shí)別流程如圖3所示。

2.2 增強(qiáng)二維碼真?zhèn)伪孀R(shí)度

對(duì)QR二維碼生成過(guò)程中的編碼與填充流程進(jìn)行改良，將原有QR二維碼填充為1是黑色，0是白色，而在該方案中，可以選取合適的彩色背景圖案，將圖片縮放至與二維碼版本契合的大小。提取每一logo像素Ti的RGB值，根據(jù)原有二維碼填入像素Pi的值，并由公式（1）得到新的填充像素Qi的顏色，在原有填充方式基礎(chǔ)上，利用QR二維碼糾錯(cuò)編碼的容錯(cuò)特性，對(duì)白色區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)充，最終得到便于人眼識(shí)別的彩色二維碼。

2.3 掃碼二值化處理

上文已介紹了二值化與局部自適應(yīng)二值化算法，通常而言，局部二值化算法相比于全局閾值方法[11]，計(jì)算量有一定程度增加，而局部自適應(yīng)二值化更是由于對(duì)每一個(gè)像素都需要計(jì)算一個(gè)閾值，其計(jì)算量在所有局部二值化算法中也是較大的。由于本文需要得到較好的二值化效果，所以可以考慮適當(dāng)增加二值化計(jì)算量[12]。在此前提下，羅松等[1]提出一種基于積分圖（Integral Image）的局部自適應(yīng)二值化算法，能顯著減少自適應(yīng)二值化算法計(jì)算量，且對(duì)于不同亮度與光照的圖片能得到較好的二值化效果，同時(shí)參考王序哲[13]對(duì)于6種二值化算法性能的比較，考慮到典型性，選擇Bernsen算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文基于局部自適應(yīng)二值化算法，根據(jù)像素領(lǐng)域塊均值與相對(duì)均值的百分比進(jìn)行閾值計(jì)算，并利用積分圖加速計(jì)算。本方法只需對(duì)圖片進(jìn)行一次掃描，然后對(duì)圖像灰度變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行分塊，再使用張潔玉[14]提出的對(duì)灰度變化劇烈區(qū)域進(jìn)行二值化的方法，便可在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)輕松計(jì)算出每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的閾值，從而大大減少了自適應(yīng)二值化算法計(jì)算量，同時(shí)提高了二值化效果。在掃碼時(shí)，經(jīng)過(guò)全局二值化處理后，光照不均勻的QR碼圖像會(huì)出現(xiàn)白色或全黑色的誤差區(qū)域，而且在局部二值化處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偽邊界，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。因此，在計(jì)算時(shí)可以借鑒陳鑫元等[15]提出的結(jié)合形態(tài)學(xué)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)閾值圖像二值化算法改進(jìn)本方案。計(jì)算時(shí)根據(jù)QR二維碼圖像大小進(jìn)行分塊處理，估算每個(gè)塊的灰度值后，使用聯(lián)合插值算法產(chǎn)生背景灰度圖像，然后采用Ostu算法對(duì)校正圖像進(jìn)行二值化。該算法能對(duì)不均勻光照QR二維碼圖像進(jìn)行有效校正，從而獲得效果良好的二值圖像[16]。

2.4 掃碼灰度化處理

隨機(jī)選取一張已生成的二維碼圖像，在灰度化處理前通過(guò)使用馬倩等[17]提出的邊緣檢測(cè)算法處理圖像，并參考江進(jìn)[18]提出的方案將邊緣檢測(cè)與灰度化處理相結(jié)合，之后參考張銘鈞[19]提出的方案對(duì)圖像進(jìn)行不同程度的灰度化權(quán)值調(diào)整，測(cè)試得到最佳效果的灰度化參數(shù)。在灰度化處理時(shí)，可以使用基于灰度期望值的圖像二值化算法[20]加強(qiáng)處理效果，防止背景中存在對(duì)掃碼影響較大的區(qū)域，通過(guò)該方式可以對(duì)這些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)類似于分離灰度化的效果。在logo不變的情況下，同一參數(shù)幾乎可以滿足所有圖像的掃碼需求。

3 方案實(shí)現(xiàn)

3.1 二維碼可嵌入數(shù)據(jù)容量測(cè)試

經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果表明（測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4），該方案生成的二維碼可嵌入數(shù)據(jù)最大值為1 273個(gè)字符（2 546個(gè)字節(jié)）。在不同嵌入容量下，二維碼位密集程度與圖片大小無(wú)關(guān)，只與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有關(guān)，但二維碼掃描效果與美觀度及圖片大小有關(guān)，在圖片大小接近二維碼大小時(shí)將無(wú)法生成二維碼。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選取尺寸略大的圖片（圖片大小為二維碼大小兩倍以上時(shí)不影響掃描效果與美觀度）。

3.2 彩色二維碼

彩色二維碼效果如圖5所示。

本二維碼背景圖像使用大嘴猴logo作為背景，實(shí)際使用中可以將該logo換成任意方形圖片。該方式既保證了信息安全，又因其中包含logo且使用了加密技術(shù)，使偽造二維碼變得較為困難。

3.3 圖像局部二值化處理

局部二值化處理效果如圖6所示。

通過(guò)二值化處理能過(guò)濾掉二維碼周圍的干擾性彩色環(huán)境，從而找到二維碼正確位置。

3.4 二維碼灰度化處理

對(duì)圖5的灰度化處理結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，取50%灰度化的結(jié)果能最大程度上增強(qiáng)二維碼掃描效果。通過(guò)灰度化產(chǎn)生的可掃描黑白二維碼參數(shù)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于所有具有相同大小與背景，以及任意內(nèi)容的彩色二維碼上，使其變得易于掃描。該方式既保證了較高的二維碼辨識(shí)度，也能避免對(duì)所有二維碼進(jìn)行單獨(dú)處理產(chǎn)生的時(shí)間與資源開(kāi)銷。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文提出方法制作出的二維碼不僅安全、防偽效果較好，而且不影響二維碼內(nèi)容的正常讀取，能保持較好的美觀度。在后續(xù)工作中，可以嘗試在二維碼中加入水印信息，以達(dá)到更好的防偽效果，并且經(jīng)過(guò)特定加密方式處理后的水印還可以提取編號(hào)、公司名稱等信息，因而具有更高的安全性。

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