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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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