郑飞 ZHENG Fei
（佛山广播电视大学，佛山 528000）
（Foshan Radio & Television University，Foshan 528000，China）
摘要： 通过介绍QR二维码的基本知识及其特点，然后根据开放大学学生管理的特点，设计并实现了开放大学身份验证系统，重点介绍了系统设计中的关键技术。
Abstract： The basic knowledge and the features of QR code are introduced, and then on the basis of the features of the student management in open university, the identity authentication system of open university is designed and realized. In the end, the key technologies applied in the system are introduced emphatically.
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关键词 ： QR码；开放大学；身份验证系统；RSA算法
Key words： QR Code；open university；identity authentication system；RSA algorithm
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）02-0204-02
0 引言
开放大学的管理是开放大学教学、科研、社会服务和对外交流等职能正常发挥的“润滑剂”，包括学籍、档案、图书、物资设备等方方面面，因而出现了各种证件，如学生证、准考证、借书证等。这些证件的使用和验证很不方便，而且容易伪造。
随着信息技术的发展与进步，4G网络、WiFi网络等的出现与普及，特别是二维码的出现与广泛使用，可以很好地解决这一问题，实现一码多用，作为电子身份证方便携带与验证，而且相对于其它身份验证技术如虹膜识别、指纹识别、人脸识别等生物身份识别技术而言，其实现成本低且快捷高效。
1 QR二维码
1920年代，一维条形码诞生。条形码的出现，极大地提高了数据信息处理的效率，但因一维条形码信息存储量小、描述物品的信息简单、没有容错性等局限性，人们进行了二维码的研究与开发。QR Code码是1994年日本Denso研制的二维码。
1.1 二维码的特点 相较于一维条形码，QR Code二维码具有以下特点：
1.1.1 信息容量大 QR码最多可容纳数字字符7089个、字母数字字符4296个、汉字1817个。
1.1.2 高速、全方位识读 可以将文字、图像、视频等进行编码，实现信息存储、携带、360度自动识读。
1.1.3 支持加密算法 使用软件加密、密码防伪等方式，避免使用者信息泄露，如用基于DES和RSA的混合加密算法，广泛应用于车票等二维码应用上。
1.1.4 使用成本低，容易制造 二维码是一种图形数据文件，可以嵌印在任何介质上，只需要对PC机二维码软件产生的二维码进行打印或者直接通过彩信发送到使用者手机上即可，因此二维码技术又被称为“零成本”技术。
1.1.5 极低的误码率和较高的容错能力 如果二维码受污损、被撕毁等，只要受损面积没有超过二维码面积的一半，就可以通过相关纠错算法，提取出正确的二维码信息，二维码误码率低于0.00001%。QR 码有较强的数据容错能力，使用Reed-Solomon 码进行差错控制。根据需要，可以设定L、M、Q、H 四个纠错等级，分别可恢复传输或识读出错的约7%、15%、25%、30% 的码字信息。
1.1.6 二维码信息的读取设备多样 除了二维码专用读取设备外，可以使用装有摄像头的手机或电脑摄像头并配合相应软件进行读取。
1.2 QR码的图形结构 如图1和图2分别是QR码的图形及图形结构。由图2可以看出，QR码是由若干正方形模块组成的一个正方形阵列。这个正方形阵列由功能图形区和编码区组成。功能图形区又分为空白区、位置探测图形、分隔符、定位图形和校正图形，用于符号定位和特征识别的特定图形，不用于数据编码；编码区由格式信息、版本信息以及数据和纠错码字组成，该区域用来保存数据。各部分图形都由深色模块（代表二进制1）或浅色模块（代表二进制0）组成，位置清晰，功能性强，有利于进行图像处理和识别。
1.3 QR码的编码、识别与解码 QR码的编码包括数据编码和纠错编码两部分。QR的数据编码集包括数字型数据、字母型数据、8位字节型数据（AsciI码字符集）和中国汉字字符。对应不同的字符集，QR使用数字模式、字母数字模式、8位字节模式、中国汉字模式等不同的模式来进行编码，以便高效地将数据转换成二进制位流。纠错编码采用RS（Reed-Solomon）纠错编码算法来实现。
智能设备通过摄像头采集带有条码符号的图像，通过灰度化、二值化、旋转校正等图像的预处理程序，进行条码检测。如果是QR码，则进行图像信息的取样，否则重新采集。然后进行纠错译码，并统计出错误数量。如果可以正确进行纠错译码，则使用相应模式进行译码，恢复编码信息，进行信息输出；否则纠错译码失败，重新采集图像。
QR码解码的基本流程：
①格式与版本信息译码。②除去符号掩膜。用掩膜图形信息对符号进行异或操作，去除掩膜。③信息提取。按照QR码的码字排列规则，对采样矩阵中的信息重新组合，得到数据码字和纠错码字。④纠错译码。使用与纠错等级相对应的纠错码检测错误、纠正错误。⑤数据解码。把数据码字按照编码规则生成信息位流，使用所用模式规则进行解码，得到原始编码数据，并输出结果。
2 系统的设计与实现
2.1 系统总体设计 基于QR二维码的开放大学学生身份验证系统由QR码管理、学籍管理、考务管理、图书管理及系统管理等模块组成，其总体结构如图３所示。
2.1.1 QR码管理模块 该模块负责QR码的生成与验证、加密与解密以及发送。系统根据相关信息和需要编码生成QR码，通过智能设备扫描QR码图形，解码出相应的信息并验证；为了防止对QR码图形的伪造，在生成QR码图形前对相关数据进行加密，对扫描到系统中的QR码图形进行解密；在生成QR码图形后，可以通过微信、Email、彩信、纸质打印等方式，将所生成的QR码发送到学生手中。
2.1.2 学籍管理模块 该模块对学生的学籍信息进行管理，完成学生信息的增加、删除、修改与查询等功能。
2.1.3 考务管理模块 该模块的功能包括考试信息的发布、考务信息的管理和准考证信息的管理等。考试前发布与考试相关的信息，对考场、监考、考试时间等与考试有关事宜进行安排与处理，同时将考试科目、时间、考场、座位号与学生的学号、姓名、专业、班级及照片等结合形成准考证。
2.1.4 图书管理模块 该模块完成学生图书借阅信息的管理并进行相关情况的统计与分析。
2.1.5 系统管理模块 该模块对整个系统进行维护。主要功能包括：系统初始化、用户管理、代码管理、日志管理、系统自动更新等。
2.2 关键部分的实现 本系统的关键部分是QR码管理模块。
2.2.1 QR码的编码与解码 将学生的相关信息经过加密后，使用ZXing类库，实现QR码的编码与解码功能。ZXing是一个开源的条码生成和扫描库，不仅支持众多的条码格式，而且有多种语言的实现版本，本系统使用VC++ 2010。
2.2.2 QR码的加密与解密 在实施数据安全性方面，本系统采用RSA算法在编码前对数据进行了加密，在验证时对数据进行了解密。
RSA算法的步骤：
①RSA算法的初始化。选择两个足够大的素数：p1、p2（保密）；计算密钥长度（公开）n=p1*p2；计算n的欧拉函数（保密）为?准（n）=（p1-1）*（p2-1）；产生公钥e1（公开），使e1与?准（n）互为质数，且1?刍e1?刍?准（n）；求私钥e2（保密），使e1*e2≡1mod（?准（n））。
②RSA加密与解密。将明文分块，块的长度不大于整数log2n，然后对每个明文块进行加密和解密。加密时，使用公钥e1对明文m进行加密，加密算法为c≡me1（mod n）；解密时，使用私钥e2对密文c进行解密，解密算法为m≡ce2（mod n）。
3 结论
根据开放大学的特点，本文研究了基于QR二维码的开放大学学生身份验证系统，系统将图书管理、学籍管理等系统集成为一个新的系统，节省了资源，降低了相关工作人员的工作量。
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