CN107615237B - 用于管理基于量子噪声的随机数生成器的性能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于管理基于量子噪声的随机数生成器的性能的装置和方法，该装置基于与从光源发射并输入到各个像素中的光信号的光强度值对应输出的各个像素的输出值来确保随机数生成器的性能稳定性，以使得不管装置如何，能够在特定范围内输出从图像传感器输出的熵信号的值，从而能够在使像素之间的偏差最小化的同时连续地维持足够的随机性。

Description

用于管理基于量子噪声的随机数生成器的性能的装置和方法
技术领域
本公开涉及用于确保基于量子噪声的随机数生成器的性能可靠性的技术。
更具体地，本公开涉及一种基于根据输入到各个像素中的光信号的光强度值从各个像素输出的输出值来确保随机数生成器的性能可靠性的方法。
背景技术
随机数用在诸如安全、科学计算、游戏和彩票的各种领域中，并且在大多数情况下，代替真随机数使用基于算法生成的伪随机数。
然而，与真随机数不同，伪随机数具有问题，因为它可能是可预测的。
最近，已对生成真随机数而非伪随机数的真随机数生成器进行了各种研究，特别是，利用量子现象来生成真随机数的量子随机数生成器受到关注。
一种这样的量子随机数生成器通过指示由光源生成的光子数的不确定性的散粒噪声或量子散粒噪声来生成真随机数。
为了实现基于散粒噪声的随机数生成器，最近出现了使用诸如CMOS传感器或CCD传感器的图像传感器的技术(参见论文：Physical Review X,4,031056(2014))。
更具体地，基于光的散粒噪声的随机数生成器使用在各个像素中累积预定时间量的光强度值作为随机数。光强度值的波动引起随机性。
特别地，由于在各个像素中累积预定时间量的光强度值遵循泊松分布，所以光强度值的均值和方差值之间具有线性比例关系。因此，通过均值来确定测量波动的方差，然后基于光强度值的均值来确定各个像素中的随机性。
因此，根据泊松分布通过各个像素的光强度值的均值来确定从图像传感器输出的熵，并且基于所确定的熵来确定随机性的质量。
即，当各个像素的光强度值的均值增大时，方差增大，各个像素的光强度值的波动增大，熵增大，因此随机性的质量得以改进。
此外，当各个像素的光强度值的均值减小时，方差减小，各个像素的光强度值的波动减小，熵减小，因此随机性的质量劣化。
因此，基于量子散粒噪声的随机数生成器通过光源和图像传感器来生成与熵对应的熵信号，并且执行随机数生成器(RNG)后处理以生成随机数。
然而，由于诸如在制造光源和图像传感器的工艺期间可能产生的特性差异(包括用于实现随机生成器的方案或结构、外部温度以及所供应的电流的特性的差异)的各种原因，即使使用相同的随机生成器模块、芯片或装置，来自图像传感器的熵信号的值也会不同。
发明内容
技术问题
本公开要解决的技术问题是基于根据输入到各个像素中的光信号的光强度值从各个像素输出的像素特定输出值来确保随机数生成器的性能可靠性。
技术方案
根据本公开的一方面，提供了一种用于管理随机数生成器的性能的设备。该设备包括：输出识别单元，其被配置为当从至少一个光源辐射的光信号被输入到包括至少一个像素的图像传感器中时，识别与输入到各个像素中的光信号的光强度值对应从各个像素输出的输出值；性能分析单元，其被配置为利用各个像素的输出值和预设统计特性基准区域来分析各个像素的性能；以及设定改变单元，其被配置为基于各个像素的性能的分析结果来改变光源和图像传感器中的至少一个的设定值。
具体地，当光源处于开启状态并且各个像素的全部或部分输出值被包括在统计特性基准区域中时，性能分析单元可确定各个像素的性能稳定并且生成第一性能分析结果信号，而当各个像素的全部或部分输出值未被包括在统计特性基准区域中时，确定各个像素的性能不稳定并且生成第二性能分析结果信号。
具体地，当生成第二性能分析结果信号时，设定改变单元可改变与光源的光量或光强度的控制有关的第一设定值以使各个像素的性能稳定。
具体地，当生成第二性能分析结果信号时，设定改变单元可改变与图像传感器内的各个像素的驱动的控制有关的第二设定值以使各个像素的性能稳定。
具体地，当生成第二性能分析结果信号并且输入到各个像素中的光信号的光强度值的均匀性未被包括在预设均匀性确定基准范围中时，设定改变单元可改变与图像传感器的兴趣范围(ROI)的控制有关的第三设定值。
具体地，当光源处于关闭状态并且各个像素的全部或部分输出值大于预设噪声确定基准值时，性能分析单元可确定各个像素的电噪声大于或等于基准值，并且设定改变单元可改变与电噪声有关的第四设定值。
具体地，统计特性基准区域可被确定为与在预定时间量内在各个像素中累积的光强度值遵循泊松分布的波动宽度对应的范围当中大于或等于预设波动宽度分割基准值的范围。
具体地，该设备还可包括监测单元，该监测单元被配置为监测在设定值改变之后从各个像素输出的输出值的质量。
根据本公开的另一方面，提供了一种操作用于管理随机数生成器的性能的设备的方法。该方法包括以下步骤：输出识别步骤，当从至少一个光源辐射的光信号被输入到包括至少一个像素的图像传感器中时，识别与输入到各个像素中的光信号的光强度值对应从各个像素输出的输出值；性能分析步骤，利用各个像素的输出值和预设统计特性基准区域来分析各个像素的性能；以及设定改变步骤，基于各个像素的性能的分析结果来改变光源和图像传感器中的至少一个的设定值。
具体地，设定改变步骤可包括执行以下步骤中的至少一个：当光源处于开启状态并且各个像素的全部或部分输出值未被包括在统计特性基准区域中时，改变与光源的光量或光强度的控制有关的第一设定值；改变与图像传感器内的各个像素的驱动的控制有关的第二设定值；以及改变与图像传感器的兴趣范围(ROI)的控制有关的第三设定值。
具体地，统计特性基准区域可被确定为与在预定时间量内在各个像素中累积的光强度值遵循泊松分布的波动宽度对应的范围当中大于或等于预设波动宽度分割基准值的范围。
具体地，该方法还可包括监测步骤：监测在设定值改变之后从各个像素输出的输出值的质量。
有益效果
因此，通过基于各个像素根据从光源辐射并输入到各个像素中的光信号的光强度值而输出的输出值来确保随机数生成器的性能可靠性，本公开实现了在使像素之间的偏差最小化的同时一直确保足够的随机性的效果。
附图说明
图1示出根据本公开的实施方式应用了管理基于量子噪声的随机数生成器的性能的性能管理装置的通信环境的示例；
图2示出随机数生成器的基本概念；
图3是示出根据本公开的实施方式的性能管理装置的配置的框图；
图4示出根据本公开的实施方式的统计特性基准区域的示例；以及
图5是示出根据本公开的实施方式的在性能管理装置中确保随机数生成器的性能可靠性的操作流程的流程图。
具体实施方式
应该注意，如本文所使用的技术术语仅用于描述特定实施方式，并不意在限制本公开的范围。此外，本说明书中的技术术语应该被解释为本领域技术人员通常理解的含义，除非所述术语被定义为另一含义，并且不应被解释为过度包含的含义或者过度排他的含义。当本说明书中所使用的技术术语是没有准确地表达本公开的构思的不正确的技术术语时，应该用本领域技术人员可理解的正确技术术语替换该技术术语。此外，本公开中所使用的一般术语应该在根据字典定义的上下文中解释，而不应被解释为具有过于受限的含义。
另外，本说明书中所使用的单数表达包括复数表达，只要它们在上下文中清楚地区分即可。在本公开中，术语“包括”或“包含”不应被解释为必然包括本文所公开的所有各种元件或各种步骤，应该理解，可不包括一些元件或步骤，或者还可包括附加元件或步骤。
另外，尽管可使用包括诸如第一、第二等的序数的术语来描述各种元件，但是元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将元件与其它元件相区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。
以下，将参照附图详细描述本公开的实施方式，相同或相似的元件被指派相同的标号，并且将省略其重复描述。
此外，在本公开的技术的以下描述中，本文所包含的已知技术的详细描述在可能使本公开的主题不清楚时将被省略。此外，应该注意，附图仅旨在使本公开的技术构思易于理解，该技术构思不应被解释为受附图限制。
以下，将参照附图详细描述本公开的实施方式。在各个附图中给元件添加标号时，如果可能的话，相同的元件将由相同的标号来指代，即使它们被示出于不同的附图中。此外，在本公开的以下描述中，当确定本文所包含的已知功能和配置的详细描述可能使本公开的主题不清楚时，将省略该描述。
以下，将参照附图描述本公开的实施方式。
图1示出根据本公开的实施方式的用于管理基于量子噪声的随机数生成器的性能的性能管理装置的应用环境的示例。
随机数生成器100检测在预定时间内从光源辐射并输入到各个像素中的光信号的光强度值，并且基于所检测的光量的散粒噪声或量子散粒噪声来生成真随机数(以下简称为“随机数”)。
随机数生成器100可以是基于量子噪声的量子随机数生成器(QRNG)，并且可按照装置、模块或芯片形式实现。
此时，可根据随机数生成器100的尺寸和性能来提供至少一个光源，并且光源的数量不受限制。然而，为了描述方便，以下描述将基于一个光源来进行。
性能管理装置200是用于确保随机数生成器100的性能可靠性的装置，并且特别地，基于各个像素的ADC输出值(以下称为“输出值”)来分析各个像素的性能。ADC输出是与从光源辐射并输入到各个像素中的光信号的光强度值对应的输出。
性能管理装置200基于各个像素的性能的分析结果来控制光源和图像传感器中的至少一个的设定或者改变图像传感器内的兴趣范围(ROI)，从而确保和监测随机生成器100的性能可靠性。
为此，性能管理装置200可识别随机数生成器100内的元件(例如，光源、图像传感器和ADC)的输入和输出信号，并且可控制元件(例如，光源、图像传感器和ADC)的设定值。下面将描述细节。
性能管理装置200可作为单个功能块安装在随机数生成器100内。另选地，性能管理装置200可被实现为单独的装置，并且可确保和监测随机数生成器100的性能可靠性。
以下，将简要描述随机数生成器100的基本结构。
如图2所示，随机数生成器100检测光量，即，在预定时间内从光源110辐射并输入到图像传感器120的各个像素中的光信号的光强度值，并基于所检测的光量的散粒噪声或量子散粒噪声生成真随机数(以下称为随机数)。随机数生成器100可按照设备、模块或芯片形式实现。
随机数生成器100可包括光源110、图像传感器120、放大器130和模数转换器(ADC)140。
光源110可辐射光子，并且例如，可连续地辐射包括多个光子的光信号。
光源110可辐射诸如来自激光的相干光或者诸如来自发光二极管(LED)的混沌光。当LED用作光源110时，可在设定的阈值范围内施加合适的电流以维持量子噪声特性。
图像传感器120可以是配备有图像传感器120的相机模块，并且可将以特定时间单位累积的电流/电压传送到放大器130，以基于所检测的光量的量子噪声来生成随机数150。
此时，图像传感器120可被实现为互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器，或者可被实现为可检测从光源110辐射的光信号的另一相似传感器。
图像传感器120可包括至少一个像素(PI1至PIn)，并且可根据控制信号来控制各个像素。
放大器130放大从图像传感器120输入的电流/电压，然后将放大的电流/电压发送到ADC 140。
当放大的电流/电压作为模拟信号被接收时，ADC 140将所接收的模拟信号转换为数字信号并生成随机数150。
应该注意的是，在Physical Review X,4,031056(2014)中已经公开了与随机数生成器100的上述结构有关的类似技术。
当通过随机数生成器100生成随机数150时，在预定时间量内在图像传感器120的各个像素中累积的光强度值遵循泊松分布。光强度值的均值和方差值具有式(1)所示的线性比例关系。
m＝σ2 式(1)
在式(1)中，m表示光强度值的均值，并且σ2表示方差。
因此，测量光强度值的波动的方差由均值确定，然后，由光强度值的均值确定图像传感器120的各个像素的随机性。
因此，根据泊松分布基于各个像素的光强度值的均值来确定来自图像传感器120的输出的熵，并且基于所确定的熵来确定随机性的质量。
即，当各个像素的光强度值的均值增加时，方差增加，各个像素的光强度值的波动增加，熵增加，因此随机性的质量得以改进。
此外，当各个像素的光强度值的均值减小时，方差减小，各个像素的光强度值的波动减小，熵减小，因此随机性的质量劣化。
随机数生成器100使用光源110和图像传感器120来生成与熵对应的熵信号，并且执行随机数生成器(RNG)后处理以生成随机数150。
然而，由于诸如在制造光源110和图像传感器120的工艺期间可能产生的特性差异(包括用于实现随机生成器100的方案或结构的特性、外部温度以及所供应的电流的差异)的各种原因，即使使用相同的随机生成器模块、芯片或装置，从图像传感器120输出的熵信号的值也可不同。结果，最终输出的随机数的质量变化。
为了解决此问题，重要的是将从图像传感器120输出的熵信号的值维持在预定范围内而不管装置如何，以使图像传感器120的各个像素确保足够的随机性，使像素之间的偏差最小化，并且一直确保足够的随机性，只要光源100保持在开启状态即可。
因此，本公开提出了这样一种方案：即使当不同的随机数生成器受各种性能可靠性劣化原因影响时，也通过控制光源110和图像传感器120的状态并执行周期性监测/控制来确保随机数生成器100的输出质量的可靠性。
以下，将参照图3描述根据本公开的实施方式的确保随机数生成器100的性能可靠性的性能管理装置200的配置。
如图3所示，根据本公开的实施方式的性能管理装置200可具有包括以下项的配置：输出识别单元210，其用于当从光源110辐射的光信号被输入到包括至少一个像素的图像传感器120中时，识别与输入到各个像素中的光信号的光强度值对应从各个像素输出的输出值；性能分析单元220，其基于各个像素的输出值和预设统计特性基准区域来分析各个像素的性能；设定改变单元230，其用于基于各个像素的性能的分析结果来改变设定值以控制光源110和图像传感器120中的至少一个；以及监测单元240，其用于监测在设定值改变之后各个像素的输出质量。
包括输出识别单元210、性能分析单元220、设定改变单元230和监测单元240的性能管理设备200的总配置的全部或至少一部分可按照软件模块、硬件模块或者软件模块和硬件模块的组合的形式来实现。
结果，根据本公开的实施方式的性能管理装置200可通过上述元件基于根据从光源110辐射并输入到图像传感器120的各个像素中的光信号的光强度值输出的各个像素的输出值来确保随机数生成器的性能可靠性，因此，从图像传感器120输出的熵信号的值可在预定范围内输出而与装置无关，因此，可在使像素之间的偏差最小化的同时一直确保足够的随机性。以下，将详细描述性能管理装置200内的各个元件。
输出识别单元210识别根据输入到图像传感器120的各个像素中的光信号的光强度值输出的各个像素的输出值。
更具体地，输出识别单元210识别光源110是处于开启状态还是关闭状态，然后检测在当前状态下图像传感器120的各个像素的输出值。
这里，各个像素的输出值可作为并行输出(例如，每图像传感器120 8位、10位或16位)或串行输出来输出。
不管各个像素的输出值是与并行输出还是串行输出对应，输出值最终作为预定范围内的数字值被分析。
例如，当各个像素的输出为10位时，通过ADC 140作为数字值分析的输出值具有介于0和1023之间的值。
当检测到各个像素的输出值时，输出识别单元210可识别图像传感器120的所有像素的所有输出值，或者可根据操作者所作的设定仅识别一些像素(例如，按照规则的间隔或根据特定图案)以减少时间。以下，为了描述方便，假设识别图像传感器120的所有像素的输出值。
此后，输出识别单元210生成指示图像传感器120的各个像素的输出值的检测结果的检测结果信号。
即，当光源110当前处于开启状态时，输出识别单元210检测图像传感器120的各个像素的输出值，然后生成包括所检测的各个像素的输出值的开启状态检测结果信号。
这里，开启状态检测结果信号可包括当光源处于开启状态时检测到的各个像素的输出值以及用于识别光源处于开启状态的识别符。
此外，当光源110处于关闭状态时，输出识别单元210检测图像传感器120的各个像素的输出值，然后生成包括所检测的各个像素的输出值的关闭状态检测结果信号。
这里，关闭状态检测结果信号可包括当光源处于关闭状态时检测到的各个像素的输出值以及用于识别光源处于关闭状态的识别符。
当生成根据光源的开启/关闭状态的检测结果信号时，输出识别单元210将检测结果信号发送到性能分析单元220。
性能分析单元220基于各个像素的输出值和预设统计特性基准区域来分析各个像素的性能。
更具体地，性能分析单元220基于从输出识别单元210接收的检测结果信号根据光源110的开启/关闭状态来分析各个像素的性能。
首先，将描述当光源110处于开启状态时分析各个像素的性能的处理。
当从输出识别单元210接收到开启状态检测结果信号时，性能分析单元220确定光源110当前处于开启状态。随后，性能分析单元220从开启状态检测结果信号识别当光源处于开启状态时检测到的各个像素的输出值。
此后，性能分析单元220基于各个像素的输出值与预设统计特性基准区域之间的比较结果来生成性能结果。
此时，可将图像传感器120的所有像素的所有输出值与预设统计特性基准区域进行比较，或者可根据操作者所作的设定仅比较一些像素(例如，按照规则的间隔或根据特定图案)。以下，为了描述方便，将基于图像传感器120的各个像素的输出值全部与预设统计特性基准区域比较的假设来进行以下描述。
这里，统计特性基准区域可以是用于识别各个像素的输出值是否分布在维持量子散粒噪声的统计特性的区域中或者是否存在足够波动的基准范围。
统计特性基准区域被设定为在维持量子散粒噪声的统计特性的区间(以下称为统计特性维持区间)内具有尽可能大的值以确保优异随机性并且各个像素的光强度值的波动宽度大的区域，但优选排除饱和或超过量子散粒噪声特性的区间。
关于这一点，图4示出根据本公开的实施方式的统计特性基准区域的示例。在图4中，描述了图像传感器120的ADC 140的输出值与10位对应的情况。
如图4所示，当图像传感器120的输出与10位对应时，根据本公开的实施方式的统计特性基准区域可在预定时间量内在各个像素中累积的光强度值的波动宽度被解释为数字值时可用的输出值的范围(0至1023)内确定，并且可在该基准区域的一部分或全部内维持量子散粒噪声的统计特性。为了识别这种特性维持区间，可包括单独的附加统计分析模块。
统计特性基准区域被确定为在最小值(例如，0)与最大值(例如，1023)之间的特性维持区间(R)内具有尽可能大的波动宽度的区间。特征维持区间(R)可通过在预定周期内在各个像素中累积的光强度值遵循泊松分布的尽可能大的范围来确定。
即，统计特性基准区域被确定为特征维持区间(R)内等于或大于波动宽度分割基准值(例如，100、512等)所对应的区间(R2、R1)。
这里，可根据随机数生成器的特性通过各种方法来确定统计特性基准区域。
例如，可首先针对具有大波动宽度的区域和具有小波动宽度的区域中的每一个设定波动宽度分割基准值(例如，100、512等)，然后可在具有大波动宽度的区域(即，大输出值(最大值(例如，1023))与波动宽度分割基准值(例如，100、512等)之间的区域)内确定统计特性基准区域(R2、R1)。
因此，性能分析单元220可将转换成数字值的各个像素的输出值与预设统计特性基准区域进行比较，并且确定对应像素的性能可靠性。
即，当各个像素的输出值(或者表示输出值的特性的任何值，例如输出值的均值)被包括在预设统计特性基准区域中时，性能分析单元220确定各个像素的性能稳定，并且生成第一性能分析结果信号。
此外，当各个像素的输出值(或者表示输出值的特性的任何值，例如输出值的均值)未被包括在预设统计特性基准区域中时，性能分析单元220确定各个像素的性能不稳定，并且生成第二性能分析结果信号。第二性能分析结果信号可包括用于由设定改变单元230改变设定值的基准数据。
在本公开中，当确定各个像素的性能稳定时，生成第一性能分析结果信号，并且当确定各个像素的性能不稳定时，生成并发送第二性能分析结果信号。
然而，本公开不限于此，并且可使用各种信号处理方案。例如，当性能不稳定时生成并发送与设定值改变有关的单独信号，当各个像素的性能稳定时不生成并发送单独信号。
接下来，将描述当光源110处于关闭状态时分析各个像素的性能的处理。
当从输出识别单元210接收到关闭状态检测结果信号时，性能分析单元220确定光源110当前处于关闭状态。随后，性能分析单元220从关闭状态检测结果信号识别当光源110处于关闭状态时检测到的各个像素的输出值。
此后，性能分析单元220识别各个像素的输出值是否大于预设噪声确定基准值(例如，0或大于0的特定值)。
即，当在光源110的关闭状态下各个像素的输出值大于噪声确定基准值时，性能分析单元220确定图像传感器120的电噪声大于或等于基准值。此外，性能分析单元220生成电噪声异常信号以改变设定值以用于去除电噪声，并将所生成的电噪声异常信号发送到设定改变单元230。
电噪声异常信号可包括用于由设定改变单元230改变设定值的基准数据。
这里，噪声确定基准值是为确定是否生成电噪声而设定的基准值，并且可根据操作者所作的设定而具有不同的值。
此外，当在光源110的关闭状态下各个像素的输出值小于噪声确定基准值时，性能分析单元220确定图像传感器120的电噪声小于基准值，因此，生成电噪声正常信号以指示电噪声被包括在正常范围内，并将所生成的电噪声正常信号发送到设定改变单元230。
在本公开中，当各个像素的输出值大于预设噪声确定基准值时，生成电噪声异常信号，并且当各个像素的输出值小于噪声确定基准值时，生成并发送电噪声正常信号。
然而，本公开不限于此，可使用各种信号处理方案。例如，当确定生成电噪声时可生成并发送与设定值改变有关的单独信号，但是当电噪声落在正常范围内时可不生成并发送单独信号。
此外，设定改变单元230基于各个像素的性能的分析结果来改变设定值以控制光源110和图像传感器120中的至少一个。
首先，将描述当光源110处于开启状态时基于各个像素的性能的分析结果改变设定值的处理。
更具体地，当从性能分析单元220接收到第二性能分析结果信号时，这意味着在光源110的开启状态下各个像素的性能不稳定，因此，设定改变单元230改变用于控制光源110和图像传感器120中的至少一个的状态的设定值。
此时，为了控制光源110和图像传感器120中的至少一个的状态，设定改变单元230可改变光源110和图像传感器120内的各个组件的寄存器值，或者可改变用于控制实际施加的电压或电流的设定值。
以下，将基于光源110和图像传感器120中的至少一个的设定值的改变来进行以下描述。
首先，当控制光源110的状态时，设定改变单元230通过改变与光源110的光量或光强度的控制有关的第一设定值来改变施加到光源110的电流或电压以使各个像素的性能稳定。
这里，第一设定值不限于用于控制电流或电压的特定组件的设定值，并且可以是随机数生成器100内可控制光源110的光量的所有组件的设定值。
即，当各个像素的输出值形成为一般低时，设定改变单元230控制第一设定值以增加施加到光源110的电流或电压，并且当各个像素的输出值形成为高时，反向控制第一设定值以减小施加到光源110的电流或电压。
接下来，当控制图像传感器120的状态时，设定改变单元230可通过改变与图像传感器120内的各个像素的驱动的控制有关的第二设定值来生成如所期望的波动，以使各个像素的性能稳定。
这里，第二设定值可包括用于控制各个像素的灵敏度的驱动控制参数(例如，图像传感器120的模拟增益或曝光时间)，但不限于此，并且可包括可能导致包括在图像传感器120中的多个像素当中包括在期望的区域中的像素的输出值的波动的其它参数。
在大多数情况下，与光源110的电流或电压的控制有关的第一设定值的改变和控制可优先执行。
此外，当即使控制图像传感器120的状态，输入到各个像素中的光信号的光强度的均匀性未被包括在预设均匀性确定基准范围内时，设定改变单元230可确定输入到各个像素中的光信号的光强度值不像期望那样均匀，因此，可改变与图像传感器120的兴趣范围(ROI)的控制有关的第三设定值并且仅选择并使用均匀地输入光信号的光强度值的特定区域。
这里，第三设定值可包括用于在图像传感器120内的所有区域当中仅选择用户期望的特定区域的所有参数(例如，起始位置设定、长度设定等)。均匀性确定基准范围是用于确定输入到各个像素中的光信号的光强度值的均匀度的基准值，并且可根据操作者所作的设定而具有不同的值。
此时，可通过指定可限定均匀地输入光信号的光强度值的特定区域的水平起始位置、垂直起始位置、水平长度和垂直长度来改变兴趣范围(ROI)。通常可通过控制图像传感器120的寄存器值来改变兴趣范围(ROI)。
结果，设定改变单元230识别图像传感器120的多个像素当中按照规则的间隔或图案布置的像素的输出值，并且确定包括均匀地输入光信号的光强度值的像素的特定区域。
此后，设定改变单元230将图像传感器120内的所述特定区域确定为要使用的区域，将除了所述特定区域之外的剩余区域确定为要放弃的区域，然后将所述特定区域确定为ROI。
如上所述，通常使用上述方法作为确定ROI的方法，但是在指定起始位置或长度时可能存在一些限制因素。因此，在一些情况下，可指定多个区域，或者可使用矩形以外的形状。
接下来，将描述基于在光源110的关闭状态下各个像素的性能的分析结果来改变设定值的处理。
更具体地，当从性能分析单元220接收到电噪声异常信号时，这意味着在光源110的关闭状态下电噪声大于或等于基准值，因此，设定改变单元230改变与电噪声有关的第四设定值。
这里，第四设定值可包括图像传感器120的偏移值、模拟增益和曝光时间，但不限于此，并且可包括可去除电噪声的其它参数。
在改变设定值以控制光源110和图像传感器120中的至少一个之后，监测单元240执行监测各个像素的输出值的质量的功能。
更具体地，当光源110和图像传感器120中的至少一个的设定值完全改变时，监测单元240执行周期性监测以及根据周期性监测的附加控制。
这里，可根据硬件的特性基于各种单位(例如，1毫秒、1秒、1分钟等)来设定监测间隔。
如上所述，当基于周期性状态监测的结果，各个像素的输出值落在期望的区域之外时，特别是当各个像素的输出值按照预定量或以上重复地落在期望的区域之外几次时，监测单元240生成警告信号以指示应该再次改变光源110和图像传感器120中的至少一个的设定值。
当按照短间隔重复地生成警告信号时，可暂停随机数生成器100的操作，并且可执行热启动或冷启动。
此外，即使当基于周期性状态监测，各个像素的输出值在期望的区域中时，如果用于测试各个像素的输出值的质量的装置(例如，测试模块)发现不寻常符号，则监测单元240生成警告信号并执行控制以再次改变光源110和图像传感器120中的至少一个的设定值。
当然，上述性能分析、设定改变和监测功能可在随机数生成器首次启动时用于将接近稳定值(例如，中间值512)的初始光强度状态维持在统计特性基准区域内。
以下，将参照图5描述在根据本公开的实施方式的性能管理装置200中确保随机数生成器100的性能可靠性的操作流程。为了描述方便，将使用图1至图4的标号。图5所描述的确保随机数生成器100的性能可靠性的操作流程可根据操作者所作的选择全部地或部分地使用。
首先，在S100中，输出识别单元210识别各个像素根据输入到图像传感器120的各个像素中的光信号的光强度值而输出的输出值。
即，输出识别单元210识别光源110是处于开启状态还是关闭状态，然后检测在当前状态下图像传感器120的各个像素的输出值。
结果，当光源110当前处于开启状态时，输出识别单元210检测图像传感器120的各个像素的输出值，然后生成包括所检测的各个像素的输出值的开启状态检测结果信号，并且当光源110当前处于关闭状态时，检测图像传感器120的各个像素的输出值，然后生成包括所检测的各个像素的输出值的关闭状态检测结果信号。
此后，输出识别单元210将检测结果信号发送到性能分析单元220。
在S101中，性能分析单元220基于检测结果信号来确定光源110是否处于开启状态。
当基于步骤S101的确定结果，检测结果信号对应于开启状态检测结果信号时，性能分析单元220确定光源110当前处于开启状态并且识别当光源处于开启状态时所检测的各个像素的输出值。
此后，在S102中，性能分析单元220确定各个像素的输出值是否被包括在预设统计特性基准区域中。
这里，统计特性基准区域可以是用于识别各个像素的输出值是否分布在维持量子散粒噪声的统计特性的区域中或者是否存在足够波动的基准范围。
当基于步骤S102的确定结果，各个像素的输出值未被包括在预设统计特性基准区域中时，在S103中，性能分析单元220确定各个像素的性能不稳定，因此生成第二性能分析结果信号并将所生成的第二性能分析结果信号发送到设定改变单元230。第二性能分析结果信号可包括用于由设定改变单元230改变设定值的基准数据。
当从性能分析单元220接收到第二性能分析结果信号时，这意味着在光源110的开启状态下各个像素的性能不稳定，因此在S104中，设定改变单元230改变设定值以控制光源110和图像传感器120中的至少一个的状态。
首先，当控制光源110的状态时，设定改变单元230通过改变与光源110的光量或光强度的控制有关的第一设定值来改变施加到光源110的电流或电压的量以使各个像素的性能稳定。
这里，第一设定值不限于用于控制电流量或电压量的特定组件的设定值，并且可以是随机数生成器100内可控制光源110的光量的所有组件的设定值。
即，当各个像素的输出值形成为一般低时，设定改变单元230控制第一设定值以增加施加到光源110的电流量或电压量，并且当各个像素的输出值形成为高时，反向控制第一设定值以减小施加到光源110的电流量或电压量。
接下来，当控制图像传感器120的状态时，设定改变单元230可通过改变与图像传感器120内的各个像素的驱动的控制有关的第二设定值来生成如所期望的波动，以使各个像素的性能稳定。
这里，第二设定值可包括用于控制各个像素的灵敏度的驱动控制参数(例如，图像传感器120的模拟增益或曝光时间)，但不限于此，并且可包括输出图像传感器120中包括的多个像素当中的包括在期望的区域中的像素的输出值的波动的其它参数。
此外，当即使控制图像传感器120的状态，输入到各个像素中的光信号的光强度的均匀性未被包括在预设均匀性确定基准范围内时，在S105中，设定改变单元230可确定输入到各个像素中的光信号的光强度值不像期望那样均匀，因此可改变与图像传感器120的兴趣范围(ROI)的控制有关的第三设定值并且仅选择并使用均匀地输入光信号的光强度值的特定区域。
这里，第三设定值可包括用于在图像传感器120内的所有区域当中仅选择用户期望的特定区域的所有参数(例如，起始位置设定、长度设定等)。
结果，设定改变单元230识别图像传感器120的多个像素当中按照规则的间隔或图案布置的像素的输出值，并且将包括均匀地输入光信号的光强度值的像素的区域确定为特定区域。
此后，设定改变单元230将图像传感器120内的特定区域确定为要使用的区域，将除了所述特定区域之外的区域确定为要放弃的区域，然后将所述特定区域确定为ROI。
此外，在S106中，监测单元240执行监测在改变设定值以控制光源110和图像传感器120中的至少一个或者控制兴趣范围(ROI)之后各个像素的输出值的质量的功能。
当基于步骤S102的确定结果，各个像素的输出值被包括在预设统计特性基准区域中时，性能分析单元220在S107中确定各个像素的性能稳定，然后监测单元240执行步骤S106的周期性状态监测处理。
此外，当基于步骤S101的确定结果，检测结果信号对应于关闭状态检测结果信号时，在S108中，性能分析单元220确定光源110当前处于关闭状态并且识别当光源处于关闭状态时检测到的各个像素的输出值。
此后，在S109中，性能分析单元220识别各个像素的输出值是否大于预设噪声确定基准值(例如，0或大于0的特定值)。
当基于步骤S109的确定结果，在光源110的关闭状态下各个像素的输出值大于噪声确定基准值时，在S110中，性能分析单元220确定图像传感器120的电噪声的量大于或等于基准值，因此生成电噪声异常信号以改变设定值以用于去除电噪声并将所生成的电噪声异常信号发送到设定改变单元230。
电噪声异常信号可包括用于由设定改变单元230改变设定值的基准数据。
当从性能分析单元220接收到电噪声异常信号时，这意味着在光源110的关闭状态下电噪声的量大于或等于基准值，因此在S111中，设定改变单元230改变与电噪声有关的第四设定值。
这里，第四设定值可包括图像传感器120的偏移值、模拟增益和曝光时间，但不限于此，可包括可去除电噪声的其它参数。
此外，当基于步骤S109的确定结果，在光源110的关闭状态下各个像素的输出值小于噪声确定基准值时，确定图像传感器120的电噪声等于或小于基准值并被包括在正常范围内，然后由监测单元240执行步骤S106的周期性状态监测处理。
根据本公开的实施方式的确保随机数生成器100的性能可靠性的操作流程可用于在制造QRNG期间的质量测试及其驱动中确保质量可靠性，但不限于此，并且可被应用于与确保QRNG的性能可靠性有关的所有步骤(例如，发布之前的步骤)。
如上所述，根据本公开的实施方式，通过基于各个像素根据从光源辐射并输入到各个像素中的光信号的光强度值而输出的输出值确保随机数生成器的性能可靠性，可在预定范围内输出从图像传感器输出的熵信号的值而不管装置的类型，从而实现在使像素之间的偏差最小化的同时一直确保足够的随机性的效果。
本公开中所描述的功能操作和主题的实现可通过数字电子电路、通过本公开中所描述的结构以及包括计算机软件、固件或硬件的等同物、或者通过其中的一个或更多个的组合来实现。本说明书中所描述的主题的实现可在一个或更多个计算机程序产品(即，与在有形程序存储介质上编码以控制处理系统的操作或者通过所述操作的执行的计算机程序命令有关的一个或更多个模块)中实现。
计算机可读介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基板、存储器装置、影响机器可读无线电波信号的材料组成或者其中的一个或更多个的组合。
在本说明书中，例如，术语“系统”或“装置”涵盖可编程处理器、计算机或者用于数据处理的所有类型的机构、装置和机器，包括多处理器和计算机。除了硬件之外，处理系统还可包括在被请求时为计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者其中的一个或更多个的组合的代码。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可按照任何形式的编程语言来编写，包括编译语言或解释语言、声明语言或过程语言，并且可按照任何形式部署，包括作为独立程序或模块、组件、子例程或者适用于计算机环境中的另一单元。计算机程序可以(但并非必须)对应于文件系统中的文件。程序可被存储在提供给所请求的程序的单个文件中、多个协调的文件(例如，存储一个或更多个模块、子程序或代码部分的文件)中、或者保存其它程序或数据的文件的部分(例如，存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)中。计算机程序可被部署为在一个计算机上执行，或者在位于一个地点或分布于多个地点并通过通信网络互连的多个计算机上执行。
适用于存储计算机程序命令和数据的计算机可读介质包括所有类型的非易失性存储器、介质和存储器装置，例如诸如EPROM、EEPROM和闪存装置的半导体存储器装置以及诸如外部硬盘或外部盘、磁光盘、CD-ROM和DVD-ROM盘的磁盘。处理器和存储器可通过专用逻辑电路来添加或者被集成到逻辑电路中。
本说明书中所描述的主题的实现可在包括后端组件(例如，数据服务器)、中间件组件(例如，应用服务器)、前端组件(例如，具有网络浏览器或图形用户界面的客户端计算机，其可由用户与本说明书中所描述的主题的实现交互)、或者后端、中间件和前端组件中的一个或更多个的所有组合的计算系统中实现。系统的组件可通过任何类型的数字数据通信(例如，通信网络或介质)来相互连接。
尽管本说明书包含许多具体实现细节，但这些不应被解释为对任何公开的范围或可要求保护的范围的限制，而是对特定公开的特定实施方式可特定的特征的描述。在本说明书中在单独的实施方式的上下文中描述的特定特征也可在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可在多个实施方式中分离地或者按照任何合适的子组合实现。此外，尽管上面可能将特征描述为按照特定组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但是要求保护的组合中的一个或更多个特征在一些情况下可从该组合去除，并且要求保护的组合可涉及子组合或子组合的变型。
另外，在本说明书中，在附图中以特定顺序示出了操作，但是不应被理解为所述操作以所示的特定顺序执行或者为了获得优选结果而执行所有示出的操作。在特定情况下，多任务和并行处理可能是优选的。此外，不应被理解为在所有实现方式中均要求上述实现方式的各种系统组件的分离。另外，应该理解，所描述的程序组件和系统通常可被集成在单个软件包中，或者可被封装在多软件产品中。
如上所述，本说明书中所公开的特定术语并不旨在限制本公开。因此，尽管参照上述示例详细描述了本公开，在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可修改、改变和变换一些部件。本公开的范围由稍后描述的所附权利要求书而不是由详细描述限定。因此，将理解，从所附权利要求书及其等同物的含义和范围推导的所有修改或变化均被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于管理随机数生成器的性能的设备，该设备包括：
输出识别单元，该输出识别单元被配置为当从至少一个光源辐射的光信号被输入到包括至少一个像素的图像传感器中时，识别各个像素的与输入到所述各个像素中的光信号的光强度值对应的输出值；
性能分析单元，该性能分析单元被配置为利用各个像素的输出值和预设统计特性基准区域来分析各个像素的性能；以及
设定改变单元，该设定改变单元被配置为基于各个像素的性能的分析结果来改变所述光源和所述图像传感器中的至少一个的设定值，
其中，所述统计特性基准区域被确定为与在预定时间量内在各个像素中累积的光强度值遵循泊松分布的波动宽度对应的范围当中的大于或等于预设波动宽度分割基准值的范围。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，当所述光源处于开启状态并且各个像素的全部或部分输出值被包括在所述统计特性基准区域中时，所述性能分析单元确定各个像素的性能稳定并且生成第一性能分析结果信号，并且当各个像素的全部或部分输出值未被包括在所述统计特性基准区域中时，确定各个像素的性能不稳定并且生成第二性能分析结果信号。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，当生成所述第二性能分析结果信号时，所述设定改变单元改变与所述光源的光量或光强度的控制有关的第一设定值以使各个像素的性能稳定。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，当生成所述第二性能分析结果信号时，所述设定改变单元改变与所述图像传感器内的各个像素的驱动的控制有关的第二设定值以使各个像素的性能稳定。
5.根据权利要求2所述的设备，其中，当生成所述第二性能分析结果信号并且输入到各个像素中的光信号的光强度值的均匀性未被包括在预设均匀性确定基准范围中时，所述设定改变单元改变与所述图像传感器的兴趣范围ROI的控制有关的第三设定值。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，当所述光源处于关闭状态并且各个像素的全部或部分输出值大于预设噪声确定基准值时，所述性能分析单元确定各个像素的电噪声大于或等于基准值，并且所述设定改变单元改变与电噪声有关的第四设定值。
7.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括监测单元，该监测单元被配置为监测在所述设定值改变之后从各个像素输出的输出值的质量。
8.一种操作用于管理随机数生成器的性能的设备的方法，该方法包括以下步骤：
输出识别步骤，当从至少一个光源辐射的光信号被输入到包括至少一个像素的图像传感器中时，识别各个像素的与输入到所述各个像素中的光信号的光强度值对应的输出值；
性能分析步骤，利用各个像素的输出值和预设统计特性基准区域来分析各个像素的性能；以及
设定改变步骤，基于各个像素的性能的分析结果来改变所述光源和所述图像传感器中的至少一个的设定值，
其中，所述统计特性基准区域被确定为与在预定时间量内在各个像素中累积的光强度值遵循泊松分布的波动宽度对应的范围当中的大于或等于预设波动宽度分割基准值的范围。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述设定改变步骤包括执行以下步骤中的至少一个：
当所述光源处于开启状态并且各个像素的全部或部分输出值未被包括在所述统计特性基准区域中时，改变与所述光源的光量或光强度的控制有关的第一设定值；
改变与所述图像传感器内的各个像素的驱动的控制有关的第二设定值；以及
改变与所述图像传感器的兴趣范围ROI的控制有关的第三设定值。
10.根据权利要求8所述的方法，该方法还包括以下监测步骤：监测在所述设定值改变之后从各个像素输出的输出值的质量。
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