CN100364260C - 数字签名和数字水印条码的制作及验证方法 - Google Patents

数字签名和数字水印条码的制作及验证方法 Download PDF

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Abstract

数字签名和数字水印条码的制作及验证方法，它涉及一种条码的防伪方法。现有的数字条码水印存在水印信息的鲁棒性差等弊端。本发明的制作方法中的水印嵌入法为：水印信息生成水印信息比特流，判断水印信息比特位的值，是“1”，则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度增加Δx的误差；是“0”，则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度减少Δx的误差。它的验证方法中的水印检测法为：获取条码中起始符与终止符模块的平均宽度，然设置水印提取的阈值，再计算其它条码字符里的误差值Tn，若Tn＞s，则嵌入的水印信息为“1”；若Tn＜-s，则嵌入的水印信息为“0”。本发明具有得到的水印信息的鲁棒性较强，不易被人眼察觉等优点。

Description

数字签名和数字水印条码的制作及验证方法
技术领域：
本发明涉及一种条码的防伪方法。
背景技术：
“数字条码水印以及防伪方法”一文提出了一种条码防伪的方法。它利用数字水印技术，将数据嵌入到条码中，并通过公开密钥算法在条码中记录其对应信息的数字签名、加密数据或公钥，从而实现条码的数字防伪功能。该文使用的水印嵌入法是根据条码元素的位置、颜色和形状，将条码元素划分成小块，通过改变每个块的灰度级实现水印信息的嵌入。该技术存在的缺点是：利用改变灰度值的方法在条码中嵌入水印，首先，得到的水印信息的鲁棒性较差，而且容易被人眼察觉。其次，对打印和扫描设备的要求较高，水印信息不易检测出来。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种水印信息的鲁棒性较强且能够较容易和准确的被检测出来的数字签名和数字水印条码的制作方法，它包括以下过程：(1)将原始文本信息或标志图案通过Hash函数得到相应的Hash值，(2)采用公钥密码学的方式，使用私有密钥对Hash值进行加密得到原始文本或标志图案的数字签名，(3)将原始信息或标志图案数字签名的一部分或全部作为水印信息利用水印嵌入法嵌入到条码中，同时将原始信息或标志图案以及它们的签名信息编制到条码中，其中的水印嵌入法为：(3-1)在截取全部或部分签名信息作为水印信息后，(3-2)生成水印信息比特流，(3-3)然后判断水印信息比特位的值是“1”，还是“0”？(3-4)如果水印信息比特位的值是“1”，(3-5)则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度增加Δx的误差，对于整个条码字符来说，误差总量为mkΔx，如果n个条码字符嵌入一个水印信息，则n个条码字符的误差总量Tn＝mnkΔx；(3-6)如果水印信息比特位的值是“0”，(3-7)则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度减少Δx的误差，对于整个条码字符来说，误差总量为-mkΔx，如果n个条码字符嵌入一个水印信息，则n个条码字符的误差总量Tn＝-mnkΔx；上述所提到的Δx＝0.1～0.3mm，k为3～5的整数，n为1～5的整数，m指的是一个条码字符中条和空的总和。数字签名和数字水印条码的验证方法包括：步骤(4)取得带数字签名和数字水印的二维条码，然后分别进入步骤(5-1)、(5-2)、(9)，步骤(5-2)从步骤(4)获得的二维条码中扫描识读包含数字签名和数字水印的条码原始信息或标志图案以及它们的数字签名信息，然后分别进入步骤(6)、(8)，步骤(5-1)从步骤(4)获得的二维条码中通过水印检测法提取条码中的水印信息，该水印信息是原始信息或标志图案的部分或全部数字签名，然后进入步骤(6)，步骤(6)将步骤(5-1)提取的水印信息与步骤(5-2)扫描识读提取的签名信息进行一致性比较，然后进入步骤(7)，步骤(7)实现对条码自身的信任验证，然后不再执行其他步骤，步骤(8)利用数字签名的公钥解密从条码中识读出来的数字签名信息，得到原始文本或标志图案的Hash值#1，然后进入步骤(10)，步骤(9)使用与条码制作过程中相同的Hash算法将步骤(4)获得的二维条码中的原始文本信息或标志图案进行Hash处理，得到Hash值#2，然后进入步骤(10)，步骤(10)将步骤(8)获得的Hash值#1与步骤(9)获得的Hash值#2进行一致性比较，然后进入步骤(11)，步骤(11)实现条码编码信息的信任问题的认定，其中水印检测法为：(5-1-1)首先获取条码中起始符与终止符模块的平均宽度x0，(5-1-2)然后设置水印提取的阈值s，0＜s＜mnkΔx，(5-1-3)再以x0为标准，计算水印嵌入区域里条码字符里的单元宽度值T，T＝qx0，将T与实际测量出的单元宽度值T’进行比较，计算条码字符的总误差Tn，Tn＝mnk(T’-T)，(5-1-4)判断条码字符里提出的误差值Tn是大于s，还是小于-s？(5-1-5)若Tn＞s，则嵌入的水印信息比特位的值为“1”；(5-1-6)若Tn＜-s，则嵌入的水印信息比特位的值为“0”，上述所提到的Δx＝0.1～0.3mm，k为3～5的整数，n为1～5的整数，m指的是一个条码字符中条和空的总和，q是条码字符单元中模块的个数。本发明利用数字签名和数字水印技术可以对条码实现数字防伪功能。本发明是一种基于条码(包括一维和二维条码，如EAN、UPC、CODE39、Code16K和PDF417码)的数字水印和数字签名技术。它将条码技术，数字签名和数字水印技术有机的结合起来，将包含数字签名和数字水印的条码加入到各种文件、证件或商品中，实现各种重要文件、票据、商业合同以及个人证件的防伪和验证功能。本发明使用数字水印技术实现条码自身的信任问题，可以防止条码被伪造和篡改；同时条码中的数字签名可以对敏感重要的原始文本+信息(如公司名称，商品的名称、编号、属性和价格等)和标志图案进行认证和保护。条码，数字水印和数字签名相互隐藏保护，实现安全性较强的防伪验证功能。它在水印的嵌入法上，本方案采取的是改变条码的字符单元的宽度来实现水印信息的嵌入和提取。采用这种方法，首先，水印信息的鲁棒性较强，不易被人眼察觉；其次，水印信息能够较容易和准确的检测出来；采取合理的方式对数字签名和数字水印两类密钥进行管理，加强了水印条码的安全性和使用上的方便性。
附图说明：
图1是数字签名和数字水印的制作过程的流程图，图2是数字签名和数字水印条码的验证过程流程图，图3是现有水印系统流程图，图4是具体实施方式三中PDF417码的一些误差参数状态图，图5是具体实施方式四的流程图，图6是具体实施方式一中水印嵌入法的流程图，图7是具体实施方式二中水印检测法的流程图，图8是嵌入水印信息比特位的值为“1”的条码图，图9是嵌入水印信息比特位的值为“0”的条码图。
具体实施方式一：本实施方式为数字签名和数字水印条码的制作方法，参照图1，它包括以下过程：(1)将原始文本信息或标志图案通过Hash函数得到相应的Hash值，(2)采用公钥密码学的方式，使用私有密钥对Hash值进行加密得到原始文本或标志图案的数字签名，(3)将原始信息或标志图案数字签名的一部分或全部作为水印信息利用水印嵌入法嵌入到条码中，同时将原始信息或标志图案以及它们的签名信息编制到条码中，参照图6，其中的水印嵌入法为：(3-1)在截取全部或部分签名信息作为水印信息后，(3-2)生成水印信息比特流，(3-3)然后判断水印信息比特位的值是“1”，还是“0”？(3-4)如果水印信息比特位的值是“1”，(3-5)则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度增加Δx的误差，对于整个条码字符来说，误差总量为mkΔx，如果n个条码字符嵌入一个水印信息，则n个条码字符的误差总量Tn＝mnkΔx；(3-6)如果水印信息比特位的值是“0”，(3-7)则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度减少Δx的误差，对于整个条码字符来说，误差总量为-mkΔx，如果n个条码字符嵌入一个水印信息，则n个条码字符的误差总量Tn＝-mnkΔx；上述所提到的Δx＝0.1～0.3mm，k为3～5的整数，n为1～5的整数，m指的是一个条码字符中条和空的总和。
具体实施方式二：本实施方式为数字签名和数字水印条码的验证方法，参照图2，它包括：步骤(4)取得带数字签名和数字水印的二维条码，然后分别进入步骤(5-1)、(5-2)、(9)，步骤(5-2)从步骤(4)获得的二维条码中扫描识读包含数字签名和数字水印的条码原始信息或标志图案以及它们的数字签名信息，然后分别进入步骤(6)、(8)，步骤(5-1)从步骤(4)获得的二维条码中通过水印检测法提取条码中的水印信息，该水印信息是原始信息或标志图案的部分或全部数字签名，然后进入步骤(6)，步骤(6)将步骤(5-1)提取的水印信息与步骤(5-2)扫描识读提取的签名信息进行一致性比较，然后进入步骤(7)，步骤(7)实现对条码自身的信任验证，然后不再执行其他步骤，步骤(8)利用数字签名的公钥解密从条码中识读出来的数字签名信息，得到原始文本或标志图案的Hash值#1，然后进入步骤(10)，步骤(9)使用与条码制作过程中相同的Hash算法将步骤(4)获得的二维条码中的原始文本信息或标志图案进行Hash处理，得到Hash值#2，然后进入步骤(10)，步骤(10)将步骤(8)获得的Hash值#1与步骤(9)获得的Hash值2进行一致性比较，然后进入步骤(11)，步骤(11)实现条码编码信息的信任问题的认定，参照图7，水印检测法为：(5-1-1)首先获取条码中起始符与终止符模块的平均宽度x0，(5-1-2)然后设置水印提取的阈值s，0＜s＜mnkΔx，(5-1-3)再以x0为标准，计算水印嵌入区域里条码字符里单元宽度值T，T＝qx0(其中q是条码字符单元中模块的个数)，将T与实际测量出的单元宽度值T’进行比较，计算条码字符的总误差Tn，Tn＝mnk(T’-T)，(5-1-4)判断条码字符里提出的误差值Tn是大于s，还是小于-s？(5-1-5)若Tn＞s，则嵌入的水印信息比特位的值为“1”；(5-1-6)若Tn＜-s，则嵌入的水印信息比特位的值为“0”，上述所提到的Δx＝0.1～0.3mm，k为3～5的整数，n为1～5的整数，m指的是一个条码字符中条和空的总和。
具体实施方式三：水印指的是不被感知的在作品中嵌入信息的操作行为。通常水印系统由嵌入器和检测器组成(见图3)。嵌入器有三个输入，一个是要编码为水印的信息；另一个是要嵌入水印的载体作品。同时，还需要有一个水印密钥。利用水印密钥将水印信息嵌入到条码中有两种做法：一是使用水印密钥对水印信息进行置乱；二是利用水印密钥对嵌入水印的位置进行置乱。就第二种方法举例来说，假设水印嵌入区域里有40个符号字符，每个符号字符嵌一位水印信息，总共有40位的水印信息。按照正常的顺序，40位水印信息应该从左到右，从上至下的顺次嵌入到每一个符号字符中。如果从安全角度出发，可以利用水印密钥产生一组从1到40的随机数，然后将水印信息按照随机数列的顺序嵌入到与之对应的符号字符里。对于水印的密钥采取智能卡的方式进行管理，存储水印密钥的智能卡将随着水印条码分发给用户商。
水印嵌入器的输出被传输或记录。然后把嵌入器输出的作品输入到水印检测器中，通过加入水印密钥检测水印是否存在？若存在，则输出水印编码的信息。本实施方式采取的水印方法是利用条码字符单元的误差来实现水印的嵌入和提取。下面以PDF417二维条码为例说明这个过程：
在PDF417符号中，每一条码字符的误差包括条码字符的允许误差(Δp)、条或空的允许误差(Δb)、边缘到相似边缘的允许误差(Δe)、单元的高度允许误差(Δh)。Δp、Δb、Δe、Δh分别指p、b、e、h值的允许误差。
1.每一行的起始符和终止符的单元以正常的尺寸打印，并以起始符和终止符的平均模块宽度为标准，记该标准宽度为X0。
2.PDF417是二维条行码，所以可以从水平和垂直两个方向加入误差以实现水印信息的嵌入。
从水平方向考虑，对于行指示条码字符和数据区的字符里的每个条加入适当的误差，设该误差为Δx，边缘到相似边缘的值不变，因此，每个空也有Δx的误差。PDF417条码字符是由4个条和4个空共同构成，也就是说，在一个字符里，水平方向总共有8Δx的误差值。
从垂直方向考虑，假设行高为kx0，将行高平均分成k部分，每一部分的水平方向误差为8Δx。因此，对于一个条码字符，从水平和垂直方向进行考虑，总共有k×8Δx＝8kΔx的误差可以利用。
3.如果需要嵌入的水印信息比特位的值为“1”，可以对一个条码字符的4个条的宽度分别增加Δx，同时，与每个条相邻的空的宽度减少了Δx。假设行高为kx0，则每一个条码字符的条的误差总值Tb＝4kΔx，空的误差总值Ts＝-4kΔx，一个条码字符的误差值T＝Tb-Ts＝4kΔx-(-4kΔx)＝8kΔx。如果n个条码字符嵌一位水印信息，n个条码字符的误差Tn＝nT＝8nΔx。(见图8)
4.如果需要嵌入的水印信息比特位的值为“0”，可以对一个条码字符的4个条的宽度分别减少Δx，同时，与每个条相邻的空的宽度增加了Δx。假设行高为ks0，则每一个条码字符的条的误差总值Tb＝-4kΔx，空的误差总值T＝4kΔx，一个条码字符的误差值T＝Tb-Ts＝-4kΔx-4kΔx＝-8kΔx。如果n个条码字符嵌一位水印信息，n个条码字符的误差Tn＝nT＝-8nkΔx。(见图9)
水印信息的检测法是一个简单的逆过程(见图7)，主要是利用每一行的起始符和终止符来计算出模块的平均宽度，以计算出来的模块宽度为标准，检测出嵌入到其它条码字符里的水印信息。考虑到打印、扫描以后得到的PDF417条码图像会产生失真。因此，设立一个阈值s(0＜s＜8nkΔx)。如果检测出的误差值Tn＞s，认为在这n个条码字符中嵌入的水印信息比特位的值为“1”；如果检测出的误差值Tn＜-s，认为在这n个条码字符中嵌入的水印信息比特位的值为“0”。
举例来说，假设一个PDF417码有40行，每行有8个条码字符。除去每行的起始符和终止符以外，共有40×6＝240个条码字符可以嵌入水印。假设每4个条码字符嵌入一位水印，对于这个二维条码而言，总共可以嵌入60位的水印信息。考虑到利用汉明码对水印信息进行纠错，如果采取(15，11)的规则，则60位水印信息中，共有44位原始信息和16位纠错码。
具体实施方式四：数字签名是在现代密码学的基础上发展起来的，它用以解决电子文档的信任问题。电子文档的出现为人们的工作和生活提供了便利，但是，电子文档并非真实可信的。人们可以很容易的复制或修改这些文档而不会被发觉。为了经受住法律和技术这两方面的考验，必须创建电子文档的签名，即数字签名。数字签名提供4种基本安全服务：(1)机密性(Confidentiality)：机密性服务将敏感数据的访问权限限制在那些经授权的个人。其目的是防止向未经授权的个人泄漏消息，或防止信息被加工。(2)完整性(Integrity)：完整性服务可防止数据未经授权或意外改动，包括数据插入、删除和修改等。其目的是使数据的接收方能够证实数据没有被改动过。(3)身份识别(Identification)和认证(Authentication)：身份识别和认证服务确立了传输或消息及其创建者的真实性。其目的是使数据的接收方能够确立数据的始发者。(4)非否认性(Non-repudiation)：非否认性服务防止个人否认先前已执行的动作，其目的是确保数据的接收方能够确信发送方的身份。
数字签名采用公钥密码学体制，即加解密需要两个不同的密钥。其中一个密钥是保密的，由用户保管称为私钥SK；另一个是公开的，称为公钥PK。数字签名过程可简单的描述如下：记原始信息为m，加密算法记为E，签名信息记为C，解密算法记为D。考虑到公开密码的体制和效率问题，在对原始信息进行签名之前，首先将原始信息通过一个单项散列函数(Hash函数)，生成信息量较小(通常为128bit或160bit)的散列值p，然后再对散列值进行签名。上面所描述的过程用公式可以表示为：
H(m)＝p
Esk(p)＝C
用户将签名信息与原始信息一起发送给接受方。接受方接受到文件后要对文件进行验证，验证的过程可以简单的描述如下：接受方首先使用相同的Hash函数对接受到的原始信息进行散列运算得到散列值p’，H(m)＝p’；然后，使用发送方的公钥PK对接受到的签名信息进行解密得到散列值p，Dpk(C)＝p；最后对两个散列值p和p’进行比较，若p＝p’，则认为数字签名有效，参照图5。

Claims (2)

1.一种数字签名和数字水印条码的制作方法，它包括以下过程：(1)将原始文本信息或标志图案通过Hash函数得到相应的Hash值，(2)采用公钥密码学的方式，使用私有密钥对Hash值进行加密得到原始文本或标志图案的数字签名，(3)将原始信息或标志图案数字签名的一部分或全部作为水印信息利用水印嵌入法嵌入到条码中，同时将原始信息或标志图案以及它们的签名信息编制到条码中，其特征在于水印嵌入法为：(3-1)在截取全部或部分签名信息作为水印信息后，(3-2)生成水印信息比特流，(3-3)然后判断水印信息比特位的值是“1”，还是“0”？(34)如果水印信息比特位的值是“1”，(3-5)则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度增加Δx的误差，对于整个条码字符来说，误差总量为mkΔx，如果n个条码字符嵌入一个水印信息，则n个条码字符的误差总量Tn＝mnkΔx；(3-6)如果水印信息比特位的值是“0”，(3-7)则对嵌入水印信息的条码字符里的每个条的宽度减少Δx的误差，对于整个条码字符来说，误差总量为-mkΔx，如果n个条码字符嵌入一个水印信息，则n个条码字符的误差总量Tn＝-mnkΔx上述所提到的Δx＝0.1～0.3mm，k为3～5的整数，n为1～5的整数，m指的是一个条码字符中条和空的总和。
2.一种数字签名和数字水印条码的验证方法，它包括以下过程：
步骤(4)取得带数字签名和数字水印的二维条码，然后分别进入步骤(5-1)、(5-2)、(9)，
步骤(5-2)从步骤(4)获得的二维条码中扫描识读包含数字签名和数字水印的条码原始信息或标志图案以及它们的数字签名信息，然后分别进入步骤(6)、(8)，
步骤(5-1)从步骤(4)获得的二维条码中通过水印检测法提取条码中的水印信息，该水印信息是原始信息或标志图案的部分或全部数字签名，然后进入步骤(6)，
步骤(6)将步骤(5-1)提取的水印信息与步骤(5-2)扫描识读提取的签名信息进行一致性比较，然后进入步骤(7)，
步骤(7)实现对条码自身的信任验证，然后不再执行其他步骤，
步骤(8)利用数字签名的公钥解密从条码中识读出来的数字签名信息，得到原始文本或标志图案的Hash值#1，然后进入步骤(10)，条码中的原始文本信息或标志图案进行Hash处理，得到Hash值#2，然后进入步骤(10)，
步骤(10)将步骤(8)获得的Hash值#1与步骤(9)获得的Hash值#2进行一致性比较，然后进入步骤(11)，
步骤(11)实现条码编码信息的信任问题的认定，其特征在于所述水印检测法为：
(5-1-1)获取条码中起始符与终止符模块的平均宽度x0，然后(5-1-2)设置水印提取的阈值s，0＜s＜mnkΔx，(5-1-3)以x0为标准，计算水印嵌入区域里条码字符里的单元宽度值T，T＝qx0，将T与实际测量出的单元宽度值T’进行比较，计算条码字符的总误差Tn，Tn＝mnk(T’-T)，(5-1-4)判断条码字符里提出的误差值Tn是大于s，还是小于-s？(5-1-5)若Tn＞s，则嵌入的水印信息比特位的值为“1”；(5-1-6)若Tn＜-s，则嵌入的水印信息比特位的值为“0”，
上述所提到的Δx＝0.1～0.3mm，k为3～5的整数，n为1～5的整数，m指的是一个条码字符中条和空的总和，q是条码字符单元中模块的个数。
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Assignee: Hubei Huawen Package Co., Ltd.

Assignor: Harbin Institute of Technology

Contract record no.: 2011420000229

Denomination of invention: Method for making and verifying digital signature and digital watermark bar code

Granted publication date: 20080123

License type: Exclusive License

Open date: 20041229

Record date: 20110826

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Granted publication date: 20080123

Termination date: 20190118