CN108256612A - 一种基于魔方矩阵的二维码防伪技术 - Google Patents

一种基于魔方矩阵的二维码防伪技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于魔方矩阵的二维码防伪技术，通过对二维码的像素灰度值的极少的比特位进行替换，实现将魔方矩阵隐藏于二维码图片中，在验证时通过魔方矩阵对二维码的图像块进行验证，提高了二维码校验的速度。本方法极大程度上维持了原图视觉质量，且能精确定位到篡改区域，并近似的恢复被篡改的二维码图片。

Description

一种基于魔方矩阵的二维码防伪技术
技术领域
本发明属于二维码领域，更具体地，涉及一种基于魔方矩阵的二维码防伪与修复技术。
背景技术
二维码是用某几种特定的几何图形按一定规律在平面分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，可以存储一定量的文字数字图像内容。由于根据原始的二维码可以反向解析出文字数字图像内容，甚至可以在此基础上添加一些额外的信息，或对原二维码信息进行篡改并生成新的二维码等等，从而给一些不法分子可乘之机，因此需要对二维码进行防伪保护。
现有的二维码防伪技术有：
1、采用数字签名验证技术对二维码附带信息进行加密。数字签名是利用公钥加密领域技术对数据单元进行密码变换，并附加在数据单元上，通过解密附加数据可以验证数据单元的来源和完整性。数字签名具有身份认证、加密数据保护和签名抗否认的作用，但是该技术会使得二维码附带信息大量增加，使二维码识别速度降低。
2、在物理设计层面，如二维码的材质、图案等其他方面，对二维码实体图片实现防伪。如现有专利CN204706286U提供了一种可以有效防止被假冒的防伪金拉线的制造方法。其制作方法首先是采用冷转移工艺，将吸收红外光的物质载体按印制板上设定的加密的二维码图案转移到透明薄膜基材之上，其次是在此隐含加密二维码层之上再覆盖一层二维码干扰层，使得仿冒者无法识别加密二维码的结构和特征，以保证加密二维码的隐蔽性和保密性，但物理层面的水印易被破坏，且使得二维码的生成复杂度增加，另一方面增加了二维码打印成本。
3、采用数字水印技术对二维码进行防伪，如对二维码的logo进行独特设计，给二维码添加底图等等，但会影响原生成的二维码图片的外观。
4、对于现有的电子钥匙，然而在某些需要其他人员临时使用钥匙的情况下，由于其需要先对信息进行授权后方能开启对应的智能锁，且作为信息的载体指纹、声纹等不容易提取借出，其他如密码、图片等方式的载体借出后又不容易回收，或者不方便更改，现存的电子钥匙无法安全有效的应对以上情况。
上述所有现有技术均只能验证二维码是否被篡改，却不能精确定位篡改区域，不能修复被篡改的二维码图片，且不能从根本上隐藏原始二维码的信息，从源头上防止二维码被篡改。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于魔方矩阵的隐写技术对二维码进行防伪，其目的在于：
1、从根本上隐藏原始二维码存储的信息，数字加密二维码，以防止恶意解析或篡改；
2、用简单、快速的方法验证二维码是否被篡改，并实现精确定位篡改区域、修复篡改区域。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于魔方矩阵的二维码隐写技术，只对二维码像素灰度值的少数比特位进行替换，实现将魔方矩阵隐藏于二维码图片中，从而可以利用魔方矩阵的性质对二维码进行快速校验，并精确定位出篡改区域进行快速修复。由此解决现有技术不能从根本上对二维码进行防伪、原始的二维码易被解析或被篡改且不能修复的技术问题。
按照本发明的一个方面，提供了一种二维码防伪技术，包括如下步骤：
S1：将原二维码图像X划分为a行×b列个面积相等的正方形的图像块XB，每个XB面积为n×n，所述a、b、n均为正整数，n的单位为像素；
S2：获得n阶的方阵M，将M(u，v)分别嵌入XBij(u，v)中，获得加密的二维码图像YB，所述M(u，v)为方阵M中第u行第v列的数值，所述XBij(u，v)为第i行第j列图像块XB中第u行第v列像素的像素值，所述i、j、u、v均为正整数，i为1～a，j为1～b，u为1～n，v为1～n。
优选地，所述方阵M的获得方法包括S21：随机生成一个n阶的魔方矩阵S，并将S中的每一个数值减1得到方阵M。
优选地，所述嵌入的方法包括如下步骤：
S22：计算原二维码图像X中每个像素值的LSB(XBij(u，v))，所述LSB(XBij(u，v))为XBij(u，v)的k个最低有效位的数值和，所述k为正整数；
S23：判断LSB(XBij(u，v))是否等于M(u，v)，若是则令YBij(u，v)＝XBij(u，v)；否则令YBij(u，v)＝XBij(u，v)－LSB(XBij(u，v))+M(u，v)；
S24：由所有YBij(u，v)获得加密的二维码图像YB。
优选地，当M(u，v)>0时，当M(u，v)＝0时k＝1。
优选地，所述像素值为二进制值。
优选地，在S2后还包括二维码校验过程，优选地，所述二维码校验过程具体为步骤SA：
判断LSB(YBij(u，v))是否等于M(u，v)，若是则判断为合格的二维码，否则判断为篡改的二维码，所述LSB(YBij(u，v))为YBij(u，v)的k个最低有效位的数值和。
优选地，所述二维码校验过程还可为步骤SB：
判断LSB(YBij(u，v))是否等于M(u，v)，若是则判断为合格的二维码，否则判断为篡改的二维码，所述LSB(YBij(u，v))为YBij(u，v)的k个最低有效位的和。
优选地，在所述步骤SA或SB中判断为篡改的二维码后还包括步骤S3：获得篡改的图像块YBij(u，v)，将YBij(u，v)的k个最低有效位替换为M(u，v)，获得修复的二维码图像Y’。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本申请将原二维码分成多个与方阵M同规格的图像块，只需一个M即可对多个图像块进行加密，方便于之后的防伪校验和定位修复，将M的信息嵌入到每个像素中，从根本上对二维码进行隐写保护，加大反向解析的难度，防止二维码被篡改。
2、M由魔方矩阵S每一个数值减1得到，由于魔方矩阵的最小值是1，则M与像素值计数起点同为0，在嵌入后与原值相等的概率增大，即需要替换的像素值减少，能在最大程度上维持原图视觉质量；由于魔方矩阵的性质使得M行列、斜线值相加结果也相等，因此在验证时即使不知道M每个元素的具体值，也可利用魔方矩阵的性质对其进行验证。
3、只对像素值比特位的k个最低有效位进行替换，由于最低有效位对总的像素值的影响较小，所以即使替换也不影响二维码的识别。
4、k＝[log2(M(u，v)+1)]，使得替换的比特位刚好等于魔方矩阵对应值的比特位，在替换的过程中完全嵌入魔方矩阵的信息，能最大程度对原二维码进行加密，并完整保留魔方矩阵的信息，有利于之后的校验。
5、像素值采取二进制提取最低有效位，运算速度更快。
6、防伪验证时利用矩阵M对每个图像块逐一验证，而不像现有技术逐一像素验证，所以本申请验证速度更快。
7、本申请在防伪验证后可精确定位并修复篡改二维码。
附图说明
图1是8种3阶魔方矩阵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
魔方矩阵S，是指将自然数1到n2，排列n行n列的方阵，使每行、每列及两条主对角线上的n个数的和都等于n(n2+1)/2，根据魔方矩阵的性质，有1≤S(u，v)≤n2，所述S(u，v)为魔方矩阵S中第u行第v列的数值，如图1所示，当n＝3时，包括8种魔方矩阵，取值为1～9，每行、每列及两条主对角线上的3个数的和都等于15。
本发明采用基于魔方矩阵的防伪技术，对二维码像素的灰度值的少数比特位进行替换，以维持原图视觉质量，实现将魔方矩阵隐藏于二维码图片中，防止解析和篡改，验证时可根据魔方矩阵的性质则对加密二维码进行验证，并精确定位和修复篡改的二维码。
实施例1
一种二维码防伪技术，包括如下步骤：
S1：将原二维码图像X划分为a行×b列个面积相等的图像块XB，每个XB面积为3像素×3像素，记第i行第j列图像块XB中第u行第v列像素的像素值为XBij(u，v)，所述a、b、i、j、u、v均为正整数，u从1取到3，v从1取到3，i从1取到a，j从1取到b；
S2：随机生成一个3阶的魔方矩阵S，如表3所示，将S中每个数值减1得到方阵M，M的十进制值如表4所示，二进制值如表5所示，M(u，v)为方阵M中第u行第v列的数值；
S3：将M(u，v)分别嵌入XBij(u，v)中，获得加密的二维码图像Y。
以图像块XB11为例，XB11的像素值用十进制表示如表1所示，用二进制表示如表2，所述嵌入的方法包括如下步骤：
S22：计算LSB(XB11(u，v))，所述LSB(XB11(u，v))为原二维码图像X中XB11(u，v)的k个最低有效位的数值和，当M(u，v)>0时 ，当M(u，v)＝0时k＝1，u、v分别取1～3，方阵M中每个数值对应的k取值组成的矩阵如表6所示，对应的LSB(XB11(u，v))组成的矩阵如表7所示；
S23：判断LSB(XB11(u，v))是否等于M(u，v)，若是则令YB11(u，v)＝XB11(u，v)；否则令YB11(u，v)＝XB11(u，v)－LSB(XB11(u，v))+M(u，v)，得到YB11(u，v)的二进制值如表8所示，所述YB11(u，v)为XB11(u，v)加密后的像素值。
S24：将YB11(u，v)转回十进制值，如表9所示，将表9与表1对比，可以看出加密后的图像块的像素值在总值上改变较小，并不影响二维码的识别，可维持原图视觉质量。
二维码的图像块验证：将图像块矩阵的YB11(u，v)分别取k个最低有效位，得到验证矩阵如表10所示，分别求验证矩阵的每行、每列及两条主对角线上的3个数的和，判断这些和是否相等，是则判断该二维码为合格二维码，否则判断该二维码为篡改的二维码。
二维码的图像块修复：若和不相等，则用M(u，v)替换所述YBij(u，v)的k个最低有效位，获得修复的图像块YB11’。
表1原二维码的图像块XB11(u，v)的十进制值
255 255 0
0 0 255
0 255 0
表2原二维码的图像块XB11(u，v)的二进制值
表3魔方矩阵S的十进制值
8 1 6
3 5 7
4 9 2
表4方阵M的十进制值
7 0 5
2 4 6
3 8 1
表5方阵M的二进制值
111 0 101
10 100 110
11 1000 1
表6方阵M的k
3 1 3
2 3 3
2 4 1
表7LSB(XB11(u，v))
3 1 0
0 0 3
0 4 0
表8YB11(u，v)的二进制值
表9YB11(u，v)的十进制值
255 254 5
2 4 255
3 255 1
表10YB11(u，v)的k个最低有效位
111 0 101
10 100 110
11 1000 1
实施例2
一种二维码防伪技术，包括如下步骤：
S1：将原二维码图像X划分为a行×b列个面积相等的图像块XB，每个XB面积为3像素×3像素，记第i行第j列图像块XB中第u行第v列像素的像素值为XBij(u，v)，所述a、b、i、j、u、v均为正整数，u从1取到3，v从1取到3，i从1取到a，j从1取到b；
S2：随机生成一个3阶的魔方矩阵S，如表3所示，将S中每个数值减1得到方阵M，如表4所示，M(u，v)为方阵M中第u行第v列的数值；
S3：将M(u，v)分别嵌入XBij(u，v)中，获得加密的二维码图像Y。
以图像块XB11为例，XB11的像素值用十进制表示如表1所示，用二进制表示如表2，所述嵌入的方法包括如下步骤：
S22：计算LSB(XB11(u，v))，所述LSB(XB11(u，v))为原二维码图像X中XB11(u，v)的k个最低有效位的数值和，当M(u，v)>0时 ，当M(u，v)＝0时k＝1，u、v分别取1～3，k的取值组成的矩阵如表6所示，LSB(XB11(u，v))组成的矩阵如表7所示；
S23：判断LSB(XB11(u，v))是否等于M(u，v)，若是则令YB11(u，v)＝XB11(u，v)；否则令YB11(u，v)＝XB11(u，v)－LSB(XB11(u，v))+M(u，v)，得到YB11(u，v)的二进制值如表8所示，所述YB11(u，v)为XB11(u，v)加密后的像素值。
S24：将YB11(u，v)转回十进制值，如表9所示，将表9与表1对比，可以看出加密后的图像块的像素值在总值上改变较小，并不影响二维码的识别，可维持原图视觉质量。
逐一图像块按上述嵌入方法进行加密，获得加密的二维码图像Y。
二维码图像块的验证：逐一图像块验证，判断LSB(YBij(u，v))是否等于M(u，v)，若是则判断为合格的二维码，否则判断为篡改的二维码，所述LSB(YBij(u，v))为YBij(u，v)的k个最低有效位的数值和。
二维码图像块的修复：若LSB(YBij(u，v))不等于M(u，v)，则用M(u，v)替换YBij(u，v)的k个最低有效位，获得修复的图像块YBij’。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种二维码防伪技术，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将原二维码图像X划分为a行×b列个面积相等的正方形的图像块XB，每个XB面积为n×n，所述a、b、n均为正整数，n的单位为像素；
S2：获得n阶的方阵M，将M(u，v)分别嵌入XBij(u，v)中，获得加密的二维码图像Y，所述M(u，v)为方阵M中第u行第v列的数值，所述XBij(u，v)为第i行第j列图像块XB中第u行第v列像素的像素值，所述i、j、u、v均为正整数，i从1取到a，j从1取到b，u从1取到n，v从1取到n。
2.如权利要求1所述的二维码防伪技术，其特征在于，所述方阵M的获得方法具体包括S21：随机生成一个n阶的魔方矩阵S，并将S中的每一个数值减1得到方阵M。
3.如权利要求2所述的二维码防伪技术，其特征在于，在所述步骤S2中，所述嵌入的方法包括如下步骤：
S22：计算LSB(XBij(u，v))，所述LSB(XBij(u，v))为原二维码图像X中XBij(u，v)的k个最低有效位的数值和，所述k为正整数；
S23：判断LSB(XBij(u，v))是否等于M(u，v)，若是则令YBij(u，v)＝XBij(u，v)；否则令YBij(u，v)＝XBij(u，v)－LSB(XBij(u，v))+M(u，v)，所述YBij(u，v)为XBij(u，v)加密后的像素值；
S24：由YBij(u，v)获得加密的二维码图像Y。
4.如权利要求3所述的二维码防伪技术，其特征在于，当M(u，v)>0时当M(u，v)＝0时k＝1。
5.如权利要求4所述的二维码防伪技术，其特征在于，所述像素值为二进制值。
6.如权利要求5所述的二维码防伪技术，其特征在于，在S2后还包括步骤SA：
判断图像块YBij的LSB(YBij(u，v))所构成的矩阵是否满足每行、列和对角线上的数值和都相等，若是则判断为合格的二维码，否则判断为篡改的二维码，所述YBij为YB中第i行第j列图像块，LSB(YBij(u，v))为YBij(u，v)的k个最低有效位的数值和。
7.如权利要求5所述的二维码防伪技术，其特征在于，在S2后还包括步骤SB：
判断LSB(YBij(u，v))是否等于M(u，v)，若是则判断为合格的二维码，否则判断为篡改的二维码，所述LSB(YBij(u，v))为YBij(u，v)的k个最低有效位的数值和。
8.如权利要求6或7所述的二维码防伪技术，其特征在于，在所述步骤SA或SB中判断为篡改的二维码后还包括步骤S3：获得篡改的像素YBij(u，v)，将YBij(u，v)的k个最低有效位替换为M(u，v)，获得修复的二维码图像块Y’。
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