CN1682477A - 图像加密方法和视觉解密设备 - Google Patents

Abstract

一种基于作为信息单元的编码的序列的密钥序列来编码图形消息(220、221)的方法。对于该消息的具有标准化强度I的每个像素，在液晶显示器中产生基本上具有强度I的像素的总旋转α被确定。密钥序列包含任意的旋转。总旋转α和密钥序列中对应旋转之间的差作为编码的序列的一个单元被输出。设备(201)把具有由编码的序列所表示的旋转的像素呈现在第一显示器(701)上，并把具有由密钥序列所表示的旋转的像素呈现在第二显示器(211)上。通过对两个显示器的重叠来显露图形消息。该方法可以对于彩色像素的红色、绿色和蓝色强度重复进行，从而允许有色图形消息被编码和重建。

Description

图像加密方法和视觉解密设备

本发明涉及一个基于作为信息单元的编码序列的密钥序列来编码图形消息的方法，并涉及一个用于在给出了密钥序列的情况下重建此类图形消息的解密设备。

视觉密码术(M.Naor、A.ShamIr：Visual Cryptology，Eurocrypt′94，Springer-Verlag LNCS Vol.950，Springer-Verlag，1995，pp1-12)可以简要地被描述如下。一个图像被分成两个随机化的部分：图像加随机化(image plus a randomization)和随机化自身。由于随机化，其中每一部分都不包含原始图像的信息。然而，当两部分在物理上被重叠时，原始图像被重建。图1中给出一个例子：原始图像100被分成部份110和120，当它们被重叠时产生重建图像130。

如果两个部分不相配，则关于原始图像的信息不被显露而产生一个随机图像。因此如果双方想要使用视觉密码术通信，则它们必须共享随机化。一个基本的实现方式将是给接收方一个包含随机化的透明层。然后，发送者将使用这个随机化来随机化原始消息，并通过透明层或任何其它方式把随机化的消息发送到接收者。接收者把两个透明层相互重叠放置以恢复消息。这个方案可以被比作一次性密码本(one-time pad)。

当使用两个显示屏(例如两个LCD屏时)，获得一个更灵活的实现方式。第一屏幕显示图像加随机化，而第二屏幕显示随机化本身。如果两个屏幕被相互重叠放置，则重建图像显现。欧洲专利申请02075527.8(代理人文档PHNL020121)描述了一个能够重建使用视觉密码术产生的图形消息的设备。该设备利用了液晶显示器中液晶单元的偏振旋转效应。

液晶显示器中的偏振滤光器只让有特定偏振的光穿越。通常，液晶单元以某个角度旋转经过它的光的偏振。如果足够的电压被施加到该单元，则不发生旋转。这被称为″激活″该单元。如果入射光的偏振总旋转在穿越两个重叠的液晶层之后垂直于第二偏振滤光器的偏振方向，则光线是不可见的。

在接收优选地是二进制值的序列的信息单元序列之后，所述设备通过激活或不激活液晶层中的单元来在第一液晶显示器上呈现所述序列。在任何显示发生之前，处理或解密步骤是不必要的；信息单元在它们被接收时被显示。在第二显示器上显示全然基于密钥序列被生成的另一个图案。

通过用正确的对准来重叠第一和第二显示器来执行对图像的重建，以使得用户可以看到重建的图形消息。重建直接通过人眼而不是通过可能被损害的设备来执行。这是使用视觉密码术来更加安全地传递保密信息。

上述的欧洲专利申请02075527.8描述了液晶层中各个单元的偏振在透射式显示器情况下被旋转0或90度，或在反射式显示器的情况下被旋转45度。这意味着这个申请中的方法和设备只能编码和重建纯粹黑白的图形消息。

本发明的一个目的是根据前文提供一个方法，其保持原始图形消息的分辨率和明亮度，并容许对包括任意强度的像素的图形消息进行编码以使得重建过程能保存那些强度。

这个目的根据本发明用一种方法而达成，该方法包括：对于图形消息的每个像素(所述的像素具有标准化强度I)，确定用于表示导致产生基本上具有强度I的像素的液晶显示器中单元偏振的旋转的总旋转值α；从密钥序列中选择单元α₂，该单元表示液晶显示器中单元偏振的任意旋转；计算作为旋转值α和单元α₂之间的差的第一消息值α₁；和基于第一消息值α₁输出编码的序列的一个单元。

原则上，取决于液晶显示器的构造和施加到液晶单元上的电压，有可能把液晶显示器中的光偏振旋转某个范围(例如[0，π/2]或[0，π])内的任意角度。取决于所选择的角度，有可能使得像素以特定强度显现。然而，改变强度并没有在上述专利申请中被描述或建议。

根据本发明，消息中像素的强度现在被用于编码，而不是在先有技术中那样编码作为二进制值的图形消息的像素。密钥序列现在实质上表示一系列任意选择的旋转，而不是任意选择的黑色或白色像素。基于由密钥序列单元指示的旋转和图形消息的特定像素的总旋转之间的差，编码的序列的一个单元被计算。

如果密钥序列被谨慎地选择，则在只给出编码的序列的情况下(视觉密码术术语中的“第一部分”)，图形消息是不可能被重建的。然而，具有编码的序列和密钥序列的接收者可以在两个各自的液晶显示器上显示它们。在所述各自显示器上的像素强度根据相应序列中指示的值来控制。重叠两个显示器使得原始消息以其原始质量显现并具有强度或灰度值基本相同的像素。

在本方法的一个实施例中，还包括将中间值 x计算为 x＝arccos(|√( I)|)，和将值α确定为 x或π- x。 x和π- x表示产生所期望强度 I的旋转。即使当两个像素的对应的密钥单元α₂一样的时候，现在对于标准化强度相同的两个不同像素获得不同消息值α₁也是可能的。

在又一个实施例中，标准化强度I对应于所述像素的第一颜色分量的强度，并且本方法还包括对对应于所述像素第二颜色分量的标准化强度的第二旋转值重复进行确定、选择和计算步骤以获得第二消息值，对对应于所述像素第三颜色分量的标准化强度的第三旋转值重复进行确定、选择和计算步骤以获得第三消息值，以及基于第二和第三消息值输出编码的序列的单元。

在彩色LCD中，一个彩色像素从三个子像素或颜色分量被建立。例如通过施加一个滤色器，每个子像素具有相应的不同颜色(红色、绿色和蓝色)。如同灰度一样，通过改变相应的旋转(α_R，α_G和α_B)，每种颜色的强度可以分别地被改变，而这样具有任何颜色的像素都可以被产生。从而，有色像素可以被表示为一组三个强度或一组三个旋转。通过对像素的所有三个强度应用确定、选择和计算步骤，为该像素获得了具有三个消息值的组。现在，编码的序列包含关于像素颜色的信息，其允许用原始颜色来重建图形消息。

实际上，像素强度并不总是任意地取自范围[0，1]，而是往往限于例如256个可能值。这意味着消息值的可能值以及密钥序列的对应单元的数量也是有限的。如果这些值没有被谨慎地选择，则可用于重建的图像的强度可能少于理论上可能的强度。为了增加可能强度的数量，在一个实施例中，一个任意选择的偏移Δ被添加到消息值、密钥序列值(单元α₂)，或被分配到二者之上。

本发明还有利地提供一个计算机程序，其被安排来让处理器执行本发明的方法。这样，本发明可以在任何计算机***上被执行。

本发明的另一个目的是提供一个根据前文的解密设备，其能够重建根据本发明方法编码的图形消息，同时充分地保持原始图形消息的分辨率和明亮度以及其中的像素强度。

这个目的根据本发明用一个设备达成，该设备包括：接收装置，用于接收信息单元的编码的序列；第一液晶显示器，其被安排来通过把第一液晶层中各个单元的偏振旋转一个量，以便显示信息单元的序列，该旋转量由编码的序列中相应的单元表示；不同于第一液晶显示器的第二液晶显示器，其被安排来把第二液晶层中各个单元的偏振旋转由密钥序列中相应单元表示的一个量，其中，第一和第二液晶显示器被安排来相互重叠。

所述设备的不同的有利实施例在从属权利要求中被陈述。

本发明的这些和其它方面将通过参考附图中示出的实施例被阐明并且从而变得明显，其中：

图1示出一个原始图像、靠视觉上加密原始图像而获得的两个部分以及通过重叠两个部分获得的重建图像；

图2大略地示出一个包括服务器和几个客户端的***；

图3大略地示出液晶显示器的构造(LCD)；

图4A-C图形地示出在不同情况中的作为旋转的函数的LCD中像素的强度；

图5大略地说明编码方法的第一实施例，其由服务器来执行以在视觉上加密图形消息；

图6大略地说明编码方法的第二实施例；

图7A-C大略地说明客户端设备的操作；和

图8A-D说明用于在客户端设备中使用的第一和第二液晶显示器的不同实施例。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同或对应的部件。在附图中表示的一部分部件一般以软件实现，因而代表软件，比如软件模块或对象。

图2大略地示出根据本发明的一个***，包括服务器200和几个客户端201、202、203。虽然客户端201-203在此被体现为膝上型计算机201、掌上型计算机202和移动电话203，然而实际上可以认识到它们可以是任何类型的设备，只要它们能够交互地与服务器200通信并能够在LCD屏上呈现图形图像。通信可以采用有线方式进行，比如是与膝上型计算机201的情况，或采用无线方式与掌上型计算机202和移动电话203进行。诸如因特网或电话网之类的网络可以使服务器200和客户端201-203中的任何一个互相连接。

服务器200产生一个表示消息的图像，该消息需要被传递到客户端201的操作者。图像将在发送之前使用视觉密码术来编码，这将在下面参考图5被论述。当然，图形消息可以包括想要安全和秘密地发送到另一个方的任何类型的信息。例如，顾客的存款余额可以这样被传递，如图2中所示的图形消息220。其它例子包括私人电子邮件消息，将被提供给客户端设备201的操作者的新的PIN码或口令。

一个特别有利的应用是安全地允许由客户端201的操作者制作消息。在这个实施例中，服务器生成图像221，其表示诸如键盘上的按键之类的多个输入装置。每个输入装置表示可被用于将由用户制作的消息中的一个输入字。除了按键，输入装置也可能是复选框、选择列表、滑动条或在用户界面中使用以便于用户输入的其它单元。本申请在下面被更加详细地论述。

服务器200把图像220、221编码为基于视觉密码术的信息单元序列。这个编码的序列然后被发送到客户端设备201-203的其中一个。上述发送实现起来十分简明因此不在此详细说明。注意，没有必要在发送之前通过例如加密该编码的序列或建立安全验证的信道来对保护该发送。由于被用来选择序列单元的处理，所以窃听者不可能通过只使用编码的序列来恢复图像220、221。

此外，图2中还示出一个个人解密设备210。该设备210是用户个人的并应该是防护得很好的，它将被用来解密服务器200发送给客户端201-203中任何一个的视觉上编码的消息。获得对解密设备210的物理控制的任何人都可以读取用于所述用户的所有视觉加密的消息。为了添加一些额外的安全性，当激活解密设备210的时候可以要求输入口令或个人识别号码(PIN)。设备210还可以配备有指纹读取器，或被配备来识别由其合法所有者发出的语音命令。

解密设备210包括显示器211和存储区212。显示器211优选地被实现为具有向列液晶的LCD屏。尽管这样一个显示器211通常在液晶层两侧都具有偏振滤光器，但是在本实施例中显示器211只具有一个偏振滤光器(参见图8B)。接收视觉加密的消息的客户端201的LCD屏则应该除去顶端偏振滤光器的一部分。这部分应该足够大以允许显示器211被重叠在其上。替换地，客户端201的LCD屏可以配备有(优选地小的)分开的显示器，显示器211将被重叠在它上面。在另一个实施例中(参考图8A显示如下)，显示器211没有偏振滤光器。

存储区212包括将被用于解密视觉加密的图像的至少一个密钥序列。密钥序列的各单元代表显示器211中各单元的偏振的任意旋转。存储在存储区212中的密钥序列长度应该足够长以容纳大量的解密操作。当解密视觉加密的图像时，原始输入图像的每个像素都需要一个单元。

在每个解密操作之后，所使用的密钥单元优选地被丢弃或被标记为使用过的。这样，每个解密操作包括使用密钥序列的唯一子段(subsection)。当所有的密钥单元都已经被使用时，存储区212中的密钥序列必须被替换。例如，通过让解密设备210的主人将其解密设备210替换为新的样本，或让用户访问例如其中装载有新的密钥序列的存储体的安全位置，可以实现上述替换。

替换地，当密钥序列已经被使用时，密码散列函数或对称加密方案可以被应用于密钥序列。该散列函数或加密方案的输出然后被用作新的密钥序列。用这种方法可以生成任意长度的一系列密钥序列，而不用把所有的密钥序列存储入个人解密设备210。当然，即使这个系列中的一个密钥序列被攻击者知道，则攻击者也可以重建所有未来的密钥序列。

另外一个更加安全的替换方案是使用流密码(例如RC4或SEAL)作为密钥发生器。流密码每次加密明文一比特位(或有时候加密一个字节)。对明文比特流与密钥流发生器的输出进行异或，密钥流发生器基于种子值来产生可以被存储在存储器212中的伪随机的比特流。这个种子值是用于流密码的密钥。该比特流被用来导出组成密钥序列的任意旋转。

解密设备210还需要安装有能够执行上述密码操作的硬件和/或软件模块(未示出)。这可以通过添加包含软件的处理器和存储器来实现。

解密设备210优选地实现为物理分开的一个单元，或至少可从客户端设备201-203被分离。在解密设备210和客户端之间不应存在电、光或其它通信路径。因为图案和密钥序列用数字(电子)形式被提供，所以任何上述的通信路径可能潜在地被攻击者盗用以获得密钥序列的一部分。如果没有上述的路径，则被损害的客户端设备怎样也不能从解密设备210获取信息。这样就实现了用户不必信任客户端201的安全性。

为了理解本发明用于视觉密码术的液晶显示器的使用，首先来考虑采用背光设置的普通透射式液晶显示器(LCD)的构造，如图3中所示。

一般被实现为定位在LCD屏后的背光的光源301将具有所有可能的偏振的光波朝着偏振滤光器302投射。只有具有一个特定偏振的光波才能穿越偏振滤光器302。液晶单元303、304通常把穿越它们的光波的偏振旋转某个范围内的某个角度(通常是[0，π/2]或[0，π/4])，这取决于液晶显示器的结构以及施加到单元303、304的电压。

这个实施例中的单元303、304是扭曲的向列液晶，其是最普遍的类型。当然，也可以用其它类型替代。此外，可以使用反射式或半透射半反射式的液晶显示器而不使用背光的。

如果特定电压被施加到液晶单元上，则所述单元的内部分子结构将发生变化，以使得穿过的光的偏振被变更一个特定量。在图3中，电压已经被施加到液晶单元304而不施加到液晶单元303上。为了表示液晶单元303旋转穿越光的偏振，它已经被标记上字母″R″。尽管旋转在这种情况下可以是0和π/2之间的任意量，但是为了清楚起见，液晶单元303所进行的旋转在图3中被示为π/2或90度。

穿越液晶单元303、304的光波随后通过第二偏振滤光器305。偏振滤光器305像偏振滤光器302一样作用，其中，它只允许具有一个特定偏振的光波穿越。因为穿越液晶单元303的光的偏振已经被旋转，所以这种光被偏振滤光器305阻挡，从而输出将表现为黑色像素306。穿越激活的液晶单元304的光的偏振保持不变，从而它穿越偏振滤光器305并表现为白色像素307。为了产生灰度输出，在这个例子中偏振被旋转0和π/2之间的某一角度。这意味着只有一部分的光被允许通过偏振滤光器305，并产生具有较低强度的输出像素。

替换地，第二偏振滤光器305可以被选择成只让已经被液晶单元303旋转π/2的光穿越。则液晶显示器的输出正好与上述的情况相反。然而，这只是一种纯粹的设计变化。

输出像素的标准化强度I可以表示为由液晶单元进行的旋转的函数。在图4A中，一个上述的函数被图形地示出，I＝cos²(α)。

为了施行视觉密码术，在偏振滤光器302和305之间现在存在两个晶体层而不是单层液晶。电压可以被分开地施加到每层中的单元以激活这些单元。现在，输出像素的强度可以表示为两个层中的单元所进行的旋转的函数。如果第一层中的单元旋转量α₁而第二层中的单元旋转量α₂，则上述函数变成：

I＝cos²(α₁+α₂)

如同参考图2被阐明的，个人解密设备210包含一个密钥序列。这个序列的一个单元表示显示器212中特定相应单元的偏振旋转α₂。旋转α₂(伪)随机地从某个范围中被选择。旋转α₁然后被选择成使得重建的像素的强度I_r基本上等于图形消息220、221中的像素强度I。

液晶显示器可以旋转从偏振器出来的偏振光的偏振方向。液晶是分子，其具有折射率 n沿着分子轴和与分子轴成直角时是不同的这一特性。折射率的差(Δn)被称作双折射率。当偏振光穿越液晶时，双折射率使得极化方向发生改变。从先有技术中已知许多液晶的排列，其中，可以实现优选的旋转π。例如，参见S-T.Wu和D-K.Yang的“Reflective Liquid crystal displays(反射式液晶显示器)”，(JohnWiley and Sons Ltd.，ISBN0-471-49611-1，pp.66-67)。

在其分子仅以一个方向旋转的最简单的向列液晶配置中，旋转α(弧度)由以下等式给出

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\πd\Δn}}{\mathrm{\λ}}$

其中，d是单元的厚度而λ是光的波长。通过例如恰当地选择单元间距和液晶的双折射率，构造具有所要求的优选的π旋转的一个单元是有可能的。

一个优选方法在图5中被说明，其用于在给出密钥序列的情况下从图形消息220或221创建一个编码的序列。首先，图形消息220在501步骤中被生成。消息220可以简单地是文本消息的图形表示，而也可能包括图像。

接下来，步骤511-515对图形消息220中的每个像素执行。决策步骤502确定是否每个像素已经这样被处理，并且倘若如此，则分支到步骤590，其中，编码的序列被发送到客户端设备201。在步骤590中发送编码的序列之前可以对其进行压缩以节省带宽。

每个像素具有强度I。假设强度I被标准化到范围[0，1]。在步骤511中，服务器200确定表示液晶显示器中单元偏振的旋转的总旋转值α，其产生基本上具有强度I的像素。这可以通过计算α＝arccos(|√(I)|)来完成。优选地，服务器200首先将中间值 x计算为 x＝arccos(|√(I)|)，并把值α选择为 x或π- x。在 x和π- x之间作出的选择可以随机得出。

在步骤512中，服务器从密钥序列选择单元α₂。因为读取者将再调用，所以该相同的单元存在于个人解密设备210中或可以由个人解密设备210计算出来。通过把显示器211的液晶层中的对应单元的偏振旋转由单元α₂指出的量，个人解密设备210在显示器211上呈现像素。因为不可能(或不期望)把值α₂传递到个人解密设备210，所以服务器200必须跟踪接下来使用哪个单元。从而，单元α₂表示液晶显示器中单元偏振的任意旋转。

使用计算出的总旋转值α和单元α₂，服务器在步骤513中计算作为这两个值之间的差的α₁。如果这个差是负数，则值π可以被添加以获得正旋转α₁。

密钥序列中使用的旋转α₂应该从π大小的范围中被选择。这具有如下好处，既获得α₁的窃听者无法获知关于α₂或I_r的任何东西。如果α₂从较小的范围中选择，则I_r的概率密度函数(PDF)取决于α₁，或P(I_r|α₁)≠P(I_r)，并且这显露某些有关I_r的信息。

在步骤515中，编码的序列的一个单元被输出以用于指示计算出的值α₁。这个值指示和由α₂指示的任意旋转一起来获得原始强度I的必要的旋转。当然，单元的输出存在很多种方式。例如，它可以是简单地表示α₁自身的一个数值，或是可以由客户端设备201转换为正确旋转的一个值。例如，旋转量的一组离散值可以被分配各自的标识符，并且那些标识符可以随后在编码的序列中被输出。

如果客户端设备201中的LCD屏的特性被服务器200所知，则把编码的序列创建为一个其中像素有各自强度的图像是可能的，其中各个强度对应于计算出的旋转。通过相应地旋转液晶层中单元的极性，常规LCD屏已经被安排来显示这类图像。这具有以下好处，即客户端设备201不需要硬件修改并且可以使用标准的图形呈现软件来显示图像。

用于计算α₁和输出编码的序列的对应单元的一个可能算法被概述如下：

1.计算 $\underset{\‾}{x}=\arccos \left(\right|\sqrt{I}\left|\right)$

2.随机选择α为 x或π- x

3.从密钥序列中挑选一个单元α₂

4.计算α和α₂之间的差α₁

5.如果α₁＜0，则输出α₁+π作为编码的序列的单元

6.否则，输出α₁

通过输出α₁模π以作为编码的序列的单元，最后的两个步骤可以被组合成一个。

在上面假设旋转α₁和α₂可以取范围[0，π]中的任何值。实际上，像素强度并不总是任意地取自范围[0，1]，而是往往限于256个可能值。这意味着消息值以及密钥序列的对应单元的可能值的数量也是有限的。由于上述受限的值的数量，方案安全性可能会降低，并且α₁和α₂的可能值必需被选择来获得安全方案。

k个可能值的可能选择是α_1I＝iπ/k，i∈{0，...，k-1}和α_2j＝jπ/k，j∈{0，...，k-1}。这个选择将导致少于k个的可能强度，这在示出了作为α的函数的强度曲线图的图4B中被说明。对于6个离散值，强度由该曲线图上的点来指出。由于所图示的函数具有对称性，所以如虚线所示只有四个可能的强度。

为了最大化可能强度的数量，任意选择的偏移Δ可以被添加到单元α₂。图4C说明了引入偏移Δ＝π/24的效应。如同曲线图中6条虚线所说明的，现在有6个不同的可能强度。α₁和α₂的可能值如下所示：

α_1i＝iπ/k其中i∈{0，...，k-1}

α_2j＝jπ/k+Δ其中j∈{0，...，k-1}和Δ∈<0，π/2k>

很容易看出，由于cos²(α)的周期为π，对于任何i ∈{0，...，k-1}，都有k个可能的强度I。

I₁＝cos(1π/k+Δ)其中1∈{0，...，k-1}

通过观察所述第一部分的内容，敌手没有获得关于原始图形消息中的像素强度的信息。当然，偏移Δ还可以被添加到消息值α₁，或是被分配到两者上。

在只有一个离散值的有界集可用的情况下，计算所需用来计算消息值α₁的值i及j和输出编码的序列的对应单元的一种方式可被概括如下：

1.计算1∈{0，...，k-1}使得 $|I-{\cos }^2(\frac{\mathrm{l\&pi;}}{k}+\mathrm{\&Delta;})|$ 是最小的；

2.如果1-j＜0则输出i＝1-j+k

3.否则，输出i＝1-j

在彩色液晶显示器中，一个彩色像素从三个子像素或颜色分量被建立。通过采用滤色器，每个子像素具有各自不同的颜色(红色、绿色和蓝色)。一个具有中性(灰度)颜色的附加的第四子像素，可以被提供用于更好地控制输出的明亮度。当然，可以容易地用青色、红紫色和黄色来代替红色、绿色和蓝色。获得彩色像素的其它方法(例如只使用两个颜色分量)也是可能的。

与灰度相同，这些颜色分量中每一个的强度可以通过改变各自的旋转(α_R，α_G和α_B)来单独改变，并且这样任何颜色的像素都可以被产生。从而，任何任意颜色的像素可以被表示为一组三个强度或一组三个旋转。这允许本发明性方法被应用于任意颜色的图形消息，而不是像图5实施例那样应用于任意灰度的图形消息。

在图6中，图5的方法得到扩展，既对像素的所有三个强度进行确定步骤521、531，选择步骤522、532，计算步骤523、533，Δ添加步骤524、534以及输出步骤525、535。本领域技术人员将理解，步骤521-525以及531-535本质上是和先前陈述的步骤511-515一致的。它们简单地对绿色以及蓝色子像素的单独强度进行操作。步骤511-515现在对红色子像素的单独强度进行操作。

结果是为该像素获得一组三个旋转α_1R，α_1G，和α_1B(用于红色、绿色以及蓝色)。现在，编码的序列对于彩色图形消息的每个像素包含上述的一组，并且因此包含关于像素的颜色的信息，这允许重建具有原始颜色的图形消息。

图7A-C大略地说明客户端设备201的操作。该实施例中的客户端设备201被使用移动电话702连接到诸如因特网之类的网络，正如通常在本技术领域已知的。使用利用移动电话702建立的数据连接，客户端设备201可以把数据发送到服务器200和从服务器200接收数据。

在图7A中，设备201从服务器200接收编码的序列(其如同上面参考图5或6所陈述的那样被产生)，并且将序列单元显示为液晶显示器701一部分上的各个像素。这个部分可以是相对大的多用途显示器的一个区域，或相对小的专用显示器的全部。通过把LCD701中的液晶层中的各个单元的偏振旋转一个量来显示编码的序列，这个量由编码的序列中的对应单元表示。

例如，序列可以看起来，像{0，π/4，3π/4，π/2，π/2，π/3，...}，即直接表示单元的期望旋转以产生具有特定强度的像素。替换地，如果特定的强度或旋转被预先分配了标识符，则序列只须包含适当的标识符。这一般减少了编码的序列的长度。

注意，在任何显示发生之前，在设备201中无须处理或解密步骤；比特序列在被接收的被显示。可能有利的是在显示器701的一角显示像素，这在下面将变得明显。如果显示器701不包括顶端的偏振滤光器，则被显示的黑白像素不会变成用户直接可见的。

当认识到视觉加密的图像已经被发送给客户端设备210的时候，图7B中的用户拿取其个人解密设备210并激活它。这使得解密设备210依据存储区212中存储的密钥序列来输出图形表示。

解密设备210必须提前用由服务器200生成的图像尺寸来编程。当然，一个允许用户分开输入用于每个图像的这些尺寸的输入装置，也可以被提供，但这使解密设备210更加复杂和昂贵。

解密设备210把LCD211中的液晶层中的各个单元的偏振旋转一个由密钥序列中的对应单元表示的角度，这类似于编码的序列怎样充当客户端设备201中的旋转的基础。

在图7C中，用户在显示在显示器701上的像素上重叠其个人解密设备210。为了便于上述重叠，显示器701的边缘可以在角落配备有吊钩或夹钳(未示出)，借此，个人解密设备210可以被固定于显示器701上的特定位置。这样，如果图案被显示在显示器701上的相应位置中，则用户很容易地就可以恰当地把个人解密设备201重叠在显示器701的这些图案上。

因为解密设备210和客户端设备201实际上都各显示视觉加密的图像的一个部分，所以用户现在可以观察到重建的图像。在图7C的例子中，被重建的消息是黑体的并在下面有一个灰度条的文本消息″A！″。

因为客户端201和个人解密设备210在任何时候都设有足够的信息来重建图像本身，所以图像220的内容不能由运行在其中一个设备上的恶意应用来恢复。此外，因为个人解密设备210没有任何通信设备，所以如果没有获得对解密设备210的物理访问而要从存储区512获得密钥序列是不可能的。

一个特别有用的应用是安全地允许客户端201的操作者制作消息。在这个实施例中，服务器生成图像221以使得它代表诸如键盘上的按键之类的多个输入装置。每个输入装置代表可被用于将由用户制作的消息中的一个输入字。除了按键，输入装置也可能是复选框、选择代表、滑动条或在用户界面中使用以便于用户输入的其它单元。

然后，服务器200产生用于图像221的一个编码的序列并把该序列发送到客户端设备210。用户把他的解密设备210放置在显示比特序列的区域之上，激活解密设备210然后就可以观看到输入装置。然后，用户通过选择按键或被呈现为客户端设备201的显示器上的图像的其它输入装置来制作消息。上述按键可以在视觉上被呈现成代表不同字母数字字符的按键，或表示′是′、′否′、′更多信息′等等的选择的按钮。用于视觉上代表输入装置的其它方法在本技术领域中是被熟知的。

优选地通过选择客户端设备201的显示器上的特定一组坐标来完成对输入装置的选择。优选地，用户通过向显示器的特定点施加压力来输入该组坐标，该组坐标对应于特定点。因为代表输入装置的图像只有当解密设备210被重叠在客户端201上时才可以被看见，所以用户被建议向解密设备210的显示器211施加压力。这个压力将被传送到客户端设备201的显示器，其在配备触敏屏的时候可以登记压力被施加的点，并将其转换成一组坐标。当然，诸如鼠标、图形输入板乃至键盘之类的其它输入装置也可以被使用。

参见例如US-B-6209102，由其本身可以知道允许通过在显示器上视觉呈现的输入装置来制作消息。然而，这个美国专利并没有保护所制作的消息免受窃听者的拦截。它也没能教导代表输入装置的此类图像怎样才可以被安全发送到客户端设备201。这意意味着窃听者可以获悉在图像上表示的输入装置的布局，并从由客户端设备201发送到服务器200的反馈中获悉哪些输入装置被选择。

可以看出，不同的输入装置可以但不一定代表不同的输入字。提供代表相同输入字的多个输入装置有以下好处，即用户做出的输入序列即使当序列包含重复的时候也显现为随机的。在此使用的术语″字″可以指单个字母数字的字符，还有像′是′、′否′等等的文本，以及其他的语言或符号元素。

当已经接收到一组或多组坐标时，客户端设备201把这些坐标组发送到服务器200。可以看出，秘密安装在客户端设备201上的窃听软件并不能获悉用这个方式输入的任何口令或敏感信息。这类软件最多能获悉在这个特定的会话中输入的特定坐标组。然后，这些坐标组可以被用来在未来的会话中假冒用户。

为了防止这类所谓的′重放′攻击，服务器200每次都应随机化图像221上输入装置的放置。如果窃听软件过后重发它获悉的坐标组以在后续会话中假冒用户，则服务器200不会验证该假冒，这是因为所坐标组没有对应于正确的口令或其它验证码。实际上，这些坐标组甚至不需要对应于在后续会话中生成的图像上的输入装置的位置。

当服务器200接收坐标组时，它把每组坐标转换成表示在图像上的特定输入装置。因为服务器200制作了这个图像，所以在服务器200中把一组坐标转换成一个输入装置是简单明了的。最后，用户制作的消息被构造成由坐标组所转换成的特定输入装置表示的输入字。例如参见上述的US-B-6209102以获取更多信息。

虽然用上述方式制作的消息当然可以包含任何种类的信息，但是这个消息优选地包含诸如PIN码或口令之类的验证码。现在，服务器200可以检查PIN码或口令以检验用户凭证，并同意访问、执行一个或多个特许的操作或执行需要凭证的某种其它行动。当凭证检验成功的时候，服务器200还可以向另一***发出信号。

图8A-8D说明了用于液晶显示器701和211的不同实施例。普通的液晶显示器的构造如图3中所示，其有两个偏振层和它们中间的液晶层。然而，在本发明中没有***偏振层而是具有相互重叠的两个液晶层L1和L2。

在图8A中，液晶显示器701包括第一偏振层302、液晶层L1和第二偏振层305。在液晶层L1和第二偏振层305之间已经留下了一个开放空间，它足够大以容纳液晶显示器211的***。这可能在客户端201中需要用于安装液晶显示器701的开口，以使得用户可以容易地执行***。

所述开口或狭槽可以在第一偏振层302和液晶层L1之间，或者在液晶层L1和第二偏振层305之间(后者在图8A中示出)。注意，用户应该从图8A的右侧观看输出(因为光源将在左边，参见图3)。在一个优选实施例中，狭槽将位于非观看侧，因为这使得在客户端设备201中使用触摸屏变得容易。

在图8B中，液晶显示器701的结构是常规的，但是第二偏振层305的一部分已经在液晶显示器701中被省掉。这一部分被选择得足够大以便容纳液晶显示器211在下面的液晶层L1上的重叠。

在液晶显示器211的结构中，其中一个偏振层的一部分也已经被省去。优选地，这部分具有与在液晶显示器701中的省去部分相等的尺寸。这样，当把液晶显示器211重叠在液晶显示器701上时，液晶层L1和L2直接被重叠放置而没有***偏振层。

在图8C中，液晶显示器701包括散射镜802而不是第一偏振滤光器302。第二液晶显示器211现在可以被***到第一液晶层L1和偏振滤光器305之间或者第一液晶层L1和散射镜802之间。在这个实施例中，光源301不是必需的，因为入射的环境光现在充当了光源的角色。这使得这个实施例中的显示器701成为一个反射式的液晶显示器。

在这实施例中，液晶单元303、304应把输入光旋转透射式情况中一半的角度，这是因为由于镜802光两次穿越所述单元。

在图8D中，半透射半反射式显示器701被使用，它包含镜802和偏振滤光器302。现在，镜子802被实现为网孔或方格，以使得来自背光照明301(未示出)的光可以穿越镜子802。入射的环境光仍然可以被镜子802反射。这样，如果入射的环境光不足够产生清楚的图像，则用户可以激活背光，或停用背光以节省电力。当显示器701被包括在如移动电话的具有电池的独立设备内时，这是特别有用的。

应当注意，上述实施例说明但不限制本发明，而且本领域普通技术人员将能够在不背离所附权利要求书的范围前提下设计许多替换实施例。例如，解密设备210可以合并在客户端设备201的盖中，这使得没必要在显示器701上恰当地定位显示器211，因为其相对位置现在是固定的。当然除了开关盖所必需的机械连接之外，在盖和客户端设备201之间应该没有电子连接。

在这结构中，两个透射式LCD显示器被相互重叠地安装，并且两个液晶单元之间的偏振器被除去。这样的双显示器结构允许在三种操作模式中使用手持：

1)普通模式：显示器701象在单显示器情况下一样起作用(并且第二显示器是透射式模式)。可能地，显示器211可以被用来补偿由于温度变化而引起的颜色变化。有时这在汽车工业中被执行。然后，显示器211应该具有与第一个相反的极化旋转。在这种情况下，显示器211没有被有效地驱动。

2)安全模式：显示器701示出来自与用户在网络上通信的受信任方(例如银行)的视觉加密的信息。显示器211起安全性显示器的作用并示出适当的密钥图案，从而使明文对用户可视化。

3)3D模式：两个显示器701和211被用来创建3D观看效果。

在安全模式中，显示器211示出密钥图案以从视觉上解密来自于显示器701的信息。

一个重要的注意事项是密钥生成硬件应该物理上与设备201分离。然而，在上述的实施例中，设备210现在和设备201集成在一起。因为我们把设备201当作一个不受信任的设备，所以其网络连接和操作***将决不能访问显示在显示器211上的密码密钥数据。实现这个要求的一个安全方式是通过在设备201中嵌入一个附加的智能卡插槽。用户必须***专门的智能卡以打开设备201的安全模式。

下面列出了几个实现方式选项：

-智能卡包含被直接用作用于显示器211的密钥图案的密匙列表；

-智能卡包含用于伪随机数发生器(PRNG)的用户的个人种子值(个人密钥)，该伪随机数发生器被用来生成密匙(或视觉解密密钥图案)。PRNG在设备201中并且只有该种子和可能有一个状态值被存储在智能卡中。

-智能卡包含个人种子值(个人密钥)和PRNG。智能卡提供的密钥图案被直接输入以用于显示器211。因为PRNG现在也与设备201物理分离，所以这是优选实施例。

本发明可以用于任何类型的设备中，其中，从服务器到客户端和/或反过来的安全通信是必需的。客户端设备可以体现为个人计算机、膝上型计算机、移动电话、掌上型计算机、自动提款机、公用的因特网访问终端或实际上没有被其用户完全信任为不包含任何恶意软件或硬件的任何客户端设备。

在权利要求书中，放置在括号内的任何附图标记不应被看作是限制权利要求。单词″包含″不排除那些没有列在权利要求中的元件或步骤的存在。放在一个元件之前的单词″一个″不排除多个这种元件的存在。

本发明可以借助于包含几个相异的元件的硬件和借助于一个被适当编程的计算机来实现。在设备权利要求中枚举了几个装置，这些装置中的若干个可以被实现为同一硬件项。某些措施在相互不同的的从属权利要求中被描述这一事实不意味着这些措施的组合不能用来受益。

Claims (10)

1.一种基于作为信息单元的一个编码的序列的密钥序列来编码图形消息(220、221)的方法，包括：对于该图形消息(220、221)的具有标准化强度 I的每个像素，

确定(511)用于表示导致产生基本上具有强度 I的像素的液晶显示器中单元偏振的旋转的总旋转值α，

从该密钥序列选择(512)单元α₂，该单元代表液晶显示器中单元偏振的任意旋转，

计算(513)作为该旋转值α和单元α₂之间的差的第一消息值α₁，和

基于第一消息值α₁来输出(515)该编码的序列的一个单元。

2.权利要求1的方法，还包括将中间值 x计算为 x＝arccos(|√( I)|)，以及把该值α确定为 x或π- x。

3.权利要求1的方法，其中，标准化强度 I对应于所讨论的像素的第一颜色分量的强度，并且还包括：

对于对应于所述像素的第二颜色分量的标准化强度的第二旋转值，重复(521、522、523)确定、选择和计算步骤，从而获得第二消息值，

对于对应于所述像素的第三颜色分量的标准化强度的第三旋转值，重复(531、532、533)确定、选择和计算步骤，从而获得第三消息值，和

基于第二和第三消息值来输出(515、525、535)该编码的序列的单元。

4.权利要求1的方法，其中，强度 I是一个具有离散值的有限集的单元，该方法还包括选择一个偏移Δ和把该偏移Δ添加(514)到第一消息值α₁和单元α₂的至少其中之一。

5.一个被安排来使处理器执行权利要求1的方法的计算机程序产品。

6.一个用于基于密钥序列来重建图形消息的设备(201)，包括：

接收装置(702)，用于接收信息单元的一个编码的序列，

第一液晶显示器(701)，被安排来通过把第一液晶层(L1)中各个单元的偏振旋转一个由编码的序列中的对应单元表示的量，以便显示该信息单元的序列，

第二液晶显示器(211)，它不同于第一液晶显示器(701)，并且被安排来把液晶层(L2)中各个单元的偏振旋转一个由该密钥序列中的对应单元表示的量，其中，第一(701)和第二液晶显示器(211)被安排成相互重叠。

7.权利要求6的设备(201)，其中，第一液晶显示器包括一个反射式的液晶显示器。

8.权利要求6的设备(201)，其中，第二液晶显示器被实现为一个物理上可与第一液晶显示器(701)分离的单元(210)，并配备有用于存储该密钥序列的存储器(212)。

9.权利要求6的设备(201)，包括用于从用户接收代表一组坐标的输入的装置，和用于把接收到的输入发送到服务器(200)的装置(702)。

10.权利要求9的设备(201)，其中，所述输入作为对第一液晶显示器(701)上特定点的压力而被接收，所述坐标组对应于该特定点。

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