CN111428532A - 一种可加密三维码及编码解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可加密三维码及编码解码方法，在原有二维码基础上，可加密三维码的第三维利用不同色彩或不同灰度生成N个二维码序列片段按顺序叠加而成，并且隐藏在背景图像之中，N≧2。用户通过最上面第1层二维码，得到公开的基本信息和加密密钥匙。然后根据第1层二维码提供的密钥和系统约定的解密算法读取第2层至第N层二维码信息，从而获取如个人隐私、支付账户等保密信息。本发明的可加密三维码既可以公开部分信息，便于公众了解，又可以保护隐私，保密。本发明应用于各种需要保密及防伪的重要领域。

Description

一种可加密三维码及编码解码方法

技术领域

本发明涉及一种可加密三维码及编码解码方法，属于计算机信息技术领域。

背景技术

近年来，随着我国物流产业、移动支付领域发展，二维码已经融入到我们生活的方方面面，与日常生活密不可分。二维码又称二维条码，是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息。使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。

二维码的前身是条形码，条形码(barcode)是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。二维码则把黑白条纹改成黑白小方块，加大了信息的存储量。除此以外，在读取信息的同时可以同时从水平方向和垂直方向来读取，这样又可以加入更多的信息在二维码之中。

虽然二维码拥有强大的功能和在市场的绝对占有率，但是经过多年的大面积应用，但是其在安全性和视觉效果上仍有不少弊端。如：收款码被恶意替换、复写后的二维码依然可读以及千篇一律的二维码影响载体的美观等。因此，基于二维码的不安全性及其他问题，“三维码”出现，三维码在尽可能不影响到扫码识读的基础上，达到美化矩阵码提高安全性和辨识度的目的，甚至图片的内容也可以被作为信息的载体，并作为第三个维度延伸出去。三维码的出现是图像识别及信息时代需求共同催生的产物。

无论是一维条形码还是二维码都是印制在平面上的，是二维空间的编码。由于多一维数据，二维码相对于一维码，具有信息量大的优势。而三维码在二维码的基础上再增加了一个维度，其能够表示的数据也就更多，具有更多的信息容量，即空间中的任何一点均可分别由X轴、Y轴与Z轴的参数来描述，在由X轴与Y轴所决定的二维平面码的基础上引入Z轴层高的概念，从而使编码容量有了大幅提高。在相同的编码面积上，其最大可表示的数据量是PDF417码的10倍以上，所以可以在普通大小的编码面积内包含大量的、足够识别真伪的辅助信息。

目前产生三维码的方法有多种，比如结构三维码等，专利文献CN201310144227.9公开了一种三维码的编码方法，主要技术特征为：根据承印物X轴和Y轴形成的面积以及用二进制数据标示的信息量，确定在承印物的Z轴方向上打印凹点的密集程度；在承印物的Z轴上打印凹点，通过凹点和非凹点表示二进制数据标示的信息量。

专利文献CN107092948A公开了一种基于立体结构三维码的防伪结构及防伪方法，主要技术特征为：基于立体结构三维码的防伪特征层具有一个或多个凸出或凹下的编码图案；所述防伪特征层中，不同高度的区域通过不同的颜色进行标识。

专利文献CN102760242A公开了一种三维码的编解码方法和使用方法，主要技术特征是在二维码基础上加入时间维，构成三维结构信息。

从现有技术来看，三维码的现有技术主要是提高编码容量，扩充二维码技术的应用，这些方法需要使用专有特殊的系统和设备，应用相对复杂，无法采用现有的打印和识别设备进行制作及扫码应用。

目前生成三维码比较可行的方案是第三维采用色彩或灰度(或称黑密度)表示，使用普通打印及摄像头就可以应用。其主要特征在于利用色彩或灰度(或称黑密度)表示不同的数据并进行编码。，如各对种证件、文字资料、图标及照片等图形资料进行编码。这样只需要采用现有的打印和识别设备就可以了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可加密三维码及编码解码方法，解决现有三维码信息生成困难，安全性不够的技术问题。本发明在原有二维码基础上，第三维利用不同色彩或不同灰度(或称黑密度)生成N(N≧2)个二维码序列片段按顺序叠加而成，并且隐藏在背景图像之中。用户通过最上面第1层二维码，得到公开的基本信息和加密密钥匙。然后根据第1层二维码提供的密钥和系统约定的解密算法读取第2层至第N层二维码信息，从而获取如个人隐私、支付账户等保密信息。这样既可以公开部分信息，便于公众了解，又可以保护隐私，保密。本发明应用于各种需要保密及防伪的重要领域。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种可加密三维码，由N层二维码序列片段叠加而成，N≧2，第一层二维码序列片段作为基本信息层，灰度值或颜色固定，提供可识别的公开信息，公开信息包括其它层的层数、二维码格式、加密密钥；2～N层二维码序列片段作为加密信息隐藏层，存放保密信息，是加密三维码的第三维；

可加密三维码的第三维由与基本信息层不同灰度值或RGB值的二维码序列片段构成，进行区分；以灰度值进行区分时，加密三维码由256级灰度图像构成，加密三维码各层的灰度值为G_ray_i，加密三维码所有二维码序列层的灰度值之和小于等于255；即满足：

为防止隐没第一层二维码信息，造成误识别，除基本信息层外其它各层的灰度值之和小于第一层灰度值G_ray₁，即满足：

且满足：

以RGB值进行区分时，加密三维码各层R，G，B值之和小于等于65535，即满足：

为防止隐没第一层二维码信息，造成误识别，除基本信息层外其它各层的RGB值之和小于第一层的RGB值RGB₁，即满足：

且满足：

根据以上要求及三维码的层数，选取第一层(基本信息层)灰度值或RGB值。再从满足最佳识别效果的要求，得到灰度值(或RGB值)区分间隔，最终确定其他各层灰度值(或RGB值)。

前述可加密三维码的编码方法，包括以下步骤：

1)获取原始信息；

2)确定三维码的层数C；

3)根据三维码的层数C，确定基本信息层及其余各层的灰度值或RGB值；

4)将需要存储的原始信息分类为：可以公开的信息A1、需要保密的信息B1；

5)生成加密信息B2：对需要保密的信息B1，采用对称或非对称式加密算法加密；

6)生成公开信息A2：对可以公开的信息A1，添加三维码的层数C信息、加密密钥、其它各层灰度值或RGB值D；

7)对公开信息A2、加密信息B2按三维码层数C分割，第一层为基本信息层，存储公开信息A2，加密信息B2存储在其余各层；

8)生成最终公开信息A、加密信息B：按照二维码编码规范，对公开信息A2、加密信息B2进行编码；

9)输出三维码。

前述可加密三维码的解码方法，包括以下步骤：

1)扫描三维码图像；

2)扫描获取基本信息层的最终公开信息A；

3)识别读取公开信息A2：根据对应编码过程中采用的二维码规范，解码得到公开信息A2，含有公开的信息A1、三维码层数C、其它各层灰度值或RGB值D、加密密钥；

4)扫描获取加密信息B：根据三维码层数C、其它各层灰度值或RGB值D，按照顺序识别扫描处理其它各层，获取加密信息B；

5)识别读取加密信息B2：采用编码时对应的对称或非对称式加密算法的解密方法对加密信息B2进行解密；

6)最终得到原始的公开信息A1，需要保密信息B1。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述可加密三维码，二维码序列片段各层之间灰度值满足：G_ray_i-G_ray_i+1>Δ；Δ为识别精度。

前述可加密三维码，二维码序列片段各层之间RGB值满足：RGB_i-RGB_i+1>Δ；Δ为识别精度。

前述可加密三维码，识别精度Δ>20。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的三维码制作、识别简单，使用现有的普通设备就可以完成。如普通的打印机或者彩色打印机即可完成，也可以通过显示器，笔记本电脑等设备动态显示生成，读取识别也可通过手机、计算机以及一般摄像头就可以完成。并与现有很多二维码设备兼容，升级方便。

2.本发明的三维码具有基本信息层存储公开信息，便于推广应用。不需要专用软件和设备，普通的二维码软件就可以了解相关信息，并且可以提示安装专有识别软件，或指定网站读取隐藏加密信息，以防止保密信息被盗取。

3.本发明的三维码由多层二维码在空间上叠加而成，支付码、转账码等保密信息隐藏在基本信息层下，并且通过加密算法加密。保密性好、安全性高。

4.本发明的三维码具有多层结构，因此存储信息容量大。

5.本发明的三维码公开信息部分和保密信息部分可分层存储，可以分层配置密钥，设置不同权限安全等级。

附图说明

图1是本发明三维码的多层二维码空间叠加示意图；

图2是三维码信息结构图；

图3是本发明三维码编码加密方法流程图；

图4是本发明三维码解密方法流程图；

图5是本发明实施例的三维码生成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于(但不限于)已有的二维码技术，引入不同色彩或灰度作为第三维。如图1所示，在空间上由N层二维码序列片段叠加而成，其中有一个二维码序列片段作为第1层，也可以称为基本信息层，灰度值(或固定某个颜色)固定，这层二维码序列片段灰度值(或颜色)固定，格式固定，标准固定。该层提供可识别的公开信息，包括其他层的层数、二维码格式、加密密钥等；另外有其他若干层二维码序列片段，作为加密信息隐藏层，可存放账号、收款码等需要的保密信息。三维码可以独立存在，也可以隐藏于某个图片之中。

基于上述思想，如图2所示，本发明的可加密三维码，由N层二维码序列片段叠加而成，N≧2，第一层二维码序列片段作为基本信息层，灰度值或颜色固定，提供可识别的公开信息，公开信息包括其它层的层数、二维码格式、加密密钥；2～N层二维码序列片段作为加密信息隐藏层，存放保密信息，是加密三维码的第三维；

可加密三维码的第三维由与基本信息层不同灰度值或RGB值的二维码序列片段构成，进行区分；以灰度值进行区分时，加密三维码由256级灰度图像构成，加密三维码各层的灰度值为G_ray_i，加密三维码所有二维码序列层的灰度值之和小于等于255；即满足：

并且，由于扫描三维码器件灰度级(或RGB)分辨率限制，其他各层(除第一层，基本信息层)的灰度(RGB)值之和小于第一层灰度G_ray₁(RGB₁)值，否则会隐没第一层二维码信息，造成误识别或错识别。

为防止隐没第一层二维码信息，造成误识别，除基本信息层外其它各层的灰度值之和小于第一层灰度值G_ray₁，即满足：

还可以推出除了第一层，第二层，其余各层灰度值和不大于第二层灰度值，......以此类推，

即满足：

以RGB值进行区分时，加密三维码各层R，G，B值之和小于等于65535，即满足：

为防止隐没第一层二维码信息，造成误识别，除基本信息层外其它各层的RGB值之和小于第一层的RGB值RGB₁，即满足：

且满足：

并且，各层之间灰度值(或RGB值)也不能两两相近，否则也会产生误判，不能准确区分，即：

二维码序列片段各层之间灰度值满足：G_ray_i-G_ray_i+1>Δ；Δ为识别精度。

或者，以RGB值进行各层区分时，二维码序列片段各层之间RGB值满足：RGB_i-RGB_i+1>Δ；Δ为识别精度。

目前根据主流手机摄像头性能，以取两两之间灰度(或RGB)值之差不小于20。根据以上要求及三维码的层数，选取第一层(基本信息层)灰度值或RGB值。再从满足最佳识别效果的要求，得到灰度值(或RGB值)区分间隔，最终确定其他各层灰度值(或RGB值)。

实施例一:

本实施例是三维码编码加密方法的实施例。如图3所示，本实施例包括以下步骤：

1.获取原始信息；

2.分析原始信息数据量大小，确定三维码的层数C；

本发明中所述三维码是指在二维码基础上添加由灰度(或色彩)构成的第三维，该三维码由多层二维码在空间上叠加而成。不同层二维码的灰度值或色彩RGB值不同。正是本发明与现有技术不同之处，所有基于该原理的其他三维码表示方式，也属于本发明保护之列。本发明中所述三维码是由多层二维码在空间上叠加而成。根据需要存储的信息量，及相应每层二维码可存储信息量，得到三维码的层数C。例如QRCCode码，中文汉字最多984个字符(采用UTF-8)，层数C＝存储的信息除以984。

3.根据层数C，确定基本信息层灰度(或RGB)值，及其余各层灰度(或RGB)值

为了便于说明，假定一个三维码是由256级灰度图像构成。以第三维一般基本信息层二维码的灰度值固定不变，便于三维码统一读取。其他层二维码由不同灰度Gray值的二维码序列片段构成，并且层数为N(1，2，…….，i，…….N)层，每一层的灰度值为G_ray_i，那么这个三维码所有二维码序列层的灰度值之和小于等于255(如果是彩色，R，G，B代表红，绿，蓝三原色分量，16位彩色即各层RGB(R，G，B)值之和小于等于65535)，否则灰度值发生溢出，因而三维码不能准确显示描述出来。同时其他各层(除第一层，基本信息层)的二维码灰度值之和小于第一层灰度值，否则会隐没第一层二维码信息，造成图像失真(如果是彩色，则其余各层RGB值之和小于第一层RGB值)。

根据公式：

以及三维码的层数，选取第一层(基本信息层)灰度值,并最终确定其他各层灰度值。

由上述可知三维码层数不宜过多，本实施例取灰度图像为例：

N＝2层结构。可以取第一层灰度值150，第二层灰度值100

N＝3层结构。可以取第一层灰度值135，第二层灰度值80，第三层灰度值40。

4.存储信息分类，分割公开信息A1，保密信息B1。

根据原始信息分类，分割公开信息A1，保密信息B1(包括付款码，收款码等)。

5.生成加密信息B2：

为了防止付款码，收款码等保密信息被窃取盗用，对保密信息B1，采用对称或非对称式加密算法加密。

对称加密指的就是加密和解密使用同一个秘钥，对称加密只有一个秘钥，作为私钥。在数据传送前，发送方和接收方必须商定好秘钥，然后双方都必须要保存好秘钥，如果一方的秘钥被泄露，那么加密信息也就不安全了。优点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。对称加密算法包括但不限于有DES、3DES、AES、Blowfish、IDEA、RC5、RC6等。非对称加密指的是加密和解密使用不同的秘钥，一把作为公开的公钥，另一把作为私钥。公钥加密的信息，只有私钥才能解密。私钥加密的信息，只有公钥才能解密。私钥只能由一方安全保管，不能外泄，而公钥则可以发给任何请求它的人。安全性更高，秘钥是自己保存的，不需要将私钥给别人。缺点是加密和解密花费时间长、速度慢。非对称加密算法包括但不限于有RSA、SM2算法等。

6.生成公开信息A2：

公开信息A2，由公开信息A1和三维码层数C、除第一层其余各层加密密钥、其余各层灰度(RGB)值D等组合构成。

7.对公开信息A2、加密信息B2分割。

对公开信息A2、加密信息B2按三维码层数C分割，第一层为基本信息层，存储公开信息A2，如果第一层容量不够，可以部分信息分配到其余各层存储，但三维码层数C、除第一层其余各层加密密钥、其余各层灰度(RGB)值D等信息必须存储在第一层。加密信息B2存储在其余各层。

8.生成最终公开信息A、加密信息B。

可以采用成熟的二维码PDF417、QRCCode、Data Matrix、Maxi Code、Code 49、Code16K、Code One技术，以常用的QRCCode为例，QR码符号共有40种规格的矩阵，每8位一个码字，整体构成一个数据的码字序列。按规定把数据分块，得出相应的纠错码字区块，按顺序构成一个序列，添加到原先的数据码字序列后面。再将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中。至此，二维码的编码流程基本完成。

9.生成输出三维码。

根据各层灰度(或RGB)值D，以及对应的二维码，在空间上叠加合成为三维码图像。可以通过打印机、彩色打印机、显示屏、电视、手机等通用设备输出、显示。

实施例二

本实施例是一种三维码解码码解密方法的实施例。如图4所示，本实施例包括以下步骤：

1.扫描三维码图像，获取信息A二维码

用三维码识别器包含但不限于手机(包含但不限于iPhone手机、安卓(Android)、基于Linux的手机)、计算机、平板电脑、嵌入式系统等，扫描三维码图像，首先识别出第一层即基本信息层的二维码图像。普通二维码识别器也可以扫描，但仅能识别出基本信息层的二维码。

2.解码基本信息层二维码A，获取公开信息A2

按照二维码编码规范，根据对应编码过程中采用的二维码规范如PDF417、QRCCode、Data Matrix、Maxi Code、Code 49、Code 16K、Code One技术，或定制的规则对公开信息A解码。获取公开信息A2，进而得到公开信息A1和三维码层数C、除第一层其余各层加密密钥、其余各层灰度(RGB)值D等组合数据。如果只有普通二维码识别器或APP，只能识别该层信息。只有三维码识别软件或APP(具有约定解密算法的)，才能根据三维码层数C、各层加密密钥、各层灰度(RGB)值D等数据，依次识别其余各层二维码，提高了本三维码的安全性。

3.判断读码器(或识别软件APP)是否支持三维码识别：

判断读码器(或识别软件APP)是否支持三维码识别，若不能则提示安装专有软件APP；

4.一次读取其余各层二维码，获取对应各层加密信息B2。

根据信息A2中的层数C、各层灰度(RGB)值D，分离出C个二维码图像，解码得到加密信息B2，信息仍然处于保密中，如果不知道加密算法，也无法获知加密信息B2内容。因此本发明三维码编码方法保密性非常高，必须使用专有的识别器或软件APP。这也是本发明技术特色所在。

5.解密获取保密信息B1：

加密信息通过已知的对应密钥，在使用具有特定加密算法的软件APP解密获得保密信息B1。加密算法包括对称加密算法DES、3DES、AES、Blowfish、IDEA、等，非对称加密算法包括RSA、SM2算法等。

6.获得原始信息：

按照规则，合成公开信息A1、保密信息B1。最终获得原始信息，并通过打印、显示(手机、计算机、显示器等各种终端设备)呈现出来。

实施例三：

本实施例是一种三维码图生成的实施例。如图5所示，本实施例包括以下步骤：

通过开源项目ZXing库，由二层结构不同色彩值二维码图像叠加，生成三维码图形。

第一层基本信息层二维码sy，信息A2内容为“欢迎使用三维码”，颜色值“#ee105a”；

第二层加密信息层二维码jm，保密信息B1内容是“支付码”，密钥“123456”，加密算法AES，颜色值“#0000ff”；

信息B2“U2FsdGVkX19acUuuMgrtm8fPqy91m64q2B/9iqtqCBA＝”，

最终合成二层结构的三维码result。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可加密三维码，其特征在于，由N层二维码序列片段叠加而成，N≧2，第一层二维码序列片段作为基本信息层，灰度值或颜色固定，提供可识别的公开信息，公开信息包括其它层的层数、二维码格式、加密密钥；2～N层二维码序列片段作为加密信息隐藏层，存放保密信息，是加密三维码的第三维；

可加密三维码的第三维由与基本信息层不同灰度值或RGB值的二维码序列片段构成，进行区分；以灰度值进行区分时，加密三维码由256级灰度图像构成，加密三维码各层的灰度值为G_ray_i，加密三维码所有二维码序列层的灰度值之和小于等于255；即满足：

为防止隐没第一层二维码信息，造成误识别，除基本信息层外其它各层的灰度值之和小于第一层灰度值G_ray₁，即满足：

且满足：

以RGB值进行区分时，加密三维码各层R，G，B值之和小于等于65535，即满足：

为防止隐没第一层二维码信息，造成误识别，除基本信息层外其它各层的RGB值之和小于第一层的RGB值RGB₁，即满足：

且满足：

2.如权利要求1所述的可加密三维码，其特征在于，二维码序列片段各层之间灰度值满足：G_ray_i-G_ray_i+1>Δ；Δ为识别精度。

3.如权利要求1所述的可加密三维码，其特征在于，二维码序列片段各层之间RGB值满足：RGB_i-RGB_i+1>Δ；Δ为识别精度。

4.如权利要求2或3所述的可加密三维码，其特征在于，识别精度Δ>20。

5.如权利要求1所述的可加密三维码的编码解码方法，其特征在于，可加密三维码的编码方法，包括以下步骤：

1)获取原始信息；

2)确定三维码的层数C；

3)根据三维码的层数C，确定基本信息层及其余各层的灰度值或RGB值；

4)将需要存储的原始信息分类为：可以公开的信息A1、需要保密的信息B1；

5)生成加密信息B2：对需要保密的信息B1，采用对称或非对称式加密算法加密；

6)生成公开信息A2：对可以公开的信息A1，添加三维码的层数C信息、加密密钥、其它各层灰度值或RGB值D；

7)对公开信息A2、加密信息B2按三维码层数C分割，第一层为基本信息层，存储公开信息A2，加密信息B2存储在其余各层；

8)生成最终公开信息A、加密信息B：按照二维码编码规范，对公开信息A2、加密信息B2进行编码；

9)输出三维码；

可加密三维码的解码方法，包括以下步骤：

1)扫描三维码图像；

2)扫描获取基本信息层的最终公开信息A；

3)识别读取公开信息A2：根据对应编码过程中采用的二维码规范，解码得到公开信息A2，含有公开的信息A1、三维码层数C、其它各层灰度值或RGB值D、加密密钥；

4)扫描获取加密信息B：根据三维码层数C、其它各层灰度值或RGB值D，按照顺序识别扫描处理其它各层，获取加密信息B；

5)识别读取加密信息B2：采用编码时对应的对称或非对称式加密算法的解密方法对加密信息B2进行解密；

6)最终得到原始的公开信息A1，需要保密信息B1。

Images