CN105095936B - 一种基于信息隐藏的图像二维码及其生成方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于信息隐藏的图像二维码，包括定位模块和数据模块，所述数据模块为在宿主图像中嵌入信息数据的图像，所述信息数据为编码和纠错码组成的原始数据的矩阵式二进制字符串，所述定位模块用于限定所述数据模块的边界。本发明的一种基于信息隐藏的图像二维码是将数据信息嵌入到宿主图像中，即将信息数据隐藏在图像当中，在美观性方面，本发明的图像二维码的主体外观由图像构成，比传统方正单调的黑白几何图形更加美观；同时，用图像承载数据可以防止二维码信息被伪造、篡改，安全模式的设计避免了目前流行的二维码攻击方式，增加了其安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维码及其生成方法，具体涉及一种基于信息隐藏的图像二维码及生成方法和系统。
背景技术
目前随着智能设备，无线网络的不断发展，具有明显信息时代的特征二维码在物流、商务信息交流、商业广告、防伪、电子门票等领域都有极广泛的应用。平面广告中的二维码使得消费者可以利用移动设备方便、快捷的获取大量商品信息；同时，由于二维码本身极具IT特征的外观，二维码本身几乎成为了创新、高科技的代名词。但是随着二维码的广泛应用，其在安全性和美观性上的缺点也逐渐凸显。在安全性方面，常见的二维码攻击方法有：二维码篡改、网络钓鱼、恶意软件传播、隐私信息泄露、SQL注入、脚本攻击、命令注入等。2011年9月，卡巴斯基实验室检测到了全球第一起使用QR码进行的恶意攻击，该攻击是用二维码引导用户登陆某网址，并在用户不知情的情况下后台下载恶意软件。自2012年起，各种利用QR码进行恶意攻击的新闻逐渐被国内各媒体报道，而现有的二维码也不能有效地抵抗二维码伪造和篡改攻击。目前地域二维码攻击的方法主要有编码改造和引入第三方两大类，但是编码改造并不具有通用性，而目前也没有一个权威的第三方安全应用的出现。因此安全性也成为了目前二维码发展的瓶颈之一。
在美观性角度上，二维码的出现几乎改变了平面设计的整体构成。二维码本身方正和单调的外观使其无法与整个广告设计完美融合，因此如何在在平面广告中嵌入二维码已成为平面设计师的重要设计点。传统的平面广告由标题、正文、广告语、插图、标志、公司名称、色彩，七部分构成。二维码本身不是文字，所以它不可能容于标题、正文、广告语和公司名称当中。而二维码本身并没有美观或多彩的特征，因此它也无法成为插图或色彩部分。目前的广告设计经常将标志嵌入二维码中，然后将其作为广告的标志部分，这种设计方式可以在明确二维码的内容的同时一定程度上增强了二维码的美观性。但是问题仍然存在，在广告设计时，标志的造型应力求单纯、简洁，并具有强烈视觉效果，可以给消费者留下深刻的印象。而将嵌入标志的二维码整体作为标志的情况下，标志只存在于中间一小块区域，这样设计明显不是最单纯、最简洁的。而且二维码本身的黑白格子完全无法被人眼识别。针对这个问题，相关公司做了很多有意义的尝试，这些尝试都试图解决二维码外观问题，但是均存在着致命的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种安全且美观的基于信息隐藏的图像二维码及生成方法和系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于信息隐藏的图像二维码，包括定位模块和数据模块，所述数据模块为在宿主图像中嵌入信息数据的图像，所述信息数据为编码和纠错码组成的原始数据的矩阵式二进制字符串，所述定位模块用于限定所述数据模块的边界。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于信息隐藏的图像二维码是将数据信息嵌入到宿主图像中，即将信息数据隐藏在图像当中，在美观性方面，本发明的图像二维码的主体外观由图像构成，比传统方正单调的黑白几何图形更加美观；同时，用图像承载信息数据可以防止二维码信息被伪造、篡改，安全模式的设计避免了目前流行的二维码攻击方式，增加了其安全性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述定位模块包括位置探测图形和定位图形，所述位置探测图形为位于所述数据模块的正方形图像三个顶角上的回字形图形，所述定位图形为深浅方形相间的条状图形。
进一步，本发明一种基于信息隐藏的图像二维码还包括辅助信息模块，所述辅助信息模块用于存储图像二维码的信息，所述辅助信息模块包括矫正单元和数据单元，所述矫正单元用于辅助信息模块的定位颜色矫正，所述数据单元用于存储图像二维码的版本信息、图像二维码的格式信息、图像的明暗度信息和图像的色彩信息。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明中的信息辅助模块是图像二维码的特有模块，用来存储图像二维码可能用到的一些版本信息和格式信息等，信息辅助模块本身是一种可选模块，若图像二维码的版本、格式比较单一，则不需引入信息辅助模块；辅助信息模块存储的数据具有如下三个特点：1，总体信息量较小；2，数据信息对二维码识别可以起到辅助作用，提高识别效率或准确率；3，数据信息具有不必要性，即辅助模块的缺失不会直接导致图像二维码的识别失败。但是信息辅助模块的存在可以大大增加图像二维码的鲁棒性，保证识别系统可以争取识别图像信息。
一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法，包括如下步骤，
S1a，数据处理：将源数据转换成二进制字符串数据信息，并对二进制字符串数据信息进行位置布置形成矩阵式二进制字符串信息数据；
S1b，图像处理：将宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
S2，数据嵌入处理：将源数据经过数据处理形成的矩阵式二进制字符串信息数据嵌入到经过图像处理形成的单位矩阵化图像中形成图像二维码的数据模块；
S3，定位处理：对步骤S2中得到的图像二维码的数据模块进行定位模块设计，并将定位模块加入到图像二维码的数据模块的周边，形成图像二维码。
本发明的有益效果是：在本发明的一种基于信息隐藏的图像二维码的生成方法中，图像二维码的生成加入了图像嵌入过程，并根据其需求对其余过程进行修改；利用本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的生成方法生成的图像二维码外观精美且安全性较高。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述数据处理包括以下步骤，
S1a1：根据编码的第一位数字进行模式选择，所述模式分为缺省模式和安全模式，当编码的第一位数字为0时为缺省模式，执行步骤S1a11，当编码的第一位数字为1时为安全模式，执行步骤S1a12；
S1a11：系统对源数据的大小写字母和/或数字和/或汉字和/或标点符号进行分析；
S1a12：系统将源数据存入服务器并生成I D；
S1a2：将在缺省模式下通过分析的源数据或在安全模式下生成的I D进行数据编码，生成原始数据编码；
S1a3：对步骤S1a2中生成的原始数据编码进行纠错处理，生成纠错编码；
S1a4：将纠错编码进行矩阵式位置布置，生成矩阵式二进制字符串信息数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：在数据处理的过程中有模式选择，其中，在模式方面引入了安全模式，保证了生成的图像二维码的安全性并增加了其展示的多样性。
进一步，所述图像处理的方法为：首先对宿主图像进行预处理，然后将经过预处理的宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；所述对经过预处理的宿主图像进行单位矩阵化处理的的方法为：将m*n的经过预处理的图像分割成以I*I的像素矩阵为单位的多个单位矩阵。
进一步，所述数据嵌入处理的方法为：将矩阵式二进制字符串信息数据以信息隐藏的方法嵌入到单位矩阵化图像中，生成图像二维码的数据模块。
进一步，在所述安全模式下，系统还将对存入服务器的源数据的URL地址进行安全审查，和/或系统还将对存入服务器的源数据进行隐私信息加密处理，和/或系统还将对存入服务器的源数据进行命令防注入处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：图像二维码在安全模式下设计了URL地址安全审查和/或隐私信息加密和/或命令注入屏蔽，保证了图像二维码的安全性。
进一步，所述数据处理还包括掩模，根据掩模算法对矩阵化二进制字符串信息数据进行变化。
采用上述进一步方案的有益效果是：当数据采用空域算法嵌入至宿主图像时，编码后字节串的01编码与图像中相邻单元值息息相关。根据嵌入算法的需要，可以对二进制串进行掩模变化，掩模变化可以调节二进制串中01的比例；也可以更改01的分布形式；恰当的掩模算法可以增强数据信息的隐蔽性，提高信息的识别率；其中一种常见的掩模算法是使二进制串中的01比例更接近1:1，并且尽量间隔的分布，这样的好处是使生成的二维码图形辨识度更高，且不易与定位模块混淆。采用掩模算法对矩阵化二进制字符串信息数据进行变化以使二进制字符串信息数据中的0和1的数目相当，并使0、1的分布整体均匀或集中，或局部分布均匀或集中，以增加其识别率。
本发明还提供了一种基于信息隐藏的图像二维码生成系统。
一种基于信息隐藏的图像二维码生成系统，包括数据处理模块、图像处理模块、数据嵌入处理模块和定位处理模块，
所述数据处理模块用于将源数据转换成二进制字符串数据信息，并对二进制字符串数据信息进行位置布置形成矩阵式二进制字符串信息数据；
所述图像处理模块用于将宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
所述数据嵌入处理模块用于将源数据经过数据处理形成的矩阵式二进制字符串信息数据嵌入到经过图像处理形成的单位矩阵化图像中形成图像二维码的数据模块；
所述定位处理模块用于对图像二维码的数据模块进行定位模块设计，形成图像二维码。
附图说明
图1为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的结构示意图；
图2为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码中位置探测图形的结构示意图；
图3为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法的流程图；
图4为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的灰度图像二维码模式及指示符对应图；
图5为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的EC I编码规则图；
图6为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的字母数字模式编码图；
图7为本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的混合模式数据格式图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、定位模块，1.1、位置探测图形，1.2、定位图形，2、数据模块，3、辅助信息模块，3.1、矫正单元，3.2、数据单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于信息隐藏的图像二维码，包括定位模块1、数据模块2，所述定位模块1位于所述数据模块2的四周和角落，定位模块1由位置探测图形1.1和定位图形1.2两部分组成，位置探测图形1.1是位于所述数据模块2的正方形图像三个角上的“回”字形图形，主要起到图像二维码的定位、边缘确定、方向判断和色彩校正功能，位置探测图形1.1的结构如图2所示，位置探测图形1.1整体是标准的正方形，由最外圈边长为7个单位的深色正方形边框、中间5个单位的浅色正方形边框和中间边长3个单位的深色正方形组成，如图2所示，位置探测图形1.1的不同模块之间保持着严格的宽度比1:1:3:1:1；在定位时，图像要经过边缘提取、模式匹配等过程，规则的几何外形使得位置探测图形1.1在这两个阶段可以与其他图形明显的区分，进而快速准确的实现定位和边缘确定功能；每个图像二维码设计有三个相同的位置探测图形1.1，分别位于数据模块2的正方形符号图形的左上角、左下角和右上角，三个位置探测图形1.1的设计方式可以保证图像二维码符号图像区域的确定，同时根据是否存在位置探测图形1.1来确定符号图像的右下角(即确定90°以上的角度偏移)，加上位置探测图形1.1本身正方形结构可以计算出图像偏转角度(90°以内)，使得位置探测图形1.1可以很好的实现方向判断功能；位置探测图形1.1具有严格的形状和颜色规定，在进行图像二维码识别时，提取的图像必然会或多或少的发生颜色变化和形状变化，可以根据位置探测图形1.1的形状和颜色的变化情况对整体图像进行矫正，以提高数据识别准确率。
所述定位模块1的的定位图形1.2为深浅方形相间的条状图形，位于数据模块的上数第一行和左数第一列，并将三个位置探测图形1.1连接起来；在图像二维码中，定位图形的明确几何形状与数据区有着较强的区分性，可以较容易的被识别出来，因此可以有效的标注出符号图形的边界；与位置探测图形1.1一样，定位图形1.2也有着严格的形状和颜色规定，当发生颜色变化和几何扭曲时，根据位置探测图形1.1和定位图形1.2的形状扭曲程度及颜色变化情况可以在二维码识别时有效的矫正图像扭曲。
所述数据模块2为在宿主图像中嵌入信息数据的二维码图像，所述信息数据为编码和纠错码组成的原始数据的矩阵式二进制字符串，数据模块是图像二维码中承载信息的主要模块。数据模块2中的信息数据首先要通过一定的编码规范进行编码，编码后在其中加入纠错码，变成原始数据矩阵式二进制字符串，与其他条形码不同的是，图像二维码数据模块中的信息数据无法直接获得，需要将原始数据信息二进制字符串作为数据信息嵌入宿主图像当中，然后将嵌入数据的图像作为图像二维码的数据模块使用。
在本实施例中，一种基于信息隐藏的图像二维码还包括辅助信息模块3，图像二维码借鉴信息隐藏技术将二维码的数据嵌入到宿主图片中，与传统二维码相比，图像二维码的数据识别难度较大，鲁棒性较差，而且，根据宿主图片的特性、选取算法的不同，图像二维码可能具有不同的版本和格式，因此，图像二维码中加入了辅助信息模块3。所述信息辅助模块3位于数据模块3的一个角落中，具体的，信息辅助模块3位于数据模块2的右下角，与三个位置探测图形的位置相对应；借鉴于QR码的设计方式，辅助信息模块3分为两个单元，位于辅助信息模块最上方一行和最左边一列是辅助信息模块3的矫正单元3.1，其余单元为辅助信息模块3的数据单元3.2。矫正单元3.1承担着辅助模块定位和辅助模块颜色矫正两个功能；矫正单元3.1的图形颜色为固定的，可以对其进行模式匹配进而对辅助信息模块3进行定位；同时，在识别时可以根据矫正单元3.1的图形颜色和应有颜色的差距算出颜色偏差，通过一行一列的颜色差异计算，可以对其余部分的颜色进行矫正计算，以增强识别率；数据单元3.2存储着图像二维码的相关基本信息，如版本信息、格式信息等；因为这些信息是某些编码规范的基础，因此需要可以在识别之前被解析出来；将这些信息放入辅助信息模块3中，可以在二维码被正确定位后就识别出来；另外，还可以根据实际情况将图像总体或者某个区域的明暗度、色彩信息等储存在该区域；这部分的信息主要用作辅助水印信息的提取，而非信息提取的必要部分。而该模块的存在可以大大增加图像二维码的鲁棒性，保证识别系统可以争取识别图像信息。因为该模块主要功能为辅助信息提取，信息量较小，适合使用BCH算法进行纠错编码，而不适合使用rs算法，这样使得该模块占据空间较小，但是承载数据量相对较大。
图3是本发明一种基于信息隐藏的图像二维码生成的方法的流程图，利用此方法可以生成上述所述的一种基于信息隐藏的图像二维码。
一种基于信息隐藏的图像二维码的生成方法，包括如下步骤，
S1a，数据处理：将源数据转换成二进制字符串数据信息，并对二进制字符串数据信息进行位置布置形成矩阵式二进制字符串信息数据；
具体的，所述数据处理包括以下步骤，
S1a1，模式选择：根据编码的第一位数字进行模式选择，所述模式分为缺省模式和安全模式，当编码的第一位数字为0时为缺省模式，执行步骤S1a11，当编码的第一位数字为1时为安全模式，执行步骤S1a12；
S1a11，系统对源数据的大小写字母和/或数字和/或汉字和/或标点符号进行分析；
S1a12，系统将源数据存入服务器并生成I D；
S1a2，数据编码：将在缺省模式下通过分析的源数据或在安全模式下生成的ID进行数据编码，生成原始数据编码；
S1a3，纠错编码：对步骤S1a2中生成的原始数据编码进行纠错处理，生成纠错编码；
S1a4，矩阵式位置布置：将纠错编码进行矩阵式位置布置，生成矩阵式二进制字符串信息数据。
S1b，图像处理：将宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
具体的，图像处理的方法为：首先对宿主图像进行预处理，然后将经过预处理的宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像，所述对经过预处理的宿主图像进行单位矩阵化处理的的方法为：将m*n的经过预处理的图像分割成以I*I的像素矩阵为单位的多个单位矩阵。单位矩阵化是对于一个m*n的图像，将其分割成以I*I的像素矩阵为单位进行图像运算，每个,1*1的像素块为一个单位矩阵，进行图像运算时，根据算法不同，单位矩阵内部像素点之间、单位矩阵之间均可能发生运算。
S2，数据嵌入处理：将源数据经过数据处理形成的矩阵式二进制字符串信息数据嵌入到经过图像处理形成的单位矩阵化图像中形成图像二维码的数据模块；
具体的，所述数据嵌入处理的方法为：将矩阵式二进制字符串信息数据以信息隐藏的方法嵌入到单位矩阵化图像中，生成图像二维码的数据模块
S3，定位处理：对步骤S2中得到的图像二维码的数据模块进行定位模块设计，形成图像二维码。
具体的，在所述定位处理的方法为：将带有定位信息数据的定位模块加入到图像二维码的数据模块的周边，形成图像二维码。
在数据处理的过程中，需要进行模式选择和数据编码，进行图像二维码的数据模块生成时，用户需要选择数据模式，模式选择通过编码第一位进行判断，当第一位为0时，为缺省模式，当第一位为1时，为安全模式，缺省模式为基本数据模式，在该模式下，图像二维码对源数据进行分析，然后进行数据编码，缺省模式可以对大小写字母、数字、汉字及常见的标点符号进行正确的分析、编码，并提高常用网址的编码效率；安全模式是指将源数据存储在指定服务器，并生成唯一ID，将ID作为源数据进行数据编码，最基本的模式是使用二进制比特流直接作为ID，对于这种ID无需再进行数据编码，可以直接进行纠错编码。
在图像处理的过程中，所述宿主图像应该满足一定的长宽比、像素多少、明暗度等要求；当宿主图像满足算法基本需求之后，需要对宿主图像进行预处理，以使嵌入数据后的图像具有更好的效果。在图像预处理的过程中，不同的图像具有不同的特征，有的图像整体明暗变化平滑，即图像低频区域较多，那么这种图像适合于基于低频域的数据嵌入算法；有的图像整体明暗变化剧烈，这时使用同样的算法将导致嵌入数据后的图像与原图像差异明显，对这种图像应该事先进行模糊处理，减少高频区域；另外，如果是纯白图像，那么图像所有灰度值是255，在嵌入数据时可能出现溢出，使用循环进位的算法可以解决溢出的问题，但是实际应用时却会产生较严重误差，因此对于这种图像应先进行亮度减淡，在嵌入数据后，根据算法进行颜色加深处理；对于用户自主选取的宿主图片，首先将其转化为灰度图片，然后根据其灰度值分布进行判断，若灰度值分布十分集中，则不进行处理，直接嵌入数据；若灰度值分布较为均匀，则在去掉噪声后，将原图像的每个点p做如下变换以计算处理后图像p'
在上述公式中，max(p')与min(p')为处理后图片的最大/最小值。当数据嵌入算法为深浅邻域算法时，min(p)应为阈值，max(p')应为255与阈值的差。其余情况下，max(p')取255，min(p')取0。
在本实施例中，数据处理还包括掩模，根据掩模算法对经过位置布置的二进制字符串进行变化，以使二进制字符串信息数据中的0和1的数目相当，并使0、1的分布整体均匀或集中，或局部分布均匀或集中，以增加其识别率。也就是说当数据采用空域算法嵌入至宿主图像时，编码后字节串的01编码与图像中相邻单元值息息相关，根据嵌入算法的需要，可以对二进制串进行掩模变化。掩模变化可以调节二进制串中01的比例；也可以更改01的分布形式。恰当的掩模算法可以增强数据信息的隐蔽性，提高信息的识别率。其中一种常见的掩模算法是使二进制串中的01比例更接近1:1，并且尽量间隔的分布，这样的好处是使生成的二维码图形辨识度更高，且不易与定位模块混淆；但如果数据采用频域算法嵌入时，因为数据中相邻字节的位置并不与图像实际相邻单元位置相同，因此不必加入掩模；因此掩模处理的步骤应根据选取算法的不同视情况选择是否进行，并且根据不同的情况设计不同的掩模算法。掩模过程会增加二维码的鲁棒性和外观效果，当时该过程并非二维码生成的必要过程，因此在实际设计是，可以将该过程当成可选过程。
在所述安全模式下，系统还将对存入服务器的源数据进行URL地址安全审查。图像二维码的安全模式下，对所有存入服务器的数据进行分类，对于所有URL类型的源数据进行定期的访问、审查，如果发现违规网址，根据违规程度进行数据冻结、暂时封禁直至永久封禁的惩罚；针对包含登陆、注册功能的网址进行安全认证功能，正规网址将得到该公司的安全认证，若登陆、注册功能所连接的服务器与网址描述的公司不符，则认证失败；URL地址安全审查功能可以从根本上杜绝了钓鱼网站的攻击，另外，安全模式下的图像二维码不支持软件直接下载，软件的下载地址区别于源数据进行单独储存，下载软件之前必须经过用户点击同意，软件的强制手动下载功能可以有效的防止攻击者对用户植入病毒、木马、蠕虫或者间谍软件，确保了图像二维码的安全性。
在所述安全模式下，系统还将对存入服务器的源数据进行隐私信息加密处理。图像二维码的安全模式提供了隐私信息选项，当用户源数据为隐私信息以后，扫描相应图像二维码并不能直接得到隐私信息，而是需要输入校验信息才可以获得隐私信息内容；隐私信息的源数据分为为展示信息、校验信息、隐私信息三个部分，当用户扫描图像二维码之后，可以获取展示信息，然后根据提示输入数据，若数据与校验信息匹配，则返回隐私信息，否则提示校验失败；在服务器中，展示信息和隐私信息以正常存储，校验信息采用MD5加密存储以保证校验信息安全。隐私信息功能可以应用在电子票务、防伪认证、个人信息交换等领域；应用在电子票务领域时，可以通过为每个用户提供私有的校验码保证每个用户只可以查看自己的票务信息，既实现了票务认证功能，又保证了用户的隐私安全；应用在防伪认证领域时，根据防伪验证次数判断隐私信息是否泄密，增加了防伪安全性；在用户使用图像二维码进行个人信息交换时，校验码的存在可以保证隐私信息只在指定用户之间交换，而不会被第三方窃取。
在所述安全模式下，系统还将对存入服务器的源数据进行命令注入屏蔽。图像二维码引入防注入功能即命令注入屏蔽功能，从源头防止了命令攻击存在。
图像二维码最大的特点是使用图像作为源数据的载体进行数据存储，在进行数据的嵌入、提取时，使用单位矩阵化作为图像运算基础。单位矩阵化算法的核心思想是以固定大小的矩形为运算单位，取代传统图像运算以像素点为单位的运算方法。
单位矩阵化基本算法不考虑灰度值的过度，对单位矩形内所有像素点进行相同的灰度值变化。在计算时，根据宿主图像和水印位数的多少计算单位矩形与单位像素的比例关系。设宿主图像大小为m*m，二维码信息量级为n*n，水印算法隐藏每比特数据所需空间为Q，那么单位矩形square和像素pix的比例关系如下:
即，对于point(x,y)点来说，它的值由原图的p(x,y)到p这k个点共同决定。以计算灰度平均值为例，poi nt(x,y)的值应为：
当数据嵌入宿主图片后，point(x,y)变为point'(x,y)。对于最后生成的图像二维码来说，每个点p'(x,y)的值应与单位矩形的变换相关。设
point(x,y)＝point'(x,y)+a (3)
则原图的p(x,y)到p这k个点满足公式：
p(x,y)＝p'(x,y)+a (4)
数据编码过程是将数据转换为二进制位流，每一段对应着一种模式，每段的开始，使用模式指示符标识此段，然后接着字符计数指示符，用来说明该段字符的长度。模式指示符位于模式段的最高位，模式段的低位用来表示数据位流。因为字符计数可以将段的长度标识出来，所以段与段之间并没有间距来。如图4所示各模式与起对应的模式指示符。终止符由0000表示。
各模式下数据编码的规则如下：
1.扩充解释(ECI)模式
该模式可以使用可选字符集对数据进行编码，该字符集应符合AIM ECI规范。输入的数据字节流需要统一按8位字节的值来处理。ECI序列中的数据本身不一定具有实际意义，即可以使用多种模式对其进行高效编码。例如，可以将30HEX～39HEX这10个数据当做十进制数0～9编码，只要该编码符合编码规范即可。
扩充解释(ECI)包括多种编码规则，每个ECI有着对应的6位ECI指示符，其编码规则如图5。
注：b……b是ECI指示符的二进制值
ECI指示符中，第一个“0”前面的“1”的个数可以用来确定ECI指定符的长度(8位/16位/24位)。其余的字节表示各种编码方式的编号，使用时，应选择较短的编码方式。以字符集ISO 8859-7(EC I000009)为例，编码如下：
要编码数据：ABCDE(字符值：41HEX，42HEX，43HEX，44HEX，45HEX)
ECI模式指示符：0111
ECI任务号(000009)：00001001
模式指示符：0100
字符计数指示符：00000101 (5)
数据：1000001 1000010 1000011 1000100 1000101
最终编码位串：0111 00001001 0100 00000101 1000001 1000010 10000111000100 1000101
2.数字模式
把数据每连续的三位分为一组(0～999)，再转化为10位二进制数(0～1024)。当最后一组余2位时，2位十进制数(0～99)转化为7位二进制数(0～127)；当最后一组余1位(0～9)时，转化为4位二进制数(0～15)。若输入数据位：12345678，编码过程如下：
(1)每三位分为一组：123 456 78
(2)分组转换为二进制：
123——0001111011
456——0111001000
78——1001110
(3)模式指示符：0001
(4)字符计数指示符：8——0000001000
(5)最终编码位串：0001 000000100 0001111011 0111001000 0001001110
令B为最终编码位串的位数，C为字符技术指示符的位数(9)，D为输入数据的位数，R为D除3的余数(R的值为0,4或7)，数字模式编码长度公式如下：
B＝4+C+10*(D/3)+R
上例中，B＝40，C＝9，D＝8，R＝7，带入公式4＝1得：
B＝4+9+10*(8/3)+7＝40
公式验证成立。
3.字母数字模式
字母数字模式主要为常见url准备，能满足常用url地址编码。包含10个十进制数字，26个小写字母和部分符号，编码表如图6：
编码时，使用11位二进制(0～2047)表示两个字符(0～45*45-1＝2025)。将转化好的二进制位流拼接起来，并在最前面加入模式指示符和字符计数指示符，即为编码后数据。字符计数指示符长度见图4。两个字符转化为11位二进制方式如下：将高位字符值乘以45后与低位字符值相加，再将结果转换为11位二进制数，即为编码结果。若输入数据为www.swjtu.com，编码流程如下：
(1)根据表查询编码值：www.swjtu.com——32,32,32,42,28,32,14,13,30,42,12,24,22。
(2)每2个字符分为一组：(32,32),(32,42),(28,32),(14,13),(30,42),(12,24),(22)
(3)分组转换为11位二进制：
32,32——32*45+32——10111000000
32,42——32*45+42——10111001010
28,32——28*45+32——10100001100
14,13——14*45+13——01010000011
30,42——30*45+42——10101110000
12,24——12*45+25——01000110100
22——010110
(4)模式指示符：0010
(5)字符计数指示符：5——0000000101
(6)最终编码位串：0010 0000000101 10111000000 10111001010 1010000110001010000011 10101110000 01000110100 010110
令B为最终编码位串的位数，C为字符技术指示符的位数(10)，D为输入数据的位数，字母数字模式编码长度公式如下：
B＝4+C+11*(D/2)+6*(D mod 2)
验证公式，上例中，B＝86，C＝10，D＝13，代入公式：
B＝4+10+11*(13/2)+6*(13mod 2)＝86
公式验证成立。
4.8位字节模式
本模式中，每8位码字直接对应着输入数据的JIS8字符值。再在拼接起来的码字前面加入模式指示符和字符计数指示符，即为编码后数据。
令B为最终编码位串的位数，C为字符技术指示符的位数(8)，D为输入数据的位数，8位字节模式编码长度公式如下：
B＝4+C+8*D
5.中国汉字模式
该模式使用GB2312，两个字节表示一个汉语字符。根据GB2312编码/译码表，将输入字符转化为13位(8192)二进制位流，再在其前端加上模式指示符和字符计数指示符，即为编码后数据。
令B为最终编码位串的位数，C为字符技术指示符的位数(8)，D为输入数据的位数，8位字节模式编码长度公式如下：
B＝4+C+13*D
6.混合模式
根据数据内容的不同，QR码在混合模式下支持使用多种模式来表示数据。每种模式的编码方式按前几种规则编码。每段数据的结构均为模式指示符+字符计数指示符+数据，两段数据之间紧密相连，N段数据的结构可以由图7来表示。
在数据嵌入处理的方法中：将矩阵式二进制字符串信息数据以信息隐藏的方法嵌入到矩阵化图像中，生成图像二维码的数据模块，其算法可以使用空域DC系数算法，该算法中，对于大小为M*N的图像，其DCT域中的DC系数可以表示为：：
进行数据嵌入的具体步骤为：
1)将宿主图像方法进行预处理和单位矩形化处理；
2)将源数据根据上述所述的的方法进行编码，编码后的矩阵为w(i,j)；
3)把处理后的宿主图像分为8*8大小的非重叠子块；
4)根据公式(5)计算每一子块的DC系数。
5)根据w(i,j)对对应点的DC系数进行修改。
6)重复步骤4)，5)直到修改结束。
7)利用公式(4)使用单位矩形化基本算法将修改值扩展到整个宿主图像。
图像二维码的识别是图像二维码的生成过程的逆过程，其识别过程主要包括数据图像的预处理、数据图像的单位矩阵化处理、数据提取和原始信息提取。
在数据图像的预处理的过程中：将获取的图像二维码进行颜色矫正，得到数据图像；在实际应用时，收集的数据图像较原图像可能会有较大的变化，因此在获取图像之后，可以根据一些普遍的偏差特性对收集的数据图像进行预处理，以使数据信息可以更好的被提取。在生成图像二维码时，宿主图像也需要进行预处理，然后对预处理的图片进行数据嵌入。在提取时，也需要进行同样的操作，以尽量使获取的图像与嵌入数据后的图像接近，以保证数据识别的正确性。采集的图像一般会发生色彩偏移，不会出现纯黑或纯白的颜色。因为图像二维码中位置探测图形和定位图形的基准颜色为纯黑和纯白，故可以根据二者的颜色对图像进行颜色矫正。颜色矫正时，首先分别统计位置探测图形和定位图形中所有深色模块和浅色模块的灰度值。设所有深色模块的灰度值平均值为Gd,所有浅色模块的平均灰度值为Gl。可以大致认为该图像的灰度区间为Gd至Gl。将Gd和Gl带入下式中可得：
因为Gd和Gl为平均值，因此在通过公式计算之后，新的灰度矩阵区间可能不在0～255，此时可以根据数据嵌入算法的需要进行数据整理。即将所有小于0的灰度值置0，并将所有大于255的值置为255。
在数据图像的单位矩阵化处理的过程中：数据图像的单位矩形化处理：将得到的数据图像进行单位矩阵化处理，以获取数据图像的图像矩阵；经过预处理之后的数据图像还需要进行单位矩阵化处理，以获取其单位矩形的值，进而进行数据提取。获取的数据图像的长宽跟照相设备取相距离和分辨率有关，因此数据图像的单位矩形所含像素量应该是不定的。但是单位矩形的大小应与位置探测图形和定位图形的单位深浅模块大小相同(相对灰度算法中单位矩形大小是其四分之一)。若数据图像大小为m*m，每行位置探测图形与定位图形深浅模块总和为n，水印算法隐藏每比特数据所需空间为Q，那么单位矩形square和像素pix的比例k'可以由公式(1)计算而得。获得单位矩形/像素比之后可以采取两种方法获得单位矩形化矩阵。一种是先使用双线性插值算法将处理后的数据图像缩放到宿主图像大小，然后带入单位矩形化公式进行计算；另一种是直接带入单位矩形化公式，使用双线性插值法补全公式所需数据。因为像素点影响值的两种算法——等差扩散算法和斜率计算法都满足部分灰度值不变性，因此直接使用公式(2)即可获得单位矩形化后的矩阵w'(i,j)。
在数据提取的过程中：根据获取的数据图像的图像矩阵提取数据；在提取时，若数据大于xx01111且小于xx10111时，判定存储的数据值为0；若数据大于xx01011且小于xx11111时，判定存储的数据值为1，判断公式如下公式
其中，lbn是算法选取的阈值。
数据提取的具体算法为空域DC系数算法，在不需要宿主图像或源数据信息的条件下，首先利用公式(5)直接获取DC系数Cij(0,0)，然后使用公式(6)，根据嵌入强度获取数据矩阵w(i,j)。
在原始信息提取的过程中：提取的数据经过纠错码校正后即可获取源数据信息。
另外，本发明还提供一种基于信息隐藏的图像二维码生成的系统，包括数据处理模块、图像处理模块、数据嵌入处理模块和定位处理模块，
所述数据处理模块用于将源数据转换成二进制字符串数据信息，并对二进制字符串数据信息进行位置布置形成矩阵式二进制字符串信息数据；
所述图像处理模块用于将宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
所述数据嵌入处理模块用于将源数据经过数据处理形成的单位矩阵式二进制字符串信息数据嵌入到经过图像处理形成的单位矩阵化图像中形成图像二维码的数据模块；
所述定位处理模块用于对图像二维码的数据模块进行定位模块设计，形成图像二维码。
本发明一种基于信息隐藏的图像二维码与传统二维码的最大区别在于其数据信息隐藏在图像当中；结构方面，图像二维码设计了独特的数据模块，并根据需求引入可选模块——辅助信息模块；在本发明一种基于信息隐藏的图像二维码的生成方法中，图像二维码的生成加入了图像嵌入过程，并根据其需求对其余过程进行修改；同时还引入了模式选择，引入了安全模式，保证了图像二维码的安全性并增加了其展示的多样性。与传统的二维码相比，图像二维码在安全性和美观性方面具有明显优势；安全性方面，用图像承载数据可以防止二维码信息被伪造、篡改，安全模式的设计避免了目前流行的二维码攻击方式；美观性方面，图像二维码的主体外观由图像构成，比传统方正单调的黑白几何图形更加美观。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于信息隐藏的图像二维码，其特征在于：包括定位模块和数据模块，所述数据模块为在宿主图像中嵌入信息数据的图像，所述信息数据为编码和纠错码组成的原始数据的矩阵式二进制字符串，所述定位模块用于限定所述数据模块的边界；还包括辅助信息模块，所述辅助信息模块用于存储图像二维码的信息，所述辅助信息模块包括矫正单元和数据单元，所述矫正单元用于辅助信息模块的定位颜色矫正，所述数据单元用于存储图像二维码的版本信息、图像二维码的格式信息、图像的明暗度信息和图像的色彩信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于信息隐藏的图像二维码，其特征在于：所述定位模块包括位置探测图形和定位图形，所述位置探测图形为位于所述数据模块的正方形图像三个顶角上的回字形图形，所述定位图形为深浅方形相间的条状图形。
3.一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1a，数据处理：将源数据转换成二进制字符串数据信息，并对二进制字符串数据信息进行位置布置形成矩阵式二进制字符串信息数据；
S1b，图像处理：将宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
S2，数据嵌入处理：将源数据经过数据处理形成的矩阵式二进制字符串信息数据嵌入到经过图像处理形成的单位矩阵化图像中形成图像二维码的数据模块；
S3，定位处理：对步骤S2中得到的图像二维码的数据模块进行定位模块设计，并将定位模块加入到图像二维码的数据模块的周边，形成图像二维码；
所述数据处理包括以下步骤，
S1a1：根据编码的第一位数字进行模式选择，所述模式分为缺省模式和安全模式，当编码的第一位数字为0时为缺省模式，执行步骤S1a11，当编码的第一位数字为1时为安全模式，执行步骤S1a12；
S1a11：系统对源数据的大小写字母和/或数字和/或汉字和/或标点符号进行分析；
S1a12：系统将源数据存入服务器并生成ID；
S1a2：将在缺省模式下通过分析的源数据或在安全模式下生成的ID进行数据编码，生成原始数据编码；
S1a3：对步骤S1a2中生成的原始数据编码进行纠错处理，生成纠错编码；
S1a4：将纠错编码进行矩阵式位置布置，生成矩阵式二进制字符串信息数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法，其特征在于，所述图像处理的方法为：首先对宿主图像进行预处理，然后将经过预处理的宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
对经过预处理的宿主图像进行单位矩阵化处理的方法为：将m*n的经过预处理的图像分割成以I*I的像素矩阵为单位的多个单位矩阵。
5.根据权利要求3所述的一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法，其特征在于，所述数据嵌入处理的方法为：将矩阵式二进制字符串信息数据以信息隐藏的方法嵌入到单位矩阵化图像中，生成图像二维码的数据模块。
6.根据权利要求3所述的一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法，其特征在于：在所述安全模式下，系统还将对存入服务器的源数据的URL地址进行安全审查，和/或系统还将对存入服务器的源数据进行隐私信息加密处理，和/或系统还将对存入服务器的源数据进行命令防注入处理。
7.根据权利要求3所述一种基于信息隐藏的图像二维码生成方法，其特征在于：所述数据处理还包括掩模，根据掩模算法对矩阵化二进制字符串信息数据进行变化。
8.一种基于信息隐藏的图像二维码生成系统，其特征在于：包括数据处理模块、图像处理模块、数据嵌入处理模块和定位处理模块，
所述数据处理模块用于将源数据转换成二进制字符串数据信息，并对二进制字符串数据信息进行位置布置形成矩阵式二进制字符串信息数据；
所述图像处理模块用于将宿主图像进行单位矩阵化处理形成单位矩阵化图像；
所述数据嵌入处理模块用于将源数据经过数据处理形成的矩阵式二进制字符串信息数据嵌入到经过图像处理形成的单位矩阵化图像中形成图像二维码的数据模块；
所述定位处理模块用于对图像二维码的数据模块进行定位模块设计，形成图像二维码；
其中，所述数据处理模块具体用于，
S1a1：根据编码的第一位数字进行模式选择，所述模式分为缺省模式和安全模式，当编码的第一位数字为0时为缺省模式，执行步骤S1a11，当编码的第一位数字为1时为安全模式，执行步骤S1a12；
S1a11：系统对源数据的大小写字母和/或数字和/或汉字和/或标点符号进行分析；
S1a12：系统将源数据存入服务器并生成ID；
S1a2：将在缺省模式下通过分析的源数据或在安全模式下生成的ID进行数据编码，生成原始数据编码；
S1a3：对步骤S1a2中生成的原始数据编码进行纠错处理，生成纠错编码；
S1a4：将纠错编码进行矩阵式位置布置，生成矩阵式二进制字符串信息数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180116 |