基于二维码加密的图书防伪识别研究与设计

王锐芳

摘   要：图书是提高人们道德文化修养和精神文明建设的主要资源之一，作为一种特殊的商品影响着人们的人生观和价值观，同时，其质量也关系到人们的身体健康和文化的传播。近年来，图书盗版现象时有发生，为了阻止盗版图书的肆意泛滥，文章采用加密二维码信息技术，研究设计了基于二维码加密的图书防伪识别技术。主要技术是将图书信息生成二维码，将二维码图像用AES加密算法进行加密，将密文的信息编码再转换成二维码，将加密后的二维码印刷在图书上，购书者可以用专用的防伪验证APP，将扫到的图书界面码传送到远程的库里面进行验证，后台会对加密信息进行解密操作，将得到的信息跟库里的信息进行比对，从而完成图书的防伪验证。经实验测试，该研究方案可行，能便捷地验证真伪，有效识别盗版图书。

关键词：高级加密标准加密;图书防伪;二维码加密;信息编码

图书是传播知识和文明的重要载体，是社会发展和人类进步的推动性力量[1]。图书在人们的生活和学习当中发挥着非常重要的作用，然而，随着社会经济与科学技术的发展，越来越多的无良商家通过销售盗版书籍谋取暴利，破壞了图书市场的正常秩序，在一定程度上耽误读者获取正确的知识，并且侵害了作者的知识产权，给图书出版商造成了很大的经济损失，扰乱社会秩序[2-4]。因此，增强图书防伪识别研究，遏制盗版书籍的印刷和销售，对图书市场的发展具有非常重要的意义，同时，保障了作者和读者的权益[5]，传播正确的知识，推进社会文明的发展。

早在20世纪60年代，随着激光器的诞生，激光全息防伪技术得以发展，该技术早期只是在烟酒等生活用品中用到，直到20世纪80年代，我国最早把这项技术应用到出版业当中去，该技术利用了光的干涉原理和模压技术，将记载有物体信息的干涉条纹通过加热、加压的方式转移到普通电化铝塑料薄膜上[6]。这种全息防伪标签色彩绚丽、立体真实、易于识别，且在制作上技术十分复杂，具有较高的防伪性[7]。之后，还有很多防伪技术出现并得以应用。电码电话防伪系统是一种将计算机网络技术、信息编码、通信技术和高科技印刷技术综合起来的防伪系统，每件产品按照一定规则生成一个独一无二的编码，记录产品的相关信息，具有很好的防伪特性[8]。数码防伪在2004年首次走入中国图书出版业，对图书真伪的识别具有很大的意义。数码防伪技术主要是运用一套繁琐的计算方式，计算出一个包含图书相关信息的唯一识别和保密的数字编码，这一编码被保存在中心数据库中，并可在全国图书出版和销售的地点网络中查询，这一编码无法仿制并且无法破译[9]，它的唯一性和可查询性使得数码防伪技术在图书出版业得到了很大的发展，并对图书出版业的发展起到了积极的推动作用。随着物联网的发展，基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签的防伪技术被应用到图书出版业当中，图书出版商可通过RFID标签存储图书的相关信息，读者根据票据到相关的检验部门用识读器读出标签上存储的图书信息来识别真伪[10-11]。在电子商务和物联网技术快速发展的今天，对于图书的方位识别具有很大的意义。

本文主要提出的是基于二维码（Quick Response Code，QR Code）加密的图书防伪识别研究与设计，二维码技术的研究早在1993年就已经开始，近年来，移动终端迅速发展，二维码以其较大的存储容量、较广的编码范围、较强的容错能力、可靠的译码特性以及可以引入加密措施等优势被广泛地应用到各种防伪领域[12-15]。它可以在将图书信息生成二维码之后，采用高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法对该二维码图像进行加密，然后将生成的密文信息编码，再次生成二维码图像，印刷在书籍上，读者可用移动终端扫描二维码进行识别，防伪系统根据用户扫描的二维码信息对加密算法进行解密，从而获得图书相关信息，与数据库中进行对比，识别出图书的真伪[16-17]。随着智能手机的普及，二维码快速出现在了日常生活的方方面面[18]，利用二维码加密技术来识别图书的真伪，方便实施，具有很深远的意义。

1    基础知识

1.1  二维码基础知识

二维码与条形码类似，能够在一定的范围内按照特定的显示规律将图形信息进行图像化的展示。早期的应用场景为移动端设备，与传统条形码相比，QR码可以存储更多需要展示的数据信息。它比传统的图形显示方式拥有更大的展示范围，所以其存储的信息也就更多，且得益于它的字符集，它拥有传统图形无法进行的图形码识别以及信息的改正功能。二维码技术大大降低了对计算机网络以及数据库的依赖，依靠二维码本身具有的存储和通信作用，已然成为现代的新兴技术。它主要的使用优势有6点：（1）存储大容量信息。（2）在小空间内打印。（3）应对变脏和破损的适应能力强。（4）读取自由。（5）数据集的聚合。（6）低成本。

1.2  AES算法

AES是一种对称加密算法，用多种加密规则来进行数据信息加密，加密技术相当成熟、安全。加密计算虽然繁琐，但复杂度不是太大，所以加密过程不需要占用计算机太多的资源，加密过程比较安全、效率很高。AES的加密技术是将明文分组，在一定的规则范围内对明文分组加密处理，主要包括了对信息数据的增加、规则处理以及回放处理。利用计算资源将明文按照设定好的规则进行循环处理，连续地对数据信息字符进行转换，直到按照规则将所有的数据信息全部转换完成，然后再进行增加其他规则的拓展处理，防止在规则层就被破解，然后还进行包括位置转移、位置转换、循环规则处理等多种处理。

AES算法由3部分构成，分别为密钥扩展、加密模块和解密模块，包括4个转换方式，分别为字节代替（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。调用轮数来实现/解密算法。循环调用的具体轮数与密钥长度有关，要执行的轮数分别为10，12，14，对应于长度为128，192和256位的密钥。SubBytes是一个执行S盒替换的非线性层，用作混淆函数，ShiftRows和MixColumns是线性混合层，以确保多轮转换后的高扩散，AddRoundKey则对应于键和层的组合。加密的阶段，包括以下步骤：

（1）AddRoundKey，矩阵的每个字节都与随机密钥（RoundKey）进行异或运算，每个随机密钥由密钥生成系统产生。

（2）SubBytes，也称为S盒变换，用非线性替换加密，用具有非线性命令功能的查找表将每个字节替换为相应的字节。

（3）ShiftRows，支持字节转换，使用另一个移位循环移动矩阵的每一行。

（4）MixColumns，將每个内联4个字节与线性变换混合，目的是在纯文本消息的不同位置获取字节组合。

最后一个加密循环中，MixColumns步骤已被省略，并被另一个AddRoundKey替换。操作完成后，矩阵包含“体（state）”密文。

AES就是将数据信息不断地进行规则的处理，以此达到加密的过程，解密的时候，只需要根据这个规则进行逆操作以获取对应的明文信息。

2    二维码加密图书防伪技术

2.1  设计框架

二维码相比传统的条形码减少实体验证开销，用二维码作为信息数据的载体，数据存储量较大，能够满足物体基本信息的存储需求，在监管与流通中，不需要进行过多额外的审核操作，实体认证过程比较简单，只要装备具有二维码识别工具的移动终端，就可以进行识别验证，同时，还可以存储信息交易过程中的信息，以供验证者和监察部门进行跟踪和审查，有利于市场的平稳运行和实体的质量保障。

但对二维码伪造难以进行识别和监管，易被非法利用。本文通过对二维码加密以预防二维码的伪造，进一步保障物体信息的真实性和完整性。方案的整体设计如图1所示。

系统使用方涉及购书者和出版社。购书者成功下载APP之后可以扫码查看图书信息、辨别图书的真伪与反馈;出版社负责注册登录、图书信息录入、图书汇总以及查看购书反馈意见。当购书者拿到图书之后，可利用专用的二维码进行扫码，通过服务器数据库的查找得到结果，可由此来判断图书的真伪。针对不同的用户需求，本文设计了两款APP：普通用户端和出版社商端。

2.2  二维码加密图书防伪过程

根据设计方案，系统主要分为3个部分：普通用户、出版社和服务器。主要操作过程如下：

普通用户需要下载专用的手机APP，分为普通扫码识别和防伪扫码识别。普通扫码通过移动设备对图书的防伪二维码进行扫描，结果为乱码;防伪扫码是通过移动设备对图书的防伪二维码进行扫描，成功识别图书真伪。用户通过反馈功能，将系统使用的体验感反馈给系统管理员，方便管理员进行系统维护。主要功能包括：

（1）身份验证：购书者通过身份验证，注册为普通用户，可随时登录软件进行操作。

（2）二维码加密图书验证：分为扫描识别、信息解密、信息查询。①二维码扫描识别，采用的传统二维码扫描方式，对二维码现实的图像识别。②信息解密，根据扫描后签发的规则进行数据信息的解密处理。③信息查询，将扫描到的数据信息发送到远端的服务器进行数据库的比对，之后得到反馈，辨别图书信息的真伪。

出版社在注册中心进行注册，填写注册信息，成为系统的用户，在成为系统用户之后，通过账号密码登录系统，进入系统，使用系统的功能。录入图书信息，系统对图书信息进行校验，通过校验之后，反馈录入图书信息成功。生成图书二维码信息，并通过AES加密生成加密防伪维码。主要技术如下：

（1）身份验证，与普通用户类似，注册时选择出版社及相关信息，以便进行身份认证及追踪。

（2）图书信息，可对图书信息进行录入，信息汇总存入数据库。

（3）二维码管理，图书二维码加密及生成，将图书信息生成传统二维码，并通过AES对二维码加密，生成加密防伪二维码。

服务器主要为出版社和普通用户提供各种WebAPI接口，出版社和普通用户APP通过调用相应的WebAPI接口实现对应的图书防伪识别与认证。

3    试验及测试

（1）从未登录过系统的新用户需要先进行注册，输入相应信息进行注册，注册完成，自动跳转回登录界面，输入正确的账户及密码即可登录系统。

（2）出版社在进入系统之后，选择录入图书信息，录入成功之后，信息汇总。查看详情可得到该图书的主要信息以及自动生成的加密防伪二维码。

（3）用户可选择专用的图书防伪APP进行下载，用户进入系统之后，可选择“防伪码识别”按钮来查看图书的真伪，如图2所示，经过防伪码验证，显示该图书的主要信息，进而确认该图书的真伪。

（4）用户APP里有普通识别按钮，如果用此扫描器识别防伪二维码（已保存至相册），会出现乱码，如图3所示，查看不出图书的明文信息，无法确认图书的真伪。

4    结语

本文通过对图书防伪技术的研究与分析，提出基于二维码加密的图书防伪加密等技术，与普通二维码扫描识别不同的是，加密二维码需要下载官方扫描软件，该软件针对特定加密的二维码进行识别，以防止二维码被盗用及纂改。在下载识别软件时，需要进行身份认证，以便监督和追踪违法行为。加密二维码存储图书特定的信息，以便于官方图书信息进行映射，以证实该图书的真伪，对打击盗版、维护知识产权及市场监管具有重要的意义。

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Abstract：Books are one of the main resources to improve peoples moral and cultural cultivation and spiritual civilization construction. Books， as a special commodity， affect peoples outlook on life and values， at the same time， their quality is also related to peoples physical health and cultural dissemination. In recent years， the phenomenon of book piracy has occurred from time to time. In order to prevent the rampant spread of pirated books， this paper studies and designs book anti-counterfeiting recognition technology based on QR Code encryption by using encrypted QR Code information technology. The main technology is to generate QR Code from book information， encrypt QR Code image with AES encryption algorithm， encode ciphertext information into QR Code， and convert QR Code into QR Code. The encrypted QR Code is printed on the book， and the book buyer can use the special anti-counterfeiting verification APP， to transmit the interface code of the scanned book to the remote library for verification. The encrypted information will be decrypted in the background， and the obtained information will be compared with the information in the library， so as to complete the anti-counterfeiting verification of the book. The experimental results show that the research scheme is feasible， can easily verify the authenticity， and effectively identify pirated books.

Key words：advanced encryption standard encryption; book anti-counterfeiting; QR Code encryption; information coding