視覺密碼方案概述

馮琪　王洪君

摘要：視覺密碼（VC）是一種用于分享秘密圖像的加密方案，與傳統(tǒng)的密碼技術(shù)相比具有簡單性、安全性、隱蔽性等優(yōu)點。其加密是將圖像編碼為分享，將分享打印在透明膠片上或以數(shù)字形式存儲;其解密過程是對分享進行疊加，然后通過人類的視覺能力來實現(xiàn)。本文介紹了視覺密碼的基本概念和各種不同的視覺密碼方案，以及每種方案中使用的技術(shù)。此外，對視覺密碼在不同領(lǐng)域上的應(yīng)用做出了說明。

關(guān)鍵詞：視覺密碼;分享圖像;秘密圖像

【Abstract】Visualcryptography（VC）isanencryptionschemeforsharingsecretimages.Comparedwithtraditionalcryptography，ithastheadvantagesofsimplicity，securityandconcealment.Theencryptionistoencodetheimageforsharing，andtoprintthesharingonatransparentfilmorstoreitindigitalform;thedecryptionprocessistosuperimposethesharing，andthenrealizeitthroughhumanvisualability.Thisarticleintroducesthebasicconceptsofvisualcryptographyandvariousdifferentvisualcryptographyschemes，aswellasthetechnologyusedineachscheme.Inaddition，theapplicationofvisualcryptographyindifferentfieldsisexplained.

【Keywords】visualcryptography;sharedimage;secretimage

作者簡介：馮琪（1998-），女，碩士研究生，主要研究方向：信息安全、密碼學(xué)、視覺密碼。

0引言

視覺密碼由Naor和Shamir在1994年首次提出，是一種依靠人眼解密的秘密分享方法，也是一種簡單、安全、有效的加密方案?？偟貋碚f，是將一個秘密圖像分割成多個分享，不需要任何密碼學(xué)的計算，僅憑人眼就可以通過分享獲得原來的秘密圖像，十分簡單。具體工作方式如下：選擇一個秘密圖像，將圖像加密為n個片段（稱為分享）。當這些分享被打印到透明膠片上并堆疊在一起時（物理上疊加），人眼就可以解密。只有擁有至少k個分享的人才能解密圖片，而任何少于k個分享均不會暴露任何關(guān)于秘密圖像的信息。

本文研究內(nèi)容安排如下：第一部分概述了基礎(chǔ)視覺密碼方案，其中包括（2，2）視覺密碼方案、（k，n）視覺密碼方案、灰度圖像的視覺密碼方案、半色調(diào)視覺密碼方案、彩色視覺密碼方案、多秘密分享視覺密碼方案、區(qū)域遞增視覺密碼方案和可防欺騙視覺密碼方案。第二部分闡述了視覺密碼的各種應(yīng)用。第三部分給出了結(jié)論和未來的工作。

1基礎(chǔ)視覺密碼方案

1.1（2，2）視覺密碼方案

在（2，2）視覺密碼方案[1]中，從原始圖像生成2個分享，實現(xiàn)方法如圖1所示。圖1中的黑像素和白像素都是秘密圖像像素，對于秘密圖像中的每一個像素p都被分成2個子像素。參見圖1，如果像素p是白色，隨機選擇圖1的左側(cè)兩行之一;如果像素p是黑色，隨機選擇右側(cè)兩行之一。如此一來，像素p被加密為圖1中的2個子像素。在每種情況下，選擇都是隨機執(zhí)行的，因此每一列都有50%的概率被選擇。接下來，將所選列中的前兩對子像素分別分配給分享1和分享2。由于p被加密為一對子像素對，所以單個分享不會提供有關(guān)秘密圖像的任何線索，只有一個分享的任何人都無法透露任何秘密信息。圖1的最后一行展示了堆疊2個分享的結(jié)果，如果p為白色，則無論加密期間選擇了子像素對的哪一列，疊加結(jié)果始終是一個黑色和一個白色子像素。如果p為黑色，則疊加結(jié)果為2個黑色子像素。因此，在重建圖像中存在對比度損失。但是，由于人類視覺系統(tǒng)將其各自的黑白組合取平均值，因此解密后的圖像對于肉眼是可見的。（2，2）視覺密碼方案的實驗結(jié)果見圖2。

視覺密碼方案中的重要參數(shù)是像素擴展（m）、對比度（α）和恢復(fù)圖像的大?。╮）。其中，像素擴展m用于加密秘密圖像像素分享中的像素數(shù)量，越小越好。對比度α是重建圖像中黑白像素之間漢明權(quán)重的相對差，這意味著重建圖像的質(zhì)量，研究中希望該值要盡可能地大。

1.2（k，n）視覺密碼方案

（k，n）視覺密碼方案[2]是在（2，2）視覺密碼方案上的延伸。在（2，2）視覺密碼方案中，要恢復(fù)秘密圖像即需將2個分享堆疊。對于（k，n）視覺密碼方案來說，任何k個或更多數(shù)量分享都可以通過將其打印在透明膠片上并堆疊在一起來恢復(fù)秘密圖像，任何k-1個或更少份分享都不會提供秘密圖像的信息。這樣處理就具有了一定的靈活性，即使用戶丟失了一些分享，只要獲得的分享數(shù)量不少于k，就仍然可以恢復(fù)秘密圖像。

郭松鴿等人[3]提出了基于異或解密的（k，n）視覺密碼方案，利用異或的自反性改進加密方式，不需要設(shè)計加密矩陣。該方案有2種解密方法：當沒有計算設(shè)備時，使用傳統(tǒng)的疊加解密，解密過程簡單;當有計算設(shè)備時，使用異或解密，需少量計算，但具有更好的視覺質(zhì)量，并且當所有分享份都參與異或解密時，可以無損恢復(fù)秘密圖像。

1.3灰度圖像的視覺密碼方案

以前在視覺密碼方案上的工作僅限于二進制圖像，Lin等人[4]提出了一種通過抖動技術(shù)對灰度圖像進行加密的方法。不是直接使用灰度子像素，而是使用抖動技術(shù)將灰度圖像轉(zhuǎn)換為近似二進制圖像，在此基礎(chǔ)上進行后續(xù)操作。通過引入空間填充曲線有序抖動技術(shù)將灰度圖像轉(zhuǎn)換為近似的二進制圖像，再使用傳統(tǒng)的視覺密碼方法對灰度圖像進行加密解密。郁濱等人[5]提出了基于快速響應(yīng)碼（一種二值的機器可識讀符號圖像）的灰度視覺密碼方案，在像素不擴展的同時能夠抵抗一般攻擊。根據(jù)QR碼模塊識別單元的結(jié)構(gòu)建立灰度值與二值系列模板之間的映射關(guān)系，設(shè)計不同的視覺密碼分享矩陣集合，對秘密圖像進行分享。

1.4半色調(diào)視覺密碼方案

Zhou等人[6]提出了半色調(diào)視覺密碼術(shù)，用于創(chuàng)建有意義的圖像分享技術(shù)，有意義的圖像分享可以減少攻擊者對加密數(shù)據(jù)的懷疑。在半色調(diào)視覺密碼方案中，秘密像素p被編碼為Q1×Q2的數(shù)組，稱為半色調(diào)單元。通過使用具有適當大小的半色調(diào)單元，可以獲得視覺上良好的半色調(diào)分享，同時也能保持對比性和安全性。Al-Khalid等人[7]在Hou、Saraireh等學(xué)者基礎(chǔ)上提出了一種基于視覺密碼的彩色圖像分享方法，加密過程是通過私鑰生成與彩色秘密圖像大小相同的2個分享（隨機分享和密鑰分享）來加密半色調(diào)彩色圖像;解密過程是在接收端將2個分享堆疊在一起來顯示秘密彩色圖像。此方案修改了生成隨機和密鑰分享的加密技術(shù)，使用發(fā)送方和接收方都知道的私鑰生成隨機分享，使用隨機分享和半色調(diào)圖像的層構(gòu)造密鑰分享的層，具有更高的安全級別、更少的存儲空間、更少的計算時間以及更好的PSNR值。

1.5彩色視覺密碼方案

視覺密碼方案在以前只應(yīng)用于黑白圖像。Verheul等人[8]提出了第一個彩色視覺密碼方案，將具有c種顏色的秘密圖像分解成n個分享，k個分享疊加即可恢復(fù)秘密圖像。該方案工作原理類似于基本視覺密碼方案，因此解密方法相同，其局限性在于像素擴展大，恢復(fù)的秘密圖像質(zhì)量下降。此后出現(xiàn)的另一種處理方法[9]是使用分開的3個顏色通道。紅色、綠色、藍色用于加性模型，青色、品紅色、黃色用于減性模型，再將常規(guī)的視覺密碼方案應(yīng)用于每個通道。這種方法減少了像素擴展，但是圖像的質(zhì)量由于半色調(diào)處理而降低。張先環(huán)等人[10]提出了基于異或的完全恢復(fù)（2，n）彩色視覺密碼方案。該方案以構(gòu)造行向量為基礎(chǔ)，每個參與者攜帶一個分享，2個分享異或即可完成秘密圖像的恢復(fù)。這一方案降低了分享的管理難度，實現(xiàn)秘密圖像完全恢復(fù)的同時降低了計算復(fù)雜度。

1.6多秘密分享視覺密碼方案

1.6.1基礎(chǔ)多秘密分享視覺密碼方案

前文討論的方案僅涉及一個秘密的分享，因此有研究者嘗試如何隱藏多個秘密。多個秘密分享的主要優(yōu)點是能夠在一組分享中隱藏多個秘密。Wu等人[11]最初研究了多重秘密分享問題，在2組分享S1和S2中隱藏了2個秘密。當S1和S2疊加時，能夠恢復(fù)第一個秘密;當S1逆時針旋轉(zhuǎn)90°后和S2疊加時，能夠恢復(fù)第二個秘密。這個方案最多只能分享2個秘密，除此以外，恢復(fù)秘密的角度限制為90°、180°或270°。經(jīng)過深入研究，通過設(shè)計圓形分享，進一步發(fā)展了多重秘密分享，解決了角度的限制問題，當S1疊加在S2上并沿順時針方向旋轉(zhuǎn)0°～360°之間的某個角度時，就可以恢復(fù)秘密圖像。后來研究者們引入其他方法進行多秘密分享，付正欣等人[12]針對信息損失的問題，在構(gòu)造具有上下門限值的單門限視覺密碼方案基礎(chǔ)上，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)規(guī)則融合算法和區(qū)域合并算法，提出了完全恢復(fù)的多門限多秘密視覺密碼方案，秘密圖像實現(xiàn)完全恢復(fù)。

1.6.2彩色多秘密分享視覺密碼方案

Weir等人[13]提出了允許使用有意義的彩色圖像隱藏較小分享集方案，在真實的自然圖像中隱藏彩色圖像。此方案將加密產(chǎn)生的一部分分享嵌入到自然彩色圖像中，另一部分分享作為公共密鑰，還提出可以將分享隱藏到半色調(diào)圖像中，有助于消除攻擊者對加密的懷疑。何文才等人[14]提出了一種無損恢復(fù)的多級別視覺密碼方案，該方案基于隨機柵格理論和異或運算對多個級別的秘密圖像進行處理，對各個級別的分享進行異或即可依次恢復(fù)所有級別的秘密圖像。過程如下：對各級秘密圖像均為大小相等的彩色圖像，先采用RGB三基色原理將彩色秘密圖像分解成紅、綠、藍三張分量圖像R、G、B，將其看作3張灰度子秘密圖像，再將這3張圖像分別生成分存圖像，將位置相對應(yīng)的3張圖像進行合成，得到最后的n張彩色分享圖像。秘密圖像恢復(fù)需要先進行糾錯解碼，再將每個分享圖像進行三基色分離，將所有分享圖像的紅、綠、藍分量圖像分別進行異或得到秘密圖像的3張分量圖像，最后進行三基色合成，即可恢復(fù)彩色秘密圖像?；謴?fù)圖像與秘密圖像相比無失真且能滿足安全性要求。

1.7區(qū)域遞增視覺密碼方案

傳統(tǒng)的視覺密碼方案里，將一個完整的圖像視為一個秘密，并且對這個完整圖像的所有像素應(yīng)用同一個加密規(guī)則。Wang[15]開發(fā)了一種區(qū)域遞增視覺密碼方案，用于在單個圖像中分享多個保密級別的視覺秘密。在提出的區(qū)域遞增視覺密碼方案中，可以將秘密圖像的內(nèi)容指定到多個區(qū)域，其中每個區(qū)域都有自己的保密屬性，每個生成的分享都具有類似噪聲的外觀。該方案特點是可以恢復(fù)的秘密數(shù)量與參與恢復(fù)過程的參與者數(shù)量成正比。

胡浩等人[16]提出一種基于異或運算的區(qū)域遞增式視覺密碼方案，設(shè)計自適應(yīng)區(qū)域分配算法，優(yōu)化性能參數(shù)。構(gòu)造加密矩陣，以（n，n）-VCS為基本單位，最后將矩陣拼接輸出。該方案適用于通用存取結(jié)構(gòu)，可有效地減少分享份的存儲和傳輸開銷;像素不擴展，恢復(fù)圖像不失真，白像素可以實現(xiàn)完全恢復(fù);提高相對差，顯著地改善了恢復(fù)圖像的視覺效果。

1.8可防欺騙視覺密碼方案

盡管視覺密碼具有安全性，但卻跟普通秘密分享方案一樣，存在欺騙問題。大多數(shù)視覺密碼方案在構(gòu)建時都是假設(shè)參與者誠實可信，恢復(fù)秘密時不會進行欺騙，但實際上參與者并非都誠實可信，可能會偽造分享來欺騙其他參與者，此外攻擊者也可能會冒充合法參與者以此破壞或騙取秘密信息。研究人員已經(jīng)提出了許多防止欺騙的方法，比如Liu等人[17]提出了2種防欺騙算法。第一種算法可以從參與秘密恢復(fù)的m個用戶中識別欺騙者;第二種算法參與用戶可以與不參與秘密恢復(fù)的n-m個用戶合作，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的識別欺騙者。

張逸凡等人[18]在Liu等人[17]方案基礎(chǔ)上提出了可防內(nèi)部欺騙的異步多秘密分享方案。利用二元多項式，為任意2個參與者提供會話密鑰，防止攻擊者竊取參與者信息;結(jié)合離散對數(shù)問題，在秘密重構(gòu)階段增加了檢測內(nèi)部欺騙的過程，能夠檢測出參與者在此階段的內(nèi)部欺騙行為;改變秘密的設(shè)置方法和參與者份額的分配方法，使方案具有異步性和靈活性。

2視覺密碼的各種應(yīng)用

2.1水印

水印是一種保護數(shù)字媒體版權(quán)的技術(shù)，將一些標識信息直接嵌入數(shù)字載體的同時不會影響原載體的使用價值，也不容易被發(fā)現(xiàn)，通過水印可以傳送隱秘信息，也可以防偽。水印技術(shù)與視覺密碼結(jié)合，處理過程包括2個步驟：水印嵌入和水印檢索。研究者提出了許多具有不同方法的視覺密碼水印方案。李春艷[19]首先對二值水印圖像進行置亂，去除圖像的像素相關(guān)性，并在像素不擴展的（2，2）視覺密碼矩陣基礎(chǔ)上部分修改載體圖像的最不重要位，提取水印時通過比較最不重要位的取值即可得到水印信息。

2.2身份認證

身份認證是一種重要的網(wǎng)絡(luò)安全手段，既有訪問控制，又有安全防護的作用。研究者將視覺密碼應(yīng)用在身份認證中，由于視覺密碼自身特點，在實現(xiàn)安全性的同時，解密花費比較小，對使用者的密碼知識水平要求也不高。樊攀星等人[20]將視覺密碼技術(shù)應(yīng)用到交互式的認證方案中，設(shè)計了一個交互式的挑戰(zhàn)-響應(yīng)方案。方案中用戶A、B都使用隨機算法生成一幅黑白二值圖像，再經(jīng)過一系列疊加或是異或操作互相確定對方身份。利用視覺密碼具有偽隨機數(shù)的特性，保證身份認證會話不被重用，在不使用復(fù)雜傳統(tǒng)密碼算法的前提下，提高了身份認證的便捷性和安全性。

2.3證件防偽

各種證件的防偽，如票據(jù)等同樣十分重要。傳統(tǒng)防偽手段實現(xiàn)起來成本較高，于是研究者將視覺密碼引入其中。駱驍[21]將證件中的重要信息編碼生成QR碼，再將QR碼攜帶秘密信息的部分進行視覺密碼分享，最后將分享份印刷在證件的四周，極大地減少了成本。

2.4反網(wǎng)絡(luò)釣魚系統(tǒng)

諸如安全別針、借記卡信用卡號和密碼之類的憑據(jù)信息是至關(guān)重要的信息，并且可能被攻擊者竊取。網(wǎng)絡(luò)釣魚被廣泛用于竊取秘密證書，為了避免網(wǎng)絡(luò)釣魚攻擊，可以應(yīng)用視覺密碼技術(shù)，以確保用戶在使用任何網(wǎng)站時的安全性。通過強加2個分享，其中一個分享是從服務(wù)器站點接收的，另一個分享是用戶自己的分享，用戶可以確保網(wǎng)站不被網(wǎng)絡(luò)釣魚。Abinaya等人[22]提出了使用視覺密碼的反網(wǎng)絡(luò)釣魚圖像驗證碼驗證方案，將原始圖像驗證碼分解為存儲在單獨數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的2個分享，動態(tài)生成驗證碼圖像以保護圖像驗證碼的私密性，這樣只有當2個圖像同時可用時才可以顯示原始圖像驗證碼，一旦原始圖像驗證碼向用戶顯示，就可以用作密碼。

3結(jié)束語

本文對各種不同類型的視覺密碼方案進行了概述，主要集中在加密的使用上，解密不需要計算，只要疊加分享份就能恢復(fù)秘密圖像，人眼即可獲得信息。對于視覺密碼，希望在保持安全性的同時更好地恢復(fù)秘密圖像，除此之外還有存儲空間，計算復(fù)雜性等問題，可以進行進一步的工作來增強視覺密碼機制，以提高信息的安全性。視覺密碼在身份認證、證件防偽等方面已經(jīng)有了許多成果，未來有可能適用于更廣泛的安全應(yīng)用領(lǐng)域，與更多處理技術(shù)結(jié)合使用。

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