可追溯實名防偽票據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王宏 孔劼 王魁生 王學(xué)龍 強(qiáng)蓓蓓

摘 要： 通過技術(shù)手段保證票據(jù)的真實性和可追溯性一直是票據(jù)防偽研究的重要方向。該文介紹國內(nèi)外票據(jù)防偽技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，著重研究票據(jù)應(yīng)用過程中對票據(jù)使用者的認(rèn)證問題，提出一種融合身份信息的數(shù)字票據(jù)輸出與認(rèn)證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方法，通過綜合使用射頻識別、二維條碼、虛擬驅(qū)動和手持終端等技術(shù)，實現(xiàn)身份信息讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換加密、防偽票據(jù)輸出、通用檢測認(rèn)證等功能，以達(dá)到認(rèn)證、鑒別票據(jù)本身及其使用者真實身份的目的。實驗驗證表明， 該方法的工程實現(xiàn)可行性較高，能有效提高票據(jù)使用的安全性。

關(guān)鍵詞： 票據(jù)防偽； 身份認(rèn)證； 二維條碼； 手持終端； 虛擬驅(qū)動

中圖分類號： TN98?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0127?05

Design and implementation of traceable real?name bills anti?counterfeiting system

WANG Hong， KONG Jie， WANG Kuisheng， WANG Xuelong， QIANG Beibei

（Institute of Computer Science， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： The authenticity and traceability of the bills ensured by technology means is always an important research direction of bills anti?counterfeiting. The current situation and development trend of the bills anti?counterfeiting technology at home and abroad are introduced. The identification to the bills user in the process of bill application is researched. A method of fusing the digital bills output and identification system with identity information is proposed. The functions of identity information reading， data conversion and encryption， anti?counterfeiting bill output， and universal detection and authentication are realized by synthetically using RFID， two?dimensional barcode， virtual driver， hand?held terminal， and other technologies. The purpose of certificating and identifying the bill itself and user real identity is achieved. The experimental results show this method has high feasibility of engineering realization， and can effectively improve the safety of bill application.

Keywords： bill anti?counterfeiting； identity authentication； two?dimensional barcode； hand?held terminal； virtual driver

0 引 言

票據(jù)是人們?nèi)粘Ｉ?、政?wù)管理和商業(yè)活動中不可或缺的一部分。為了保護(hù)票據(jù)的真實性和可追溯性，在輸出票據(jù)時必須在票據(jù)材料、輸出技術(shù)、認(rèn)證方式上采取一定的防偽措施和手段。

傳統(tǒng)印刷制式票據(jù)的防偽主要從紙張、油墨、印刷技術(shù)和制版等方面著手，但環(huán)境污染大、設(shè)備成本高、通用性也不強(qiáng)，而隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和打印技術(shù)的快速應(yīng)用和環(huán)保要求的提升，部分票據(jù)已經(jīng)可以通過各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接打印輸出，同時具有較高的防偽安全性、節(jié)能環(huán)保性和應(yīng)用適應(yīng)性的數(shù)字水印防偽技術(shù)也出現(xiàn)了。但傳統(tǒng)票據(jù)防偽技術(shù)和一般的數(shù)字水印防偽技術(shù)解決的是票據(jù)本身的真實性問題，卻沒有解決票據(jù)使用中的另一個重要問題，那就是票據(jù)使用者的認(rèn)證（防偽）問題。眾所周知，票據(jù)是各企事業(yè)單位進(jìn)行財務(wù)報銷和成本控制的重要依據(jù)，所以，票據(jù)開具者必須向真實人員開具真實內(nèi)容的真票據(jù)，票據(jù)接受者必須知道票據(jù)不僅是真的票據(jù)，而且是出具給特定人員的特定內(nèi)容的票據(jù)。只有實現(xiàn)了這個要求的票據(jù)系統(tǒng)才是完整可控的票據(jù)系統(tǒng)。據(jù)有關(guān)資料估計，我國每年因使用假發(fā)票導(dǎo)致的損失近千億，而冒用他人真發(fā)票報賬所造成的隱形損失更大，方式更隱秘，也更難以核查。因此迫切需要一種能方便部署的、可同時進(jìn)行票據(jù)真?zhèn)魏褪褂谜呱矸菡J(rèn)證的票據(jù)系統(tǒng)，有鑒于此，本文將對融合身份信息的可追溯票據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、流程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并提出完整解決方案。

1 實現(xiàn)技術(shù)分析與選擇

獲取身份信息最直接和最準(zhǔn)確的方式是從二代身份證中直接讀取。我國已經(jīng)從2013年1月1日起停止使用一代身份證，這說明二代身份證所依賴于的RFID技術(shù)已完全趨于成熟和穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)化支持上也沒有任何問題，這就給使用二代身份證進(jìn)行身份信息認(rèn)證提供了堅實的基礎(chǔ)。最新的發(fā)展情況是，新辦理的二代身份證中還將保留指紋信息。從目前RFID技術(shù)發(fā)展情況來看，基于身份證的實名認(rèn)證在我國鐵道列車售票中得到了一定程度的應(yīng)用：在實名認(rèn)證的火車票上，打印有乘車者的身份證號，這就在一定程度上防止了虛假報銷的問題，但還是存在著一定的缺陷：遇到問題時，仍需乘客出示身份證來確認(rèn)身份；印在票面上的身份證號是明碼數(shù)字，可以通過一些特殊方式涂改成其他數(shù)字且難以驗證。為克服這些缺陷，本項目將采用射頻識別技術(shù)和基于二維條碼的數(shù)字水印技術(shù)來實現(xiàn)票據(jù)的實名關(guān)聯(lián)，并提供身份信息的在線追溯和驗證能力。

鐵路列車售票系統(tǒng)的實名售票功能是通過對軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行巨大改造后實現(xiàn)的，而一般需要出具自有票據(jù)的企事業(yè)單位不可能也沒有必要對自己的信息系統(tǒng)進(jìn)行這樣的改造和投資；因此本文將研究在不修改原業(yè)務(wù)系統(tǒng)的前提下、以外掛組件方式實現(xiàn)票據(jù)輸出和認(rèn)證功能的關(guān)鍵技術(shù)，以使其可以輕松部署到業(yè)務(wù)系統(tǒng)的輸出流程中，直接實現(xiàn)實名認(rèn)證票據(jù)輸出，從而為大多數(shù)企事業(yè)單位的票據(jù)系統(tǒng)提供切實可行、性價比高的實名認(rèn)證功能。本文將采用虛擬驅(qū)動技術(shù)來實現(xiàn)上述要求。

從認(rèn)證終端發(fā)展來看，隨著包括Android系統(tǒng)在內(nèi)的通用手持智能終端的功能不斷強(qiáng)大和迅速普及，進(jìn)行票據(jù)身份認(rèn)證已經(jīng)可以無需專門的客戶機(jī)。

這些手持設(shè)備已經(jīng)普遍配備了高分辨率攝像頭、藍(lán)牙、WiFi、GPU等硬件，其CPU主頻也超過了1.5 GHz，特別是Android系統(tǒng)，還提供了免費、開源的SDK，第三方的開發(fā)環(huán)境支持也非常好；因此，本文將結(jié)合手持智能終端軟件開發(fā)技術(shù)，借助基于二維碼的身份信息識讀技術(shù)，實現(xiàn)實名信息的移動提取和信息還原，最終實現(xiàn)票據(jù)使用者身份的全過程監(jiān)控。因此，本系統(tǒng)的技術(shù)路線可簡述如下：通過綜合使用RFID技術(shù)、數(shù)字水印和二維碼技術(shù)、虛擬驅(qū)動軟件技術(shù)和手持終端二維碼識讀技術(shù)開發(fā)相關(guān)的軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備，實現(xiàn)實名信息讀取變換、實名票據(jù)混合輸出、移動實名認(rèn)證等功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程設(shè)計

本文設(shè)計的可追溯實名防偽票據(jù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程如圖1所示，各部分作用如下：

“身份信息獲取”單元表現(xiàn)為一個以二代身份證閱讀器為代表的個人身份信息讀取裝置，用于獲得作為實名認(rèn)證的依據(jù)信息。在特殊情況下時也可以是一個具有獲得身份信息功能的光機(jī)電一體化裝置?！吧矸菪畔@取”單元不僅要讀取身份證中的文字?jǐn)?shù)據(jù)，更要讀取身份證中的多媒體數(shù)據(jù)—照片數(shù)據(jù)。這些信息都會成為實名身份驗證的最終依據(jù)。

圖1 實名防偽票據(jù)輸出、認(rèn)證與追溯原理圖

原票據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)是指政府部門和企事業(yè)單位已有的、可進(jìn)行業(yè)務(wù)票據(jù)輸出的系統(tǒng)。

“虛擬驅(qū)動”區(qū)域表現(xiàn)為一整套用于將認(rèn)證信息加密、轉(zhuǎn)換并嵌入原有業(yè)務(wù)系統(tǒng)票據(jù)輸出流中以實現(xiàn)實名防偽票據(jù)的軟件系統(tǒng)。它是本系統(tǒng)的運行核心，包括“信息融合”單元、“二維碼編碼”單元、“驅(qū)動導(dǎo)向”單元和“鏈接嵌入”單元。本區(qū)域以一個虛擬打印機(jī)驅(qū)動作為骨架，不斷擴(kuò)充與多個功能組件的連接，最終實現(xiàn)實名票據(jù)輸出的外掛插件式應(yīng)用。

“信息融合”單元提取來自原票據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)和“身份信息獲取”單元取得的身份信息，然后依據(jù)某種算法為票據(jù)產(chǎn)生一套水印數(shù)據(jù)，用于票據(jù)本身的防偽，同時將水印數(shù)據(jù)經(jīng)過“二維碼編碼”單元演變成二維碼數(shù)據(jù)，并與原有的圖像數(shù)據(jù)通過“驅(qū)動導(dǎo)向”單元疊加輸出到一個真實打印機(jī)進(jìn)行打印，最終輸出具備實名防偽能力的票據(jù)。

為了實現(xiàn)票據(jù)信息的可追溯性，“信息融合”單元還會將獲得的票據(jù)信息和實名信息存儲到“實名數(shù)字票據(jù)庫”中，為通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或Internet進(jìn)行票據(jù)數(shù)據(jù)真實性和票據(jù)使用者真實性提供依據(jù)。為了杜絕類似“辦假證還能上網(wǎng)驗證”的情況，在存儲認(rèn)證信息后，系統(tǒng)還會通過“認(rèn)證鏈接生成”單元和“鏈接嵌入”單元將一個用于票據(jù)追溯的鏈接加密后嵌入到實名防偽票據(jù)中，以防止有人將票據(jù)認(rèn)證過程導(dǎo)引到自行建立的網(wǎng)站。

“票據(jù)驗證”單元是紙質(zhì)票據(jù)認(rèn)證的第一個環(huán)節(jié)，它包含了認(rèn)證信息識讀單元，表現(xiàn)為一個安裝了特定應(yīng)用的手持移動終端，能對票據(jù)特定區(qū)域進(jìn)行掃描和識別，同時完成識別票據(jù)真?zhèn)魏推睋?jù)使用人身份認(rèn)證。一般情況下，采用“離線身份認(rèn)證”單元即能滿足要求，如果對驗證結(jié)果仍有疑問，還可以通過“在線防偽認(rèn)證”進(jìn)行最后的確認(rèn)。這一過程將識讀和訪問嵌入在票據(jù)中的追溯鏈接，在線得到認(rèn)證結(jié)果，在具體設(shè)計中?！霸诰€防偽認(rèn)證”單元是與手持移動終端中“票據(jù)驗證”單元集成在一起的。

通過上述流程，不僅驗證了票據(jù)本身是真的，而且驗證了這張票據(jù)是使用者的真實使用的票據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)與驗證

3.1 身份信息的提取、處理與QR?Code編碼測試

身份信息的提取、處理與QR?Code編碼階段的程序框圖如圖2所示。

圖2 身份信息的提取、處理與QR?Code編碼程序框圖

在研究中，通過第二代身份證閱讀器將票據(jù)使用者或持有人身份證內(nèi)的彩色照片讀取出來作為票據(jù)身份認(rèn)證的依據(jù)。通常閱讀器提取出的彩色照片可保存為BMP和JPG兩種格式，JPG文件大小在5 KB左右，因為包含色彩信息，數(shù)據(jù)量較大，需要進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)實驗，照片文件≤1 KB時，生成的二維碼適合票據(jù)認(rèn)證使用。

按照規(guī)定，二代身份證采集圖片分辨率為358×441，比例約為9∶11。在圖3（a）的身份證照片中，背景信息為無效信息，所以要先對照片進(jìn)行邊緣檢測，以確定人像范圍并只提取出實際人像數(shù)據(jù)；為了進(jìn)一步減小人像數(shù)據(jù)，還需將其縮放到72×88（9∶11）的比例，但一般情況下得到的人像圖像在高度方面會有所減少，為了避免出現(xiàn)人像變形，比例縮小后的圖像像素應(yīng)為72X，其中X的值要根據(jù)實際人像比例確定且小于等于88；然后還要對縮小的圖像進(jìn)行8 b灰度化以濾掉色彩信息，使數(shù)據(jù)量進(jìn)一步減?。蛔詈髮s小后的灰度圖像進(jìn)行JPEG編碼，輸出JPG文件流數(shù)據(jù)即可。

圖3 預(yù)處理前后對比

實驗表明，一般情況下，此時的JPG數(shù)據(jù)會≤1 KB，但也會出現(xiàn)處理之后仍舊超過1 KB的情況，所以在流程中設(shè)置了循環(huán)處理過程：在超過1 KB的情況下，通過減少圖形灰度級或者改變JPG質(zhì)量因子的方法來保證輸出的JPG文件流≤1 KB。圖3展示了預(yù)處理前后的照片效果，預(yù)處理后的JPG文件僅為1 001 B，圖片的精細(xì)程度完全能滿足對票據(jù)使用者身份認(rèn)證的要求。

為了實現(xiàn)票據(jù)在線追溯功能，需要將認(rèn)證鏈接嵌入認(rèn)證二維碼中。研究中用到了兩種方法：

（1） 先將認(rèn)證鏈接信息嵌入到認(rèn)證照片中，然后生成統(tǒng)一的認(rèn)證二維碼；

（2） 分別生成認(rèn)證照片二維碼、認(rèn)證鏈接二維碼，然后充分利用QR碼的數(shù)據(jù)糾錯功能將認(rèn)證鏈接二維碼放置到認(rèn)證照片二維碼的中間，形成近似“回”型的嵌套二維碼。

通過分析和實驗，拋棄了“回”型嵌套二維碼方式。主要原因是：“回”型嵌套二維碼方式不僅需要進(jìn)行兩個圖像的疊加操作，而且對認(rèn)證照片二維碼的糾錯級別要求很高，造成所需照片二維碼像素過高，以致嵌套二維碼所需面積大，不利于和原有票據(jù)圖像進(jìn)行疊加輸出。識讀“回”型嵌套二維碼時對焦、選取和識別的難度都比較高，一次識讀過程難以識讀出兩類數(shù)據(jù)?！盎亍毙颓短锥S碼方式中，認(rèn)證鏈接二維碼處于嵌套二維碼的中央固定區(qū)域，且可以直接單獨讀取，這就大大降低了二維碼認(rèn)證信息的安全性。

在研究中，選擇QR Code進(jìn)行二維條碼編碼。QR Code碼是一種矩陣二維碼，與其他二維碼格式相比，它不僅可對數(shù)字、字母、漢字編碼，而且能對8位字節(jié)型數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，此外它還具有信息容量大、糾錯能力強(qiáng)、超高速識讀的特點，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

為了將認(rèn)證鏈接嵌入到JPG圖像中，需要用到圖像信息隱藏技術(shù)，鑒于QR Code最多能容納2 953個8位字節(jié)型數(shù)據(jù)，因此在研究中，沒有采用較復(fù)雜的基于時空域和頻率域的隱藏技術(shù)，而是直接將認(rèn)證鏈接生成接口生成的認(rèn)證鏈接嵌入到JPG圖像中的Copyright信息中，以便使圖像尺寸變化很小，然后再對JPG圖像進(jìn)行二維碼編碼。在編碼時，為了盡量減少所生成二維碼的尺寸，糾錯等級使用L級。

QR Code能對8 b數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的特點可以用來實現(xiàn)對嵌入認(rèn)證鏈接的認(rèn)證人像照片的編碼，同時基于開源的條碼圖像處理庫ZXing來進(jìn)行編碼實現(xiàn)。ZXing支持眾多的一維和二維條碼格式（包括QR Code），而且有各種編程語言的實現(xiàn)版本，考慮到輸出的認(rèn)證二維碼需要和虛擬驅(qū)動單元配合進(jìn)行圖像疊加，所以研究中采用Windows平臺的Visual C++來編寫代碼。形成的認(rèn)證二維碼圖形如圖4所示。

圖4 帶有追溯鏈接的認(rèn)證二維碼圖形

3.2 虛擬驅(qū)動單元的功能設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬驅(qū)動單元是實現(xiàn)實名票據(jù)輸出和可追溯功能的關(guān)鍵框架單元，虛擬驅(qū)動單元的功能原理圖見圖5。

圖5 虛擬驅(qū)動單元的功能原理圖

在圖5中，原票據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在票據(jù)輸出時將不再指向真實的打印設(shè)備，而是指向一個操作系統(tǒng)中的虛擬打印機(jī)，也就是虛擬驅(qū)動單元，由虛擬打印機(jī)來完成實名認(rèn)證二維碼圖形生成、追溯鏈接生成與保存、原始票據(jù)圖像與實名認(rèn)證圖像的疊加與混合等功能，然后由虛擬打印機(jī)將帶有認(rèn)證二維碼的可追溯實名防偽票據(jù)圖像送給真實的打印設(shè)備進(jìn)行票據(jù)輸出。另一方面，為了調(diào)整認(rèn)證圖像與原票據(jù)圖像的疊加位置，認(rèn)證圖像混合模塊還具備位置可視設(shè)置功能。

實名數(shù)字票據(jù)庫中的認(rèn)證信息包括票據(jù)ID（tid）、持有/經(jīng)辦人身份證號（ID）和姓名。其中的票據(jù)ID為原始票據(jù)圖像數(shù)據(jù)通過MD5算法產(chǎn)生的32位惟一（水?。┳址Ｔ跅l件允許的情況下，實名數(shù)字票據(jù)庫內(nèi)還可以保存原始票據(jù)圖像數(shù)據(jù)，以便為使用者提供更詳細(xì)的票據(jù)內(nèi)容驗證手段。另一方面，持有/經(jīng)辦人的性別則可以通過身份證號倒數(shù)第2位得到，奇數(shù)為男，偶數(shù)為女。一個嵌入到JPG圖像中的追溯鏈接的例子如下：http：//www.mccari.com/ts？id=614341198912110423&tid=6410fa2c69b8e45b7b89e1fab76cee25。

3.3 票據(jù)持有人身份認(rèn)證和在線追溯結(jié)果

研究中，選擇廣泛使用的Android移動終端來開發(fā)識讀認(rèn)證程序，通過高分辨率攝像頭來捕捉二維碼圖像，采用ZXing庫的Java版本來實現(xiàn)認(rèn)證應(yīng)用，票據(jù)上的二維碼圖像在解碼后輸出為一個JPG文件并予以顯示，實現(xiàn)離線實名防偽認(rèn)證，同時從中解析出在線追溯認(rèn)證的鏈接并生成“在線票據(jù)認(rèn)證”按鈕，通過此按鈕即可進(jìn)行在線票據(jù)追溯功能。研究中使用的認(rèn)證終端為三星GALAXY Note3，后置攝像頭為1 300萬像素，運行Android 4.3系統(tǒng)。離線認(rèn)證和在線追溯結(jié)果如圖6所示。

圖6 在Android移動終端的離線認(rèn)證界面和在線追溯的結(jié)果

4 結(jié) 語

本文分析了現(xiàn)代票據(jù)防偽過程中對票據(jù)使用者本身進(jìn)行認(rèn)證的需求，提出了一種綜合使用射頻識別、二維條碼、虛擬驅(qū)動和手持終端等技術(shù)實現(xiàn)票據(jù)使用者認(rèn)證的方法，給出了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程，并進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)驗證。實驗證明，該方法能對票據(jù)使用者的身份進(jìn)行有效的防偽認(rèn)證。

本文研究的創(chuàng)新點有3個：首次提出對票據(jù)使用者進(jìn)行認(rèn)證的創(chuàng)新觀點和實現(xiàn)流程；外掛插件式的系統(tǒng)設(shè)計方式保證了在增加認(rèn)證票據(jù)輸出功能時無需修改原業(yè)務(wù)系統(tǒng)；基于JPG圖像和QR二維碼特點實現(xiàn)了融離線認(rèn)證和在線追溯為一體的實名票據(jù)驗證方式。

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