物联网和移动互联网的快速发展,以智能手机为代表的移动设备间短距离通信广泛应用于智能家居、移动支付、智能交通等众多领域,使人们生产生活方式深刻变革的同时也对信息安全提出了新的挑战。目前短距离通信方式有很多种,而利用智能手机上部署最广泛的麦克风和摄像头等必备硬件,实现短距离通信是其中热门的研究分支。基于高帧率高清晰度视频的人眼与摄像头互不干扰的摄像头-屏幕短距离隐蔽通信,以及基于友好干扰技术的声音短距离通信,是非常重要的两个研究方向。目前动态摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信,存在用户拍摄角度有限、解码耗时长、数据隐私保护不足等可用性与安全性问题;基于友好干扰技术的声音短距离通信,则存在难以抵御盲源信号分离攻击等安全性问题。针对以上问题,本文主要研究基于自身硬件短距离通信安全,核心是探索真实环境中智能设备间的摄像头-屏幕间和基于声音信道的安全短距离通信。本文以提高摄像头-屏幕间隐蔽通信与声音短距离通信的可用性与安全性为目的,主要研究以下三个方面的内容:（1）提出一种基于快速图像校正算法的摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信协议。以往研究通过优化通信方式与编码图形,提升通信的可用性。本文首先刻画了摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信共有的可用性与安全性问题,进而提出一种基于传感器数据的快速图像校正算法,改善摄像头-屏幕间通信角度受限的问题;在快速图像校正算法的基础上,提出一种基于用户类别的数据图形编码方案,通过将用户按照属性进行分类、优化编码图形并引入加密算法,减少解码时间开销、提升通信速度并保护用户隐私。通过实验验证了协议可以在变形程度达到60度的侧视角与俯仰视角,以及任意角度旋转变形的情况下校正图像,与已有工作相比可以减少90%的校正时间开销。图形编码方案引入加密算法,保护了用户隐私数据。协议总体通信速度增加了13%。实验结果显示了协议对于可用性与安全性的提升。（2）提出一种基于友好干扰技术的声音短距离安全通信协议。以往研究基于友好干扰技术保证声音短距离通信的数据安全,但没有充分考虑盲源信号分离攻击可以令友好干扰技术失效的问题。本文通过将智能手机的可移动性与秘密共享思想结合,有效抵御盲源信号分离攻击。在通信时协议通过令设备移动,对攻击者声音信道条件产生的随机影响,破坏盲源信号分离的攻击条件,抵御盲源信号分离攻击。协议只需要用户在通信时,以一定速度沿随机路径移动智能手机。基于秘密共享思想的数据传输,可以在用户没有达到安全移动速度时,保证数据的机密性。理论分析和实验验证显示了协议的可行性。实验结果表明,协议的安全通信距离可以达到30厘米,有效提升了声音短距离通信的安全性。（3）提出一种面向智能家居短距离通信场景的多因素身份认证协议。以往研究基于对称或非对称加密算法提出身份认证协议,未充分考虑针对短距离通信的特点进行改进。本文首先刻画了基于自身硬件短距离通信的特点,进而提出了面向智能家居短距离通信场景的多因素身份认证协议。通过摄像头采集用户生物特征,并与麦克风扬声器硬件指纹相结合,针对短距离通信方式特点进行优化。在认证设备与用户身份的同时,为后续通信提供会话密钥,并可以在后续通信中通过硬件指纹持续认证设备身份。理论分析和实验验证显示出协议的可行性和安全性。综上所述,本文系统研究了摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信、基于声音信道短距离通信安全,提出了可用性与安全性更好的通信协议,并提出了面向智能家居场景的多因素身份认证协议,进一步保障了上述短距离通信方式的安全。通过理论分析和实验验证,对于基于自有硬件的短距离通信方式的实际应用、通信安全和用户隐私有重要的实际意义。