CN103414549B - 一种qr二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法。包括有如下步骤：1）改进传统的Logistic混沌映射加密算法，增加辅助密钥，以形成新的初始值x ₀ ；2）将原始QR码二值图像分区，计算各子区图像中像素为“1”的总个数，由此形成各子块的随机密钥初始值；3）组合辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法。本发明能够实现密钥的随机变化，扩展了密钥空间和密钥路径，增强了加密的可靠性与安全性，能够满足存储和传输过程中QR码信息保密的要求，同时加密效果、加密速度以及破解难度进一步提高。本发明是一种方便实用、安全可靠的QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法。

Description

一种QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法

技术领域

本发明是一种QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法，属于QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法的创新技术。

背景技术

凭借QR二维码的自身优势（可将照片、文字、数字、字母等进行编码，信息可随载体移动，信息存储量大，具有可靠性高、编码能力强、超高速和全方位识读、强的保密性和灵活性等特点），近年来在物联网环境下，二维码技术得到迅速发展，它在生产制造、金融、商业、物流配送等行业得到广泛应用；同时在交通、运输、能源、国防、邮电、医疗卫生、后勤管理及图书档案管理等诸多领域，也有广泛的应用。但是，由于QR码编解码算法公开，在QR码传输和存储过程中一般未对其携带的信息加密。在手机或电脑上使用公开的QR码编解码软件随意读取和修改QR码包含的信息，将造成重要信息的泄露和丢失。这对于QR码的广泛应用确实造成了威胁。因此关于QR码的信息安全问题备受关注。为了避免QR码所包含的重要信息被无关机构、组织和个人随意识读和修改，在其传输和存储前，需要对其进行加密处理，以确保QR二维码承载信息的安全性和有效性。对有特殊防伪要求的领域必须对二维码进行深层加密，即采用密码防伪技术来提高二维码的防伪和保密程度。

混沌系统由于具有非线性、随机性、非收敛性、不可预测性、对初始条件非常敏感、容易产生和复制等特性，因而适用于信息加密和保密通信等领域。它的两大特征是：(1)给定初值，即使迭代次数足够大，系统最终的演化状态不确定；(2)对初始条件敏感，即初始条件有微小的差别，迭代一定次数后，系统状态会产生很大的差别。Logistic（罗切斯特）混沌是一种常见的混沌映射，并且得到广泛应用。根据QR码二值图像的特点，通常选择Logistic（罗切斯特）混沌对其进行加解密。基于传统的Logistic（罗切斯特）混沌映射加密算法的方框图如图1所示。此算法存在不足，即密钥相对单一，因而不能应用于保密时间比较长和安全级别高的场合。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能够进一步提高QR码二值图像承载信息安全性的QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法。本发明方便实用、安全可靠。

本发明的技术方案是：本发明基于QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法，包括有如下步骤：

1）改进传统的Logistic混沌映射加密算法，增加辅助密钥，以形成新的初始值x₀；

2）将原始QR码二值图像分区，计算各子区图像中像素为“1”的总个数，由此形成各子块的随机密钥初始值；

3）组合辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法。

上述步骤1)中，形成新的初始值x₀的方法是：

改进的Logistic混沌映射加密算法利用混沌映射对初值敏感的特点，获得辅助密钥以形成动态的初始值，提高混沌映射加密算法的破译难度，其具体步骤为：

11)设定合适的Logistic混沌系统的参数μ和初始设定密钥值K；

12)根据初始设定密钥值K的大小，K为正整数，用该初始设定密钥值对256取余运算，得到一个[0，255]范围的整数，然后以该整数除以256，得到的结果作为辅助密钥t，t∈(0，1)；

13)用辅助密钥t修改混沌序列初始值x₀=(x₀+t)/2，以修正后的x₀作为Logistic混沌系统的初始值，以构造长度为M*N的实数混沌序列；

14)将由步骤13)得到的实数混沌序列进行相应二值混沌序列转换，得到改进后的长度为M*N的二值混沌序列；

15)利用Reshape函数对得到的二值混沌序列{y₀,y₁,…y_n…}进行重排列，得到一个所需要的y_M*N二值混沌矩阵；

16)用原始QR二维码二值图像A中的第i个像素点像素值A(x,y)与步骤15)产生的混沌序列按二进制位异或操作即加密操作，得到加密后的像素值A1(x,y)；

17)重复步骤16)，直到将所有像素点加密完毕，即得到加密图像A1。

上述步骤2）中，形成各子块的随机密钥初始值的方法是：

QR码二值图像为M×N矩阵，根据设定的分区行或列数n，将QR码二值图像分为n²个子区，分区的详细步骤如下：

21)根据QR码二值图像的M×N矩阵，计算、选取行分区数或列分区数n；并根据行分区数或列分区数n，计算得出子区图像行或列的大小，即步长；

22)依据图像分块的数目n²，对图像进行序号标定，分别计算每一次分区行和列的起始序号；

23)从起始序号开始，根据计算得出的步长，开始对图像进行分区，对于每分出来的一个图像子区域，计算该图像子区中像素为1的总个数，并用该值更新下一子区加密函数的密钥K值，从第二个子分区开始，K值即为随机数，传递到混沌序列以动态改变初始值x₀的大小；

24）应用步骤1)改进后的Logistic混沌映射加密算法对每一个子区实施加密，以获得各子区的加密图像；

25)图像组合是按照原始图像的大小和原始图像分区的序号，在实现分区加密之后，依次将各子区图像重新组合起来，形成一个和原始图像大小一样，但已经加密的QR二维码图像。

上述步骤3）中，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法的方法是：

31)读取原始QR二维码二值图像A，并且计算原始QR二维码二值图像A的矩阵大小；

32)根据设定的行分区或列分区数目n和区序号，调用分区函数对上述矩阵进行分区处理，得到各子区图像；

33)首先计算第一个子区图像中像素为1的总个数，并用该值作为下一子区的随机密钥K，以此类推；然后根据初始设定的密钥K值，调用改进的Logistic混沌映射加密算法，对第一个子区图像进行加密处理；

34)重复步骤33)，依次更新随机密钥K，调用改进的Logistic混沌映射加密算法对每个子区图像实施加密，直到完成对所有子区的加密，得到加密后的子区图像；

35)将已经加密的子区图像进行有序组合，得到加密图像；

36)将得到的加密图像写成标准格式，以便加密的QR码存储和传输。

上述步骤32）中，原始QR二值图像A分为9个子区，n=3。

本发明组合辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密，能够进一步提高QR码二值图像承载信息的安全性。本发明是一种方便实用、安全可靠的QR二维码图像分区变密钥混沌加密方法。

附图说明

图1为传统的Logistic混沌映射加密-解密方法框图；

图2为改进后的Logistic混沌映射加密算法流程；

图3为本发明QR码二值图像分区变密钥Logistic混沌加密算法流程图；

图4为原始QR码二值图像A的示意图；

图5为原始QR码二值图像A分区之后的示意图；

图6为本发明QR码二值图像分区加密图像的示意图；

图7为本发明QR码二值图像分区加密组合图像的示意图；

图8为本发明QR码二值图像正确解密图像的示意图；

图9为本发明QR码二值图像改变初始密钥K的错误解密图像的示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明基于QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法，包括有如下步骤：

1）改进传统的Logistic混沌映射加密算法，增加辅助密钥，以形成新的初始值x₀；

2）将原始QR码二值图像分区，计算各子区图像中像素为“1”的总个数，由此形成各子块的随机密钥初始值；

3）组合辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法。

上述步骤1)中，形成新的初始值x₀的方法是：

改进的Logistic混沌映射加密算法利用混沌映射对初值敏感的特点，获得辅助密钥以形成动态的初始值，提高混沌映射加密算法的破译难度，其具体步骤为：

11)设定合适的Logistic混沌系统的参数μ和初始设定密钥值K；

12)根据初始设定密钥值K的大小，K为正整数，用该初始设定密钥值对256取余运算，得到一个[0，255]范围的整数，然后以该整数除以256，得到的结果作为辅助密钥t，t∈(0，1)；

13)用辅助密钥t修改混沌序列初始值x₀=(x₀+t)/2，以修正后的x₀作为Logistic混沌系统的初始值，以构造长度为M*N的实数混沌序列；

14)将由步骤13)得到的实数混沌序列进行相应二值混沌序列转换，得到改进后的长度为M*N的二值混沌序列；

15)利用Reshape（重排列）函数对得到的二值混沌序列{y₀,y₁,…y_n…}进行重排列，得到一个所需要的y_M*N二值混沌矩阵；

16)用原始QR二维码二值图像A中的第i个像素点像素值A(x,y)与步骤15)产生的混沌序列按二进制位异或操作即加密操作，得到加密后的像素值A1(x,y)；

17)重复步骤16)，直到将所有像素点加密完毕，即得到加密图像A1。

上述步骤2）中，形成各子块的随机密钥初始值的方法是：

QR码二值图像为M×N矩阵，根据设定的分区行或列数n，将QR码二值图像分为n²个子区，详细分区的步骤如下：

21)根据QR码二值图像的M×N矩阵，计算、选取行分区数或列分区数n；并根据行分区数或列分区数n，计算得出子区图像行或列的大小，即步长；

22)依据图像分块的数目n²，对图像进行序号标定，分别计算每一次分区行和列的起始序号；

23)从起始序号开始，根据计算得出的步长，开始对图像进行分区，对于每分出来的一个图像子区域，计算该图像子区中像素为1的总个数，并用该值更新下一子区加密函数的密钥K值，从第二个子分区开始，K值即为随机数，传递到混沌序列以动态改变初始值x₀的大小；

24）应用步骤1)改进后的Logistic混沌映射加密算法对每一个子区实施加密，以获得各子区的加密图像；

25)图像组合是按照原始图像的大小和原始图像分区的序号，在实现分区加密之后，依次将各子区图像重新组合起来，形成一个和原始图像大小一样，但已经加密的QR二维码图像。

上述步骤3）中，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法的流程如图3所示,具体方法是：

31)读取原始QR二值图像A，如图4所示，并且计算原始QR二值图像A的矩阵大小；

32)根据设定的分区行或列n数目和区序号，调用分区函数对矩阵A进行分区处理，得到分区图像，如图5所示，本实施例中，将图4所示的原始QR二值图像A分为9个子区，n=3；

33)首先计算第一个子区图像中像素为1的总个数，并用该值作为下一子区的随机密钥K，以此类推；然后根据初始设定的密钥K值，调用改进的Logistic（罗切斯特）混沌映射加密算法，对第一个子区图像进行加密处理；

34)重复步骤33)，依次更新随机密钥K，调用改进的Logistic（罗切斯特）混沌映射加密算法对每个子区图像实施加密，直到完成对所有子区的加密，加密后得到的图像如图6所示；

35)调用组合函数，将已经加密的子区图像进行有序组合，得到加密图像如图7所示；

36)将得到的加密图像写成标准的BMP格式，以便加密的QR码存储和传输。

解密过程严格依据辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实施加密的逆过程以实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密图像的顺利解密。根据正确的辅助密钥、随机密钥和分区加密路径，正确解密图像如图8所示。如果改变初始密钥K的大小，令K=200.000000000001，如图9所示即为改变初始密钥K没有成功解密的图像。

改进混沌加密方法的目的是进一步增强二维码的保密和安全性。通过对比分析采用传统的QR码二值图像混沌加密算法和采用新的QR码二值图像分区变密钥混沌加密算法的解密难度，进一步考察其加密性能和安全性。

针对QR码二值图像加密，图中每个像素取值只有两种可能：“0”或者“1”。如果采用蛮力破译法而不考虑其他因素，破译一幅M×N像素的QR码二值加密图像，需要尝试的次数大约为2^M×2^N。本发明考虑加密QR码二值图像的大小为M=N=154，所以，解密一幅154×154像素的QR码二值加密图像，需要尝试的蛮力试验次数大约为2¹⁵⁴×2¹⁵⁴，约即5.21×10⁹²次。

假设在破译者不知晓QR码二值图像传统Logistic混沌序列加密密钥参数的前提条件下，考虑到Logistic(罗切斯特)混沌序列参数3.5699456＜μ≤4和x∈(0,1)，并假设参数μ和初始值x₀均保留小数点后15位，则正确破译已经加密的QR码二值图像，μ的大小取值有4×10¹⁴的可能性，初始值x₀有10¹⁵取值的可能性，因此需要尝试的次数大约为4×10¹⁴×10¹⁵=4×10²⁹。由此可见，如果不知道混沌序列加密密钥参数μ和初始值x₀，在有限的时间内，期望破解已经加密的QR码二值图像是相当困难的。

本实施例中，在新的QR码二值图像分区变密钥混沌加密算法中，考虑到对待加密的QR码二值图像进行了分区处理，假设分区行数目或列数目为n，此时，破译已经加密的QR码二值图像需要尝试的次数大约为4×10²⁹×K×n²!（其中K是整数，n是正整数）。在本例中，初始密钥K值为200，n²=9，则期望破解已经加密的QR码二值图像分区变密钥混沌加密需要尝试的次数大约为：

4×10²⁹×200×3²！=4×10²⁹×200×362880=2.9×10³⁷

对同样的QR码原始二值图像，破解分区变密钥混沌加密的QR码二值图像的难度明显远大于传统的混沌序列加密的难度。而且，随着分区数目的增加，破解难度进一步提高。因此，QR码二值图像分区变密钥混沌加密算法能够进一步提高其承载信息的安全性。

本发明组合辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实现了新的QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密，能够进一步提高QR码二值图像承载信息的安全性。本发明是一种方便实用、安全可靠的QR二维码图像分区变密钥混沌加密方法。

Claims (3)

1.一种QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)改进传统的Logistic混沌映射加密算法，增加辅助密钥，以形成新的初始值x₀；

2)将原始QR码二值图像分区，计算各子区图像中像素为“1”的总个数，由此形成各子块的随机密钥初始值；

3)组合辅助密钥、随机密钥和分区加密技术，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法；

上述步骤1)中，形成新的初始值x₀的方法是：

改进的Logistic混沌映射加密算法利用混沌映射对初值敏感的特点，获得辅助密钥以形成动态的初始值，提高混沌映射加密算法的破译难度，其具体步骤为：

11)设定合适的Logistic混沌系统的参数μ和初始设定密钥值K；

12)根据初始设定密钥值K的大小，K为正整数，用该初始设定密钥值对256取余运算，得到一个[0，255]范围的整数，然后以该整数除以256，得到的结果作为辅助密钥t，t∈(0，1)；

13)用辅助密钥t修改混沌序列初始值x₀＝(x₀+t)/2，以修正后的x₀作为Logistic混沌系统的初始值，以构造长度为M*N的实数混沌序列；

14)将由步骤13)得到的实数混沌序列进行相应二值混沌序列转换，得到改进后的长度为M*N的二值混沌序列；

15)利用Reshape函数对得到的二值混沌序列{y₀,y₁,…y_n…}进行重排列，得到一个所需要的y_M*N二值混沌矩阵；

16)用原始QR二维码二值图像A中的第i个像素点像素值A(x,y)与步骤15)产生的混沌序列按二进制位异或操作即加密操作，得到加密后的像素值A1(x,y)；

17)重复步骤16)，直到将所有像素点加密完毕，即得到加密图像A1；

上述步骤3)中，实现QR码二值图像分区变密钥混沌加密和解密算法的方法是：

31)读取原始QR二维码二值图像A，并且计算原始QR二维码二值图像A的矩阵大小；

32)根据设定的行分区或列分区数目n和区序号，调用分区函数对上述矩阵进行分区处理，得到各子区图像；

33)首先计算第一个子区图像中像素为1的总个数，并用该像素为1的总个数作为下一子区的随机密钥K，每轮再分别计算第二个子区、第三个子区，直到第n²个子区图像中像素为1的总个数，并分别使用各子区图像中像素为1的总个数作为下一子区的随机密钥K；然后根据初始设定的密钥K值，调用改进的Logistic混沌映射加密算法，对第一个子区图像进行加密处理，此后，每轮再分别对第二个子区、第三个子区，直到第n²个子区图像，根据各子区的随机密钥K值，调用改进的Logistic混沌映射加密算法进行加密处理；

34)重复步骤33)，依次更新随机密钥K，调用改进的Logistic混沌映射加密算法对每个子区图像实施加密，直到完成对所有子区的加密，得到加密后的子区图像；

35)将已经加密的子区图像进行有序组合，得到加密图像；

36)将得到的加密图像写成标准格式，以便加密的QR码存储和传输。

2.根据权利要求1所述的QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法，其特征在于上述步骤2)中，形成各子块的随机密钥初始值的方法是：

QR码二值图像为M×N矩阵，根据设定的分区行或列数n，将QR码二值图像分为n²个子区，分区的详细步骤如下：

21)根据QR码二值图像的M×N矩阵，计算、选取行分区数或列分区数n；并根据行分区数或列分区数n，计算得出子区图像行或列的大小，即步长；

22)依据图像分块的数目n²，对图像进行序号标定，分别计算每一次分区行和列的起始序号；

23)从起始序号开始，根据计算得出的步长，开始对图像进行分区，对于每分出来的一个图像子区域，计算该图像子区中像素为1的总个数，并用该像素为1的总个数更新下一子区加密函数的密钥K值，从第二个子分区开始，K值即为随机数，传递到混沌序列以动态改变初始值x₀的大小；

24)应用步骤1)改进后的Logistic混沌映射加密算法对每一个子区实施加密，以获得各子区的加密图像；

25)图像组合是按照原始图像的大小和原始图像分区的序号，在实现分区加密之后，依次将各子区图像重新组合起来，形成一个和原始图像大小一样，但已经加密的QR二维码图像。

3.根据权利要求1所述的QR二维码二值图像分区变密钥混沌加密方法，其特征在于上述步骤32)中，原始QR二值图像A分为9个子区，n＝3。