基于二維碼加密的圖書防偽識別研究與設計

王銳芳

摘? ?要：圖書是提高人們道德文化修養(yǎng)和精神文明建設的主要資源之一，作為一種特殊的商品影響著人們的人生觀和價值觀，同時，其質量也關系到人們的身體健康和文化的傳播。近年來，圖書盜版現象時有發(fā)生，為了阻止盜版圖書的肆意泛濫，文章采用加密二維碼信息技術，研究設計了基于二維碼加密的圖書防偽識別技術。主要技術是將圖書信息生成二維碼，將二維碼圖像用AES加密算法進行加密，將密文的信息編碼再轉換成二維碼，將加密后的二維碼印刷在圖書上，購書者可以用專用的防偽驗證APP，將掃到的圖書界面碼傳送到遠程的庫里面進行驗證，后臺會對加密信息進行解密操作，將得到的信息跟庫里的信息進行比對，從而完成圖書的防偽驗證。經實驗測試，該研究方案可行，能便捷地驗證真?zhèn)?，有效識別盜版圖書。

關鍵詞：高級加密標準加密;圖書防偽;二維碼加密;信息編碼

圖書是傳播知識和文明的重要載體，是社會發(fā)展和人類進步的推動性力量[1]。圖書在人們的生活和學習當中發(fā)揮著非常重要的作用，然而，隨著社會經濟與科學技術的發(fā)展，越來越多的無良商家通過銷售盜版書籍謀取暴利，破壞了圖書市場的正常秩序，在一定程度上耽誤讀者獲取正確的知識，并且侵害了作者的知識產權，給圖書出版商造成了很大的經濟損失，擾亂社會秩序[2-4]。因此，增強圖書防偽識別研究，遏制盜版書籍的印刷和銷售，對圖書市場的發(fā)展具有非常重要的意義，同時，保障了作者和讀者的權益[5]，傳播正確的知識，推進社會文明的發(fā)展。

早在20世紀60年代，隨著激光器的誕生，激光全息防偽技術得以發(fā)展，該技術早期只是在煙酒等生活用品中用到，直到20世紀80年代，我國最早把這項技術應用到出版業(yè)當中去，該技術利用了光的干涉原理和模壓技術，將記載有物體信息的干涉條紋通過加熱、加壓的方式轉移到普通電化鋁塑料薄膜上[6]。這種全息防偽標簽色彩絢麗、立體真實、易于識別，且在制作上技術十分復雜，具有較高的防偽性[7]。之后，還有很多防偽技術出現并得以應用。電碼電話防偽系統(tǒng)是一種將計算機網絡技術、信息編碼、通信技術和高科技印刷技術綜合起來的防偽系統(tǒng)，每件產品按照一定規(guī)則生成一個獨一無二的編碼，記錄產品的相關信息，具有很好的防偽特性[8]。數碼防偽在2004年首次走入中國圖書出版業(yè)，對圖書真?zhèn)蔚淖R別具有很大的意義。數碼防偽技術主要是運用一套繁瑣的計算方式，計算出一個包含圖書相關信息的唯一識別和保密的數字編碼，這一編碼被保存在中心數據庫中，并可在全國圖書出版和銷售的地點網絡中查詢，這一編碼無法仿制并且無法破譯[9]，它的唯一性和可查詢性使得數碼防偽技術在圖書出版業(yè)得到了很大的發(fā)展，并對圖書出版業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。隨著物聯網的發(fā)展，基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標簽的防偽技術被應用到圖書出版業(yè)當中，圖書出版商可通過RFID標簽存儲圖書的相關信息，讀者根據票據到相關的檢驗部門用識讀器讀出標簽上存儲的圖書信息來識別真?zhèn)蝃10-11]。在電子商務和物聯網技術快速發(fā)展的今天，對于圖書的方位識別具有很大的意義。

本文主要提出的是基于二維碼（Quick Response Code，QR Code）加密的圖書防偽識別研究與設計，二維碼技術的研究早在1993年就已經開始，近年來，移動終端迅速發(fā)展，二維碼以其較大的存儲容量、較廣的編碼范圍、較強的容錯能力、可靠的譯碼特性以及可以引入加密措施等優(yōu)勢被廣泛地應用到各種防偽領域[12-15]。它可以在將圖書信息生成二維碼之后，采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法對該二維碼圖像進行加密，然后將生成的密文信息編碼，再次生成二維碼圖像，印刷在書籍上，讀者可用移動終端掃描二維碼進行識別，防偽系統(tǒng)根據用戶掃描的二維碼信息對加密算法進行解密，從而獲得圖書相關信息，與數據庫中進行對比，識別出圖書的真?zhèn)蝃16-17]。隨著智能手機的普及，二維碼快速出現在了日常生活的方方面面[18]，利用二維碼加密技術來識別圖書的真?zhèn)危奖銓嵤?，具有很深遠的意義。

1? ? 基礎知識

1.1? 二維碼基礎知識

二維碼與條形碼類似，能夠在一定的范圍內按照特定的顯示規(guī)律將圖形信息進行圖像化的展示。早期的應用場景為移動端設備，與傳統(tǒng)條形碼相比，QR碼可以存儲更多需要展示的數據信息。它比傳統(tǒng)的圖形顯示方式擁有更大的展示范圍，所以其存儲的信息也就更多，且得益于它的字符集，它擁有傳統(tǒng)圖形無法進行的圖形碼識別以及信息的改正功能。二維碼技術大大降低了對計算機網絡以及數據庫的依賴，依靠二維碼本身具有的存儲和通信作用，已然成為現代的新興技術。它主要的使用優(yōu)勢有6點：（1）存儲大容量信息。（2）在小空間內打印。（3）應對變臟和破損的適應能力強。（4）讀取自由。（5）數據集的聚合。（6）低成本。

1.2? AES算法

AES是一種對稱加密算法，用多種加密規(guī)則來進行數據信息加密，加密技術相當成熟、安全。加密計算雖然繁瑣，但復雜度不是太大，所以加密過程不需要占用計算機太多的資源，加密過程比較安全、效率很高。AES的加密技術是將明文分組，在一定的規(guī)則范圍內對明文分組加密處理，主要包括了對信息數據的增加、規(guī)則處理以及回放處理。利用計算資源將明文按照設定好的規(guī)則進行循環(huán)處理，連續(xù)地對數據信息字符進行轉換，直到按照規(guī)則將所有的數據信息全部轉換完成，然后再進行增加其他規(guī)則的拓展處理，防止在規(guī)則層就被破解，然后還進行包括位置轉移、位置轉換、循環(huán)規(guī)則處理等多種處理。

AES算法由3部分構成，分別為密鑰擴展、加密模塊和解密模塊，包括4個轉換方式，分別為字節(jié)代替（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和輪密鑰加（AddRoundKey）。調用輪數來實現/解密算法。循環(huán)調用的具體輪數與密鑰長度有關，要執(zhí)行的輪數分別為10，12，14，對應于長度為128，192和256位的密鑰。SubBytes是一個執(zhí)行S盒替換的非線性層，用作混淆函數，ShiftRows和MixColumns是線性混合層，以確保多輪轉換后的高擴散，AddRoundKey則對應于鍵和層的組合。加密的階段，包括以下步驟：

（1）AddRoundKey，矩陣的每個字節(jié)都與隨機密鑰（RoundKey）進行異或運算，每個隨機密鑰由密鑰生成系統(tǒng)產生。

（2）SubBytes，也稱為S盒變換，用非線性替換加密，用具有非線性命令功能的查找表將每個字節(jié)替換為相應的字節(jié)。

（3）ShiftRows，支持字節(jié)轉換，使用另一個移位循環(huán)移動矩陣的每一行。

（4）MixColumns，將每個內聯4個字節(jié)與線性變換混合，目的是在純文本消息的不同位置獲取字節(jié)組合。

最后一個加密循環(huán)中，MixColumns步驟已被省略，并被另一個AddRoundKey替換。操作完成后，矩陣包含“體（state）”密文。

AES就是將數據信息不斷地進行規(guī)則的處理，以此達到加密的過程，解密的時候，只需要根據這個規(guī)則進行逆操作以獲取對應的明文信息。

2? ? 二維碼加密圖書防偽技術

2.1? 設計框架

二維碼相比傳統(tǒng)的條形碼減少實體驗證開銷，用二維碼作為信息數據的載體，數據存儲量較大，能夠滿足物體基本信息的存儲需求，在監(jiān)管與流通中，不需要進行過多額外的審核操作，實體認證過程比較簡單，只要裝備具有二維碼識別工具的移動終端，就可以進行識別驗證，同時，還可以存儲信息交易過程中的信息，以供驗證者和監(jiān)察部門進行跟蹤和審查，有利于市場的平穩(wěn)運行和實體的質量保障。

但對二維碼偽造難以進行識別和監(jiān)管，易被非法利用。本文通過對二維碼加密以預防二維碼的偽造，進一步保障物體信息的真實性和完整性。方案的整體設計如圖1所示。

系統(tǒng)使用方涉及購書者和出版社。購書者成功下載APP之后可以掃碼查看圖書信息、辨別圖書的真?zhèn)闻c反饋;出版社負責注冊登錄、圖書信息錄入、圖書匯總以及查看購書反饋意見。當購書者拿到圖書之后，可利用專用的二維碼進行掃碼，通過服務器數據庫的查找得到結果，可由此來判斷圖書的真?zhèn)巍ａ槍Σ煌挠脩粜枨?，本文設計了兩款APP：普通用戶端和出版社商端。

2.2? 二維碼加密圖書防偽過程

根據設計方案，系統(tǒng)主要分為3個部分：普通用戶、出版社和服務器。主要操作過程如下：

普通用戶需要下載專用的手機APP，分為普通掃碼識別和防偽掃碼識別。普通掃碼通過移動設備對圖書的防偽二維碼進行掃描，結果為亂碼;防偽掃碼是通過移動設備對圖書的防偽二維碼進行掃描，成功識別圖書真?zhèn)?。用戶通過反饋功能，將系統(tǒng)使用的體驗感反饋給系統(tǒng)管理員，方便管理員進行系統(tǒng)維護。主要功能包括：

（1）身份驗證：購書者通過身份驗證，注冊為普通用戶，可隨時登錄軟件進行操作。

（2）二維碼加密圖書驗證：分為掃描識別、信息解密、信息查詢。①二維碼掃描識別，采用的傳統(tǒng)二維碼掃描方式，對二維碼現實的圖像識別。②信息解密，根據掃描后簽發(fā)的規(guī)則進行數據信息的解密處理。③信息查詢，將掃描到的數據信息發(fā)送到遠端的服務器進行數據庫的比對，之后得到反饋，辨別圖書信息的真?zhèn)巍?/p>

出版社在注冊中心進行注冊，填寫注冊信息，成為系統(tǒng)的用戶，在成為系統(tǒng)用戶之后，通過賬號密碼登錄系統(tǒng)，進入系統(tǒng)，使用系統(tǒng)的功能。錄入圖書信息，系統(tǒng)對圖書信息進行校驗，通過校驗之后，反饋錄入圖書信息成功。生成圖書二維碼信息，并通過AES加密生成加密防偽維碼。主要技術如下：

（1）身份驗證，與普通用戶類似，注冊時選擇出版社及相關信息，以便進行身份認證及追蹤。

（2）圖書信息，可對圖書信息進行錄入，信息匯總存入數據庫。

（3）二維碼管理，圖書二維碼加密及生成，將圖書信息生成傳統(tǒng)二維碼，并通過AES對二維碼加密，生成加密防偽二維碼。

服務器主要為出版社和普通用戶提供各種WebAPI接口，出版社和普通用戶APP通過調用相應的WebAPI接口實現對應的圖書防偽識別與認證。

3? ? 試驗及測試

（1）從未登錄過系統(tǒng)的新用戶需要先進行注冊，輸入相應信息進行注冊，注冊完成，自動跳轉回登錄界面，輸入正確的賬戶及密碼即可登錄系統(tǒng)。

（2）出版社在進入系統(tǒng)之后，選擇錄入圖書信息，錄入成功之后，信息匯總。查看詳情可得到該圖書的主要信息以及自動生成的加密防偽二維碼。

（3）用戶可選擇專用的圖書防偽APP進行下載，用戶進入系統(tǒng)之后，可選擇“防偽碼識別”按鈕來查看圖書的真?zhèn)危鐖D2所示，經過防偽碼驗證，顯示該圖書的主要信息，進而確認該圖書的真?zhèn)巍?/p>

（4）用戶APP里有普通識別按鈕，如果用此掃描器識別防偽二維碼（已保存至相冊），會出現亂碼，如圖3所示，查看不出圖書的明文信息，無法確認圖書的真?zhèn)巍?/p>

4? ? 結語

本文通過對圖書防偽技術的研究與分析，提出基于二維碼加密的圖書防偽加密等技術，與普通二維碼掃描識別不同的是，加密二維碼需要下載官方掃描軟件，該軟件針對特定加密的二維碼進行識別，以防止二維碼被盜用及纂改。在下載識別軟件時，需要進行身份認證，以便監(jiān)督和追蹤違法行為。加密二維碼存儲圖書特定的信息，以便于官方圖書信息進行映射，以證實該圖書的真?zhèn)危瑢Υ驌舯I版、維護知識產權及市場監(jiān)管具有重要的意義。

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Abstract：Books are one of the main resources to improve peoples moral and cultural cultivation and spiritual civilization construction. Books， as a special commodity， affect peoples outlook on life and values， at the same time， their quality is also related to peoples physical health and cultural dissemination. In recent years， the phenomenon of book piracy has occurred from time to time. In order to prevent the rampant spread of pirated books， this paper studies and designs book anti-counterfeiting recognition technology based on QR Code encryption by using encrypted QR Code information technology. The main technology is to generate QR Code from book information， encrypt QR Code image with AES encryption algorithm， encode ciphertext information into QR Code， and convert QR Code into QR Code. The encrypted QR Code is printed on the book， and the book buyer can use the special anti-counterfeiting verification APP， to transmit the interface code of the scanned book to the remote library for verification. The encrypted information will be decrypted in the background， and the obtained information will be compared with the information in the library， so as to complete the anti-counterfeiting verification of the book. The experimental results show that the research scheme is feasible， can easily verify the authenticity， and effectively identify pirated books.

Key words：advanced encryption standard encryption; book anti-counterfeiting; QR Code encryption; information coding