CN110991589A - 一种二维码及其加密方法 - Google Patents

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CN110991589A CN201911247006.8A CN201911247006A CN110991589A CN 110991589 A CN110991589 A CN 110991589A CN 201911247006 A CN201911247006 A CN 201911247006A CN 110991589 A CN110991589 A CN 110991589A
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Abstract

本发明涉及一种二维码及其加密方法，基于字符串C＝(a1a2a3a4……an)按一定规则生成的图形编码区，以及位于图形编码区上的加密曲线L；所述加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn‑1,bn)组成，其中b1b2b3......bn‑ 1bn即为加密字符串C'＝(b1b2b3b4……bn)；所述加密字符串C'＝(b1b2b3b4……bn)由字符串C＝(a1a2a3a4……an)加密而来，其加密函数为f(x)。本方案必须通过相应的扫码设备读出曲线信息，只有通过曲线坐标验证，才能从数据库调取对应的秘钥，完成后续操作，从而很好的解决了扫码有特殊用途二维码的验证问题。

Description

一种二维码及其加密方法
技术领域
本发明涉及二维码领域，具体涉及一种二维码及其加密方法。
背景技术
二维码又称二维条码，最常见的形式是QR Code，QR全称Quick Response，是一个近几年来移动设备上超流行的一种编码方式，它比传统的Bar Code条形码能存更多的信息，也能表示更多的数据类型。二维条码/二维码(2-dimensional bar code)用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点。2016年8月3日，支付清算协会向支付机构下发《条码支付业务规范》(征求意见稿)，意见稿中明确指出支付机构开展条码业务需要遵循的安全标准。这是央行在2014年叫停二维码支付以后首次官方承认二维码支付地位。
现在二维码的应用已很成熟，应用范围也较为广泛，存储的额信息也较丰富，可是应用在特定平台上的二维码不只是识别，如果是带有领取奖励等其他特定功能，采取普通二维码，就会造成误领。现有二维码采用一定长度字符串按一定的规则生成的，在其他标准的扫码设备上均能读出对应的字符串。这就需要对普通二维码做特别的加密处理，才能适应特别应用场景的要求，就目前而言，所有的二维码都未对二维码本身进行加密，通过扫码功能均能识别该二维码，因此如何提高一种具有加密功能的二维码是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二维码及其加密方法，在普通二维码的基础上，加入了一个由特定函数生成的字符，由字符串相邻两个数字组成坐标，由不同坐标一次连接组成曲线，然后通过相应的扫码设备读出曲线信息，只有通过曲线坐标验证，才能从数据库调取对应的秘钥，完成后续操作，从而很好的解决了扫码有特殊用途二维码的验证问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种二维码，其特征在于，该二维码包括：
基于字符串C＝(a1a2a3a4……an)按一定规则生成的图形编码区，以及位于图形编码区上的加密曲线L；
所述加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn-1,bn)组成，其中b1b2b3……bn-1bn即为加密字符串C'＝(b1b2b3b4……bn)；
所述加密字符串C'＝(b1b2b3b4……bn)由字符串C＝(a1a2a3a4……an)加密而来，其加密函数为f(x)。
本发明中是在传统的二维码上增加一个具有加密信息的加密曲线，该曲线的验证信息存与扫码设备中，在进行二维码扫码时，必须先通过曲线验证，验证成功以后才能正常读取二维码的信息进行后续操作，从而保证了二维码在使用过程中的安全性，避免出现误扫码的现象，其中加密函数为f(x)为任意函数，其本质是对对字符串C的字符进行一一映射，得到一个新的字符，因此加密函数为f(x)应理解为本领域已公知的任意函数。
进一步的，所述加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn-1,bn)平滑连接形成。平滑连接的优势可在于增强曲线的可读取度，提高曲线验证的成功率。
进一步的，所述加密函数为f(x)为an到bn的映射函数，例如f(x)＝kx2+bx+c，其中k≠0，b、c为任意常数。
一种二维码加密方法，该方法步骤如下：
S1：数据分析，确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成字符串C，并确定纠错等级；
S2：字符串加密，对字符串C按加密函数f(x)进行加密，得到加密字符串C'；
S3：生成图形编码，对字符串C按编码规则生成一个二维图形编码；
S4：生成加密曲线，将加密字符串C'内的连续连个字符作为一组坐标点，得到
Figure BDA0002307957160000021
个坐标，其中n为加密字符串C'的字符个数，将
Figure BDA0002307957160000022
个坐标平滑连接形成一条位于二维图形编码上的加密曲线L。
进一步的，所述步骤S4中，若n为奇数，则生成一个复合点，其表示为(bn-2,bn-1)、(bn-1,bn)，n表示字符b在加密字符串C'中的顺序。
进一步的，还包括一个二维码验证步骤，其步骤流程如下：
S01：使用扫码设备扫码二维码；
S02：读取曲线L并进行验证，若曲线L上的坐标点与***验证曲线L'重合度超过阈值M，则验证通过，并进入下一步，反之则返回上一步；
S03：识别二维码，读取二维码中的数据。
进一步的，所述验证曲线L'是根据加密函数f(x)＝kx2+bx+c生成的标准曲线。
进一步的，所述阈值M的取值大于等于70％。
进一步的，所述步骤S3包括：
S01：数据编码，将字符串C转换为位流，每8位一个码字，构成一个数据码字序列C1；
S02：纠错编码，将数据码字序列C1分块，得到若干分块码字c，根据纠错等级和分块码字c产生纠错码字，并把纠错码字加入到数据码字序列后面，成为一个新的序列C2；
S03：构造最终数据信息，在规格确定的条件下，将序列C2按次序放入分块中按规定把数据分块，然后对每一块进行计算，得出相应的纠错码字区块，把纠错码字区块按顺序构成一个序列，添加到数据码字序列C1后面，形成完整序列C3；
S04：构造矩阵，将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中，并把上面的完整序列C3填充到相应规格的二维码矩阵的区域中；
S05：掩膜，将掩摸图形用于符号的编码区域，使得二维码图形中的深色和浅色区域能够按最优比率分布；
S06：生成格式和版本信息放入相应区域内。
进一步的，所述步骤S01包括：
S11：分组，假设字符串C＝(a1a2a3a4……an)的字符数为N，则每3个字符为一组，形成连续分组a1a2a3、a4a5a6、……an-2an-1an，若N不为3的倍数，则最后一组字符小于3；
S12：转成二进制，将每组分别转换成二进制编码；
S13：转成序列，将每组二进制编码依次排列形成二进制序列；
S14：字符数转成二进制，将字符数N转成二进制，形成一个字符数二进制编码；
S15：加入模式指示符，加入一个二进制指示符，然后将二进制指示符和字符数二进制编码依次放在二进制序列前方形成一个数据码字序列C1。
本发明的有益效果是：本发明在原有二维码的基础上根据二维码对应的字符串按函数关系生成一个加密序列码，然后将加密序列码连续两点作为一个坐标点，形成多个坐标点，然后平滑连接形成一条加密曲线，在进行扫描读取数据时，只有该曲线读取成功以后才能继续后面的扫码操作，从而使得二维码在扫码之前有一个解密过程，保证了信息的安全性。
附图说明
图1为本发明的二维码示意图；
图2为本发明加密解密的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种二维码，其特征在于，该二维码包括基于字符串C＝(a1a2a3a4……an)按一定规则生成的图形编码区，以及位于图形编码区上的加密曲线L。其中图1所展示的图形编码区为矩阵式二维码，除此之外图形编码区可以采用目前已知的所有图形编码形式。二维码一共有40个尺寸。官方叫版本Version。Version 1是21 x 21的矩阵，Version 2是25 x 25的矩阵，Version 3是29的尺寸，每增加一个version，就会增加4的尺寸，公式是：(V-1)*4+21(V是版本号)最高Version 40，(40-1)*4+21＝177，所以最高是177 x 177的正方形。以上所有尺寸均可用于本方案中。同时二维条码/二维码可以是堆叠式/行排式二维条码或矩阵式二维条码。有代表性的行排式二维条码有:Code 16K、Code 49、PDF417等。折叠矩阵式，短阵式二维条码(又称棋盘式二维条码)它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。具有代表性的矩阵式二维条码有:Code One、Maxi Code、QRCode、Data Matrix等。在目前几十种二维条码中，常用的码制有:PDF417二维条码、Datamatrix二维条码、Maxicode二维条码、QR Code、Code 49、Code 16K、Code one等，除了这些常见的二维条码之外，还有Vericode条码、CP条码、Codablock F条码、田字码、Ultracode条码，Aztec条码。因此本方案中的图形编码区并不仅仅局限于某一种形式的二维码，凡是目前已知的或未来设计的均可适用于本方案中。
加密曲线L是分布在图形编码区的一根曲线，其覆盖区域可以是图形编码区的任意部位，其长度不限，甚至可以是一条多圈首尾不相连的螺旋线，其前提是干扰图形编码区的正常读取。更为具体的，加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn-1,bn)组成，其中b1b2b3……bn-1bn即为加密字符串C'＝(b1b2b3b4......bn)；加密字符串C'＝(b1b2b3b4......bn)由字符串C＝(a1a2a3a4......an)加密而来，其加密函数为f(x)，f(x)为本领域的公知任意函数，本实施例中无法穷举，例如对数函数、一次函数、二次函数等等。为使得本实施例更为具体化，在本实施例中，令f(x)＝kx2+bx+c，其中k≠0，b、c为任意常数，其中加密函数为f(x)为an到bn的映射函数。
作为一种具体例化，假设字符串C＝123456789，其中k＝1、b＝1、c＝1，则有：
f(x)＝x2+x+1，则一一对应的则有：f(1)＝3、f(2)＝7、f(3)＝13、f(4)＝21、f(5)＝31、f(6)＝43、f(7)＝57、f(8)＝73、f(9)＝91；对应的加密字符串C'＝3713213143577391。则相应的坐标点为(3,7)(13,21)、(31，43)、(57,73)、(73,91)，由于总共为9个字符为了保证其形成坐标点，当字符数为单数时则采用坐标重合的方式设置。将上述各点连接形成的曲线即为加密曲线L。
在实际识别过程中，由于当函数f(x)中各参数取值不同，会对最后的结果造成影响，从而形成一个位数较长的字符，从而使得识别难度加大，而二维码识别过程中一般只能识别一位数，因此为了使得识别更为简化，本实施例中对此作出了两种优化设计。方案一是将字符串C'＝3713213143577391的单个字符进行列点，即类似于(3,7)、(1,3)、(2,1)……(9,1)，然后将各点连接形成曲线L。但该方案存在另一个问题，就是会造成验证点过多。针对该问题，本实施例作出进一步优化，提出方案二，对函数f(x)的结果定位取值，例如取首位数，或末尾数或固定位数的方式，若该固定位缺少则取0。例如在上述举例中，取函数f(x)的首位数，则有f(1)＝3、f(2)＝7、f(3)＝1、f(4)＝2、f(5)＝3、f(6)＝4、f(7)＝5、f(8)＝7、f(9)＝9，则对应的有加密字符串C'＝371234579，其形成的坐标点即为(3,7)、(1,2)、(3,4)、(5,7)、(7,9)，从而减少了验证点数量。
在将各点进行连接时，其连接方式可采用线段连接也可采用曲线连接，优选的在本实施例中的加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn-1,bn)平滑连接形成。其原因在于识别过程中曲线连接可保证各点具有一个位置偏差较小的相邻点，从而增加识别成功率，因为识别设备必然存在精度差，如果采用线段识别，由于不存在相邻近似点，使得识别过程中出现唯一识别，一旦出现误差就会导致识别失败。
本实施例还提供了一种二维码加密方法，该方法步骤如下：
S1：数据分析，确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成字符串C，并确定纠错等级；在规格一定的条件下，纠错等级越高其真实数据的容量越小。
S2：字符串加密，对字符串C按加密函数f(x)进行加密，得到加密字符串C'；
S3：生成图形编码，对字符串C按编码规则生成一个二维图形编码；
S4：生成加密曲线，将加密字符串C'内的连续连个字符作为一组坐标点，得到
Figure BDA0002307957160000051
个坐标，其中n为加密字符串C'的字符个数，将
Figure BDA0002307957160000061
个坐标平滑连接形成一条位于二维图形编码上的加密曲线L。
其中步骤S1和步骤S3属于对图形编码的设计部分，根据不同图形编码的编码方式存在不同，本领域技术人员应知晓，步骤S1和步骤S3可根据不同的编码制式进行合理调整，本实施例中以矩阵二维码为例进行说明。
对应的，步骤S3的详细步骤包括：
S01：数据编码，将字符串C转换为位流，每8位一个码字，构成一个数据码字序列C1；知道这个数据码字序列就知道了二维码的数据内容。其包含了如下子步骤：
S11：分组，假设字符串C＝(a1a2a3a4......an)的字符数为N，则每3个字符为一组，形成连续分组a1a2a3、a4a5a6、……an-2an-1an，若N不为3的倍数，则最后一组字符小于3；假设C＝01234567，则分组后为012 345 67；
S12：转成二进制，将每组分别转换成二进制编012→0000001100-345→0101011001-67→1000011；
S13：转成序列，将每组二进制编码依次排列形成二进制序列00000011000101011001 1000011；
S14：字符数转成二进制，将字符数N转成二进制，形成一个字符数二进制编码，N＝8→0000001000；
S15：加入模式指示符，加入一个二进制指示符0001，然后将二进制指示符和字符数二进制编码依次放在二进制序列前方形成一个数据码字序列C1＝0001 00000010000000001100 0101011001 1000011。对于字母、中文、日文等只是分组的方式、模式等内容有所区别，基本方法是一致的。
S02：纠错编码，将数据码字序列C1分块，得到若干分块码字c，根据纠错等级和分块码字c产生纠错码字，并把纠错码字加入到数据码字序列后面，成为一个新的序列C2；在二维码规格和纠错等级确定的情况下，其实它所能容纳的码字总数和纠错码字数也就确定了，比如：版本10，纠错等级时H时，总共能容纳346个码字，其中224个纠错码字。就是说二维码区域中大约1/3的码字时冗余的。对于这224个纠错码字，它能够纠正112个替代错误(如黑白颠倒)或者224个据读错误(无法读到或者无法译码)，这样纠错容量为：112/346＝32.4％
S03：构造最终数据信息，在规格确定的条件下，将序列C2按次序放入分块中按规定把数据分块，然后对每一块进行计算，得出相应的纠错码字区块，把纠错码字区块按顺序构成一个序列，添加到数据码字序列C1后面，形成完整序列C3；如：D1,D12,D23,D35,D2,D13,D24,D36,…D11,D22,D33,D45,D34,D46,E1,E23,E45,E67,E2,E24,E46,E68，…
S04：构造矩阵，将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中，并把上面的完整序列C3填充到相应规格的二维码矩阵的区域中。其中，位置探测图形、位置探测图形分隔符、定位图形：用于对二维码的定位，对每个QR码来说，位置都是固定存在的，只是大小规格会有所差异；
校正图形：规格确定，校正图形的数量和位置也就确定了；
格式信息：表示改二维码的纠错级别，分为L、M、Q、H；
版本信息：即二维码的规格，QR码符号共有40种规格的矩阵(一般为黑白色)，从21×21(版本1)，到177×177(版本40)，每一版本符号比前一版本每边增加4个模块。
数据和纠错码字：实际保存的二维码信息，和纠错码字(用于修正二维码损坏带来的错误)。
S05：掩膜，将掩摸图形用于符号的编码区域，使得二维码图形中的深色和浅色区域能够按最优比率分布；
S06：生成格式和版本信息放入相应区域内。
以上即目前主流使用的QR码编码过程，当使用其他制式编码时，对步骤S1和步骤S3进行相应替换即可。
作为一种优选实施例，步骤S4中，若n为奇数，则生成一个复合点，其表示为(bn-2,bn-1)、(bn-1,bn)，n表示字符b在加密字符串C'中的顺序，例如上述举例中加密字符串C'＝371234579，其形成的坐标点即为(3,7)、(1,2)、(3,4)、(5,7)、(7,9)。
如图2所示，最后本实施例还提供一个二维码验证步骤，其步骤流程如下：
S01：使用扫码设备扫码二维码；
S02：读取曲线L并进行验证，若曲线L上的坐标点与***验证曲线L'重合度超过阈值M，则验证通过，并进入下一步，反之则返回上一步，其中，阈值M的取值大于等于70％。识别曲线上的坐标，当识别出该曲线上的坐标点数量大于等于所有点70％时，验证通过，***直接从数据库调取对应曲线的所有坐标补偿坐标点。当识别出该曲线上的坐标点数量小于所有点70％时，验证通过后从数据库调取密码，后续操作的按钮激活，验证失败。验证失败只能读出本二维码信息，后续的操作不能进行。
S03：识别二维码，读取二维码中的数据。
这里所指的验证曲线L'是根据加密函数f(x)＝kx2+bx+c生成的标准曲线，并将字符串对应的坐标点通过计算或预存的方式设置在扫码器中，因此要完成二维码的识别必须使用对应的二维码扫码器，传统的二维码扫描器无法识别。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种二维码，其特征在于，该二维码包括：
基于字符串C＝(a1a2a3a4……an)按一定规则生成的图形编码区，以及位于图形编码区上的加密曲线L；
所述加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn-1,bn)组成，其中b1b2b3……bn-1bn即为加密字符串C'＝(b1b2b3b4……bn)；
所述加密字符串C'＝(b1b2b3b4……bn)由字符串C＝(a1a2a3a4……an)通过加密函数f(x)映射得到。
2.根据权利要求1所述的一种二维码，其特征在于，所述加密曲线L由坐标点(b1,b2)、(b3,b4)、(b5,b6)……(bn-1,bn)平滑连接形成。
3.根据权利要求2所述的一种二维码，其特征在于，所述加密函数f(x)是指an到bn的映射函数，且满足f(x)＝kx2+bx+c，其中k≠0，b、c为任意常数。
4.一种实现权利要求1-3任一项所述的二维码加密方法，其特征在于，该方法包括以下一个或多个步骤：
S1：数据分析，确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成字符串C，并确定纠错等级；
S2：字符串加密，对字符串C中的字符按加密函数f(x)进行映射，得到加密字符串C'；
S3：生成图形编码，对字符串C按编码规则生成一个二维图形编码；
S4：生成加密曲线，将加密字符串C'内的连续连个字符作为一组坐标点，得到
Figure FDA0002307957150000011
个坐标，其中n为加密字符串C'的字符个数，将
Figure FDA0002307957150000012
个坐标平滑连接形成一条位于二维图形编码上的加密曲线L。
5.根据权利要求4所述的一种二维码加密方法，其特征在于，所述步骤S4中，若n为奇数，则生成一个复合点，其表示为(bn-2,bn-1)、(bn-1,bn)，n表示字符b在加密字符串C'中的顺序。
6.根据权利要求5所述的一种二维码加密方法，其特征在于，还包括一个二维码验证步骤，其步骤流程如下：
S01：使用扫码设备扫码二维码；
S02：读取曲线L并进行验证，若曲线L上的坐标点与***验证曲线L'重合度超过阈值M，则验证通过，并进入下一步，反之则返回上一步；
S03：识别二维码，读取二维码中的数据。
7.根据权利要求6所述的一种二维码加密方法，其特征在于，所述验证曲线L'是根据加密函数f(x)＝kx2+bx+c生成的标准曲线。
8.根据权利要求7所述的一种二维码加密方法，其特征在于，所述阈值M的取值大于等于70％。
9.根据权利要求8所述的一种二维码及其加密方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S01：数据编码，将字符串C转换为位流，每8位一个码字，构成一个数据码字序列C1；
S02：纠错编码，将数据码字序列C1分块，得到若干分块码字c，根据纠错等级和分块码字c产生纠错码字，并把纠错码字加入到分块码字c后面，然后按序排列将成为一个新的序列C2；
S03：构造最终数据信息，在规格确定的条件下，将序列C2按次序放入分块中按规定把数据分块，然后对每一块进行计算，得出相应的纠错码字区块，把纠错码字区块按顺序构成一个序列，添加到数据码字序列C1后面，形成完整序列C3；
S04：构造矩阵，将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中，并把上面的完整序列C3填充到相应规格的二维码矩阵的区域中；
S05：掩膜，将掩摸图形用于符号的编码区域，使得二维码图形中的深色和浅色区域能够按最优比率分布；
S06：生成格式和版本信息放入相应区域内。
10.根据权利要求9所述的一种二维码及其加密方法，其特征在于，所述步骤S01包括：
S11：分组，假设字符串C＝(a1a2a3a4……an)的字符数为N，则每3个字符为一组，形成连续分组a1a2a3、a4a5a6、……an-2an-1an，若N不为3的倍数，则最后一组字符小于3；
S12：转成二进制，将每组分别转换成二进制编码；
S13：转成序列，将每组二进制编码依次排列形成二进制序列；
S14：字符数转成二进制，将字符数N转成二进制，形成一个字符数二进制编码；
S15：加入模式指示符，加入一个二进制指示符，然后将二进制指示符和字符数二进制编码依次放在二进制序列前方形成一个数据码字序列C1。
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