一种基于QR码的物理域图像隐写方法、装置与流程

本发明涉及隐写术(stegnography)技术领域，尤其涉及一种基于qr码的物理域图像隐写方法、装置。

背景技术：

随着互联网技术的不断发展，目前对数据隐藏的需求也在不断增加，在用户发送和接收隐私数据时，用户希望除预期的接收者之外的任何人都无法知晓传递隐私数据的内容，甚至能够隐藏消息传递的存在，使用隐写术则能满足用户对于数据隐藏的该苛刻要求。隐写术即是将隐私信息隐藏到载体文件中，使得不让除预期的接收者之外的任何人知晓信息的传递事件或者信息的内容，与密码学(cryptography)相同的是，隐写术也是以隐藏特定媒体中的消息为目的，然而隐写术与密码学具有一个明显的区别，即密码学是通过加密仅隐藏了消息的内容，而隐写术隐藏了消息传递的存在，这也即是隐写术的优势。隐写术作为新的安全隐蔽通信技术，其在军事、安全和工业界均具有广泛的应用前景。

隐写术一般可以分为传统隐写术和现代隐写术，传统隐写术是采用物理、化学等方法在物理域隐藏信息，使得除预期的接收者之外的任何人无法知晓信息的传递以及传递信息的内容，例如用无色的硫酸铁溶液写成的文字，经棉花蘸氰酸钾擦拭后变成中湖蓝色，但是该类方式的解密所需条件和操作比较复杂，很难被计算机处理，难以从物理域传递到信息域；现代隐写术，即数字隐写术，是通过将传递的内容隐藏在载体文件(coverfiles)中实现，目前用于载体文件的通常包括图像、音频以及多媒体文件等，这些载体通过互联网在信息域中传递，同时将隐私数据进行传递，虽然音频、视频隐写术部分可以实现物理域与信息域的互通，但是音频和视频在信息的采集上存在一定的难度，并且音频和视频需要持续地播放，对扫描设备的要求较高，且音频和视频无法驻留，而图像类的隐写，而图像隐写术对扫描设备无较高要求，且图像可以打印长时间驻留。

针对图像类隐写术，目前通常都是采用如dwt等的方法将密文隐写到载体文件中，再将含有密文的载体文件和源文件同时传输，接收时用原始图像dwt分量减去隐写图像dwt的分量，得到隐写信息但是上述图像隐写方式，图像从物理域到信息域需要通过摄像设备的进行转换，然而摄像设备几乎不可能读取物理域图像的真实值，同时无论是打印机或者屏幕显示都无法准确显示隐写图片的真实信息，因此上述图像隐写方式仍然无法实现从信息域(计算机世界)到物理域(现实世界)，或从物理域到信息的传递。

另一类图像类隐写方法是基于qr(quickresponse，快速反应)码实现，qr码是二维码的一种，通过将数据编码成浅色和深色的(通常是白色和黑色)格子，其中浅色和深色格子分别代表二进制的0和1，并在三个角落印有特殊的定位标志，使得计算机能够快速定位并识别qr码，而识别这些qr码时只能通过手机、电脑等一些电子设备进行识别，几乎不能通过人眼的观察直接提取出qr码中的信息，即从某种角度而言，qr码没有语义上的信息，难以被人直接识别，可以有效实现信息隐藏，同时能够快速识别。

现有技术中使用qr码进行隐写时，通常都是将隐写信息直接编码后与原二维码数据部分进行异或后得到隐写qr码，或者基于qr码的纹路以及纹理信息进行隐写，但是该类隐写方式的隐写信息量有限、隐写后与原qr图像差异较大以及鲁棒性低，由于是将数据编码成01二进制嵌入，一旦任何一个比特出现误差则难以完整地提取隐写信息，甚至会导致无法提取，且仍然无法实现跨域隐写，无法实现信息域与物理域的互通。

随着互联网、iot(物联网)的发展，使得对隐写术提出了更高的需求，因而亟需提供一种既能在信息域能够隐写，又能够在物理世界中隐写，同时从信息域到物理域以及从物理域到信息域能够互通的图像隐写方法，使得能够实现跨域隐写。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方式简单、能够实现跨域隐写，且隐写信息量大、隐写前后图像差异小且鲁棒性以及灵活性强的基于qr码的物理域图像隐写方法，能够实现物理域与信息域的互通。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于qr码的物理域图像隐写方法，步骤包括：

s1.隐写加密：将目标隐写信息进行编码得到待隐写数据以及获取载体qr码的最佳隐藏位置信息，根据得到的待隐写数据以及所述最佳隐藏位置信息生成隐写图，使用生成的所述隐写图与载体图像得到含有目标隐写信息的qr码；

s2.隐写信息提取：获取目标qr码进行解码，提取所述目标qr码的表面文本信息后生成qr码，提取得到所述载体qr码，由所述目标qr码、载体qr码恢复得到所述隐写图，并根据所述载体qr码的最佳隐藏位置信息对恢复得到的所述隐写图进行解密，得到目标qr码中的隐写信息。

作为本发明的进一步改进：所述最佳隐藏位置信息的获取步骤包括：获取所述载体qr码中包括版本、容错率以及数据排布信息的qr码信息，根据获取的所述qr码信息计算所述载体qr码中隐写信息的最佳排布位置，以使得所述载体qr码中每组数据的错误量不超过预设容纳量，得到所述最佳隐藏位置信息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s1中进行编码的步骤包括：将目标隐写信息进行编码压缩，编码压缩后结果再进行纠错编码，生成纠错码，由所述编码压缩后结果以及所述纠错码构成所述待隐写数据。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s1中，具体通过将所述第一隐写图像与载体图像进行按位异或操作处理，得到所述含有目标隐写信息的qr码。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s1的具体步骤包括：

s11.预处理：将目标隐写信息进行预处理，得到预处理后隐写文本；

s12.压缩编码：将所述预处理后隐写文本进行编码压缩，编码压缩后结果再进行纠错编码，生成纠错码，由所述编码压缩后结果以及所述纠错码构成所述待隐写数据；

s13.最佳隐藏位置获取：计算所述载体qr码中隐写信息的最佳排布位置，得到载体qr码的最佳隐藏位置信息；

s14.隐写图生成：将所述待隐写数据按照所述载体qr码的最佳隐藏位置信息进行排布，生成得到所述隐写图；

s15.qr码生成：将所述隐写图与所述载体图像按位异或操作处理后，得到含有目标隐写信息的qr码。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s1中进行预处理时，将目标隐写信息中包括不可见字符的指定字符进行过滤，得到预处理后隐写文本。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s2中，所述步骤s2中，具体通过由所述目标qr码、所述载体qr码按位进行异或处理后，恢复得到所述隐写图

作为本发明的进一步改进：所述步骤s2中，具体通过使用所述载体qr码的最佳隐藏位置信息对所述隐写图进行信息提取，得到所述目标qr码中的隐写信息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s2的步骤包括：

s21.载体文本提取：获取目标qr码进行解码，提取所述目标qr码的载体文本信息；

s22.载体qr码提取：将提取得到的所述目标qr码的载体文本信息进行编码生成qr码，提取得到所述载体qr码；

s23.最佳隐藏位置计算：计算所述步骤s22得到的载体qr码中隐写信息的最佳排布位置，得到所述最佳隐藏位置信息；

s24.隐写图恢复：由所述目标qr码、所述步骤s22得到的载体qr码按位进行异或处理后，恢复得到所述隐写图；

s25.隐写文本解密：使用所述步骤s23计算得到的最佳隐藏位置信息对所述隐写图进行信息提取，得到所述目标qr码中的隐写信息。

本发明进一步提供一种基于qr码的物理域图像隐写装置，包括计算机设备被编程，所述计算机设备被编程以执行上述基于qr码的物理域图像隐写方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过在基于qr码进行隐写加密时，对隐写信息进行编码后利用载体qr码的最佳隐藏位置信息生成隐写图，再由隐写图与载体图像得到qr码，从而将隐写信息隐藏于载体qr码中，经过上述隐写方式，通过扫描设备扫描仅能获取载体信息，无法直接获取qr码中的隐写信息；从隐写qr码中提取隐写信息时，首先扫描识别目标qr码，提取qr码的载体文本信息并生成载体信息qr码，并与目标qr码恢复出隐写图，再利用载体qr码的最佳隐藏位置信息对隐写图进行解密得到隐写信息，该隐写图片可以打印到条件复杂的物理域中，同时可以识别出隐写信息，实现从信息域到物理域、物理域到信息域的跨域隐写，使得隐写信息在物理域和信息域之间能够互通。

2、本发明通过对载体qr码进行分析，计算隐藏信息的最佳位置排布，以优化qr中隐写信息的位置排列，结合优化的最佳位置排布进行隐写，能够尽可能的降低隐写数据对qr码的影响，同时提高隐藏性能，使得隐写信息更不易于被发现。

3、本发明通过基于qr码实现物理域图像隐写，利用qr码具有错误纠正能力和qr码无语义等的特性，将qr码作为隐写的载体，使得隐写后无法直接从qr码中识别信息，且由于qr码自身具有错误纠正能力，修改在一定范围之内依然能够正常识别，因此非特定扫描设备只能扫描载体qr码的明文信息，无法提取其中隐写信息。

4、本发明通过基于qr码实现物理域图像隐写，通过结合压缩编码、纠错编码以及优化的位置排列方式使得能够极大的增大隐写的信息量，相比于传统qr码隐写方案，隐写量可以提高一倍，且隐写后得到的图像与原图差异小，且即使存在小部分qr码破损，仍然能够正确的提取隐写信息，容错性能、抗干扰及鲁棒性强。

5、本发明通过基于qr码实现物理域图像隐写，对提取信息的设备要求不高，仅需能够满足基本的qr码扫描即可，且使用用途广泛、可扩展性强。

附图说明

图1是本实施例基于qr码的物理域图像隐写方法的实现流程示意图。

图2是具体实施例(version7、容错率为h)中的qr码分布示意图。

图3是在具体实施例中采用本发明方法与传统qr隐写方法得到的隐写容量对比结果示意图。

图4是具体实施例中采用本发明方法与传统qr隐写方法得到的图像差异比例对比结果示意图。

图5是具体实施例中采用本发明方法与传统qr隐写方法得到的同等图片错误条件下成功识别和提取的频率对比结果示意图。

图6是在具体实施例中采用本发明方法与传统qr隐写方法得到的qr码结果对比示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例基于qr码的物理域图像隐写方法，步骤包括：

s1.隐写加密：将目标隐写信息进行编码得到待隐写数据以及获取载体qr码的最佳隐藏位置信息，根据得到的待隐写数据以及最佳隐藏位置信息生成隐写图，使用生成的隐写图与载体图像得到含有目标隐写信息的qr码；

s2.隐写信息提取：获取目标qr码进行解码，提取目标qr码的表面文本信息后生成qr码，提取得到载体qr码，由目标qr码、载体qr码恢复得到隐写图，并根据载体qr码的最佳隐藏位置信息对恢复得到的隐写图进行解密，得到目标qr码中的隐写信息。

本实施例基于qr码进行隐写加密时，对隐写信息进行编码后利用载体qr码的最佳隐藏位置信息生成隐写图，再由隐写图与载体图像得到qr码，从而将隐写信息隐藏于载体qr码中，经过上述隐写方式，通过扫描设备扫描仅能获取载体信息，无法直接获取qr码中的隐写信息；从隐写qr码中提取隐写信息时，首先扫描识别目标qr码，提取qr码的载体文本信息并生成载体信息qr码，并与目标qr码恢复出隐写图，再利用载体qr码的最佳隐藏位置信息对隐写图进行解密得到隐写信息，该隐写图片可以打印到条件复杂的物理域中，同时可以识别出隐写信息，实现从信息域到物理域、物理域到信息域的跨域隐写，使得隐写信息在物理域和信息域之间能够互通。

qr码自身具有错误纠正能力，且修改在一定范围之内依然能够正常识别。qr码提供了40种不同版本模式，版本1为21×21模块(模块为qr码中的最小单元)，每增加一个版本，长宽各增加4个模块，最大的版本40为177×177模块，最多可以容纳7,089个数字字符，4296个字母字符或者2953个8bit二进制数。并且qr码具有容错能力，每个版本都有四个纠错级别，分别是l、m、q和h，表1列出了qr标签的纠错能力，由表1可知qr码最高约30％面积破损仍可被读取，具有强大的抵抗损坏的能力。

表1：qr码错误纠正等级。

本实施例利用qr码具有错误纠正能力且qr码无语义等的特性，将qr码作为隐写的载体，使得隐写后无法直接从qr码中识别信息，且由于qr码自身具有错误纠正能力，修改在一定范围之内依然能够正常识别，因此非特定扫描设备只能扫描载体qr码的明文信息，无法提取其中隐写信息。

本实施例中，最佳隐藏位置信息的获取步骤包括：获取载体qr码中包括版本(version)、容错率以及数据排布信息的qr码信息，根据获取的qr码信息计算载体qr码中隐写信息的最佳排布位置，以使得载体qr码中每组数据的错误量不超过预设容纳量，得到最佳隐藏位置信息。上述qr码信息还可以根据实际需求包括纠错等级、模数等信息。

qr码的数据存储是分组进行，version7、容错率为h的qr码如图2所示，每种填充方式对应为一组数据，每一组数据再分为若干的小组，如果小组出现错误数量超过该组的错误的容纳量，则整个qr码无法解密。本实施例通过对载体qr码进行分析，计算隐藏信息的最佳位置排布，使得载体qr码中每组数据的错误量都不会超过预设容纳量，从而优化qr中隐写信息的位置排列，结合该优化的最佳位置排布进行隐写，能够尽可能的降低隐写数据对qr码的影响，同时提高隐藏性能，使得隐写信息更不易于被发现。

本实施例步骤s1中进行编码的步骤包括：将目标隐写信息进行编码压缩，编码压缩后结果再进行纠错编码，生成纠错码，由编码压缩后结果以及所述纠错码构成待隐写数据。本实施例通过先对隐写信息进行编码压缩，使得可以提高信息容纳量，同时对编码压缩后结果进行纠错编码，可以有效提高隐写的容错性能，使得隐写数据即使在传递时出现错误也能够正常解密并提取，结合使用最佳隐藏位置信息生成隐写图，能够使在同量隐写数据下对qr码影响最小，同时隐藏性能更好。

在具体应用实施例中，采用huffman编码方式对隐写信息进行编码压缩，基于huffman编码方式可以使得容纳更多信息；使用reed-solomon编码方式进行纠错编码，使用reed-solomon编码方式生成的纠错码，能够进一步提高隐写的容错性能，隐写数据即使在传递时出现较大量的错误也能够正常解密并提取。

本实施例步骤s1中，具体通过将隐写图与载体图像进行按位异或操作处理，得到含有目标隐写信息的qr码，即通过将隐写图与载体图进行异或操作，以将qr码数据中每一个数据组作为一位，使得将目标隐写信息隐藏于载体qr码中，无法直接从qr码中识别该目标隐写信息，而必须使用后续特定的隐写信息提取方式才能提取出该目标隐写信息。

本实施例中，步骤s1的具体步骤包括：

s11.预处理：将目标隐写信息进行预处理，得到预处理后隐写文本；

s12.压缩编码：将预处理后隐写文本进行编码压缩，编码压缩后结果再进行纠错编码，生成纠错码，由编码压缩后结果以及所述纠错码构成所述待隐写数据；

s13.最佳隐藏位置获取：计算载体qr码中隐写信息的最佳排布位置，得到载体qr码的最佳隐藏位置信息；

s14.隐写图生成：将待隐写数据按照所述载体qr码的最佳隐藏位置信息进行排布，生成得到隐写图；

s15.qr码生成：将隐写图与所述载体图像按位异或操作处理后，得到含有目标隐写信息的qr码。

本实施例步骤s11中进行预处理时，具体根据实际需要可将目标隐写信息中包括不可见字符等的指定字符进行过滤，得到预处理后隐写文本，以去除不必要的字符处理操作。

如图1(a)所示，本实施例对目标隐写信息进行隐写加密时，首先对隐写信息进行编码预处理，即将字符串进行预处理，以将其中不可见字符等特殊字符进行过滤得到预处理后隐写文本t1；再对预处理后隐写文本t1进行huffman编码压缩，并对压缩后的数据使用reed-solomon编码生成纠错码，并将纠错码与编码压缩后数据整合得到待隐写数据；对载体qr码提取其信息，包括：载体qr码的文本，qr码的version，纠错等级，模数，以及数据的排列等信息，根据提取的信息计算隐写信息的最佳隐藏位置排布，得到最佳隐藏位置信息，将待隐写数据与最佳位置隐藏信息作为参数生成隐写图，即将待隐写数据按照最佳位置隐藏信息进行排布进行图像生成，得到隐写图，最后将生成的隐写图与载体图像按位进行异或相应的操作后，最终得到含有目标隐写信息的qr码，经过上述步骤后，能够将隐写信息按照载体qr的数据排列分布隐藏在最佳隐藏位置，在同量隐写数据下对qr码的影响最小且隐藏效果最佳。

本实施例步骤s2中，具体通过由目标qr码、载体qr码按位进行异或处理后，恢复得到隐写图，按位异或处理即是将01二进制隐藏到qr码中，即实现将数据隐藏到qr码，将数据转换为01二进制，对应图片的黑白两色。

本实施例步骤s2中，具体通过使用载体qr码的最佳隐藏位置信息对所述隐写图进行信息提取，得到所述目标qr码中的隐写信息。本实施例通过利用最佳隐藏位置信息进行隐写加密生成qr码，在qr码解密时再利用最佳隐藏位置信息进行隐写信息提取，以实现隐写的逆过程，可以快速、准确的从qr码中提取出隐写信息。

本实施例中，步骤s2的步骤具体包括：

s21.载体文本提取：获取目标qr码进行解码，提取目标qr码的载体文本信息；

s22.载体qr码提取：将提取得到的目标qr码的载体文本信息进行编码生成qr码，提取得到所述载体qr码；

s23.最佳隐藏位置计算：计算步骤s22得到的载体qr码中隐写信息的最佳排布位置，得到最佳隐藏位置信息；

s24.隐写图恢复：由目标qr码、步骤s22得到的载体qr码按位进行异或处理后，恢复得到隐写图；

s25.隐写文本解密：使用步骤s23计算得到的最佳隐藏位置信息对隐写图进行信息提取，得到目标qr码中的隐写信息。

如图1(b)所示，本实施例进行隐写信息提取时，首先按正常qr码的格式进行解码，提取qr码的表面文本信息t2，对表面文本信息t2进行编码后生成qr码，得到载体qr码；再对生成的载体qr码进行分析，根据载体qr码的版本version、纠错等级、模数以及数据的排列等信息获取载体qr码中适合隐藏的最佳隐藏位置信息；最后将两个qr码进行按位异或(xor)恢复得到隐写图，同时根据上述得到的载体qr码中最佳隐藏位置信息对隐写图进行解密，即可解密得到隐写文本，完成隐写信息提取。

为验证本发明的有效性，在具体应用实施例中分别使用传统qr码隐写方法以及本发明上述隐写方法进行隐写测试，得到的结果如图3～6所示，其中图3对应为隐写容量的对比结果，图4对应为隐写图与原图之间的差异比例结果，图5对应为在同等图片错误条件下成功识别、提取的频率对比结果，图6对应为在同等图片错误条件下成功识别的对比结果。从图3可以看出，采用本发明上述隐写方法，在version40处的最大容量约是传统隐写方法容量的2倍，从图4可以看出，采用本发明上述隐写方法，当隐写信息容量到达1200bytes时，隐写图与原图之间的差异比例仅是传统隐写方法的65％，即采用本发明基于qr码实现物理域图像隐写，相比于传统qr码隐写方式，隐写量可以提高一倍，所能够隐写的信息量大，且隐写后得到的图像与原图差异小，同等容量的条件下，改变率仅为传统qr码隐写方法的65％，因而即使存在小部分qr码破损，仍然能够正确的提取隐写信息，抗干扰及鲁棒性强。

上述图5具体为在version为39、纠错等级为h并嵌入同量隐写数据时，同等错误程度下与传统qr隐写方案的对比结果(随机1000次)，从图中可以看出，当错误量达到50bits时，传统qr隐写方案解码的频率几乎为0，而本发明依然保持接近100％的解码频率，并且错误量达到100bits，本发明的成功解码率依然接近100％，即本发明上述qr码隐写方法具有强大的鲁棒性，在复杂的物理环境下依然能够正常工作的能力。

采用本实施例上述经过huffman压缩编码、reed-solomon纠错编码以及使用最佳隐藏位置信息来生成qr码，以及采用传统qr码方式生成qr码的结果分别如图6所示，其中图6(a)对应为原始图，图6(b)对应为使用传统qr码生成方法生成的qr码，图6(c)为图6(b)与6(a)的对比图，(d)是采用本发明上述基于最佳隐藏位置信息生成的qr码，图6(e)为图(d)与(a)的对比图，图(c)和(e)中较浅灰度的小方块即为隐写数据，从图6中可以看出，传统方式(图6(b))与采用本发明生成的qr码(图6(d))修改的像素点为同量时，传统方式的qr码不能被识别，采用本实施例上述方式生成的qr码能够被识别，即采用本实施例上述方法生成qr码可以使隐写的信息对原图影响更少，同时更不容易被人发现。

本发明上述基于qr码实现物理域图像隐写，对提取信息的设备无较高要求，仅需能够满足基本的qr码扫描即可，使用用途广泛，可以用作隐写信息传递，或者对qr码进行数字签名等多种用途，可扩展性强，还可以将本发明进一步与多种加密方式(例如rsa，aes，des等)进行结合使用以进一步提高加密性能。

本实施例进一步包括基于qr码的物理域图像隐写装置，包括计算机设备，计算机设备被编程以执行上述基于qr码的物理域图像隐写方法的步骤，该装置具有与上述基于qr码的物理域图像隐写方法相应的效果。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。