CN112861561A - 一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法及装置，方法包括编码方法和解码方法，编码方法为将屏幕PWM频率和每行相位差编码进二维码中；解码方法包括以下步骤：对二维码解码，得到二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM，通过扫描设备确定终端设备的屏幕PWM频率f′_PWM，如果f_PWM与f′_PWM之间的差值小于精度阈值，则安全验证通过，否则，安全验证不通过。与现有技术相比，本发明将终端设备的屏幕PWM频率编码进二维码中，使得每一个二维码都绑定了编码它的终端设备的屏幕，扫描设备确定当前屏幕的PWM频率，解码二维码后，将二维码中的PWM频率与当前屏幕的PWM频率对比，从而防范二维码攻击。

Description

一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法及装置

技术领域

本发明涉及二维码编码与解码技术领域，尤其是涉及一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法及装置。

背景技术

快速响应码(二维码)是一种按一定规律在平面分布的、黑白相间的、记录数据符号信息的图形。随着近年来智能手机中内置摄像头的逐渐普及，以及二维码具有储存量大、读取速度快的优点，二维码已经成为日常生活中不可或缺的一部分。二维码目前已经被广泛运用在多种移动应用中，例如广告推送，身份名片或者移动支付领域。尤其是在移动支付领域，二维码系统已经成为了一种标准模块供各大支付应用服务商使用，在支付过程中，用户仅需要向收银台展示手机屏幕上的二维码，就能便捷快速地完成支付功能。二维码在社交领域也有着广泛的应用，例如在社交软件中，用户可以展示自己的二维码给他人从而方便快速地直接建立好友关系。无论是在移动支付领域还是在社交应用领域，二维码的使用都具有安全性和私密性的特点，因此二维码的安全性和隐私性是一个亟需关注的问题。

然而，二维码目前存在的安全风险之一就是重放攻击和同步令牌提升和支出(STLS)攻击。该攻击的方法是攻击者通过恶意软件植入或者外部摄像头拍摄的方法获取受害者的二维码，并在自己的设备上使用复制的二维码进行移动支付或访问受害者的私人信息。目前很多零售商、金融应用、社交应用往往支持二维码式的移动快捷支付，这种快捷支付往往不需要经过二次安全验证(如密码或指纹识别)就能成功完成支付过程。重放攻击和STLS攻击能成功的攻击现有的二维码系统，对用户造成巨大的经济损失或私人信息泄露。

为了提升二维码的安全性，研究人员提出了许多解决的方案。最常见的解决方案是直接对二维码进行加密来防范攻击，然而最近的研究表明这些加密技术并不会减轻攻击者的威胁，因为这些传统的加密方法通是在编码层面的加密，而STLS攻击并不需要去对这些内容进行解密，而只需要将被加密的二维码复制并展示给收银台就仍然能够完成攻击。POSAUTH提出了一种二次扫描的方法，即用户先扫描收银台上的二维码使本次交易绑定某个收银位置，这样就能防止异地的重放攻击。但是这种方法改变了用户现在的支付习惯，也增添了许多不便。还有一些其他的解决方案，但是，这些方法要么需要专用的设备或者联网，要么需要用户将手机摆在特定的位置才能实现二维码图像的恢复，给用户带来了诸多不便，因此这些解决方案目前来看都有各种各样的缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法及装置，将终端设备的屏幕PWM频率编码进二维码中，使得每一个二维码都绑定了编码它的终端设备的屏幕，扫描设备确定当前屏幕的PWM频率，解码二维码后，将二维码中的PWM频率与当前屏幕的PWM频率对比，从而防范二维码攻击。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，包括编码方法和解码方法，编码方法包括以下步骤：

A1、预处理阶段：确定终端设备的屏幕PWM调光的每行相位差Δ_S，将二维码在终端设备屏幕上的显示设置为固定像素大小，长和宽为X_S像素，确定终端设备的屏幕PWM频率f_PWM；

A2、编码阶段：将屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_s编码进二维码中，并在终端设备的屏幕上显示二维码；

解码方法包括以下步骤：

B1、扫描设备扫描终端设备的屏幕，对二维码进行解码，得到二维码中包含的二维码信息、屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S；

B2、基于得到的每行相位差Δ_S，通过扫描设备确定终端设备的屏幕PWM频率f′_PWM；

B3、如果二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM与扫描设备确定的屏幕PWM频率f′_PWM之间的差值小于预设置的精度阈值，则安全验证通过，对二维码信息进行下一步操作，否则，安全验证不通过，提示存在安全隐患。

进一步的，所述步骤A1中，每行相位差Δ_S是屏幕的固定参数，由屏幕生产供应商提供。

进一步的，生产供应商一般不会提供每个终端设备的PWM频率值，只会提供一个大概的标准值，但是即使是同一个型号的设备，它们的PWM频率值也是有差异的，需要单独确定，所述步骤A1和步骤B2中，确定屏幕PWM频率包括以下步骤：

S1：将终端设备和扫描设备的位置相对固定，在终端设备的屏幕上显示二维码，二维码的显示为X_S像素*X_s像素，扫描设备拍摄终端设备的屏幕；

S2：根据终端设备的工作参数、扫描设备的工作参数以及终端设备和扫描设备的相对位置确定采样频率f_s；

S3：扫描设备拍摄一段包含终端设备屏幕的视频，对视频的每一帧图像进行处理后得到终端设备屏幕的像素数据，对像素数据在采样频率f_s下计算FFT，提取得到PWM频率。

更进一步的，所述步骤S2包括以下步骤：

S21：获取扫描设备的摄像头CMOS的卷帘门间隔Δ_C，获取扫描设备拍摄的照片在宽度上的像素点个数x_c；

S22：获取终端设备的屏幕PWM调光的每行相位差Δ_S；

S23：扫描设备拍摄终端设备的屏幕，确定二维码的位置，得到二维码在扫描设备拍摄的图像上的宽度为X_S→C像素，得到终端设备的屏幕旋转角α；

S24：计算投影比例M，计算公式为：

S25：计算采样频率f_s，计算公式为：

f_s＝1/Δ_S→C

式中，Δ_S→C表示采样间隔。

更进一步的，所述步骤S22中，卷帘门间隔Δ_C是扫描设备的固定参数，由扫描设备生产供应商提供。

更进一步的，所述步骤S22中，卷帘门间隔Δ_C的获取方法具体为：

使用扫描设备拍摄一个LCD屏幕，LCD屏幕的PWM频率为f_PWM-LCD，拍摄得到的照片上的黑白条纹的宽度为W_LCD，则卷帘门间隔Δ_C＝1/(f_PWM-LCD*W_LCD)。

更进一步的，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：扫描设备拍摄一段包含终端设备屏幕的视频，分别对视频的每一帧图像进行处理，提取屏幕边缘，得到每一帧图像中的屏幕区域图像；

S32：在得到的多张屏幕区域图像中，选择若干张屏幕区域图像，分别在每张屏幕区域图像中的相同位置选择一列像素点，将所有的像素点拼接在一起作为像素数据；

S33：对像素数据在采样频率f_s下计算FFT，提取得到PWM频率。

进一步的，所述步骤B3中，预设置的精度阈值为0.03Hz。

一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强装置，包括编码单元和解码单元；

所述编码单元包括参数存储模块和二维码生成模块，参数存储模块用于存放屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S，二维码生成模块用于生成包含屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S的二维码；

所述解码单元包括二维码解码模块、计算模块和安全验证模块，二维码解码模块用于对二维码进行解码，计算模块用于确定屏幕PWM频率f′_PWM，安全验证模块用于根据二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM和计算模块确定的屏幕PWM频率f′_PWM进行安全验证。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)将终端设备的屏幕PWM频率编码进二维码中，使得每一个二维码都绑定了编码它的终端设备的屏幕，扫描设备确定当前屏幕的PWM频率，解码二维码后，将二维码中的PWM频率与当前屏幕的PWM频率对比，无需改变用户的使用习惯，从而防范二维码攻击。

(2)在确定当前屏幕的PWM频率时，对扫描设备摄像头与屏幕调光之间的拍摄关系从时间与空间上进行建模，考虑了用户不同角度以及不同距离展示二维码的可能性，能利用摄像头精确估计屏幕PWM频率的大小。

(3)不需要使用额外的硬件设备，也不需要对现有的硬件设备进行更改，可以直接从软件上升级现有的二维码系统来增加安全性。

附图说明

图1为二维码安全增强方法的流程图；

图2为实施例中二维码的固定坐标点示意图；

图3为实施例中设备的成功认证率示意图；

图4为实施例中设备的错误接受率示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，如图1所示，包括编码方法和解码方法，编码方法包括以下步骤：

A1、预处理阶段：确定终端设备的屏幕PWM调光的每行相位差Δ_S(每行相位差Δ_S是屏幕的固定参数，由屏幕生产供应商提供)，将二维码在终端设备屏幕上的显示设置为固定像素大小，长和宽为X_S像素，确定终端设备的屏幕PWM频率f_PWM；

A2、编码阶段：将屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S编码进二维码中，并在终端设备的屏幕上显示二维码；

解码方法包括以下步骤：

B1、扫描设备扫描终端设备的屏幕，对二维码进行解码，得到二维码中包含的二维码信息、屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S；

B2、基于得到的每行相位差Δ_S，通过扫描设备确定终端设备的屏幕PWM频率f′_PWM；

B3、如果二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM与扫描设备确定的屏幕PWM频率f′_PWM之间的差值小于预设置的精度阈值(本实施例中，预设置的精度阈值为0.03Hz)，则安全验证通过，对二维码信息进行下一步操作，否则，安全验证不通过，提示存在安全隐患。

对扫描设备摄像头与屏幕调光之间的拍摄关系从时间与空间上进行建模，能利用摄像头精确估计屏幕PWM频率的大小，误差小于0.03Hz。

生产供应商一般不会提供每个终端设备的PWM频率值，只会提供一个大概的标准值，但是即使是同一个型号的设备，它们的PWM频率值也是有差异的，需要单独确定。任意两个手机之间PWM频率的差值大于0.1Hz的可能性为99.3％，证明PWM频率可以特征有效区分手机屏幕。

本申请将终端设备的PWM频率值编码进二维码，使得每一个二维码都绑定编码它的终端设备的屏幕。在接收二维码时，根据拍摄到的内容确定终端屏幕的PWM频率，验证是否和二维码里编码的PWM频率一致，从而防范二维码攻击。

步骤A1和步骤B2中，确定屏幕PWM频率包括以下步骤：

S1：将终端设备和扫描设备的位置相对固定，在终端设备的屏幕上显示二维码，二维码的显示为X_s像素*X_s像素(本实施例中，二维码的显示设置为580Pixel*580Pixel)，扫描设备拍摄终端设备的屏幕；

在推广应用时，所有终端设备的屏幕上的二维码的显示大小是统一的像素值，如均使用800Pixel*800Pixel，这样，后续扫描设备可以快速计算出投影比例M；也可以将二维码的显示像素大小X_S编码进二维码中，后续扫描设备对二维码解码后再计算投影比例M。

S2：根据终端设备的工作参数、扫描设备的工作参数以及终端设备和扫描设备的相对位置确定采样频率f_s；

步骤S2包括以下步骤：

S21：获取扫描设备的摄像头CMOS的卷帘门间隔Δ_C，获取扫描设备拍摄的照片在宽度上的像素点个数x_c；

卷帘门间隔Δ_C是扫描设备的固定参数，由扫描设备生产供应商提供，也可以自行获取，方法具体为：

使用扫描设备拍摄一个LCD屏幕，LCD屏幕的PWM频率为f_PWM-LCD，拍摄得到的照片上的黑白条纹的宽度为W_LCD，则卷帘门间隔Δ_C＝1/(f_PWM-LCD*W_LCD)。

S22：获取终端设备的屏幕PWM调光的每行相位差Δ_S；

S23：扫描设备拍摄终端设备的屏幕，确定二维码的位置，得到二维码在扫描设备拍摄的图像上的宽度为X_S→C像素，得到终端设备的屏幕旋转角α；

在确定二维码位置后，每张二维码上均有三个位置相同的固定坐标点，如图2所示，图2(a)为原始二维码，在图2(b)中确定了二维码的三个固定坐标点，获取了拍摄后二维码的宽度X_S→C，根据三个固定坐标点连成的三角形确定屏幕的旋转角α。

S24：计算投影比例M，计算公式为：

S25：计算采样频率f_s，计算公式为：

f_s＝1/Δ_S→C

式中，Δ_S→C表示采样间隔。

S3：扫描设备拍摄一段包含终端设备屏幕的视频，对视频的每一帧图像进行处理后得到终端设备屏幕的像素数据，对像素数据在采样频率f_s下计算FFT，提取得到PWM频率。

步骤S3包括以下步骤：

S31：扫描设备拍摄一段包含终端设备屏幕的视频，分别对视频的每一帧图像进行处理，提取屏幕边缘，得到每一帧图像中的屏幕区域图像；

S32：在得到的多张屏幕区域图像中，选择若干张屏幕区域图像，分别在每张屏幕区域图像中的相同位置选择一列像素点，将所有的像素点拼接在一起作为像素数据；

S33：对像素数据在采样频率f_s下计算FFT，提取得到PWM频率。

在确定像素数据时，为了满足精度需求，选择多张屏幕区域图像，分别在每张屏幕区域图像中的相同位置选择一列像素点，将所有的像素点拼接在一起作为像素数据。

一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强装置，包括编码单元和解码单元；

编码单元包括参数存储模块和二维码生成模块，参数存储模块用于存放屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S，二维码生成模块用于生成包含屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S的二维码；

解码单元包括二维码解码模块、计算模块和安全验证模块，二维码解码模块用于对二维码进行解码，计算模块用于确定屏幕PWM频率f′_PWM，安全验证模块用于根据二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM和计算模块确定的屏幕PWM频率f′_PWM进行安全验证。

在实际使用时，对于终端设备，由于屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S的值不会发生改变，因此，只需要在第一次使用时确定屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_s的值即可，后续生成二维码时，直接将屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S编码进二维码中。

对于扫描设备，扫描设备的摄像头CMOS的卷帘门间隔Δ_C和扫描设备拍摄的照片在宽度上的像素点个数x_c是固定的，只需在第一次使用时确定扫描设备的摄像头CMOS的卷帘门间隔Δ_C和扫描设备拍摄的照片在宽度上的像素点个数x_c的值即可。

扫描设备先扫描二维码并解码，得到二维码中包含的每行相位差Δ_S和屏幕PWM频率f_PWM；再结合每行相位差Δ_S确定终端设备的屏幕PWM频率f′_PWM，如果(|f′_PWM-f_PWM|)的值小于精度阈值(0.03Hz)，则安全验证通过，继续进行下一步操作，如付款交易、好友添加等。

本实施例利用5台相机测试了50个屏幕，其中30个屏幕是同一种型号，20个屏幕是其他型号。成功认证率指正常用户使用时被认证的概率，错误接受率指攻击者攻击成功的概率。图3展示了50个设备的成功认证率，对所有设备的平均成功认证率为98.9％，每一种设备的成功认证率都高于93％。图4展示了50个设备的错误接受率，对所有设备的平均错误接受率为0.3％，对于同型号的平均错误接受率为0.5％，不同型号的错误接受率为0％，每一种设备的错误接受率都低于1.5％。由结果可得，本方法及装置能够有效防范重放攻击以及STLS攻击。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，包括编码方法和解码方法，编码方法包括以下步骤：

A1、预处理阶段：确定终端设备的屏幕PWM调光的每行相位差Δ_S，将二维码在终端设备屏幕上的显示设置为固定像素大小，长和宽为X_S像素，确定终端设备的屏幕PWM频率f_PWM；

A2、编码阶段：将屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S编码进二维码中，并在终端设备的屏幕上显示二维码；

解码方法包括以下步骤：

B1、扫描设备扫描终端设备的屏幕，对二维码进行解码，得到二维码中包含的二维码信息、屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S；

B2、基于得到的每行相位差Δ_S，通过扫描设备确定终端设备的屏幕PWM频率f′_PWM；

B3、如果二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM与扫描设备确定的屏幕PWM频率f′_PWM之间的差值小于预设置的精度阈值，则安全验证通过，对二维码信息进行下一步操作，否则，安全验证不通过，提示存在安全隐患。

2.根据权利要求1所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤A1中，每行相位差Δ_S是屏幕的固定参数，由屏幕生产供应商提供。

3.根据权利要求1所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤A1和步骤B2中，确定屏幕PWM频率包括以下步骤：

S1：将终端设备和扫描设备的位置相对固定，在终端设备的屏幕上显示二维码，二维码的显示为X_S像素*X_S像素，扫描设备拍摄终端设备的屏幕；

S2：根据终端设备的工作参数、扫描设备的工作参数以及终端设备和扫描设备的相对位置确定采样频率f_s；

S3：扫描设备拍摄一段包含终端设备屏幕的视频，对视频的每一帧图像进行处理后得到终端设备屏幕的像素数据，对像素数据在采样频率f_s下计算FFT，提取得到PWM频率。

4.根据权利要求3所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S21：获取扫描设备的摄像头CMOS的卷帘门间隔Δ_C，获取扫描设备拍摄的照片在宽度上的像素点个数x_c；

S22：获取终端设备的屏幕PWM调光的每行相位差Δ_S；

S23：扫描设备拍摄终端设备的屏幕，确定二维码的位置，得到二维码在扫描设备拍摄的图像上的宽度为X_S→C像素，得到终端设备的屏幕旋转角α；

S24：计算投影比例M，计算公式为：

S25：计算采样频率f_s，计算公式为：

f_s＝1/Δ_S→C

式中，Δ_S→C表示采样间隔。

5.根据权利要求4所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤S22中，卷帘门间隔Δ_C是扫描设备的固定参数，由扫描设备生产供应商提供。

6.根据权利要求4所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤S22中，卷帘门间隔Δ_C的获取方法具体为：

使用扫描设备拍摄一个LCD屏幕，LCD屏幕的PWM频率为f_PWM-LCD，拍摄得到的照片上的黑白条纹的宽度为W_LCD，则卷帘门间隔Δ_C＝1/(f_PWM-LCD*W_LCD)。

7.根据权利要求3所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：

S31：扫描设备拍摄一段包含终端设备屏幕的视频，分别对视频的每一帧图像进行处理，提取屏幕边缘，得到每一帧图像中的屏幕区域图像；

S32：在得到的多张屏幕区域图像中，选择若干张屏幕区域图像，分别在每张屏幕区域图像中的相同位置选择一列像素点，将所有的像素点拼接在一起作为像素数据；

S33：对像素数据在采样频率f_s下计算FFT，提取得到PWM频率。

8.根据权利要求1所述的一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强方法，其特征在于，步骤B3中，预设置的精度阈值为0.03Hz。

9.一种基于屏幕调光特征的二维码安全增强装置，其特征在于，基于如权利要求1-8中任一所述的二维码安全增强方法，包括编码单元和解码单元；

所述编码单元包括参数存储模块和二维码生成模块，参数存储模块用于存放屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S，二维码生成模块用于生成包含屏幕PWM频率f_PWM和每行相位差Δ_S的二维码；

所述解码单元包括二维码解码模块、计算模块和安全验证模块，二维码解码模块用于对二维码进行解码，计算模块用于确定屏幕PWM频率f′_PWM，安全验证模块用于根据二维码中包含的屏幕PWM频率f_PWM和计算模块确定的屏幕PWM频率f′_PWM进行安全验证。

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