CN108958706B - 测灰度机械随机数生成器及其使用方法 - Google Patents

测灰度机械随机数生成器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测灰度机械随机数生成器及其使用方法，包括：摄像机、圆柱体形的桶、螺旋桨、调速电机和多个实心塑料球，所述桶为透明材质且横向放置，所述螺旋桨和多个实心塑料球均位于所述桶内，多个实心塑料球在所述桶内占据大于等于该桶1/2的体积；所述调速电机的输出轴从所述桶的一端面穿入并与所述螺旋桨连接；所述摄像机放置在所述桶外，且与所述桶远离所述调速电机的端面的距离为40～50厘米，本发明的测灰度机械随机数生成器系统内的实心塑料球的扩散系数的实验值D＝4.225279cm2/0.04s，基于该系统的布朗运动模型的理论值D＝4.283217cm2/0.04s，实验与理论的吻合度为98.6473％。

Description

测灰度机械随机数生成器及其使用方法
技术领域
本发明属于随机数发生器技术领域，具体来说涉及一种测灰度机械随机数生成器及其使用方法。
背景技术
目前，基于精度的需求不同，被研究者广为应用的随机数分为两类：真随机数(物理随机数)和伪随机数(算法随机数)。真随机数基于大自然中的现象产生，具有不可预测性与不可复现性，因此其随机程度远胜于伪随机数，被广泛应用于通讯、博弈、科学计算等诸多个领域。真随机数的目前较为常见的产生方法如：量子法、混沌原理法、放大噪声源法、振荡采样法、非线性光学法等，其均具有操作困难、制作成本高、抗干扰能力差且随机数表难以克服由于进制转换带来的舍入误差等缺点。因此这就为研发新的随机数生成器提出了迫切需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于简单布朗运动随机模型的测灰度机械随机数生成器，该测灰度机械随机数生成器构建成本低，操作简单，抗干扰能力极强且可直接生成二进制的随机数表，可有效的克服舍入误差问题。
本发明的另一目的是提供一种测灰度机械随机数生成器的使用方法。
为此，本发明的技术方案如下：
一种测灰度机械随机数生成器，包括：摄像机、圆柱体形的桶、螺旋桨、调速电机和多个实心塑料球，所述桶为透明材质且横向放置，所述螺旋桨和多个实心塑料球均位于所述桶内，多个实心塑料球在所述桶内占据大于等于该桶1/2的体积，所述实心塑料球的数量大于等于2000个且均分为2种颜色，2种所述颜色为：黄色和绿色或者白色和黑色；所述调速电机的输出轴从所述桶的一端面穿入并与所述螺旋桨连接，用于搅拌所述实心塑料球，其中，所述螺旋桨的搅拌叶与位于其上方和下方的桶的内壁的距离大于所述实心塑料球的直径；所述摄像机放置在所述桶外，且与所述桶远离所述调速电机的端面的距离为40～50厘米，用于拍摄桶内实心塑料球的视频。
在上述技术方案中，所述摄像机的摄像端向下倾斜15～25°。
在上述技术方案中，所述桶的直径和高的比为1:(0.8～1)。
在上述技术方案中，所述桶的材质为亚克力。
在上述技术方案中，在所述桶的下端固装有第一托，用于提高所述桶的稳定性。
在上述技术方案中，所述实心塑料球的表面形成有磨砂，用于防止反光。
在上述技术方案中，所述调速电机下端固装有第二托，用于支撑电机。
在上述技术方案中，所述调速电机安装有用于散热的风扇。
一种上述测灰度机械随机数生成器在生成随机数中的应用。
如上述测灰度机械随机数生成器的使用方法，包括以下步骤：
1)驱动所述调速电机旋转，开启摄像机，摄像机透过桶靠近所述摄像机的端面拍摄桶内实心塑料球的视频；其中，所述调速电机的旋转速度为60～80r/min；
2)用步骤1)所述摄像机拍摄至少10分钟，得到视频，将所述视频导入至计算机；
3)利用FSCapture软件对所述视频中104*104B的正方形区域采集图像，得到多张图片，其中，采集频率为1～1.5s/张，图片的数量为≧500张；
4)将多张所述图片导入MATLAB中，读取每张所述图片的灰度值，生成灰度矩阵；
5)通过MATLAB将实心塑料球的两种颜色分别赋值为1和0，其中，
当两种颜色为黄色和绿色时，将灰度矩阵中位于146～160范围内的灰度值赋值为1，将位于73～190范围内的灰度值赋值为0；
当两种颜色为白色和黑色时，将灰度矩阵中位于245±10范围内的灰度值赋值为1，将位于20±20范围内的灰度值赋值为0；
6)剔除灰度矩阵中没有被赋值的灰度值，得到二进制随机数表。
相比于现有技术，本发明的测灰度机械随机数生成器实心塑料球的扩散系数的实验值D＝4.225279cm2/0.04s，基于该系统的布朗运动模型的理论值D＝4.283217cm2/0.04s，实验与理论的吻合度为98.6473％。
①该测灰度随机数生成器的成本为1300人民币，较为廉价，易普及。
②测灰度机械随机数生成器整体由机械装置组成，使用过程中可操作性强。
③外部的自封闭系统与内部的布朗运动模拟保证了系统自身具有极强的抗干扰能力。
④由于后续从程序处理时是直接将灰度矩阵中的灰度值转化为二进制表，有效的避免了舍入误差。
⑤该装置生成随机数的速度可根据采集的图像区域面积进行人为调控，生成的有效二进制数的个数正相关于采集图像区域面积。
附图说明
图1为本发明的测灰度机械随机数生成器的结构示意图；
图2为多个104*104B正方形图形采集区。
其中，1为调速电机，2为桶，3为螺旋桨，4为实心塑料球。
具体实施方式
在本发明的具体实施方式中，调速电机的型号6IK250K-DCRF。桶和实心塑料球在使用前应用去静电洗衣液清洗，以减少桶壁和实心塑料球之间的静电，防止由于静电带来的实心塑料球堆积现象。
下面结合附图对本发明的测灰度机械随机数生成器及其使用方法进行详细说明。
如图1～2所示，包括：圆柱体形的桶2、螺旋桨3、调速电机1、摄像机和3000个实心塑料球4，桶的直径和高均为20厘米，材质为亚克力。实心塑料球的表面形成有磨砂(防止反光)。3000个实心塑料球直径均为5.0mm且均分为2种颜色：黄色和绿色，桶为透明材质且横向放置，螺旋桨和全部实心塑料球均位于桶2内，实心塑料球在桶内占据该桶约2/3的体积；调速电机的输出轴从桶2的一端面穿入并与螺旋桨连接，用于搅拌实心塑料球；其中，螺旋桨的搅拌叶与位于其上方和下方的桶的内壁的距离大于实心塑料球的直径。摄像机放置在桶2外，且与桶2远离调速电机1的端面的距离为40～50厘米。
优选的，在桶的下端固装有第一托(图中未示出)，用于提高桶的稳定性。
优选的，调速电机下端固装有矩形亚克力材质的第二托(图中未示出)，用于支撑电机，增加其稳定性。调速电机安装有用于散热的风扇(图中未示出)。
如上述测灰度机械随机数生成器的使用方法，包括以下步骤：
1)驱动调速电机旋转，在远离调速电机的桶的一端面放置摄像机，摄像机与桶(靠近该摄像机的端面)的距离为40厘米，摄像机的镜头一端向下倾斜20°(降低因反射对系统中小球的颜色带来的影响)。开启摄像机，摄像机透过桶靠近所述摄像机的端面拍摄桶内实心塑料球的视频；其中，调速电机的旋转速度为70r/min；
2)预热10s后，拉上窗帘(减少反光)开始摄像，用步骤1)摄像机拍摄至少10分钟，得到视频，将视频导入至计算机；
3)在视频中，利用FSCapture软件以采集频率为1～1.5s/张截取全图(含整个圆形桶面)，共采集图片数量为≧500张；并利用FSCapture软件读取全图中像素最高的点X作为坐标原点，截取104*104B的正方形区域作为MATLAB导入图。
4)将多张图片导入MATLAB中，由已编程的程序可以读取正方形区域采集图像的灰度，读取每张图片的灰度值，生成灰度矩阵(一张图片的部分灰度矩阵)，如表1所示：
表1生成的RGB灰度矩阵
5)通过MATLAB将实心塑料球的两种颜色分别赋值为1和0，其中，
将灰度矩阵中位于145～160范围内的灰度值(黄色)赋值为1，将位于73～90范围内的灰度值(绿色)赋值为0，如表2所示。
表2二进制赋值
6)利用自编程序剔除灰度矩阵中没有被赋值的灰度值(即剔除非0和非1，非0和非1为因反光和间隙带来的非可用区间点)，得到二进制随机数表，如表3所示。
表3剔除后二进制随机数表
调用时可通过插入指针，从二进制随机数表的任意位置截取>＝104bit随机数进行随机数的应用。
1、测试题目：NIST检测(国际标准随机性测试软件)
测试方法：安装Cygwin软件后，将已下载的sts-2.1.1版NIST包含的16项针对二进制随机数表的随机性统计检测程序包导入Cygwin并将二进制随机数表导入，后依次运行16个程序，得到16项针对随机数表的NIST检测结果(具体测试方法参见《NIST随机数测试》作者李璞)。
测试结果：
对测灰度二进制随机数表进行的16项NIST测试的测试结果P-value均远远大于0.01，充分的体现了该二进制随机数表在统计性质上具有良好的随机性。
2、测试项目：定积分的应用随机性检测
测试方法：首先利用研究组编写的MC伪随机数投点程序，选取10000位伪随机数进行投点计算指定定积分的数值；之后利用研究组编写的投点程序，并将随机数表导入10000位进行投点计算同一个定积分的数值。
测试结果：
该测试结果表明，利用测灰度随机数生成器生成的随机数表进行定积分的数值计算的结果相比伪随机数更加接近真实值，该随机数表的随机性较好。
3、测试项目：π的应用随机性检测
测试方法：首先利用研究组编写的MC伪随机数投点程序，选取10000位伪随机数进行投点计算π的数值；之后利用研究组编写的投点程序，并将随机数表导入10000位进行投点计算π的数值。
测试结果：
该测试结果表明，利用测灰度随机数生成器生成的随机数表进行π的数值计算的结果相比伪随机数更加接近真实值，该随机数表的随机性较好。
4、测试项目：测灰度随机系统内部抗干扰测试
测试方法：在测灰度系统内黄、绿实心塑料球为各1500的基数下，向系统内加入黄球，每次加入一个，之后对加入黄色球后的系统，重新利用测灰度的方法生成二进制数表，并进行π的解析值的应用性检测。直到找到数值突变点。
测试结果：在投进第35-40个左右黄色干扰球后，系统遭到严重破坏。35球前，系统基本处于稳定。该系统可抗小于35个干扰球的干扰，抗内部干扰性极强。
5、测试项目：测灰度随机系统外部抗干扰测试-桌面震动测试
测试方法：使用型号为GY-5-5651438的高频震动测试仪，调节振动范围5-5000HZ之间进行振动干扰实验，并利用在不同振动频率下生成的随机数表，进行π的解析值计算，直到找到数值突变点。
测试结果：在测试范围内无数值突变点，震动对该系统的随机性几乎无影响，该系统的抗外部震动干扰性极强。
6、测试项目：测灰度随机系统外部抗干扰测试-光照强度测试
测试方法：利用HA2003光照传感器，将光照强度转化为电压值显示。从而调节光照范围0-20*104lx，利用在不同光照强度下生成的随机数表，进行π的解析值计算，直到找到数值突变点。
测试结果:在光强达到2*102lx前光照对系统的随机性无影响，在光照2*102-2*103的范围内，系统的随机性遭到严重破坏。该系统的抗光照干扰性较强。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测灰度机械随机数生成器，其特征在于，包括：摄像机、圆柱体形的桶(2)、螺旋桨(3)、调速电机(1)和多个实心塑料球(4)，所述桶(2)为透明材质且横向放置，所述螺旋桨(3)和多个实心塑料球(4)均位于所述桶(2)内，多个实心塑料球(4)在所述桶(2)内占据大于等于该桶(2)1/2的体积，所述实心塑料球(4)的数量大于等于2000个且均分为2种颜色，2种所述颜色为：黄色和绿色或者白色和黑色；所述调速电机(1)的输出轴从所述桶(2)的一端面穿入并安装有所述螺旋桨(3)，用于搅拌所述实心塑料球(4)，其中，所述螺旋桨(3)的搅拌叶与位于其上方和下方的桶(2)的内壁的距离大于所述实心塑料球(4)的直径；
所述摄像机放置在所述桶(2)外，且与所述桶(2)远离所述调速电机(1)的端面的距离为40～50厘米，用于拍摄桶(2)内实心塑料球(4)的视频；
由该视频生成相应图片，由相应图片得出相应灰度值，将多张所述图片导入MATLAB中，读取每张所述图片的灰度值，生成灰度矩阵；通过MATLAB将实心塑料球(4)的两种颜色分别赋值为1和0，其中，当两种颜色为黄色和绿色时，将灰度矩阵中位于146～160范围内的灰度值赋值为1，将位于73～190范围内的灰度值赋值为0；当两种颜色为白色和黑色时，将灰度矩阵中位于245±10范围内的灰度值赋值为1，将位于20±20范围内的灰度值赋值为0；剔除灰度矩阵中没有被赋值的灰度值，得到二进制随机数表。
2.根据权利要求1所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，所述摄像机的摄像端向下倾斜15～25°。
3.根据权利要求2所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，所述桶(2)的直径和高的比为1:(0.8～1)。
4.根据权利要求3所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，所述桶(2)的材质为亚克力。
5.根据权利要求4所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，在所述桶(2)的下端固装有第一托，用于提高所述桶(2)的稳定性。
6.根据权利要求5所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，所述实心塑料球(4)的表面形成有磨砂，用于防止反光。
7.根据权利要求6所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，所述调速电机(1)下端固装有第二托，用于支撑电机。
8.根据权利要求7所述的测灰度机械随机数生成器，其特征在于，所述调速电机(1)安装有用于散热的风扇。
9.如权利要求1～8中任意一项所述测灰度机械随机数生成器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)驱动所述调速电机(1)旋转，开启摄像机，摄像机透过桶(2)靠近所述摄像机的端面拍摄桶(2)内实心塑料球(4)的视频；其中，所述调速电机(1)的旋转速度为60～80r/min；
2)用步骤1)所述摄像机拍摄至少10分钟，得到视频，将所述视频导入至计算机；
3)利用FSCapture软件对所述视频中104*104B的正方形区域采集图像，得到多张图片，其中，采集频率为1～1.5s/张，图片的数量为≧500张；
4)将多张所述图片导入MATLAB中，读取每张所述图片的灰度值，生成灰度矩阵；
5)通过MATLAB将实心塑料球(4)的两种颜色分别赋值为1和0，其中，
当两种颜色为黄色和绿色时，将灰度矩阵中位于146～160范围内的灰度值赋值为1，将位于73～190范围内的灰度值赋值为0；
当两种颜色为白色和黑色时，将灰度矩阵中位于245±10范围内的灰度值赋值为1，将位于20±20范围内的灰度值赋值为0；
6)剔除灰度矩阵中没有被赋值的灰度值，得到二进制随机数表。
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