一種基于二維碼的信息隱藏方法

孫浩天+王志鵬+孔德舉+都基澤

摘要：在信息安全大時(shí)代的背景下，信息隱藏作為一種可以用來保密通信的手段，也越來越多的應(yīng)用在生活的各個(gè)方面，智能移動(dòng)終端設(shè)備的數(shù)量大幅增加，已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡耐ㄓ嵐ぞ?。許多應(yīng)用軟件都在利用二維碼在移動(dòng)用戶之間進(jìn)行快捷的信息交互，將信息隱藏與二維碼相結(jié)合，把二維碼作為信息隱藏的載體，利用編碼機(jī)制的特點(diǎn)直接將加密后的秘密信息寫入，在其中隱藏秘密信息。通過不同的Android解碼器的讀取，普通解碼器只能讀取出二維碼中的無效信息，而無法讀取也不會(huì)想到在二維碼之中還存有隱藏信息，只有利用根據(jù)本文提出的特殊算法設(shè)計(jì)的解碼器通過得到服務(wù)器的解密信息后才能發(fā)現(xiàn)并解讀其中的秘密信息，從而達(dá)到秘密通信的目的。

關(guān)鍵詞：Android；二維碼；信息隱藏

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）16-0077-04

1 概述

二維條碼技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用的信息編碼方式，具有編解碼快速便捷等特點(diǎn)。借助于智能移動(dòng)終端設(shè)備的普及，二維條碼的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多，利用二維條碼在移動(dòng)終端用戶之間快速交互信息的應(yīng)用軟件隨處可見，漸漸成為一種時(shí)尚。受這種風(fēng)潮的啟發(fā)，本小組成員開始設(shè)想將二維條碼技術(shù)與信息隱藏思想結(jié)合起來，研究一種快捷、安全的秘密消息傳遞方法。下面介紹相關(guān)研究現(xiàn)狀和意義。

1）基于信息隱藏的保密通信

信息隱藏[1]是將一則消息、圖片或文件隱藏于其他消息、圖片或文件中的技術(shù)。在信息隱藏過程中，秘密信息往往首先被加密，然后被隱藏在某種載體中，其原理如圖1所示的模型。其中的原始圖像就是所謂的載體，而發(fā)送中的隱藏信息圖像就是被嵌入秘密消息之后的載體，因?yàn)檩d體是不易引起懷疑的普通消息、圖片或者文件，所以增加了通信路徑上密文被竊取的難度，因?yàn)楣粽吒揪筒粫?huì)發(fā)現(xiàn)有秘密通信在進(jìn)行。信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用很廣，保密通信、身份認(rèn)證、數(shù)字版權(quán)保護(hù)和追蹤以及信息完整性、真實(shí)性鑒定與內(nèi)容恢復(fù)等方面都在使用信息隱藏技術(shù)[2-4]。其中，利用信息隱藏技術(shù)進(jìn)行保密通信時(shí)，通信雙方將秘密信息隱藏在數(shù)字載體中并利用公開信道進(jìn)行傳遞，這種保密通信方式在軍事、商業(yè)、金融等方面領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

有關(guān)載體的研究是信息隱藏技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，可供使用的載體類型變得越來越豐富，研究人員在不斷挖掘傳統(tǒng)載體類型如文本、圖像、音頻和視頻等潛力的同時(shí)[5-8]，對(duì)于新隱藏載體的發(fā)掘一直在進(jìn)行，比如在網(wǎng)頁中隱藏信息[9]，在基于PE文件的信息隱藏技術(shù)[10]，在DNA序列中隱藏信息等。綜合各種優(yōu)秀的信息隱藏方法可知，要實(shí)現(xiàn)基于信息隱藏的秘密通信，隱藏載體往往滿足一些基本的特征，如本身含有大量可利用的冗余信息，嵌入和提取信息效率要高，抗攻擊能力強(qiáng)等，此外常用的載體類型如JPG圖片，MPEG視頻文件等都是常見的文件類型，也就是說傳播廣泛而不容易引起懷疑。

2）二維條碼技術(shù)廣泛應(yīng)用

二維條碼是一種特殊的條碼技術(shù)，簡(jiǎn)稱二維碼。與一維條碼技術(shù)相比，它采用矩形、點(diǎn)、六邊形等幾何圖案來表示信息，編碼時(shí)使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，解碼時(shí)則通過圖像輸入或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀信息。除信息表示方法不同外，二維碼仍具備普通條碼的一些共性，如每種碼制有特定的字符集；每個(gè)字符占有一定的寬度；具有校驗(yàn)功能等。

因?yàn)槎S碼具備快速響應(yīng)和快速數(shù)據(jù)訪問的能力，所以隨著智能手機(jī)的逐漸普及，二維碼編解碼功能軟件已經(jīng)幾乎成為了智能手機(jī)的標(biāo)配軟件。目前常用或知名的二維條碼編碼機(jī)制有DataMatrix，MaxiCode，QRCode，漢信碼等，其中QR碼是目前應(yīng)用最廣泛的條碼之一，該種編碼最多可以表示7089個(gè)字符，而傳統(tǒng)一維條碼最多則只能表示20個(gè)字符，足見其優(yōu)勢(shì)。

就應(yīng)用現(xiàn)狀來說，二維條碼技術(shù)已經(jīng)十分成熟，尤其是與智能移動(dòng)終端的結(jié)合使其得到廣泛的應(yīng)用，二維條碼技術(shù)之所以得到廣泛的應(yīng)用除了其自身快速易讀和高存儲(chǔ)能力的優(yōu)勢(shì)外，還仰仗于移動(dòng)智能終端的快速普及和網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)達(dá)，尤其是智能手機(jī)的普及，激發(fā)了人們的想象力，把這種便捷的信息編解碼方式應(yīng)用到了產(chǎn)品跟蹤，物品標(biāo)識(shí)，實(shí)時(shí)追蹤，文檔管理，市場(chǎng)營銷等一系列領(lǐng)域，比如移動(dòng)即時(shí)通信軟件用戶之間可以使用二維碼來相互添加好友、登陸網(wǎng)站，自動(dòng)販賣機(jī)可以使用二維碼進(jìn)行商品識(shí)別，商家也都紛紛利用二維碼來發(fā)布自己的商業(yè)推廣信息，甚至各種票據(jù)上也有基于二位條碼制作的車票方位功能等。

1.1.2研究意義

本軟件最大的特點(diǎn)在于其對(duì)隱藏信息安全性上的保護(hù)，本軟件針對(duì)目前廣泛存在的通過破解注冊(cè)碼完成注冊(cè)身份認(rèn)證而對(duì)軟件進(jìn)行非法使用的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列的安全解決方案。

信息隱藏在秘密通信過程中的應(yīng)用也隨著其他信息技術(shù)的發(fā)展不斷升級(jí)，其與新技術(shù)的結(jié)合是一種趨勢(shì)，同時(shí)也符合科技發(fā)展的規(guī)律。隨著智能手機(jī)的迅速普及，二維條碼技術(shù)被推廣到生活的各個(gè)領(lǐng)域，我們?cè)O(shè)想將二維碼應(yīng)用于信息隱藏領(lǐng)域，把二維碼作為隱藏信息的載體，根據(jù)編碼機(jī)制的特點(diǎn)，把秘密消息嵌入其中，簡(jiǎn)單情況下，秘密消息可以只是經(jīng)過加密過的密文，復(fù)雜情況下，秘密消息可以存儲(chǔ)于另一個(gè)二維碼當(dāng)中，最終我們則希望普通的解碼器只能察覺載體中無價(jià)值的內(nèi)容，而只有依據(jù)本文提出的特殊算法設(shè)計(jì)的解碼器通過得到服務(wù)器的解密信息后才能發(fā)現(xiàn)秘密消息的存在并將其解讀。在理論研究的基礎(chǔ)上，我們將基于手機(jī)安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)符合該設(shè)想的秘密消息傳遞軟件，實(shí)現(xiàn)秘密消息的發(fā)布和接收，檢驗(yàn)方法的有效性和應(yīng)用價(jià)值。

本文擬將流行的二維條碼編碼技術(shù)和信息隱藏研究相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于二維條碼的信息隱藏方法，并基于安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的軟件，包括編碼器和服務(wù)器；

基礎(chǔ)工作就是首先實(shí)現(xiàn)正常二維碼的功能，然后從最簡(jiǎn)單的情況入手，僅存儲(chǔ)少量密文，在不影響原文的情況下，實(shí)現(xiàn)其功能，然后在理論探究的基礎(chǔ)上實(shí)際測(cè)量出存儲(chǔ)的最大容量，以及最典型的情況，不斷完善編碼器和服務(wù)器的可信度，以期達(dá)到實(shí)用化的目的。

1.2 相關(guān)工作

快速響應(yīng)碼（QR碼）近年來在日常生活中的廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂写笕萘康臄?shù)據(jù)，較強(qiáng)抗破壞性，快速解碼等優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗苁軞g迎，人們可以使用它來傳輸秘密信息，而無需檢查。QR碼的隱寫術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了許多問題的產(chǎn)生。如何將秘密信息嵌入到它，并保持QR碼的原始內(nèi)容是兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。胡志明市大學(xué)的Thach V. Bui等人表示基于比特位技術(shù)的隱藏方式對(duì)于攻擊者來說太脆弱，一旦修改隱藏信息的某一位都會(huì)造成隱藏信息的破化，他們提出了一種新的解決方案，基于ReedSolomon codes 和List Decoding編碼方式，最終的分析、實(shí)驗(yàn)表明可以有效解決隱藏信息易被破壞、篡改的問題。[11]

Akshara Gaikwad等人在International Journal of Computer Science and Information Technologies發(fā)表過一篇文章，提出了在彩色圖片中利用二維碼隱藏信息的方法，核心思想是使用QR碼嵌入到彩色圖像的檢測(cè)有界的概率誤差。嵌入方法設(shè)計(jì)是兼容標(biāo)準(zhǔn)的解碼程序，可以應(yīng)用于任何顏色或灰度圖像的全區(qū)域覆蓋。嵌入方法由兩部分組分。首先是利用半色調(diào)技術(shù)選擇修改的像素打破，降低粗方形結(jié)構(gòu)的QR碼，第二是亮度電平的像素在彩色圖像中肉眼不可見，進(jìn)一步從彩色圖像解碼誤差最小的QR碼。[12]

2011年，關(guān)于QR碼與信息隱藏的方法也有很多，Hsiang-Cheh Huang等人發(fā)表的一篇論文中曾經(jīng)提出過一種基于直方圖的可逆的信息隱藏方法。[14] QR碼應(yīng)用廣泛，在海報(bào)或網(wǎng)頁的角落可以普遍觀察到。QR碼的目的在于方便手機(jī)用戶使用。人們可以用手機(jī)攝像頭在網(wǎng)頁的角落捕獲的QR碼，然后相應(yīng)的QR碼的超鏈接可以即刻使用。由于QR代碼看起來像隨機(jī)噪聲，也占據(jù)原始圖像的空間，大大減少原內(nèi)容的價(jià)值，降低了觀賞性。因此，如何保留原始圖像的價(jià)值，而且保持網(wǎng)頁即時(shí)訪問的能力是文章的主要關(guān)注點(diǎn)。隨著可逆數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)的發(fā)展，二維碼可以隱藏在原始圖像中嵌入容量相當(dāng)大的增加。我們提出了一個(gè)方案，當(dāng)掃描含有QR碼圖像時(shí)，相應(yīng)的QR碼的超鏈接被首先訪問，然后，QR碼會(huì)消失，原始圖像將恢復(fù)保留其中傳達(dá)的信息。

基于對(duì)QR碼的糾錯(cuò)性能，我們?cè)O(shè)計(jì)QR條形碼的秘密隱藏技術(shù)。該方案可以隱藏秘密數(shù)據(jù)到原始QR碼不會(huì)扭曲QR內(nèi)容的可讀性。也就是說，一般的掃碼器可以讀取加密的QR碼的原始內(nèi)容，只有授權(quán)的接收器可以提取隱藏在QR碼的秘密。這一點(diǎn)是在收集資料時(shí)我們想到的，也是本方法的創(chuàng)新之處。

1.3 基于QR條碼的信息隱藏方法

一種基于二維條碼的信息隱藏方法，采用二維條碼作為信息隱藏的載體，即將秘密信息嵌入到二維條碼中進(jìn)行隱藏，再采用特定的隱藏信息的提取方法進(jìn)行提取，從而達(dá)到傳遞隱藏信息的目的。

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1隱藏消息的嵌入

隱藏消息的嵌入需要采用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)，即服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)二維條碼編碼功能及加密處理的編碼器，并將此編碼器與服務(wù)器連接；同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)二維條碼解碼功能及解密處理的解碼器，并將此解碼器存放于客戶端中。此后對(duì)秘密消息進(jìn)行加密預(yù)處理和嵌入二維碼，具體步驟如下：

對(duì)秘密信息進(jìn)行加密預(yù)處理依次分為以下3個(gè)步驟：

1）選取一種公鑰加密算法，在編碼器中生成若干個(gè)密鑰對(duì)，然后給每個(gè)密鑰對(duì)進(jìn)行編號(hào)，所編號(hào)碼均為十進(jìn)制的兩位數(shù)。并將該編號(hào)設(shè)定為每個(gè)密鑰對(duì)所對(duì)應(yīng)的密鑰特征值。其中每個(gè)密鑰對(duì)都包含一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰，公鑰是用來對(duì)信息進(jìn)行加密的，而私鑰是用來對(duì)信息進(jìn)行解密的；

2）編碼器在生成作為信息載體的二維條碼的過程中，需要首先在通過公鑰加密算法所生成的密鑰對(duì)中隨機(jī)選取一個(gè)秘鑰對(duì)，并利用這個(gè)密鑰對(duì)中的公鑰將所要隱藏的秘密信息的明文進(jìn)行加密處理，最終生成秘密信息的密文；

3）將選取的密鑰對(duì)所對(duì)應(yīng)的密鑰特征值添加到所生成密文的首部，同時(shí)將此密鑰對(duì)中用來解密的私鑰存放于服務(wù)器中。

將帶有密鑰特征值的秘密信息密文嵌入到作為信息隱藏載體的二維條碼中依次分為以下4個(gè)步驟：

1）根據(jù)二維條碼中的普通信息和所要嵌入的隱藏信息內(nèi)容的長度與類型，選定出作為信息隱藏載體的二維條碼的版本和糾錯(cuò)碼的等級(jí)；

2）將普通信息和隱藏信息按照二維條碼中的QR條碼編碼規(guī)則，分別轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制位流，其中所添加到秘密信息首位的密鑰特征值用8位二進(jìn)制位流表示。再根據(jù)每8位一個(gè)碼字，分別形成普通信息的數(shù)據(jù)碼字和隱藏信息的數(shù)據(jù)碼字；

3）標(biāo)定二維條碼中所存儲(chǔ)的普通信息的末位和糾錯(cuò)碼的首位，進(jìn)而得出該二維條碼補(bǔ)齊碼區(qū)域的起始位和終止位；

4）將經(jīng)過加密處理并帶有密鑰特征值的秘密信息的密文從該二維條碼的補(bǔ)齊碼區(qū)域的起始位開始依次嵌入，直到密文結(jié)束為止，若還有剩余位置用補(bǔ)齊碼補(bǔ)齊。

2.2隱藏信息的提取

隱藏信息的提取根據(jù)用戶是否使用實(shí)施方案中的解碼器分為兩種情況：

若用戶使用本實(shí)施方案中的解碼器，用戶于客戶端輸入其個(gè)人的登錄信息，同時(shí)等待服務(wù)器驗(yàn)證其身份的有效性。由于所設(shè)計(jì)的解碼器存放于客戶端中，所以在服務(wù)器驗(yàn)證用戶的身份有效后，即刻跳轉(zhuǎn)到解碼器中的二維條碼掃描界面，否則重新輸入登陸信息直至通過驗(yàn)證。用戶利用解碼器對(duì)準(zhǔn)作為隱藏信息載體的二維條碼進(jìn)行掃描，掃描后將獲取到密鑰特征值和隱藏信息的密文，同時(shí)將密鑰特征值發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)密鑰特征值將選擇出對(duì)應(yīng)密鑰對(duì)中的私鑰發(fā)送回客戶端，客戶端中的解碼器隨即利用得到的私鑰解密出秘密信息的密文從而得到秘密信息的明文，即獲取秘密信息。

若用戶沒有使用本實(shí)施方案中所設(shè)計(jì)的解碼器+客戶端系統(tǒng)進(jìn)行登錄，而是使用普通帶有掃碼功能的解碼器對(duì)所生成的帶有隱藏信息的二維條碼圖像進(jìn)行掃描，則只能讀取到二維條碼中所存儲(chǔ)的普通信息，而獲取不到所隱藏其中的秘密信息。

3 實(shí)驗(yàn)

我們?cè)跍y(cè)試過程中使用的數(shù)據(jù)如下表所示。

生成的二維碼已包含隱藏信息，我們將使用二維碼的用戶分為普通用戶（沒有注冊(cè)）和特殊用戶（已經(jīng)注冊(cè)），只有特殊用戶通過驗(yàn)證才能使用信息隱藏和提取的功能。我們可以根據(jù)上表的數(shù)據(jù)看到，信息隱藏之后的二維碼發(fā)生了變化，但是普通的掃碼器并不能提取到隱藏信息，這就起到了保密的作用。

下表為不同版本的信息容量：

對(duì)比其他編碼形式和方法，我們選取設(shè)計(jì)的基于二維碼的方法具有抗破解能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)：

1）最終密文嵌入位置隱蔽性強(qiáng)；

2）多組密鑰對(duì)，若不能與相應(yīng)的加密公鑰對(duì)應(yīng)，即使解密私鑰被截獲也不能得到明文；

3）特征值嵌入初級(jí)密文構(gòu)成最終密文，即使最終密文被提取直接破解也無法得到明文。

4 結(jié)論

隱私和安全是目前社會(huì)網(wǎng)絡(luò)通信最受關(guān)注的問題，本文對(duì)一種基于二維碼的信息隱藏方法做了深入研究，采用計(jì)算機(jī)模擬與手機(jī)安卓系統(tǒng)模擬相結(jié)合的方式，進(jìn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到秘密通信的目的。

研究過程中主要運(yùn)用的是二維碼技術(shù)和信息隱藏技術(shù)，二維條碼技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，在智能移動(dòng)終端設(shè)備不斷普及的當(dāng)代，應(yīng)用二維碼的場(chǎng)景越來越多許多應(yīng)用軟件也在利用二維碼再移動(dòng)用戶之間進(jìn)行快捷的信息交互，而當(dāng)二維碼遇上信息隱藏，把二維碼作為隱藏信息的載體，普通的解碼器只能察覺載體中無價(jià)值的內(nèi)容，而只有依據(jù)本項(xiàng)目提出的特殊算法設(shè)計(jì)的解碼器才能發(fā)現(xiàn)并解讀其中的秘密信息，無疑將大大提高通信的安全性，在理論研究的基礎(chǔ)上，基于手機(jī)安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)符合該設(shè)想的秘密消息傳遞軟件，實(shí)現(xiàn)秘密消息的發(fā)布和接收，檢驗(yàn)方法的有效性和應(yīng)用價(jià)值。

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