TWI763474B

TWI763474B - 公鑰加密ｑｒ碼方法及其應用

Info

Publication number: TWI763474B
Application number: TW110116425A
Authority: TW
Inventors: 林基源; 王俊傑; 楊勝智; 張錫淵; 林胤忱; 林明臻
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-05-01
Also published as: TW202244765A

Abstract

本發明係揭露一種公鑰加密QR碼方法及其應用，其係將明文QR碼進行Arnold轉換，以將明文QR碼的定位區及編碼資料區打亂重排，使明文QR碼內部每一點皆做週期性的轉換，以形成具保密性的金鑰對，再以金鑰對對明文QR碼進行加密而產生公鑰型式的密文QR碼，俾能利用產生公鑰的方式讓QR碼可以保密的傳輸至接收端，而且QR碼於發送出去後則具備不可否認的特性，以有效降低遭到惡意破解的機率產生，進而提升QR碼傳輸的安全性。

Description

公鑰加密QR碼方法及其應用

本發明係有關一種公鑰加密QR碼方法及其應用，尤指一種以利用產生公鑰的方式讓QR碼可以保密傳輸至接收端具備不可否認特性的公鑰加密QR碼技術。

按，一般常見的QR碼係呈正方形，而且為黑白兩色，具體圖樣呈現如圖5所示。在QR碼三個邊角為定位區11，該三定位區11呈現出略呈「回」字的圖案。該三定位區11的圖案主要是幫助解碼軟體來定位圖案，使用者不需要對準，無論以任何角度掃描，資料仍然可以正確被讀取，因而使得QR碼已然成為目前最為普遍與接受的一種編碼方式，它的應用場合有數位優惠券、商務交易、驗証功能與提供網址連結。另外，如圖6所示，傳統QR碼的編/解碼過程可分成下列三個步驟：

1、資料編/解碼步驟。

2、更正編碼(RS碼編/解碼)步驟。

3、填入/取出編碼格式步驟。

在QR碼中主要的技術核心是利用Reed-Solomon與BCH更正碼進行叢集錯誤的更正。當QR碼經過資料編碼、更正編碼(包含RS與BCH碼)後，因為QR碼上的資料是可以直接觀查到其資料特性，如補齊符號的重覆位置，這樣子會造成QR碼容易被發現內部的資料。因此為求能夠保密QR 碼的內容，QR碼將RS碼編碼資料12區罩上一個亂碼樣圖稱為遮罩圖樣(Mask Pattern)。

傳統QR碼的遮罩圖樣以QR碼版本為例，它會有八種遮罩圖樣如圖7所示。遮罩圖樣主要是對於定位區與格式資料區以外的RS編碼資料區域進行保護，遮罩圖樣欲保護的資料為圖5所示的編碼資料區12灰色區域：圖6所示為QR碼的編/解碼區塊示意。欲編碼的資料首先進行資料編碼的區塊，區塊輸出為一個二位元串的資料，再將二位元串的資料排成八個位元為一個符號的資料形式進行RS碼編，RS碼編碼後的字碼資料會依據QR碼的格式填入編碼資料區12，之後再選取一個遮罩與原QR碼的RS碼編碼資料區進行XOR運算產生出保密的QR碼，最後再將容錯等級與遮罩型式資料進行BCH碼編碼填入圖5所示的BCH碼資料區13。此外，當遮罩圖樣選定後，方能將容錯等級資料與遮罩型式資料進行BCH碼編碼，因此可以說除定位資訊外，QR碼還包含RS碼，如圖5所示的編碼資料區12與BCH碼如圖5所示的BCH碼資料區13。

雖然傳統QR碼的遮罩圖樣具備初步的安全保密性，惟其僅具備八種遮罩圖樣而已，以致會因遮罩圖樣變化性不足而較容易遭到惡意破解的機率產生，從而降低QR碼傳輸的安全性，因而造成使用上得安全性疑慮的產生。由上述得知，習知技術確實未臻完善，仍有再改善的必要性。

緣是，如何開發出一種利用產生公鑰方式讓QR碼可以保密傳輸至接收端而降低遭到惡意破解機率的QR碼產生技術，實已成為相關技術領域業者所亟欲挑戰與解決的技術課題，而且基於相關產業的迫切需求之下，本發明人等乃憑藉多年之實務經驗及相關的專業知識，經不斷的努力研發之下，終於研發出一種有別於上述習知技術與前揭專利的本發明。

本發明主要目的，在於提供一種公鑰加密QR碼方法及其應用，主要是利用產生公鑰的方式讓QR碼可以保密的傳輸至接收端，而且QR碼於發送出去後則具備不可否認的特性，以有效降低遭到惡意破解的機率產生，進而提升QR碼傳輸的安全性。達成本發明主要目的之技術手段，係將明文QR碼進行Arnold轉換，以將明文QR碼的定位區及編碼資料區打亂重排，使明文QR碼內部每一點皆做週期性的轉換，以形成具保密性的金鑰對，再以金鑰對對明文QR碼進行加密而產生公鑰型式的密文QR碼。

10:QR碼

11:定位區

12:編碼資料區

13:BCH碼資料區

20:第三方公證端單元

30:傳輸端單元

40:接收端單元

50:網路通訊單元

T:明文QR碼

E:密文QR碼

B₁:第一公鑰

B₂:第二公鑰

C₁:第一私鑰

C₂:第二私鑰

圖1係本發明系統實施架構的示意圖。

圖2係本發明公鑰加密QR碼實施的示意圖。

圖3係本發明轉換打散重排QR碼的定位區與編碼資料區實施示意圖。

圖4係本發明經週期性Arnold轉換所產生的多種遮罩圖樣實施示意圖。

圖5係傳統QR碼的具體圖樣實施示意圖。

圖6係傳統QR碼的碼編/解碼步驟流程的實施示意圖。

圖7係傳統QR碼的遮罩圖樣實施示意圖。

為讓貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明如下：請配合參看圖1~4所示，為達成本發明主要目的之具體實施例，係包括下列步驟：

(a)QR碼10提供步驟，係提供待加密的明文QR碼T。

(b)QR碼10轉換步驟，係將明文QR碼T進行Arnold轉換，以將明文QR碼的定位區11及編碼資料區12打亂重排，使明文QR碼T內部每一點皆做週期性的轉換，以形成具保密性的金鑰對，再以金鑰對對明文QR碼T進行加密而產生公鑰型式的密文QR碼E。

具體的，該Arnold轉換表示為：

，A為矩陣

，p為該QR碼10的邊長大小，該QR碼10內部每一點為(x,y)，T _a為每一點(x,y)的線性轉換函數。

該Arnold轉換的過程中而形成具保密性的轉換矩陣，並將該轉換矩陣分割出該至少一金鑰對；該至少一金鑰對包含相互對應的一第一公鑰B₁與一第一私鑰C₁及相互對應的一第二公鑰B₂與一第二私鑰C₂。該第一公鑰B₁與該第二公鑰B₂表示為：

，其中，n為Arnold轉換的週期數，k1為第一秘密常數，k2為第二秘密常數。

請配合參看圖2所示的實施例，該密文QR碼(E)表示為：E=E_B2(E_C1(T))，該E_B2為第二公鑰加密，該E_C1為第一私鑰加密；該明文QR碼(T)表示為：T=D_C2(D_B1(E))，該DC₂為第二私鑰解密，該D_B1為第一公鑰解密。

具體的，請配合參看圖6所示，於該QR碼10提供步驟之前更包括下列步驟(此步驟係與習知技術相同)：

(c)資料編碼步驟，係將資料訊息轉換為二元串資料。

(d)更正編碼步驟，將該二元串資料排成八個位元為一個符號的資料形式進行RS碼編。

(e)QR碼10填入步驟，將RS碼編碼後的字碼資料依據QR碼10的格式填入該編碼資料區12內。

(f)遮罩運算步驟，選取一個遮罩與QR碼10的RS碼編碼資料區12進行XOR運算產生出該明文QR碼。

(g)BCH碼填入步驟，將容錯等級與遮罩型式資料進行BCH碼編碼填入該QR碼10的BCH碼資料區13。

請配合參看圖1~2所示為本發明一種應用上述公鑰加密QR碼方法的加密系統，其中，該至少一金鑰對包含相互對應的一第一公鑰B₁與一第一私鑰C₁相互對應的一第二公鑰B₂與一第二私鑰C₂；該加密系統包括一第三方公證端單元20、一傳輸端單元30至、少一接收端單元40及一網路通訊單元50，該網路通訊單元50用以提供該傳輸端單元30、該第三方公證端單元20及該至少一接收端單元40之間訊號連結；該第三方公證端單元20用以提供該第一公鑰B₁及該第二公鑰B₂；該傳輸端單元30用以產生該明文QR碼，並以其所儲存之該第一私鑰C₁及由該第三方公證端單元20所提供之該第二公鑰B₂進行該QR碼10轉換步驟，以得到該密文QR碼，再將該密文QR碼傳送到該至少一接收端單元40進行解碼；該至少一接收端單元40解碼時，係以其所儲存之該第二私鑰C₂及由該第三方公證端單元20所提供之該第一公鑰B₁進行解碼，以得到該明文QR碼。

承上所述，當至少一接收端單元40得到明文QR碼時，則進行上述取出QR碼10格式步驟、RS解碼步驟及資料解碼步驟，進而得到完全解密的資料訊息。

簡言之，本發明主要是提出運用於公鑰加密方式的一種QR碼10技術，公鑰加密QR碼是利用數學上的Arnold轉換產生出公鑰。此方法的優點是可以利用產生公鑰的方式讓QR碼可以保密的送至對方，而且此QR碼發送出去後具有不可否認的特性。在本發明中，我們提出了一個公鑰式加密的QR碼。公鑰式QR碼是利用改變遮罩圖樣的方式進行公鑰加密。本發明主要是利用Arnolda轉換產生公鑰遮罩區進行QR碼10的遮罩保護。

假設一個QR碼之定位區11與編碼資料區12表示如圖5所示。公鑰加密QR碼是利用重排將QR碼的資料(包含定位區11與資料區)打亂，使其具有保密性，在此打擾的方法由Arnold轉換。Arnold轉換描述如下：假有一個QR碼10內部的點為(x,y)。

其中a _i

Z ⁺，且行列式|A|=1，而p為QR碼10的邊長大小。上述運算具有下列幾個特性：

1、轉換T _a具週期性，而且週期性與A的內容值有關，亦即QR碼10內部的每一點(x,y)在一個週期P _T將會回到原來的位置。

2、轉換T _a可將QR碼內部的點很均勻的打散。

3、轉換T _a具週期性是隨機的。

我們利用以下例子做一說明，假設有一矩陣A為：

我們不難發現|A|=1。現在我們將QR碼10內部的每一點(x,y)進行轉換如下：

上述的Arnold轉換可以由實驗發現，轉換後的QR碼會有24個週期。但是這是由矩陣A所產生的週期，不一樣的A會有不特性的週期數。我們可將轉換的過程表示如下：

當n=1~24時每一個映射點都不一樣，但是第25次映射時點(x,y)就會回到原點，實驗結果如圖4所示。

在上述轉換過程，我們將轉換矩陣分割成兩把鑰匙分別為公鑰B與私鑰C。假設有一密秘常數為k，以下為鑰匙產生方法：

以上述為例，如果k=17，則公鑰為：

私鑰為：

由上述例子可以說明公、私鑰的產一方法，以下則為公鑰加密QR碼的產生過程如圖5所示。

以上述例子為例，假設圖2左方為傳輸端，有一第三公証方保管公鑰：

與

而對應的私鑰為：

與

假設(x _i,y _i)

T，而加密端進行以下運算：

與

上述中(x",y")

E。另外，在解密端進行運算如下：

在解碼過程中，只要密文QR碼E是可以任意傳送給任何人，因為只有具有第二私鑰C₂的接收者才能夠解密，除了使用第二私鑰C₂外。接收者在解密過程中，還需要利用到傳送者的公鑰第一公鑰B₁才能夠看見明文QR碼T。因此系統除了保密性(C ₂)外還具備了不可否認性(B ₁)。

經由上述具體實施例的說明之後，本發明已說明公鑰加密方式，為求配合現有的QR碼標準，我們可以利用圖7遮罩方式進行結合。圖7的遮罩是以QR碼版本為例，傳統的做法是最後選擇一種遮罩樣式進行xor運算，但是如果卻配合公鑰加密的方法，我們可以將傳統QR碼遮罩後的QR碼資料，加上上述公鑰加密方法形成公鑰型式之QR碼。公鑰加密QR碼會有比傳統一般QR碼除了保密性外會增加不可否認性的特性。

以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

20:第三方公證端單元

30:傳輸端單元

40:接收端單元

50:網路通訊單元

Claims

一種公鑰加密QR碼方法，其包括：QR碼提供步驟，係以一傳輸端單元提供一待加密的明文QR碼；及QR碼轉換步驟，係以該傳輸端單元將該明文QR碼進行Arnold轉換，以將該明文QR碼的定位區及編碼資料區打亂重排，使該明文QR碼內部每一點皆做週期性的轉換，以形成具保密性的至少一金鑰對，再以該至少一金鑰對對該明文QR碼進行加密而產生公鑰型式的密文QR碼；其中，該Arnold轉換的過程中而形成具保密性的轉換矩陣，並將該轉換矩陣分割出該至少一金鑰對；該至少一金鑰對包含相互對應的一第一公鑰B₁與一第一私鑰C₁及相互對應的一第二公鑰B₂與一第二私鑰C₂。
如請求項1所述之公鑰加密QR碼方法，其中，該Arnold轉換表示為：
，A為矩陣
，p為該QR碼的邊長大小，該QR碼內部每一點為(x,y)，T _a為每一點(x,y)的線性轉換函數。
如請求項1所述之公鑰加密QR碼方法，其中，該第一公鑰B₁與該第二公鑰B₂表示為：
，其中，n為該Arnold轉換的週期數，k1為第一秘密常數，k2為第二秘密常數。
如請求項1所述之公鑰加密QR碼方法，其中，該第一私鑰C₁與該第二私鑰C₂表示為：
其中，k1為第一秘密常數，k2為第二秘密常數。
如請求項1所述之公鑰加密QR碼方法，其中，該密文QR碼(E)表示為：E=E_B2(E_C1(T))，該E_B2為第二公鑰加密，該E_C1為第一私鑰加密；該明文QR碼(T)表示為：T=D_C2(D_B1(E))，該DC₂為第二私鑰解密，該D_B1為第一公鑰解密。
如請求項1所述之公鑰加密QR碼方法，其中，於該QR碼提供步驟之前更包括下列步驟：資料編碼步驟，係將資料訊息轉換為二元串資料；更正編碼步驟，將該二元串資料排成八個位元為一個符號的資料形式進行RS碼編；QR碼填入步驟，將RS碼編碼後的字碼資料依據QR碼的格式填入該編碼資料區內；遮罩運算步驟，選取一個遮罩與QR碼的RS碼編碼資料區進行XOR運算產生出該明文QR碼；及BCH碼填入步驟，將容錯等級與遮罩型式資料進行BCH碼編碼填入該QR碼的BCH碼資料區。
一種應如請求項1所述之公鑰加密QR碼方法的加密系統，其中，該至少一金鑰對包含相互對應的一第一公鑰B₁與一第一私鑰C₁相互對應的一第二公鑰B₂與一第二私鑰C₂；該加密系統包括一第三方公證端單元、至少一接收端單元及一網路通訊單元，該網路通訊單元用以提供該傳輸端單元、該第三方公證端單元及該至少一接收端單元之間訊號連結；該第三方公證端單元用以提供該第一公鑰B₁及該第二公鑰B₂；該傳輸端單元用以其所儲存之該第一私鑰C₁及由該第三方公證端單元所提供之該第二公鑰B₂進行該QR碼轉換步驟，以得到該密文QR碼，再將該密文QR碼傳送到該至少一接收端單元進行解碼；該至少一接收端單元解碼時，係以其所儲存之該第二私鑰C₂及由該第三方公證端單元所提供之該第一公鑰B₁進行解碼，以得到該明文QR碼。
如請求項7所述之加密系統，其中，當該至少一接收端單元得到該明文QR碼時，則進行取出QR碼格式步驟、RS解碼步驟及資料解碼步驟，進而得到完全解密的資料訊息。