一種基于eca狀態(tài)環(huán)的qr碼加密和解密方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于ECA狀態(tài)環(huán)的 QR 碼 加密和解密方法，該方法首先提取QR碼二值圖像的像素矩陣，進(jìn)行分組，選取長(zhǎng)度為8、邊界條件為循環(huán)邊界條件、狀態(tài)空間為{0，1}的初等元胞自動(dòng)機(jī)，鑒于初等元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)環(huán)在某些特定的規(guī)則下的封閉性，利用狀態(tài)環(huán)上對(duì)應(yīng)的連續(xù)個(gè)數(shù)的狀態(tài)對(duì)各組灰度值進(jìn)行置亂，其中狀態(tài)個(gè)數(shù)取決于密鑰所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列。本發(fā)明解密過(guò)程是加密過(guò)程的逆過(guò)程，即將利用狀態(tài)環(huán)上對(duì)應(yīng)的剩余的連續(xù)個(gè)數(shù)的狀態(tài)對(duì)密文各組灰度值進(jìn)行置亂。本發(fā)明的加密和解密速度快，易于實(shí)現(xiàn)，安全性好，置亂圖像很難被破解，可有效抵抗統(tǒng)計(jì)攻擊和密鑰攻擊，能夠滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)QR碼信息保密要求。
【專利說(shuō)明】-種基于ECA狀態(tài)環(huán)的QR碼加密和解密方法
[0001] (一）【技術(shù)領(lǐng)域】 本方法涉及一種基于ECA狀態(tài)環(huán)的QR碼加密和解密方法，屬于信息安全領(lǐng)域中的圖像 保密技術(shù)。
[0002] (二）【背景技術(shù)】 二維碼具有信息容量大、可靠性高、支持多種糾錯(cuò)等級(jí)和保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在歐 美和日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用。根據(jù)空間圖形構(gòu)成，二維碼一般分為堆疊式二維碼和矩陣 式二維碼。QR碼是日本Denso公司發(fā)明的一種矩陣式二維碼，除了具有二維碼的共同優(yōu)點(diǎn) 夕卜，還具有全方位快速識(shí)讀、能夠有效表示中國(guó)漢字和日本漢字等顯著特點(diǎn)。近些年，憑借 這些優(yōu)勢(shì)，QR碼被廣泛應(yīng)用在印刷、交通、金融、醫(yī)療和移動(dòng)通信等社會(huì)生活的許多領(lǐng)域。其 中，我國(guó)的火車(chē)票實(shí)名制就較好地利用了二維條形碼優(yōu)點(diǎn)，將車(chē)票信息和用戶身份信息存 入二維條形碼中。但在隨后的相關(guān)報(bào)道中，有關(guān)普通QR碼解碼器就能輕松獲取實(shí)名車(chē)票 中所包含的用戶身份信息的新聞相繼被報(bào)道，QR碼的安全性引發(fā)人們擔(dān)憂。為了避免QR 碼所包含的信息被無(wú)關(guān)機(jī)構(gòu)、組織和個(gè)人隨意識(shí)讀，在其傳輸和存儲(chǔ)前，有必要對(duì)其進(jìn)行加 密處理。由于QR碼為實(shí)際中廣泛應(yīng)用的二維碼，故對(duì)于加密速度的要求極高，與此同時(shí)安 全性更不容忽視，而現(xiàn)有的針對(duì)QR碼的加密方法DES加密與混沌序列加密均不能很好的保 證速度與安全性的兼顧。我們迫切需要研究和開(kāi)發(fā)出更多適合QR碼自身特點(diǎn)的加密方法。
[0003] 近些年以來(lái)，元胞自動(dòng)機(jī)與密碼學(xué)的高度相似性引發(fā)了諸多學(xué)者的關(guān)注，初等元 胞自動(dòng)機(jī)具有信息處理的高度并行性、全局的復(fù)雜性，最簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)，所需的計(jì)算資源 簡(jiǎn)單以及易于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都為設(shè)計(jì)出速度快，安全性高，效果好，適應(yīng)于 特定圖像的加密系統(tǒng)奠定良好的基礎(chǔ)。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有QR碼加密算法不能滿足實(shí)際 應(yīng)用中對(duì)安全性與實(shí)時(shí)性要求的問(wèn)題，根據(jù)初等元胞自動(dòng)的上述基本特性以及在某些特定 的規(guī)則下?tīng)顟B(tài)環(huán)封閉性，針對(duì)QR碼的特點(diǎn)，借鑒信息加密原理以及數(shù)字圖像加密的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)一種在保證加密速度的前提下兼具高安全性的有效的QR碼加密方法。
[0004] (三）
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明針對(duì)QR碼存儲(chǔ)的信息存在安全隱患的問(wèn)題，提出了一種基于初等元胞自動(dòng)機(jī) 狀態(tài)環(huán)的QR碼加密解密方法。該方法利用初等元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)環(huán)的特性，使用長(zhǎng)度為8,邊 界條件為循環(huán)邊界條件，狀態(tài)空間為{〇，1}的元胞自動(dòng)機(jī)，對(duì)QR碼二值圖像的各像素點(diǎn)灰 度值進(jìn)行加密和解密（如圖1)。具有加密速度快，效果好，安全性高等特點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該方法首先提取QR碼二值圖像的像素矩陣，進(jìn)行分 組，選取長(zhǎng)度為8、邊界條件為循環(huán)邊界條件、狀態(tài)空間為{0，1}的初等元胞自動(dòng)機(jī)，鑒于初 等元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)環(huán)在某些特定的規(guī)則下的封閉性，利用狀態(tài)環(huán)上對(duì)應(yīng)的連續(xù)個(gè)數(shù)的狀態(tài) 對(duì)各組灰度值進(jìn)行置亂，其中狀態(tài)個(gè)數(shù)取決于密鑰所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列。本發(fā)明解密過(guò)程 是加密過(guò)程的逆過(guò)程，即將利用狀態(tài)環(huán)上對(duì)應(yīng)的剩余的連續(xù)個(gè)數(shù)的狀態(tài)對(duì)密文各組灰度值 進(jìn)行置亂。本發(fā)明的加密和解密速度快，易于實(shí)現(xiàn)，安全性好，置亂圖像很難被破解，可有效 抵抗統(tǒng)計(jì)攻擊和密鑰攻擊，能夠滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)QR碼信息保密要求。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 1.加密示意圖如圖2,加密過(guò)程描述如下： 步驟I :QR碼的二值圖像作為明文圖像，將明文圖像灰度值矩陣按行轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組 形式，連續(xù)的8個(gè)像素點(diǎn)的灰度值分為一組，每組灰度值表示為group (η)，對(duì)于大小為 NXN的QR碼二值圖像，共有NXΝ/8組。
[0007] 步驟2 :針對(duì)QR碼的圖像結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置對(duì)稱密鑰，對(duì)于加密大小為NXN的QR碼 二值圖像，密鑰包括：ECA的規(guī)則rule，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的種子seed，以及由隨機(jī)數(shù)種子seed 得到一個(gè)長(zhǎng)度為seed的偽隨機(jī)整數(shù)列T。其中，對(duì)于大小為NXN的QR碼二值圖像，seed 滿足： med -Nx JV78 其中偽隨機(jī)整數(shù)列T滿足： T = (?) \t(n) € [1,7]} ,1 <? <seed 上式中，t (η)表示QR碼的二值圖像第η組灰度值group (η)的加密次數(shù)，8-t (η)是解 密次數(shù)； 步驟3 :規(guī)定元胞自動(dòng)機(jī)在指定的規(guī)則下每個(gè)狀態(tài)環(huán)的stated)為環(huán)中最小數(shù)的 狀態(tài)。對(duì)QR碼二值圖像每組灰度值group (η)，選擇規(guī)則rule下對(duì)QR碼加密的狀態(tài)環(huán) Attractor j,并確定初始狀態(tài)state (i)。其中i，j滿足：
【權(quán)利要求】
1. 一種基于ECA的QR碼加密和解密方法，其特征在于：該方法提出一種基于初等元胞 自動(dòng)機(jī)狀態(tài)環(huán)的，針對(duì)QR碼特點(diǎn)的加密解密方法，利用元胞自動(dòng)機(jī)的特性，使用長(zhǎng)度為8， 邊界條件為循環(huán)邊界條件，狀態(tài)空間為{〇，1}的初等元胞自動(dòng)機(jī)在某一規(guī)則下的全部狀態(tài) 環(huán)，對(duì)QR碼的二值圖像的各像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行加密和解密。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ECA的QR碼加密和解密方法，其特征在于，對(duì)于QR 碼的二值圖像加密，其步驟如下： 步驟I:QR碼的二值圖像作為明文圖像，將明文圖像灰度值矩陣按行轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組 形式，連續(xù)的8個(gè)像素點(diǎn)的灰度值分為一組，每組灰度值表示為group(η)，對(duì)于大小為 NXN的QR碼二值圖像，共有NXΝ/8組； 步驟2 :針對(duì)QR碼的圖像結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置對(duì)稱密鑰，對(duì)于加密大小為NXN的QR碼二值 圖像，密鑰包括：ECA的規(guī)則rule，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的種子seed，以及由隨機(jī)數(shù)種子seed得 到一個(gè)長(zhǎng)度為seed的偽隨機(jī)整數(shù)列T;其中，對(duì)于大小為NXN的QR碼二值圖像，seed滿 足：
其中偽隨機(jī)整數(shù)列T滿足：
上式中，t(η)表示QR碼的二值圖像第η組灰度值group(η)的加密次數(shù)，8-t(η)是解 密次數(shù)； 步驟3 :規(guī)定元胞自動(dòng)機(jī)在指定的規(guī)則下每個(gè)狀態(tài)環(huán)的stated)為環(huán)中最小數(shù)的狀 態(tài)； 對(duì)QR碼二值圖像每組灰度值group(η)，選擇規(guī)則rule下對(duì)QR碼加密的狀態(tài)環(huán)Attractorj,并確定初始狀態(tài)state(i);其中i，j滿足：
其中，1為規(guī)則rule下，狀態(tài)環(huán)的個(gè)數(shù)；k表示狀態(tài)環(huán)Attractorj的狀態(tài)個(gè)數(shù)； 步驟4 :連續(xù)作t(η)次逐位異或操作，每次逐位異或狀態(tài)環(huán)Attractorj上的一個(gè)狀 態(tài)，這t(η)個(gè)狀態(tài)在狀態(tài)環(huán)上是連續(xù)的：
其中，state(i)表示規(guī)則rule下的加密初始狀態(tài)，C(η)表示對(duì)QR碼二值圖像加密之 后得到的密文的第η組灰度值； 步驟5 :所有數(shù)據(jù)處理完畢之后，將ΝΧΝ/8組C(n)數(shù)據(jù)重組為NXN的二值圖像，即為QR碼的密文圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ECA的QR碼加密和解密方法，其特征在于，對(duì)于QR 碼的二值圖像解密過(guò)程，其步驟如下： 步驟1 :同樣，規(guī)定元胞自動(dòng)機(jī)在指定的規(guī)則下每個(gè)狀態(tài)環(huán)的stated)為環(huán)中最小數(shù) 的狀態(tài)；將QR碼二值圖像的密文圖像灰度值矩陣中每連續(xù)8個(gè)像素點(diǎn)的灰度值分為一組， 共分為NXN/8組，每組灰度值表示為C'（η);對(duì)每組灰度值C'（n)，確定在規(guī)則rule下的， 解密的狀態(tài)環(huán)Attractorj'和初始狀態(tài)環(huán)state(i'）； 其中i'，i'滿足：
其中，k表示狀態(tài)環(huán)Attractorj'中狀態(tài)的個(gè)數(shù)；1為規(guī)則rule下，狀態(tài)環(huán)的個(gè)數(shù)； 步驟2 :接收方收到的密鑰，根據(jù)密鑰中的隨機(jī)數(shù)種子seed和發(fā)送方加密使用的隨機(jī) 數(shù)矩陣T，計(jì)算出解密用的隨機(jī)數(shù)矩陣Τ'，矩陣中的元素為k-t(η)，為解密次數(shù)； 步驟3 :對(duì)QR碼的密文圖像的每組灰度值C'（η)連續(xù)作k-t(η)次逐位異或操作，每 次逐位異或狀態(tài)環(huán)Attractorj'上的一個(gè)狀態(tài)，這k-t(η)個(gè)狀態(tài)在狀態(tài)環(huán)Attractorj' 上是連續(xù)的，解密過(guò)程可表示為：
狀態(tài)state(i/ )表不現(xiàn)則rule卜，Attratorj7樸中觶密卄始的狀態(tài)，P(n)表示解 密之后得到的第η組灰度值； 步驟4 :在所有數(shù)據(jù)處理完畢之后，將ΝΧΝ/8組P(η)數(shù)據(jù)重組為NXN的二值圖像，即 為解密后的QR碼的二值圖像。
【文檔編號(hào)】G06T1/00GK104463766SQ201410653988
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】孫曉明, 于曉洋, 吳海濱, 于舒春 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)