基于非法信道噪声特性的防复制二维码算法研究
作者单位：深圳大学
学位级别：硕士
导师姓名：谢宁
授予年度：2019年
学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）]
摘 要：随着二维码的应用越来越广泛,尤其是在移动支付、身份认证等领域发挥着重要作用,导致了二维码应用面临越来越多的安全挑战,如:嵌入攻击,篡改攻击,复制攻击等。其中,由于二维码独特的光学可见性,复制攻击成为了众多安全挑战中最严峻的一类。复制攻击不仅阻碍了身份认证应用程序的推广使用,也对商家和用户造成了不可避免的经济损失。现有防复制攻击的方法主要有:使用特殊的打印材料或工艺、使用物理不可克隆特性、使用防复制图案以及使用数字水印技术等。这些方法虽然在一定程度上起到了防复制的作用,但是它们却存在以下的缺陷:增加了商家生产二维码的开销,增加了用户的使用成本、牺牲了便捷性。因此,设计新型防复制二维码来克服以上缺陷,正逐渐成为新的研究热点。本学位论文主要研究:如何利用非法信道噪声特性来设计防复制二维码算法,并设计出两个新防复制二维码算法。第一、通过利用合法信道和非法信道之间噪声特性的差异,提出了一种低成本的防复制二维码（low-cost anti-copying 2D barcode,LCAC二维码）算法。基本思路是在不破坏原始二维码解码前提下,嵌入认证标签,合法接收机通过对扫描后二维码提取认证标签特征,来识别是否被复制攻击。LCAC二维码中包含两种嵌入策略:顺序嵌入和分段嵌入,并对这两种嵌入策略进行了安全性、隐蔽性和鲁棒性分析。通过实际实验结果,我们证明了如果在扫描二维码时有遮挡物、或者二维码本身就存在破损时,分段嵌入策略具有更好的鲁棒性。为了增强LCAC二维码的实用性,本学位论文在安全性分析方面,除了直接复制攻击（direct-copying,DC攻击）之外,还考虑了合成复制攻击（synthesizedcopying,SC攻击）。为了优化LCAC二维码的参数,我们使用广义高斯分布对非法信道中的噪声进行理论建模。通过与多种打印机和扫描仪的实际实验结果作对比,我们的理论建模和实际实验结果有很好的匹配,证明了理论模型的准确性。基于理论模型构建了预测函数,通过预测函数权衡来优化LCAC二维码的参数,找到生产成本和非法复制成本之间的最佳权衡点。实际实验结果表明,LCAC二维码在两台打印机和两台扫描仪的情况下,可以有效地检测DC攻击,并检测合成张数在14张以下的SC攻击。第二、为了提高LCAC二维码的便捷性,我们将半色调视觉水印技术引入LCAC二维码,提出一种具有两层防复制机制的LCAC水印二维码算法。LCAC水印二维码可以在没有电子产品的辅助下,利用重叠二维码的操作,通过观察水印的视觉质量来判断二维码是否存在复制攻击,这将明显提高其便捷性。LCAC水印二维码包含两个参数:水印的嵌入强度和二维码正常解码的约束强度。通过仿真实验,我们分析了两个参数与各个系统性能指标之间的关系,系统性能指标包括:二维码解调解码的准确率,水印提取的正确率,峰值信噪比和结构相似程度。通过实际实验表明:当水印的嵌入强度为0.000004和二维码正常解码的约束强度为1时,可以达到理想状态,即合法打印时,基于重叠后的二维码,通过视觉能清晰观察到嵌入的水印图案;而非法复制通过视觉无法观察到水印图案。
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