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基于非法信道噪声特性的防复制二维码算法研究

基于非法信道噪声特性的防复制二维码算法研究

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作者：罗钢深圳大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：二维码防复制非法信道理论建模半色调视觉水印

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基于认证标签的防复制二维码算法研究

基于认证标签的防复制二维码算法研究

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作者：张齐齐深圳大学

学位级别：硕士

由于二维码独特的光学可见性,容易受到非法复制(Illegitimately-Copying,IC)的攻击。IC攻击不仅阻碍了二维码的推广使用,也对商家和用户造成了不可避免的经济损失。早期的防复制二维码主要利用特殊打印材料或特殊打印技术来设计的,导致... 详细信息

由于二维码独特的光学可见性,容易受到非法复制(Illegitimately-Copying,IC)的攻击。IC攻击不仅阻碍了二维码的推广使用,也对商家和用户造成了不可避免的经济损失。早期的防复制二维码主要利用特殊打印材料或特殊打印技术来设计的,导致了以下缺陷:生产成本高和通用性低。最近,有研究者通过分析非法信道特性,提出了新的防复制二维码,比如2LQR二维码(Two-Level QR Code)和LCAC二维码(Low-Cost AntiCopying 2D Barcode),但是新的防复制二维码还存在很多限制。第一,2LQR二维码使用更细微图案代替标准二维码中的标准模块来实现防复制,存在以下缺陷:由于容易引起视觉上的修改,所以隐蔽性较差;由于接收时需要更高的定位精度,所以很难应用于手机端;由于2LQR二维码是针对二阶调制模型设计的,很难直接扩展到高阶调制模型,所以扩展性较差。第二,LCAC二维码是用认证信息的比特位替换原始信息的比特位来实现防复制。尽管LCAC二维码克服了2LQR二维码上述缺陷,但是其安全性在高级IC攻击下性能还是不够理想。本学位论文主要通过深入挖掘非法信道噪声特性,研究新的防复制二维码来克服现有方法的上述限制,并尝试进一步提升其安全性。本学位论文利用比较二维码合法信道和非法信道之间的噪声特性差异,提出一种基于标签的新防复制二维码,称为STAC二维码(Superimposed-Tag Anti-Copying 2D Barcode)。具体来说,首先,发送端基于原始信息和密钥生成认证标签。然后,发送端为认证标签分配一个幅度分配因子,并将认证标签叠加在原始信息的调制信号上生成STAC二维码。最后,发送端将STAC二维码打印出来。为了对STAC二维码进行准确的理论分析,本学位论文使用广义高斯分布对非法信道中的噪声进行理论建模。在理论模型的基础上,本学位论文对STAC二维码的攻击检测概率(Probability of Attacking Detection,PAD)和虚警概率(Probability of a False Alarm,PFA)进行了理论分析,推导了其封闭解表达式,并基于Neyman-Pearson理论推导了攻击检测的最佳判决阈值的封闭解表达式。在搭建的硬件实验平台上,通过产生各种现存的IC攻击,比较了STAC二维码和现有方法的性能。通过实验发现针对2LQR二维码和LCAC二维码最佳IC攻击的PAD值分别为34.62%和0%,而STAC二维码的PAD值为57.12%,因此STAC二维码具有更佳的安全性能。为了进一步提高STAC二维码的性能,本学位论文分别优化了认证标签幅度分配因子和认证标签叠加区域。首先,通过实验发现在优化幅度分配因子后,攻击者想要发起成功的合成IC攻击所需要的合法二维码版本数量将从6张增加到11张,这大大增加合成IC攻击的成本。然后,通过实验发现当认证标签叠加在星座点220上,则会具有最好的安全性和第二好的隐蔽性。本学位论文通过引入编码技术来进一步提升STAC二维码的性能。具体来说,通过编码技术在保证相同认证标签强度下,尽可能降低对原始信息的修改率。从而可以保证相同的安全性前提下,提升了STAC二维码的隐蔽性。本学位论文提出了两种编码方案。第一种编码方案利用认证标签之间的编码关系来控制嵌入位置。具体来说,发送端将认证标签平均划分成两个标签块,然后利用两个标签块对应符号位的编码关系,决定是否在原始信息对应符号位叠加认证标签。第二种编码方案利用认证标签和原始信息之间的编码关系来控制嵌入位置。具体来说,发送端利用认证标签和原始信息对应符号位的编码关系,决定是否在原始信息对应符号位叠加认证标签。在理论模型的基础上,本学位论文对两种编码方案的PAD和PFA进行了理论分析,推导了其封闭解表达式,并基于Neyman-Pearson理论推导了攻击检测的最佳判决阈值的封闭解表达式。通过实验结果可以看到,相对于标准STAC二维码,第一种编码方案在保证近似的安全性前提下,隐蔽性得到了明显提升。第二种编码方案充分挖掘了打印捕获信道对不同星座点有不同偏移效果,不仅隐蔽性得到了提升,安全性也得到了明显提升。

关键词：防复制二维码非法复制攻击非法信道认证标签理论模型

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