CN111737713A - 基于可视密码的二维码秘密共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于可视密码的二维码秘密共享方法。首先，通过分析共享份子集的秘密不可恢复条件，设计0‑1规划策略，进而构造秘密共享矩阵；然后，基于秘密共享矩阵，利用异或可视密码技术对载体二维码的内容码字进行调整；最后，根据调整之后的载体二维码内容码字，生成秘密共享份二维码，从而实现秘密二维码图像的分享。本发明不仅继承了可视密码技术编码易于实现和解码计算复杂度低的优点，且在鲁棒性方面优于其他现有方法，并且秘密图像具有更好的安全性。

Description

基于可视密码的二维码秘密共享方法

技术领域

本发明属于秘密信息共享领域，具体涉及一种基于可视密码的二维码秘密共享方法。

背景技术

作为物联网的核心感知技术和互联网的重要信息入口，二维码已逐步渗透到我国国民经济与社会生活的各个领域，成为国家实体经济的重要组成部分和全球新兴信息产业竞争的重要战略支点。然而，二维码在快速普及的同时，安全问题也日益突出，特别在O2O电子商务和移动支付领域。由于二维码采用的是国际通用编解码技术标准，在公开信道传输或公开网络环境存储时，不法分子能够轻易窃取其中的信息，存在极大的隐私泄露隐患。因此，用户的权益受到了极大的威胁。如何防范该问题，已经关系到每位使用者的切身利益。目前，如何利用二维码安全地有效传递秘密信息已经成为世界领域专家学者研究的热点课题之一。

使用二维码结合视觉密码技术传递秘密信息，可有效地保护二维码中秘密信息的安全。视觉秘密共享算法将秘密图像信息以适当的方式进行分割，然后将分割后的每一个秘密份额以某种方式与二维码相结合，使得生成的秘密份额均为有意义的二维码，进而达到在保护秘密信息安全的同时，有效地降低无关人员好奇心的目的。可视密码技术与二维码相结合为保护秘密图像信息提供了一种可行、有效的解决方案。

基于二维码的秘密共享方法依据分享的秘密信息类型可分为两类：黑白图像和二维码图像。其中二维码图像作为分享的秘密图像相比于黑白图像有以下几个优势：①二维码的存储的信息容量较大；②解密很简单，可使用常见的带有摄像头的智能型手机即可解密；③很难通过常见的秘密信息预测法预测出秘密信息。基于此，Feng等人提出了一种二维码秘密图像的分享方法。随后Lu等人针对移动支付应用场景，结合美化的二维码提出了一种二维码视觉秘密共享方法。不同于Lu等人的方法，Chow等人另辟蹊径。在秘密共享阶段，依据n个同一版本及校验等级的载体二维码相异或的结果与秘密二维码图像的差异，调整载体二维码，进而得到秘密共享份二维码额。然而该方法在当n值很大的时候，存在n-1个秘密共享份二维码额堆叠得到的二维码图像具有被成功破解的可能性。针对这个问题，Cheng等人提出了一个改进方案。该方案引入了分组的概念，使得分组之后的秘密共享份二维码额之间的相关性变强，从而避免秘密二维码图像被泄露的状况。然而，该方法只是在一定程度上降低了秘密二维码图像被泄露的可能性。在n值很大时，仍然无法做到完全避免，故该秘密共享算法的安全性问题仍然存在。

发明内容

针对现有二维码秘密共享算法在分享二维码秘密图像时存在的安全性问题，本文提出一种基于异或可视密码的二维码秘密共享算法，在保证秘密共享份二维码可译码和课解密的前提下，分享秘密二维码图像与多个载体二维码之中，保证秘密二维码图像的安全性。首先，通过分析共享份子集的秘密不可恢复条件，设计0-1规划策略，进而构造秘密共享矩阵；然后，基于秘密共享矩阵，利用异或可视密码技术对载体二维码的内容码字进行调整；最后，根据调整之后的载体二维码内容码字，生成秘密共享份二维码，从而实现秘密二维码图像的分享。

本发明的技术方案步骤如下：

一种基于可视密码的二维码秘密共享方法，其步骤如下：

步骤1：根据载体二维码C₁,C₂,…,C_n的信息，生成秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n的内容码字；

步骤2：根据二维码中内容码字的长度c，以及秘密共享份二维码的数量n，设计安全的0-1规划策略，生成由0和1构成的n行c列的秘密分享矩阵X；

步骤3：对秘密分享矩阵X进行预处理，得到新秘密分享矩阵X′；

步骤4：基于新的秘密分享矩阵X′，利用异或可视密码技术把秘密二维码的码字信息嵌入到秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n中，实现二维码的秘密分享过程。

基于上述技术方案，各步骤可以采用如下优选方式实现。各优选方式若无冲突均可进行相互组合，不构成限制。

优选的，步骤1的具体过程如下：

分别读取载体二维码C₁,C₂,…,C_n的信息，并根据它们的版本号和校验等级，使用标准的二维码编码流程，初步生成秘密共享份二维码的M₁,M₂,…,M_n内容码字。

优选的，步骤2的具体过程如下：

当分享秘密二维码S(v)时，用x_uv＝1来标识码字需修改的位置，当不需要分享秘密二维码S(v)时，用x_uv＝0来标识M_u(v)码字无需修改；M_u(v)为第u个秘密共享份二维码中的第v个码字；

根据二维码中内容码字的长度c，以及秘密共享份二维码的数量n，构建由0和1构成的n行c列的秘密分享矩阵X：

其中c是二维码中Reed-Solomon纠错码的码字长度，w为标识M₁,M₂,…,M_n中需要修改的内容码字的范围长度；

同时，对秘密分享矩阵进行0-1规划以提高安全性，具体规划策略如下：

平均分配秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n中的因分享秘密信息而需要修改的内容码字的数量g，g值的选择需要满足以下条件：

其中r为二维码中Reed-Solomon纠错码的容错能力；在确定g和w值之后，制定0-1规划策略如下公式所示：

式中：“|”表示或运算；

基于该0-1规划策略，生成秘密分享矩阵X。

优选的，步骤3的具体过程如下：

步骤3.1：首先对秘密分享矩阵X的行和列分别进行置乱操作；

步骤3.2：计算置乱后的矩阵X的其中一列的列向量之和sum，判断其与1的大小；

步骤3.3：若sum>1，则随机选择列向量中满足x_uv＝1的行，使用8位随机值替换M_n(v)，并变更x_uv值为0；其中，M_n(v)为第n个秘密共享份二维码中的第v个码字；

步骤3.4：不断重复步骤3.2至步骤3.3，直至满足sum≤1；

步骤3.5：对置乱后的矩阵X逐列执行步骤3.2至步骤3.4，得到一个预处理之后新秘密分享矩阵X′。

优选的，步骤4的具体过程如下：

步骤4.1：在新秘密分享矩阵X′中，取其中一列的列向量判断其是否存在x_uv＝1的情况，若存在则确定其元素坐标u和v的值并执行步骤4.2；

步骤4.2：计算

其中

表示异或操作；判断k与S(v)是否相等，若k＝S(v)，则不处理；若k≠S(v)，则

步骤4.3：逐列执行步骤4.1和4.2，直至完全遍历整个矩阵X′；得到n个调整之后的秘密共享份二维码内容码字，接着利用标准的二维码封装流程生成n个共享了秘密二维码图像信息的秘密共享份二维码。

本发明的另一目的在于提供一种基于可视密码的二维码共享秘密还原方法，其具体做法为：根据前述任一方案所述的秘密共享方法得到共享秘密信息的秘密共享份二维码，从n个秘密共享份二维码中会恢复嵌入的秘密二维码信息，还原过程为：

步骤5.1：分别提取n个秘密共享份二维码的内容码字，通过直接堆叠异或所有的内容码字，得到秘密二维码的内容码字；

步骤5.2：基于得到的秘密二维码内容码字，利用标准的二维码封装流程，生成秘密二维码图像。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：

本发明将异或可视密码技术和二维码相结合，实现了秘密二维码图像在载体二维码中的秘密共享。相比于现有的二维码秘密共享方法，本发明不仅继承了可视密码编码易于实现和解码计算复杂度低的优点，而且在鲁棒性方面优于其他现有方法，并且秘密图像具有更好的安全性。

附图说明

图1为基于可视密码的二维码秘密共享方法步骤示意图；

图2为载体二维码图像和秘密二维码图像。

图3为秘密共享过程流程图。

图4为对应的秘密共享份二维码效果图以及还原的秘密二维码图像效果图。

图5为秘密恢复过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案作进一步详细描述。基于可视密码的二维码秘密共享方法，其具体步骤描述如图1中S1～S4所示。其中，基于可视密码的码字调整方法的具体步骤描述如图3所示：

步骤1：分别读取载体二维码C₁,C₂,…,C_n的信息，并根据它们的版本号、校验等级，使用标准的二维码编码流程，经数据分析、数据编码、冗余编码、码字填充等操作，初步生成秘密共享份二维码的M₁,M₂,…,M_n内容码字。

本实施例中，设置n＝10，10个载体二维码以及秘密二维码图像参见图2。其中，10个二维码的版本均为4-H，它们包含有意义的内容信息：Cover Quick Response code k；秘密二维码的版本与载体二维码的版本一致，且其包含的内容信息为：Secret QuickResponse Code。根据二维码国际标准，4-H版本的二维码由4个Reed-Solomon纠错码构成，其中每个纠错码包含c＝25个内容码字，可以纠正r＝8个码字错误。

步骤2：根据二维码中内容码字的长度c，以及秘密共享份二维码的数量n，设计安全的0-1规划策略，生成由0和1构成的n行c列的秘密分享矩阵X。具体过程如下：

1)用x_uv＝1来标识M_u(v)码字需修改进而分享秘密二维码S(v)，即当分享秘密二维码S(v)时，用x_uv＝1来标识码字需修改的位置，当不需要分享秘密二维码S(v)时，用x_uv＝0来标识M_u(v)码字无需修改。此处M_u(v)为第u个秘密共享份二维码中的第v个码字。

2)根据二维码中内容码字的长度c，以及秘密共享份二维码的数量n，构建由0和1构成的n行c列的秘密分享矩阵X：

其中c是二维码中Reed-Solomon纠错码的码字长度，w为标识M₁,M₂,…,M_n中需要修改的内容码字的范围长度；

3)同时，对秘密分享矩阵进行0-1规划以提高安全性，具体规划策略如下：

平均分配秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n中的因分享秘密信息而需要修改的内容码字的数量g，g值的选择需要满足以下条件：

其中r为二维码中Reed-Solomon纠错码的容错能力；在确定合适的g和w值之后，制定0-1规划策略如下公式所示：

式中：“|”表示或运算；

基于该0-1规划策略，即可生成秘密分享矩阵X。

此步骤中，g和w是两个比较重要的取值，它们可以用来调整生成的秘密共享份二维码和还原的秘密二维码图像的容错能力。g值越小，生成的秘密共享份二维码的容错能力越强，反之亦然；w值越小，还原的二维码秘密图像的容错能力越弱，反之亦然。本实施例中，选择g＝3,w＝19,根据0-1规划策略，可以得到一个10行25列的秘密共享矩阵X，如下：

步骤3：对秘密分享矩阵X进行预处理，得到新秘密分享矩阵X′。

预处理包含两方面，其一是行列置乱；其二是依据矩阵列向量的和，调整秘密共享份二维码的内容码字，使得列向量之后小于等于1。其具体预处理过程如下：

步骤3.1：首先对秘密分享矩阵X的行和列分别进行置乱操作；

步骤3.2：计算置乱后的矩阵X的其中一列的列向量之和sum，判断其与1的大小；

步骤3.3：若sum>1，则随机选择列向量中满足x_uv＝1的行，使用8位随机值替换M_n(v)，并变更x_uv值为0；其中，M_n(v)为第n个秘密共享份二维码中的第v个码字；

步骤3.4：若执行完步骤3.3后，该列依然不满足sum≤1，则不断重复步骤3.2至步骤3.3，直至满足sum≤1；

步骤3.5：对置乱后的矩阵X的其余列，逐列执行步骤3.2至步骤3.4，得到一个预处理之后新秘密分享矩阵X′。本实施例得到的X′如下：

步骤4：基于新的秘密分享矩阵X′，利用异或可视密码技术把秘密二维码的码字信息共享到秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n中，实现二维码的秘密分享过程，共享过程如图3所示。具体过程如下：

步骤4.1：在新秘密分享矩阵X′中，取第一列的列向量判断其是否存在x_uv＝1的情况，若存在则确定其元素坐标u和v的值并执行步骤4.2。

本实施例中，选定矩阵X′第一个列向量，其中当u＝5和v＝1时是满足x_uv＝1。

步骤4.2：计算

其中

表示异或操作；判断k与S(v)是否相等，若k＝S(v)，则不处理；若k≠S(v)，则

步骤4.3：逐列执行步骤4.1和4.2，直至完全遍历整个矩阵X′。至此，得到n＝10个调整之后的秘密共享份二维码内容码字，接着利用标准的二维码封装流程生成n＝10个共享了秘密二维码图像信息的秘密共享份二维码。

至此，秘密二维码通过异或可视密码技术共享至n＝10个秘密共享份二维码的流程结束。

本发明将异或可视密码和二维码相结合，实现了秘密二维码图像在10个载体二维码中的秘密共享，在鲁棒性方面优于其他现有方法。参见图4所示，为采用该方法对载体二维码进行秘密共享后得到的秘密共享份二维码，本方法分享的秘密二维码图像具有更好的安全性。

秘密二维码图像经过上述秘密共享方法得到了10个秘密共享份二维码后，可以从其中重新还原出共享的二维码秘密图像。其提取过程参见图5所示，下面具体描述其实现方式：

步骤5.1：分别提取n个秘密共享份二维码的内容码字，通过直接堆叠异或所有的内容码字，得到秘密二维码的内容码字；

步骤5.2：基于得到的秘密二维码内容码字，利用标准的二维码封装流程，生成秘密二维码图像。至此，秘密二维码图像即可成功地还原出来。

该方法将秘密二维码图像共享于若干个载体二维码当中，在确保生成的秘密共享份二维码可解码的前提下实现了秘密信息的共享。本发明不仅继承了可视密码技术编码易于实现和解码计算复杂度低的优点，且在鲁棒性方面优于其他现有方法，并且秘密图像具有更好的安全性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于可视密码的二维码秘密共享方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：根据载体二维码C₁,C₂,…,C_n的信息，生成秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n的内容码字；

步骤2：根据二维码中内容码字的长度c，以及秘密共享份二维码的数量n，设计安全的0-1规划策略，生成由0和1构成的n行c列的秘密分享矩阵X；

步骤3：对秘密分享矩阵X进行预处理，得到新秘密分享矩阵X′；

步骤4：基于新的秘密分享矩阵X′，利用异或可视密码技术把秘密二维码的码字信息嵌入到秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n中，实现二维码的秘密分享过程。

2.根据权利要求1所述的基于可视密码的二维码秘密共享方法，其特征在于步骤1的具体过程如下：

分别读取载体二维码C₁,C₂,…,C_n的信息，并根据它们的版本号和校验等级，使用标准的二维码编码流程，初步生成秘密共享份二维码的M₁,M₂,…,M_n内容码字。

3.根据权利要求2所述的基于可视密码的二维码秘密共享方法，其特征在于步骤2的具体过程如下：

当分享秘密二维码S(v)时，用x_uv＝1来标识码字需修改的位置，当不需要分享秘密二维码S(v)时，用x_uv＝0来标识M_u(v)码字无需修改；M_u(v)为第u个秘密共享份二维码中的第v个码字；

根据二维码中内容码字的长度c，以及秘密共享份二维码的数量n，构建由0和1构成的n行c列的秘密分享矩阵X：

其中c是二维码中Reed-Solomon纠错码的码字长度，w为标识M₁,M₂,…,M_n中需要修改的内容码字的范围长度；

同时，对秘密分享矩阵进行0-1规划以提高安全性，具体规划策略如下：

平均分配秘密共享份二维码M₁,M₂,…,M_n中的因分享秘密信息而需要修改的内容码字的数量g，g值的选择需要满足以下条件：

其中r为二维码中Reed-Solomon纠错码的容错能力；在确定g和w值之后，制定0-1规划策略如下公式所示：

式中：“|”表示或运算；

基于该0-1规划策略，生成秘密分享矩阵X。

4.根据权利要求3所述的基于可视密码的二维码秘密共享方法，其特征在于步骤3的具体过程如下：

步骤3.1：首先对秘密分享矩阵X的行和列分别进行置乱操作；

步骤3.2：计算置乱后的矩阵X的其中一列的列向量之和sum，判断其与1的大小；

步骤3.3：若sum>1，则随机选择列向量中满足x_uv＝1的行，使用8位随机值替换M_n(v)，并变更x_uv值为0；其中，M_n(v)为第n个秘密共享份二维码中的第v个码字；

步骤3.4：不断重复步骤3.2至步骤3.3，直至满足sum≤1；

步骤3.5：对置乱后的矩阵X逐列执行步骤3.2至步骤3.4，得到一个预处理之后新秘密分享矩阵X′。

5.根据权利要求4所述的基于可视密码的二维码秘密共享方法，其特征在于步骤4的具体过程如下：

步骤4.1：在新秘密分享矩阵X′中，取其中一列的列向量判断其是否存在x_uv＝1的情况，若存在则确定其元素坐标u和v的值并执行步骤4.2；

步骤4.2：计算k＝M₁(v)⊕M₂(v)⊕…⊕M_n(v)，其中⊕表示异或操作；判断k与S(v)是否相等，若k＝S(v)，则不处理；若k≠S(v)，则M_u(v)＝k⊕S(v)；

步骤4.3：逐列执行步骤4.1和4.2，直至完全遍历整个矩阵X′；得到n个调整之后的秘密共享份二维码内容码字，接着利用标准的二维码封装流程生成n个共享了秘密二维码图像信息的秘密共享份二维码。

6.一种基于可视密码的二维码共享秘密还原方法，其特征在于，根据权利要求1～5任一所述的秘密共享方法得到共享秘密信息的秘密共享份二维码，从n个秘密共享份二维码中会恢复嵌入的秘密二维码信息，还原过程为：

步骤5.1：分别提取n个秘密共享份二维码的内容码字，通过直接堆叠异或所有的内容码字，得到秘密二维码的内容码字；

步骤5.2：基于得到的秘密二维码内容码字，利用标准的二维码封装流程，生成秘密二维码图像。

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