CN104270581A - 一种便携式真随机码发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式真随机码发生装置，包括发光模块、图像传感器、散射材料、反射片、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块和PCB板；其中，发光模块、图像传感器、FPGA控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块均固定在PCB板上，发光模块设置在图像传感器的周边，散射材料覆盖在图像传感器、发光模块上，反射片设置在散射材料上。本发明还公开了一种便携式真随机码发生方法。本发明结构简单，易于实现，具有高随机性、高产生率、且价格低廉，预计实现实物只有U盘大小，方便携带，使用USB进行真随机码的传输，即插即用，使用非常方便。产生随机码的过程不依赖于任何外部辅助，具有极高的安全性。

Description

一种便携式真随机码发生装置及方法

技术领域

本发明涉及信息安全以及个人信息安全保护技术领域，特别是一种便携式真随机码发生装置及方法。

背景技术

随机码对于很多应用来说是一种宝贵的资源，广泛应用于电脑仿真、赌博、数值分析、采样、决策以及通信安全等领域。产生随机码的方法主要有两种，一种是基于数学方法的伪随机码生成器，依赖复杂的算法，通过种子产生周期很长的伪随机码。事实上，依赖于复杂确定算法的伪随机码发生器因为其高效率以及高产生率已经被广泛应用。尽管算法复杂，由伪随机码产生器产生的随机码最终还是会重复它自己，因此如果种子或者算法运行的当前状态被破解者知道，伪随机码的输出是可以预测的。

第二种就是利用物理现象产生真随机码。相比较于第一种，通过物理现象产生的随机码通常是被认为具有完全的不可确定性，这就保证了它将是不可预测的随机码。几种比较常用的产生真随机码的物理过程如：单光子传输路径选择，单光子到达时时间，振荡器的定时抖动，电路热噪声，混沌激光，自发辐射噪声，激光器的相位噪声，真空状态。基于这些物理现象产生的随机码既能够保证随机码的高随机性，又能获得较多比特的噪声。然而这些方法都依赖于专业的昂贵的硬件，如单光子探测器、精确配置外部谐振腔的激光源。因此他们不适合用于个人安全应用，如个人电话、个人网络支付等。现如今真随机码发生器存在这样的缺陷：成本高、产生率低、随机性不够高、不适合个人使用等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种便携式真随机码发生装置及方法，本发明将发光模块、图像传感器、控制模块等都集成到一块小电路板上，产生随机码的过程不依赖于任何外部辅助，具有极高的安全性、随机性；本发明结构简单且成本低。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种便携式真随机码发生装置，包括发光模块、图像传感器、散射材料、反射片、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块和PCB板；发光模块、图像传感器、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块均固定在PCB板上，发光模块设置在图像传感器的周边，散射材料覆盖在图像传感器和发光模块上，反射片设置在散射材料上；其中，

发光模块，用于发射光至散射材料；

散射材料，用于利用入射光产生透射光和第一散射光；其中，透射光照射至反射片，第一散射光照射至图像传感器；

反射片，用于将接收到的透射光产生反射光并经散射材料产生第二散射光，然后将第二散射光照射至图像传感器；

图像传感器，用于将接收的第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值后输出至控制模块；

控制模块，用于控制发光模块发射光的强度，使得图像传感器接收到第一散射光和第二散射光的信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态，并根据接收的像素灰度值中选出每一个像素点灰度值最后n位作为真随机码源，该真随机码源乘以熵压缩矩阵进行熵压缩，获得真随机码输出至USB桥接模块；其中，n为整数，0<n<9；

USB桥接模块，用于将真随机码打包为USB协议的数据帧通过USB接口输出至外部设备；

电源转换模块，外部电源经USB接口输入至电源转换模块，经转换后输出至图像传感器和控制模块。

作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述控制模块为FPGA控制模块。

作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述发光模块为LED光源；所述散射材料为硅胶或者聚丙乙烯或者FullCure树脂；所述反射片的形状为锯齿形状。

作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述图像传感器为OV9120灰度CMOS图像传感器。

作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述USB桥接模块采用CH341USB芯片；所述电压转换模块为1117-3.3电压转换芯片或1117-1.2电压转换芯片。

作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述n的取值是由图像传感器决定。

根据本发明提出的一种便携式真随机码发生方法，包括以下步骤：

步骤一、将入射光经散射材料产生透射光和第一散射光，其中，将透射光入射至反射片上产生反射光，将反射光经散射材料产生第二散射光；

步骤二、将第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值；

步骤三、控制光的强度，并对第一散射光和第二散射光的信噪比进行扫描，使得信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态；

步骤四、获取k个像素点灰度值的末n位，当k*n>M时，从其中选取M个元素作为M个真随机码源；M为预先设置的大于0的整数，k为大于0的整数；

步骤五、将M个真随机码源排列为矩阵A，将矩阵A乘以熵压缩矩阵B进行熵压缩处理，得到熵压缩后的真随机码矩阵C；

步骤六、将熵压缩后的真随机码矩阵C的元素作为真随机码输出至外部设备。

作为本发明的一种便携式真随机码发生方法的进一步优化的方案，所述步骤五中，矩阵A为P行Q列的矩阵，其中P*Q＝M，熵压缩矩阵B为Q行列矩阵，将矩阵A和熵压缩矩阵B相乘得到一个P行列的熵压缩后的真随机码矩阵C；其中，P为大于0的整数，Q为正偶数。

作为本发明的一种便携式真随机码发生方法的进一步优化的方案，所述矩阵A为：

所述熵压缩矩阵B为：所述熵压缩后的真随机码矩阵C为：

其中，a_ih为矩阵A中第i行第h列元素，i，h均为整数且0<i≤P，0<h≤Q；

b_hj为矩阵B中第h行第j列元素，j为整数，

c_ij＝a_i1b_1j+a_i2b_2j+…a_ijb_ji，c_ij为熵压缩后的真随机码矩阵C中第i行j列元素，c_ij是遵循模2加法运算得到。

作为本发明的一种便携式真随机码发生方法的进一步优化的方案，所述熵压缩矩阵B由FPGA控制模块的RAND单元首先产生一个N位种子，该种子由线性反馈移位寄存器进行邻位异或操作产生，其中，N为大于1的整数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明基于图像传感器和控制模块，在产生真随机码之前，通过控制模块对光的强度进行扫描，找到最佳工作点，确保真随机码的产生；通过对一张图片的每个像素点灰度值的最后n位的使用，既保证了产生随机码的效率，也保证了产生随机码的随机性；对得到的随机码再进行一次熵压缩，降低随机码的自相关性，这样使得得到的随机码的随机性更高。

(2)本发明将发光模块、图像传感器、控制模块等均置于装置内部，形成一个独立的小系统，从图像传感器的参数配置，光的强度到FPGA对随机码进行熵压缩的过程完全由FPGA控制模块来实现，外部只需要提供USB电源，极其安全。

(3)本结构简单，易于实现，具有高随机性、高产生率、且价格低廉，预计实现实物只有U盘大小，方便携带，使用USB进行真随机码的传输，即插即用，使用非常方便。产生随机码的过程不依赖于任何外部辅助，具有极高的安全性。

附图说明

图1是本发明装置的示意图。

图2是本发明的模块示意图。

图3是FPGA扫描光的强度获得最佳工作点的示意图。

图4是信噪比和图像传感器电流的关系图。

图中标记解释：1-发光模块，2-图像传感器，3-反射片，4-控制模块，5-电压转换模块6-USB桥接模块，7-USB接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明装置的示意图，图2是本发明的模块示意图。一种便携式真随机码发生装置，包括发光模块1、图像传感器2、散射材料、反射片3、控制模块4、USB桥接模块6、USB接口7、电源转换模块5和PCB板；发光模块1、图像传感器2、控制模块4、USB桥接模块6、USB接口7、电源转换模块5均固定在PCB板上，发光模块1设置在图像传感器2的周边，散射材料覆盖在图像传感器2和发光模块上1，反射片3设置在散射材料上；其中，

发光模块1，用于发射光至散射材料；

散射材料，用于利用入射光照射至散射材料；其中产生透射光和第一散射光；透射光照射至反射片3，第一散射光照射至图像传感器2；

反射片3，用于将接收到透射光产生反射光并经散射材料产生第二散射光，然后将第二散射光照射至图像传感器2；

图像传感器2，用于将接收的第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值后输出至控制模块4；

控制模块4，用于控制发光模块1发射光的强度，使得图像传感器2接收到第一散射光和第二散射光的信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态，并根据接收的像素灰度值中选出每一个像素点灰度值最后n位作为真随机码源，该真随机码源乘以熵压缩矩阵进行熵压缩，获得真随机码输出至USB桥接模块；其中，n为整数，0<n<9；

USB桥接模块6，用于将真随机码打包为USB协议的数据帧通过USB接口输出至外部设备。外部设备如手机、笔记本等。

电源转换模块5，外部电源经USB接口输入至电源转换模块5，经转换后输出至图像传感器2和控制模块4。

所述控制模块4为FPGA控制模块。所述发光模块1为LED光源；所述散射材料为硅胶或者聚丙乙烯或者FullCure树脂；所述反射片3的形状为锯齿形状。所述图像传感器2为OV9120灰度CMOS图像传感器。所述USB桥接模块6采用CH341USB芯片；所述电压转换模块5为1117_3.3电压转换芯片或1117-1.2电压转换芯片。所述n的取值是由图像传感器2决定。反射片3包含很多直角单元，将光线均匀散射回。发光模块可选两个LED光源对称放在图像传感器两端，散射材料覆盖图像传感器和LED光源上，散射材料顶部放置反射片，这样可以保证照明均匀，像素灰度值的随机性。

一种便携式真随机码发生方法，包括以下步骤：

步骤一、将入射光经散射材料产生透射光和第一散射光，其中，将透射光入射至反射片上产生反射光，将反射光经散射材料产生第二散射光；

步骤二、将第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值；

步骤三、控制光的强度，并对第一散射光和第二散射光的信噪比进行扫描，使得信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态；

步骤四、获取k个像素点灰度值的末n位，当k*n>M时，从其中选取M个元素作为M个真随机码源；M为预先设置的大于0的整数，k为大于0的整数；

步骤五、将M个真随机码源排列为矩阵A，将矩阵A乘以熵压缩矩阵B进行熵压缩处理，得到熵压缩后的真随机码矩阵C；

步骤六、将熵压缩后的真随机码矩阵C的元素作为真随机码输出至外部设备。

所述步骤五中，矩阵A为P行Q列的矩阵，其中P*Q＝M，熵压缩矩阵B为Q行列矩阵，将矩阵A和熵压缩矩阵B相乘得到一个P行列的熵压缩后的真随机码矩阵C；其中，P为大于0的整数，Q为正偶数。

所述矩阵A为：

所述熵压缩矩阵B为：所述熵压缩后的真随机码矩阵C为：

其中，a_ih为矩阵A中第i行第h列元素，i，h均为整数且0<i≤P，0<h≤Q；

bhj为矩阵B中第h行第j列元素，j为整数，

c_ij＝a_i1b_1j+a_i2b_2j+…a_ijb_ji，c_ij为熵压缩后的真随机码矩阵C中第i行j列元素，c_ij是遵循模2加法运算得到。

所述熵压缩矩阵B由FPGA控制模块的RAND单元首先产生一个N位种子，该种子由线性反馈移位寄存器进行邻位异或操作产生，其中，N为大于1的整数。

其中LED光源最好选择反射板源，散射材料可染色、所染颜色应与LED光源一致，反射片做成将照射光均匀散射回的结构，PCB电路板用于将所有器件固定在其上，并将它们正确连接在一起，以确保正常工作。照明LED方面使用单色光源，FPGA控制照明使其保持稳定并使图像的噪声由光电流散粒噪声决定,以保证产生随机码的随机性。

传感器的噪声通常由三部分组成：光电流散粒噪声n_s、读出噪声n_r、固定模式噪声n_f。这三种噪声的功率可以使用噪声电子个数来表达：

$n_s=\frac{1}{q}(i_{\mathrm{ph}}+i_{\mathrm{dc}})t_{\exp }---\left(1\right)$

n_r＝σ_read ²         (2)

$n_f={\mathrm{\&sigma;}}_d^2+\frac{1}{q^2}+{\left(i_{\mathrm{ph}}{t}_{\exp }{\mathrm{\&sigma;}}_p\right)}^2---\left(3\right)$

其中，q代表电子的电量，i_ph是光电流的大小，i_dc是暗电流的大小。t_exp是曝光的内置时间，σ_read代表不确定的读出噪声n_r。固定的模式噪声可以被分为两种，一种是因为暗电流大小不一样而引起的暗信号噪声(DSNU)，另外一种是传感器的光响应噪声(PRNU)。σ_d和σ_p分别代表DSNU和PRNU的不确定性。分析表明当信噪比低于SNRB时，商用图像传感器的噪声主要由读出噪声，暗电流噪声以及暗信号噪声组成；当信噪比高于SNRB时，图像电流的散粒噪声将掩盖其他所有噪声；当信噪比大于SNRE时，这时光响应噪声限制整体噪声特性。

本发明采用外部USB供电，没有内置电源，但内置电源转换模块，用于将5V数字电源转换为FPGA控制模块使用的3.3V电源，而图像传感器和LED则有FPGA提供电源和控制。控制LED光强大小的电压可以由数模转换器产生，也可以由脉宽调制(PWM)波产生。由FPGA控制，驱动电压，即可实现FPGA对LED光强大小的控制。

在该装置被外部USB接口上电之后，FPGA首先初始化自己，初始化完毕，FPGA首先通过SPI方式对图像传感器写入参数，参数写入完毕，延时一定时间等待传感器配置完成，现对LED光强的扫描，扫描的方法为步进扫描法，具体为每次的扫描电压比之前扫描的电压高一个固定的值，也就是每次增加的有效电压为固定值，在一定范围内扫描。并且在每次改变驱动电压之后，FPGA都会采集图像传感器的像素点的灰度值信息，将采集到的灰度值与预先设置好的灰度值进行比较，直到找到图像传感器产生真随机码的最佳工作点。

图3是FPGA扫描光的强度获得最佳工作点的示意图。找到图像传感器2产生真随机码的最佳工作点具体方法为，所述V2为本次FPGA输出电压，所述SNR2为本次电压下图像传感器像素点的信噪比，所述V0为前一次FPGA输出电压，所述SNR0为输出电压为VO时图像传感器的像素点的信噪比，SNR0初始为第一个工作点图像传感器的信噪比，所述VB为图像传感器噪声开始被光电流散粒噪声主导的FPGA的输出电压，所述SNRB为光电流散粒噪声刚开始主导图像传感器噪声时的图像的信噪比。每次驱动电压改变，比较当前灰度值SNR2和SNRB的大小，如果SNR2＝SNRB，则选取P2对应占空比为最佳工作点，PWM占空比保持不变，如果SNR2<SNRB，则进行下一次扫描，如果SNR2>SNRB，停止扫描。LED光强保持不变。

如图4所示是信噪比和图像传感器电流的关系图。SNRB为光电流散粒噪声主导图像传感器噪声的最小信噪比，SNRE为光电流散粒噪声主导图像传感器噪声的最大信噪比，只有当图像的信噪比处于SNRB和SNRE之间时光电流散粒噪声主导图像传感器噪声，此时为本系统的有效工作点。

在LED最佳工作点扫描完成后，FPGA内部变量SET_COMP的值将变为1，使能主程序。主程序主要用于收集每一个像素点灰度值信息，并取其后n位，当读取M个像素点的灰度值末位后，将其排列为一个P行Q列的矩阵，其中P*Q＝M；通过FPGA内部RAND模块产生M个随机码，并将这M个随机码排列为一个Q行，列的矩阵；将这两个矩阵相乘将得到一个P行，列的矩阵，其中新矩阵的每一个元素的值由模2加法得到。RAND模块通过线性反馈移位寄存器产生伪随机码，线性反馈移位寄存器的位数为N，这样每次将N位数字右移一位，舍弃末位，首位数通过本原方程式模2加法产生，这样所得伪随机码的周期为2的N次方减1，其中1的个数为2^N，0的个数为2^N，N是移位寄存器的长度，N为大于0的整数，当N足够大时，所得伪随机码有很好的随机性。进行完熵压缩后产生的真随机码将会被FPGA传输给USB桥芯片以转换为USB传输方式传送给外部设备使用。如取N为31，那么其最小本原方程式为：

f(x)＝x³¹+x³+1       (4)

其中，x^Y表示移位寄存器中第Y位元素，Y为正整数，式(4)表示首位元素由移位寄存器中第31位元素、第3位元素和1的模2加法。

本发明装置中的电压转换模块5主要是电压转换芯片，用于将USB提供的5V数字电压转换为FPGA所需电压，一般为3.3V或者1.2V，多数FPGA要求供电电压的精度在0.1V以内，以确保FPGA可以正确工作，因此选择的电压转换芯片精度必须高于0.1V。综上所述，这里可以使用常用的电压转换芯片1117系列，精度在0.05V，足够FPGA使用，具体型号为1117-3.3或者1117-1.2。

图像传感器在本发明中最好使用灰度图像传感器。如果采用彩色传感器，那么在最后的随机码中可能会存在关于三原色的某种模式。因此本发明只关注每个像素点的灰度值信息，忽略色彩，选用灰度图像传感器。OmniVision推出的灰度CMOS图像传感器OV9120，3.3V供电，与FPGA供电电压一样，135万像素(1280*1024)，,10位ADC输出，完全符合本发明的要求。

USB桥接模块6和USB接口7用于将FPGA生成的真随机码传送出去，以供外设使用。个人安全保护不仅需要安全，还需要使用方便，而USB接口7正是因为其方便使用和高速率代替了串口通信，因此本发明采用USB方式传输真随机码。FPGA要想直接进行USB通信，在其内部需要生成专门的模块，这个模块将占用FPGA的大量资源，因此采用并口转USB的芯片进行转换。综上所述，本发明可以使用并口转USB的芯片可以为较成熟的通信芯片CH341，该芯片有提供的数据手册的串口通信的示例，使用简单方便。

OmniVision推出的灰度CMOS图像传感器OV9120，3.3V供电，与FPGA供电电压一样，135万像素(1280*1024)，10位ADC输出，完全符合本发明的要求。高吸收率散射材料涂覆膜用于散射LED发出的照明光到图像传感器2上，为了提高真随机码的随机性，使用透明型散射材料。综上所述，本发明可以使用硅橡胶材料作为涂覆膜材料使用。可编程逻辑器件FPGA要求足够的系统频率，以及一定的内部RAM,在本发明中FPGA内部RAM容量10K比特完全够用，足够的I/O端口，用于读数据、传输数据以及控制LED和图像传感器。Lattice公司可编程逻辑MachXO系列，250M系统频率，16K内部RAM，低功耗，3.3V供电，符合本发明的要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，包括发光模块、图像传感器、散射材料、反射片、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块和PCB板；发光模块、图像传感器、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块均固定在PCB板上，发光模块设置在图像传感器的周边，散射材料覆盖在图像传感器和发光模块上，反射片设置在散射材料上；其中，

发光模块，用于发射光至散射材料；

散射材料，用于利用入射光产生透射光和第一散射光；其中，透射光照射至反射片，第一散射光照射至图像传感器；

反射片，用于将接收到的透射光产生反射光并经散射材料产生第二散射光，然后将第二散射光照射至图像传感器；

图像传感器，用于将接收的第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值后输出至控制模块；

控制模块，用于控制发光模块发射光的强度，使得图像传感器接收到第一散射光和第二散射光的信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态，并根据接收的像素灰度值中选出每一个像素点灰度值最后n位作为真随机码源，该真随机码源乘以熵压缩矩阵进行熵压缩，获得真随机码输出至USB桥接模块；其中，n为整数，0<n<9；

USB桥接模块，用于将真随机码打包为USB协议的数据帧通过USB接口输出至外部设备；

电源转换模块，外部电源经USB接口输入至电源转换模块，经转换后输出至图像传感器和控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述控制模块为FPGA控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述发光模块为LED光源；所述散射材料为硅胶或者聚丙乙烯或者FullCure树脂；所述反射片的形状为锯齿形状。

4.根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述图像传感器为OV9120灰度CMOS图像传感器。

5.根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述USB桥接模块采用CH341USB芯片；所述电压转换模块为1117-3.3电压转换芯片或1117-1.2电压转换芯片。

6.根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述n的取值是由图像传感器决定。

7.一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将入射光经散射材料产生透射光和第一散射光，其中，将透射光入射至反射片上产生反射光，将反射光经散射材料产生第二散射光；

步骤二、将第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值；

步骤三、控制光的强度，并对第一散射光和第二散射光的信噪比进行扫描，使得信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态；

步骤四、获取k个像素点灰度值的末n位，当k*n>M时，从其中选取M个元素作为M个真随机码源；M为预先设置的大于0的整数，k为大于0的整数；

步骤五、将M个真随机码源排列为矩阵A，将矩阵A乘以熵压缩矩阵B进行熵压缩处理，得到熵压缩后的真随机码矩阵C；

步骤六、将熵压缩后的真随机码矩阵C的元素作为真随机码输出至外部设备。

8.根据权利要求7所述的一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，所述步骤五中，矩阵A为P行Q列的矩阵，其中P*Q＝M，熵压缩矩阵B为Q行列矩阵，将矩阵A和熵压缩矩阵B相乘得到一个P行列的熵压缩后的真随机码矩阵C；其中，P为大于0的整数，Q为正偶数。

9.根据权利要求8所述的一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，所述矩阵A为：所述熵压缩矩阵B为：所述熵压缩后的真随机码矩阵C为：

其中，a_ih为矩阵A中第i行第h列元素，i，h均为整数且0<i≤P，0<h≤Q；

b_hj为矩阵B中第h行第j列元素，j为整数，

c_ij＝a_i1b_1j+a_i2b_2j+…a_ijb_ji，c_ij为熵压缩后的真随机码矩阵C中第i行j列元素，c_ij是遵循模2加法运算得到。

10.根据权利要求7或8或9所述的一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，所述熵压缩矩阵B由FPGA控制模块的RAND单元首先产生一个N位种子，该种子由线性反馈移位寄存器进行邻位异或操作产生，其中，N为大于1的整数。