健壮的可视秘密共享方案应用二维码

文摘

不同颜色的快速反应模式(QR)代码,如RGB,灰度,和二进制QR码,广泛应用于应用程序。在本文中,我们提出一个新颖的XOR-based视觉秘密分享(VSS)方案使用灰度QR码作为封面图片和二进制二维码秘密图像。首先,所有秘密二维码图像编码的码字临时二进制二维码图片,代替的第二位飞机灰度二维码生成封面图片股票。每股灰度二维码图像,可以通过一个标准的二维码解码解码器,所以它可能不吸引潜在攻击者的注意,当分布式公共频道。秘密图像可以恢复xor的QR码的码字地区第二位平面的提取灰度股票。更重要的是,该方案是健壮的JPEG压缩,除了不同的噪音,旋转,缩放,和种植,这在实践中是非常有用的。我们的方案的有效性和鲁棒性的实验结果显示。二维码的应用适用于无线多媒体数据安全。

1。介绍

快速反应(QR)的代码是一种二维矩阵码广泛应用于各行各业的最近,快速阅读的优势,纠错能力,多种格式数据代表,高容量与一维码相比,等等。二维码的应用适用于无线多媒体数据安全。

二维码图像是一个二进制图像,图像中每个像素只有两个可能值或层次的水平,这是由黑色和白色或单色图像。通过灰色二进制二维码图像,我们可以获得灰度二维码图像。每个像素的灰度二维码图像占用8位的存储空间。保持最重要位平面的灰度二维码图像不变,然后替换另一个不那么重要的秘密可以实现信息隐藏在图像灰度二维码。

视觉密码的主要观点(VC) [1),也称为可视秘密共享(VSS),是将一个秘密图像分割成众多股票(也称为分享图片或阴影图像)。每股分别揭示了原始秘密图像上没有信息,和只有一个特定数量的合格的股票可以重构秘密图像。秘密图像存储和传输时,上下文可能会丢失在一个单一的形象载体可以很容易损坏,所以我们可能无法提取秘密图像。但是,VSS可以解决这个问题在一定程度上(2]。

首次提出了基于阈值的VSS沙米尔[3]和Blakley [4]。一个二进制图像秘密共享然后分发给相应的随机股票参与者分享的方式。超过或等于股票叠加透露的秘密图像视觉。然而,不到参与者不会透露信息原始秘密图像叠加或检查他们的股份。VSS的优势在1)是它更容易恢复秘密图像叠加一个特定数量的股票利用HVS没有任何密码知识和计算。然而,像素扩展的特点和电报密码本(基本矩阵)设计可能在某些情况下是有问题的。

因为Kafri和克伦提出了随机网格(RG)的VSS (5- - - - - -7),已收到更多的关注,像素扩张问题是不存在的,码书设计不是必需的。秘密图像共享响,像股票一样大小的秘密图像。传统VSS解密方法是一样的,即,堆垛。然而,重建图像的背景变得越来越黑,越来越多的股票在或堆叠VSS (OVSS)基于RG。

XOR-based VSS (XVSS)可以解决的问题RG-based OVSS [8),自解密方法是执行XOR操作重量轻的股票计算设备上重建的秘密图像。通过应用XVSS,可以获得更好的图像对比度和质量(6,9]。

由于VSS和二维码的优势,它们的一些组合最近提出的许多研究人员。乔纳森和严12)使用二维码验证股票。王等人。13)提出了一个方案通过将QR码嵌入到给定的最佳地区股票来防止作弊。Chow et al。11]提出了(n, n)阈值方案情况下,n是不少于3,秘密的形象和封面图片都是二进制的QR码相同的版本和相同级别的纠错。Wan et al。10)提出了一个方案,深入集成二维码纠错机制的理论VSS和该地区与秘密共享图像是连续的。陈等人。14VSS)提出了一个方案具有高安全性和灵活的访问为二维码应用程序结构。Chow et al。15调查方法,将通过将它们嵌入到QR码使用加密密钥由一个安全的方法。然而,鲁棒性不被认为是在上述方案,在实践中这是很重要的。的阈值大于211,图像质量一致性的问题没有考虑在文献[10]。

如今,越来越多的手机使用QR码。一个可能的场景来传递秘密信息安全的网络描述如下。它是不安全的传输机密信息在公共频道没有保护,和移动设备现在被广泛使用。因此我们在二维码编码机密信息,这是共享的不同的二维码生成封面图片相应的股票。那么股票在不同的传播渠道通过网络从一个手机花药的手机。当JPG压缩和重新编码,图像高斯噪声和其他袭击发生在传播,如果股价强劲的攻击,秘密信息将会恢复,而不到股不能透露任何信息秘密图像。股票的解码结果与封面图片是相同的,所以他们不会引起注意。

上面的方案不适合的场景。因此,我们提出一个新颖的健壮的秘密共享方案 阈值,不小于2。这个方案集成了QR码纠错机制和XVSS理论,和所有的QR码是相同的版本和误差校正水平。首先,所有秘密二维码图像编码的码字临时二进制二维码图片。然后临时代替二进制二维码图像灰度的第二位飞机掩护二维码图像输出股票。选择码字的秘密二维码是随机的,每个共享可以通过一个标准的二维码解码读者,这可以减少猜疑和潜在攻击的可能性。由于灰度QR码的修改是第二位飞机和QR码的纠错机制,该计划是健壮的传统形象的攻击。

剩下的纸是组织如下。介绍了QR码和XOR-based VSS部分2。秘密图像共享,恢复算法,并分析了部分3。部分4演示实验结果,比较和测试。最后,部分5本文的结论。

2。预赛

2.1。QR码

二维码的象征(17)由一个方格组成的方形模块,这是由日本电装公司1994年9月。标准(16)定义了四十版本的二维码版本从版本1到40。不同版本的二维码是由不同数量的模块。二维码版本1是由2121个模块。从版本1,每个版本4模块每超过之前的版本。例如,version 7由4545模块。

一个二维码16)由函数模式和编码区域。编码区域包括数据和纠错码字,格式和版本信息。的功能模式由对齐、时机、发现模式和分离。大量的数据和纠错码字和纠错模块依赖的版本和水平QR码的纠错。静区周围的空白区域二维码读取二维码是很重要的,编码数据流输入数据与8位码字长度的数组。纠错码字也有8位长度是由使用Reed-Solomon误差控制算法生成添加到数据码字的后面。

取决于QR版本和纠错,数据码字和纠错编码被安排在不同的纠错模块。纠错的程度分为四类: , , ,和 。误差修正的水平越高,较强的纠错能力。但是,高水平的误差校正需要较大的QR版本编码相同的输入数据流,自纠错码字的比例大于低水平在同一版本。例如,version 7和8的纠错特性如表所示1。

在表1,给出了误差校正模块 ,c是码字的总量,k是码字的数量和r是纠错能力。请注意, 值是不同的在一定的误差修正一些QR代码版本。它可以发现,有5个纠错在version 7块一个纠错的h 值的第一个四个街区最后一个的值在哪里吗 。

为每个纠错码字块的布局以交叉的方式,和纠错码字是附加到相应的数据码字的结束。因为这种布局的特点,二维码解码能力可以提高局部损失的可能性。图1显示二维码version 7的布局与纠错的水平 。编码后的码字,一个数据面具需要应用于编码区域。有八个数据屏蔽模式选择平衡光明与黑暗模块与功能模式,避免混乱编码区域。

码字的布局和纠错能力是重要的对我们分享秘密二维码图像提出方案。

2.2。 阈值XOR-Based VSS

的方案 阈值XOR-based VSS分享一个秘密图像相应的响,像股票参与者和每个互相分享每个参与者都是不同的。然后,只有xor秘密图像无损恢复与XOR共享与计算设备的能力。不到参与者不能获得任何原始信息秘密图像通过检查或堆积。

图2显示(2,2)XOR-based VSS应用实例。生成阶段是一样(2,2)RG-based VSS,而恢复方法是XOR两股而不是堆积股揭示原始秘密图像。通过xor股票,秘密图像可无损恢复。

3所示。提出了健壮的VSS采用QR码

3.1。的主要思想

在本节中,我们提出一个 阈值基于二维码XVSS方案。秘密图像是一个二进制QR码的码字都是共享的密语不同的二进制版本相同的QR码和误差校正水平,他们的功能模式是相同的。所有的码字的秘密图像共享XVSS理论。然后二进制QR码代替的第二个重要位平面灰度二维码封面图片相同的版本和纠错生成水平灰度二维码的股票。的消息在灰度图像不同,灰度二维码股票可以解码标准的QR码译码器。

可以恢复的秘密二维码图像提取二次有效位飞机的灰色生成二维码图像二进制二维码图像首先然后xor白色和深色模块的密语地区二进制图像,添加功能模式、版本和格式信息。所有的码字可以恢复和重建的秘密图像的解码结果与秘密图像是一样的。

自纠错层面的版本和所有的QR码是相同的,码字都处于同一位置和功能模式是相同的。以阈值方案作为一个例子,图3说明了灰度二维码股票代提出的方案。

3.2。分享阶段

当共享秘密二维码图像分成任意二进制二维码图片,我们只加密密语区域一致,而其他部分的二进制二维码图片,然后替换灰度的第二位飞机二维码图像加密的二进制二维码图像。所有的二维码图像具有相同的版本和误差校正水平。相应的算法步骤描述的算法1。

在算法1码字的秘密二维码将平均和共享随机分成不同的临时二进制二维码图片。人工修改的股票并不明显。股票可以通过一个标准的二维码解码。

3.3。经济复苏阶段

基于xor操作,数据的恢复二维码图像可以无损耗。假设灰度股票提供,我们可以得到的像素在第二位飞机从创建到股票等二进制二维码图片。然后我们阅读的版本和水平由QR纠错译码器。我们在编码的区域执行异或操作二进制图像,之后把比特在其他地区基于误差修正的版本和水平。通过这种方式,我们可以创建一个二维码图像的信息是一样的,秘密图像。算法描述的复苏阶段2。

3.4。分析

在本节中,我们提出一些关于我们计划的特性的理论分析。首先,灰度算法生成的二维码股票1秘二维码图像重建的算法2可以由QR解码器解码。其次,虽然股价在某种程度上损坏或有一些噪音,秘密QR图像解码。第三,在我们计划阈值阈值 。

生成的灰度股票取代二次飞机的二进制QR码共享秘密图像的算法1,当一个二维码译码器读取灰度二维码,阈值的灰度图像。阈值的方式在不同的二维码解码器可能会不一样,但最简单和常见的一个是128的数量设置为阈值,当剩下最重要的数字灰度二维码封面图像像素值的改变,灰度股票可以解码。

如果后面的6位二级的每个像素值变化范围来 ,次要的价值不会改变。所以当最后6位不等来虽然有些噪音补充说,第二个重要位平面取代秘密图像将不会受到影响,和秘密图像仍然可以重建。因为QR码有改正错误的能力,即使模块损坏或脏的纠错能力范围,秘密QR图像解码。

误差修正的特征 ;当我们分享秘密QR码字的形象,码字的数量分为 集平均和随机。根据步骤修改临时QR码的码字在算法1生成二进制二维码图片,然后替换灰度的第二位飞机二维码封面图片的二进制二维码图像生成股票。每一个分享都可以扫描QR码译码器。当恢复秘密二维码图片,第二位飞机提取股票来创建二进制二维码图片,进行异或操作码字的区域二进制二维码图片,这样秘密的密语二维码图像无损。把一些其他地区重建的秘密图像。自从秘密二维码图像无损压缩的码字,重建图像的信息解码的二维码解码器将秘密图像的相同。所以,我们可以实现的门槛 。

4所示。实验和比较

在本节中,考虑到实验和比较来评估该方案的有效性。

4.1。图片说明

在我们的实验中,模拟环境的方案是python语言。图4是在灰度阈值XOR-based VSS二维码version 7的水平误差校正图4(一)是原始的秘密图像和数字4 (g)和4 (h)和和是灰度二维码封面图像获得的灰色数据吗4 (b)和4 (c)和和 ,分别。数据4 (d),4 (e),4 (f),4 (j),4 (k)回应解码数据的结果吗4(一),4 (b),4 (c),4 (g),4 (h)。数据4(我)和4(米)是灰度二维码股票,和 。数据4(左)和4 (o)的解码结果。图4 (n)二维码图像重建的秘密吗 ,和图4 (p)解码的结果吗 。

图5是我们的在灰度阈值XOR-based VSS二维码的版本17级别的纠错数据5 (b)- - - - - -5 (e), , , ,和是输入二进制二维码封面图片。数据5 (f)- - - - - -5(我), , , ,和 ,是灰度的股票。图5 (j)重建的二维码图片和图吗5 (k)解码的结果吗和 。

二维码图像重建的秘密在数据4和5由执行XOR恢复操作码字的二维码图片在第二位飞机的股票,然后添加的功能模式,版本和格式信息。股票和重建的秘密图像可以通过二维码解码器解码,解码重构秘密图像的结果是相同的与秘密二维码图像。

4.2。与相关的工作

图6是我们的阈值XOR-based VSS在二维码版本4和纠错h·图水平6(一)美国秘密图像数据吗6 (b)- - - - - -6 (d)是输入二进制二维码封面图片, , ,和 。数据6 (e)- - - - - -6 (g)灰度的股票, , ,和 。图6 (h)重建的秘密图像吗 。图6(我)数据的解码结果吗6(一)和6 (h)。

图7显示了VSS在[10]。图7(一)美国秘密图像数据吗7 (b)- - - - - -7 (d)是二进制二维码封面图片, , ,和 。数据7 (e)- - - - - -7 (g)数据的解码结果吗7 (b)- - - - - -7 (d)。数据7 (h)- - - - - -7 (j)是二进制QR股票, , ,和 。图7 (k)在二维码重构秘密图像, 。

在图的秘密图像7是加密的坐标到右角落的二维码图像。秘密图像的大小是小于二维码,和秘密图像共享一个连续区域的封面图像,阈值不小于2。二维码图片都是二进制图像。秘密图像共享分散在我们的方案,可以实现高图像质量和高无法感知。秘密图像具有相同的大小与封面图片,,股价灰度二维码图片。

图8显示了VSS在[11]。图8(一个)美国秘密图像数据吗8 (b)- - - - - -8 (d)是二进制二维码封面图片, , , 。数据8 (e)- - - - - -8 (g)是二进制QR股票, , , 。图8 (h)二维码重构秘密图像 。图8(我)数据的解码结果吗8(一个)和8(我)。

股票在图8是二进制二维码图片。秘密二维码图像可以通过xor重建中包含的白人和黑人模块编码的区域二维码其他地区的股票,然后填充比特。在文献[阈值11)不小于3。在我们的方案中,股票灰度二维码图像和秘密图像可以恢复xor位码字中包含地区第二位飞机的股票,然后添加函数模式、版本和格式信息。我们计划的阈值不小于2。

比计划(10,11),我们的方案考虑阈值大于2的优势,高图像质量,高无法感知。

4.3。健壮的测试

在拟议的技术,所有的图片都是QR码,纠正错误,有自己的能力,和飞机修改是第二个重要位平面的灰度图像,通过这种方式,该算法健壮的传统形象的攻击。把我们的阈值方案抵抗高斯噪声为例,除了不同的声音这两个股票的健壮性测试方案图所示9。

数据9(一个)和9 (b)股票在图4, ,和 。数据9 (c)和9 (d)股票添加高斯噪声 ,图9 (e)从数据重建的秘密图像吗9 (c)和9 (d), 。数据9 (f)和9 (g)股票添加高斯噪声 ,图9 (h)从数据重建的秘密图像吗9 (f)和9 (g), 。图9(我)解码的结果吗和 。图9 (j)显示之间的差异在图4(一)和 ,和之间的差异在图4(一)和显示在图9 (k)。当方差值在范围从0到8中,重建的二维码可以解码,方差越大,差异越大。当方差大于9的价值,重建的二维码不能解码。的解码结果和的解码结果图是一样的吗4(一),所以,我们的计划是健壮一些噪音。

不同的攻击如JPEG压缩、旋转、调整和裁剪测试,进一步显示了鲁棒性。重建的秘密二维码图像是否可以正确解码时攻击是应用于股票总结表2。我们可以看到从表2我们可以抵抗一些常规攻击到一定程度,包括JPEG压缩、高斯噪声、旋转、缩放和裁剪。这些攻击可能存在股票期间传播,所以我们计划对实际应用很有意义。

5。结论

本文提出了一种新颖的鲁棒VSS计划申请二维码。在这个方案中,所有的码字秘密二维码图像分成临时随机二进制QR码XOR-based VSS的理论,所以股票可以实现高图像质量和高无法感知。每个分享我们的计划可以通过二维码解码解码器通过公众渠道分布时,这将避免潜在攻击者的注意力。以来所有的图像都是QR码,纠正错误,有自己的能力,和飞机修改第二个重要位平面的灰度图像,我们的方案是健壮的传统形象的攻击,如旋转、JPEG压缩、高斯噪声、缩放和裁剪,重构秘密图像时,执行XOR操作码字的地区的第二重要的飞机灰度股票和添加的功能模式,版本,和格式信息。没有错误的码字在重建的秘密二维码图片,所以的信息与原来的相同的秘密图像。我们的方案的阈值 。减少股票的规模将会是未来的工作。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号61602491)和国防科技大学的关键项目(批准号ZK-17-02-07)。

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