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，與傳統的密碼技術相比具有簡單性、安全性、隱蔽性等優點。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。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。此外，對視覺密碼在不同領域上的應用做出了說明。

關鍵詞：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、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于秘密圖像的信息。

本文研究內容安排如下：第一部分概述了基礎視覺密碼方案，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用。第三部分給出了結論和未來的工作。

1基礎視覺密碼方案

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的左側兩行之一;如果像素p是黑色，隨機選擇右側兩行之一。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果見圖2。

視覺密碼方案中的重要參數是像素擴展（m）、對比度（α）和恢復圖像的大小（r）。其中，像素擴展m用于加密秘密圖像像素分享中的像素數量，越小越好。對比度α是重建圖像中黑白像素之間漢明權重的相對差，這意味著重建圖像的質量，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，只要獲得的分享數量不少于k，就仍然可以恢復秘密圖像。

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，不需要設計加密矩陣。該方案有2種解密方法：當沒有計算設備時，使用傳統的疊加解密，解密過程簡單;當有計算設備時，使用異或解密，需少量計算，但具有更好的視覺質量，并且當所有分享份都參與異或解密時，可以無損恢復秘密圖像。

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，而是使用抖動技術將灰度圖像轉換為近似二進制圖像，在此基礎上進行后續操作。通過引入空間填充曲線有序抖動技術將灰度圖像轉換為近似的二進制圖像，再使用傳統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QR碼模塊識別單元的結構建立灰度值與二值系列模板之間的映射關系，設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半色調視覺密碼方案

Zhou等人[6]提出了半色調視覺密碼術，用于創建有意義的圖像分享技術，有意義的圖像分享可以減少攻擊者對加密數據的懷疑。在半色調視覺密碼方案中，秘密像素p被編碼為Q1×Q2的數組，稱為半色調單元。通過使用具有適當大小的半色調單元，可以獲得視覺上良好的半色調分享，同時也能保持對比性和安全性。Al-Khalid等人[7]在Hou、Saraireh等學者基礎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，使用發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圖像的層構造密鑰分享的層，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，恢復的秘密圖像質量下降。此后出現的另一種處理方法[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，再將常規的視覺密碼方案應用于每個通道。這種方法減少了像素擴展，但是圖像的質量由于半色調處理而降低。張先環等人[10]提出了基于異或的完全恢復（2，n）彩色視覺密碼方案。該方案以構造行向量為基礎，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。這一方案降低了分享的管理難度，實現秘密圖像完全恢復的同時降低了計算復雜度。

1.6多秘密分享視覺密碼方案

1.6.1基礎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，能夠恢復第一個秘密;當S1逆時針旋轉90°后和S2疊加時，能夠恢復第二個秘密。這個方案最多只能分享2個秘密，除此以外，恢復秘密的角度限制為90°、180°或270°。經過深入研究，通過設計圓形分享，進一步發展了多重秘密分享，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0°～360°之間的某個角度時，就可以恢復秘密圖像。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，在構造具有上下門限值的單門限視覺密碼方案基礎上，設計了旋轉規則融合算法和區域合并算法，提出了完全恢復的多門限多秘密視覺密碼方案，秘密圖像實現完全恢復。

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，即可恢復彩色秘密圖像?；謴蛨D像與秘密圖像相比無失真且能滿足安全性要求。

1.7區域遞增視覺密碼方案

傳統的視覺密碼方案里，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用同一個加密規則。Wang[15]開發了一種區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。在提出的區域遞增視覺密碼方案中，可以將秘密圖像的內容指定到多個區域，其中每個區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的秘密數量與參與恢復過程的參與者數量成正比。

胡浩等人[16]提出一種基于異或運算的區域遞增式視覺密碼方案，設計自適應區域分配算法，優化性能參數。構造加密矩陣，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構，可有效地減少分享份的存儲和傳輸開銷;像素不擴展，恢復圖像不失真，白像素可以實現完全恢復;提高相對差，顯著地改善了恢復圖像的視覺效果。

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。大多數視覺密碼方案在構建時都是假設參與者誠實可信，恢復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的n-m個用戶合作，能夠實現更好的識別欺騙者。

張逸凡等人[18]在Liu等人[17]方案基礎上提出了可防內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;結合離散對數問題，在秘密重構階段增加了檢測內部欺騙的過程，能夠檢測出參與者在此階段的內部欺騙行為;改變秘密的設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視覺密碼的各種應用

2.1水印

水印是一種保護數字媒體版權的技術，將一些標識信息直接嵌入數字載體的同時不會影響原載體的使用價值，也不容易被發現，通過水印可以傳送隱秘信息，也可以防偽。水印技術與視覺密碼結合，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性，并在像素不擴展的（2，2）視覺密碼矩陣基礎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絡安全手段，既有訪問控制，又有安全防護的作用。研究者將視覺密碼應用在身份認證中，由于視覺密碼自身特點，在實現安全性的同時，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]將視覺密碼技術應用到交互式的認證方案中，設計了一個交互式的挑戰-響應方案。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的特性，保證身份認證會話不被重用，在不使用復雜傳統密碼算法的前提下，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，如票據等同樣十分重要。傳統防偽手段實現起來成本較高，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反網絡釣魚系統

諸如安全別針、借記卡信用卡號和密碼之類的憑據信息是至關重要的信息，并且可能被攻擊者竊取。網絡釣魚被廣泛用于竊取秘密證書，為了避免網絡釣魚攻擊，可以應用視覺密碼技術，以確保用戶在使用任何網站時的安全性。通過強加2個分享，其中一個分享是從服務器站點接收的，另一個分享是用戶自己的分享，用戶可以確保網站不被網絡釣魚。Abinaya等人[22]提出了使用視覺密碼的反網絡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據庫服務器中的2個分享，動態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秘密圖像，除此之外還有存儲空間，計算復雜性等問題，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有了許多成果，未來有可能適用于更廣泛的安全應用領域，與更多處理技術結合使用。

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