CN113597748A - 用于沿任意路径扫描物理不可克隆功能的物理签名数据的手持棒设备和方法 - Google Patents

用于沿任意路径扫描物理不可克隆功能的物理签名数据的手持棒设备和方法 Download PDF

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Abstract

通过将预磁化或后磁化颗粒模制到树脂内来创建独特的物理不可克隆功能对象。颗粒基于随机颗粒大小、位置、极性旋转、磁化水平、颗粒密度等形成独特的物理“指纹”。本发明解决的是用于准确地测量PUT的特别地包括在PUT上的足够分立的点处的磁场的X、Y和Z分量的物理指纹以允许对身份的有把握地识别的设备。描述了一种用于沿着任意路径测量磁场的手持棒。

Description

用于沿任意路径扫描物理不可克隆功能的物理签名数据的手 持棒设备和方法
相关申请的交叉引用
标题为“A Device and Method for Scanning the Physical Signature Dataof a Physical Unclonable Function with a Smartphone”的第16/811,438号美国专利申请。
来自临时申请的优先权要求
本申请涉及2019年3月21日提交的标题为“CryptoAnchor Scan Wand SwipedAlong an Arbitrary Path”的第62/821,883号美国临时申请，并根据美国法典第35条119(e)款从该临时申请要求优先权，该临时申请的内容特此通过引用被全部并入本文。
背景
本公开总体上涉及用于沿着通过将专用颗粒模制到树脂或基质内而创建的物理不可克隆功能对象的表面上的线捕获物理可测量特征签名的设备。
概述
可以通过在表面上方模制或挤压专用颗粒创建可测量的物理特征来创建独特的物理不可克隆(PUF)功能对象。PUF可以是进入树脂或基质内的预磁化或后磁化颗粒。预磁化颗粒基于颗粒的随机大小、位置、极性旋转、磁化水平、颗粒密度等形成独特的可测量磁性“指纹”。PUF对象还可以通过具有磁性的、导电的(磁性的或非磁性的)、光学反射的或成形的、变化的密度或机械性质的混合来在其他物理特征方面不同，导致在基质或粘合剂中的声能颗粒的随机反射、扩散或吸收。本发明设想了沿着表面上的任意线感测以任何单一或组合形式的任何特征。
下面描述的是用于准确地测量PUF的磁性指纹以允许对身份的有把握的识别的设备，所述磁性指纹包括在PUF上的足够分立的点处的磁场的X、Y和Z分量。感测设备还可以测量额外的感测技术(包括电容、光学(IR、可见光和超光谱)或声学(声波和超声波))的任何组合。每个传感器可以是分立的、相邻于彼此进行组合或者集成到一个感测模块中。虽然本发明讨论的是磁性PUF和磁性传感器或读取器，但是应当理解的是，所述感测技术可在棒或电话中可用。
描述了一种用于沿着任意路径测量PUF特征的手持棒。由于磁力计的低成本，优选的测量传感器是磁力计。此外，描述了固定有PUF标签的结构元件，该结构元件可以被用于通过沿着电话的侧面扫滑结构元件并用导向器控制PUF标签的位置来用智能手机磁力计扫描PUF标签。结构元件可以被成形成在将PUF标签保持在智能手机的边缘上的适当位置上时鼓励用户将手指放置在触摸屏上。用户在扫滑结构元件时的触摸屏接触可以生成位置数据。
附图简述
通过结合附图参考所公开的实施例的下面的描述，所公开的实施例的上面提到的和其他的特征及优点以及获得它们的方式将变得更明显且将被更好地理解。
图1是用于使用扫描棒沿着PUF的任意路径捕获特征签名的逻辑流程图。
图2是扫描棒的透视图。
图3是用于扫描PUF的特征指纹的任意路径。
图4是用于使用智能手机或其他设备捕获PUF标签的特征签名的逻辑流程图。
图5是PUF标签的支撑结构。
图5A是PUF标签的支撑结构的等距视图。
图5B是PUF标签的支撑结构的俯视图。
图5C是PUF标签的支撑结构的端视图。
图6是位于智能手机或其他设备上的PUF标签的支撑结构的透视图。
图7是在智能手机应用上PUF标签的特征指纹的测量的视图。
图8示出了两个智能手机型号的磁力计位置的微小差异。
图9示出了位于智能手机或其他设备上的PUF标签的支撑结构的俯视图，其中当支撑结构滑动以读取PUF的磁性指纹时，操作者拇指与智能手机触摸屏的接触提供位置测量。
图10示出了位于智能手机或其他设备上的PUF标签的支撑结构的俯视图，其中当支撑结构滑动以读取PUF的磁性指纹时，操作者拇指与智能手机的接触提供位置测量，并且支撑结构可以被翻转第二遍以读取磁性指纹。
详细描述
应理解的是，本公开不将其应用限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本公开能够用于其它实施例，并且能够以各种方式被实践或执行。此外，应理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的且不应被视为限制性的。如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括(including)”、“包括(comprising)”和诸如此类是开放式术语，其指示所陈述的元件或特征的存在，但不排除额外的元件或特征。冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意欲包括复数以及单数，除非上下文另有明确指示。“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变形的使用在本文中意欲包含在其后列出的项及其等同物以及额外的项。
例如“大约”等的术语具有上下文含义，用于描述对象的各种特征，并且这样的术语对于相关领域中的普通技术人员具有它们的普通和惯用的含义。例如“大约”等的术语在第一上下文中意指“近似”于如相关领域中的普通技术人员所理解的程度；以及在第二上下文中用于描述对象的各种特征，并且在这样的第二上下文中意指如相关领域中的普通技术人员所理解的“在…的小百分比内”。
除非另有限制，术语“连接”、“耦合”和“安装”及其变形在本文被广泛地使用并包括直接连接、耦合和安装以及间接连接、耦合和安装。此外，术语“连接”和“耦合”及其变形并不限于物理或机械的连接或耦合。为了描述的容易，使用空间相对术语(例如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“后面”和“侧面”、“在…之下”、“在…下面”、“下部”、“在…上方”、“上部”等)来解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与在图中描绘的定向不同的定向之外，这些术语意欲还包括设备的不同定向。此外，例如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并没有被规定为限制性的。相似的术语在整个描述中指相似的元件。
通过将预磁化颗粒模制到树脂(尼龙等)内来创建独特的磁性对象。预磁化颗粒基于颗粒的随机大小、位置、极性旋转、磁化水平、颗粒密度等形成独特的磁性“指纹”。PUF对象还可以通过具有磁性的、导电的(磁性的或非磁性的)、光学反射的或成形的、变化的密度或机械性质的混合来在其他物理特征方面不同，导致在基质或粘合剂中的声能颗粒的随机反射、扩散或吸收。本发明设想了沿着一条路径感测以任何组合形式的任何特征。所有这些PUF特征导致对象的物理指纹，该物理指纹在可观察表面上方的幅度、方向或深度方面持续地变化。这些变化被分解成它的方向或定标器分量，并被存储以用于以后验证。
然而，需要能够准确地测量标签的指纹的物理特征的硬件读取器。读取器优选地测量在PUF上的足够独特的点处的X、Y和Z分量的磁场，以允许对独特身份的有把握的识别。所测量的任一个磁场分量将满足所需的最小系统。读取器硬件可以合并任何组合感测单元或单独的感测单元(包括如这里描述的磁性以及光学(IR、视觉或超光谱、聚焦或激光)、电容或声学(声波或超声波))。
下面描述的是用于沿着PUF的任意路径捕获磁性和其他签名特征的装置。现在参考附图且特别是图1，示出了一个示例实施例的逻辑流程图。
在101，PUF标签被制造，且然后在102，以高分辨率被扫描以找到PUF标签的感兴趣的物理特征，从而在数据库中登记PUF标签指纹信息。扫描可包括在表面上方的磁、光学(IR、视觉或超光谱、聚焦或激光)、电容或声学(声波或超声波)信息。为此目的，在103，信息被上传到安全云环境，以用于后续访问。然而，数据库不限于103中的云环境，且服务器或其他本地或远程资源也可以被使用。根据所需的安全级别，所登记的数据可以在远程云环境中或在本地被加密或直接被存储。视觉存储可以包括与对象相关联的条形码、快速响应(QR)码或场模式图像(field pattern image)。视觉图案或图片可以被打印或显示在对象上或表示容易接近的任何位置。本地存储还可以包括使用RFID(UHF、HF或LF)或直接连接的有线设备的电子设备，例如USB或信用卡集成电路或蓝牙设备。
在104，用户将PUF标签附着到物品，并扫描PUF标签以将PUF标签的特征指纹逻辑地链接到产品。附着方法可以包括例如使用粘合剂、注塑成型或注射到现有部件中。在105，在商业链中的下游用户可以使用部署在供应链中的读取器设备来识别和认证给定产品。
在106，见图2，在棒型手持设备的顶端上包含一个或多个磁性、光学(IR、视觉或高光谱、聚焦或激光)、电容或声学(声波或超声波)传感器211的读取器201被用于扫描或读取在产品上的PUF标签的特征指纹。在棒的顶端上靠近特征传感器211放置的是位置跟踪设备221，其可以是光学传感器，类似于在计算机激光鼠标或惯性测量单元(IMU)中发现的光学传感器。光学位置跟踪设备221获取表面的高频图像捕获，并计算在每个所捕获的图像之间的X、Y和θ(旋转)的变化，以便确定位置移动。可以替换其他定位位置，例如包括触摸板、定位臂(坐标测量机器(“CMM”))或飞行时间声波或射频技术。该设备能够将读取器字符和位置数据传递到移动或远程设备以用于处理，或者能够在内部微处理器(未示出)上执行计算并通过例如用户界面(“UI”)、发光二极管(“LED”)或振动/触觉反馈来向用户提供反馈。
在107，如在图3中进一步所示，用户通过使棒与PUF标签接触或接近接触并沿着任意路径304扫滑来扫描标签。在图3中，PUF标签302可以是更大的元件301的一部分或者附着到更大的元件301。任意路径304可以在任意起始点304处开始，并在任意终止点305处结束。还可以包括参考基准303。由于潜在扫滑路径的任意性质，被克隆的标签将需要成功地再现整个标签表面的所有特征结构，而不仅仅是已知路径。因此，任意扫描路径使克隆PUF标签的工作复杂化。大多数感测技术需要在传感器和PUF标签之间的极接近性。额外的特征是在系统上具有允许旋转和对准到PUF表面的感测设备。弹簧或通用对准转环(未显示)将有助于对准到表面的人体工程学。
然而，由任意扫描路径提供的附加安全级别是以一定的代价出现的，因为对照已知的登记指纹“识别”数据的特征路径可能变成更困难或耗时的处理任务。
为了最小化比较困难的识别任意路径的任务，可以在标签内插入可感测基准303。在它的最简单的形式中，这些可以是在标签的特定区域内没有颗粒存在的空隙或孔。用户将被引导以继续在各种路径中扫滑，直到遇到特定数量的基准为止。穿过基准的这样的强制扫滑使标签识别处理算法能够快速设置关键数据点，并利用在正确的位置上的基准过滤潜在标签。
在108，在扫滑期间，棒201沿着任意路径306捕获在分立位置处的位置数据和特征数据。
在109，在用户快速遇到各种高度可识别的特征数据和/或特征基准的情况下，用户可以(通过例如UI、LED或振动/触觉反馈)被通知扫描完成。如果用户没有遇到高度可辨别的特征结构，则用户可以被指示继续扫滑，直到足够的数据被找到或者有把握的特征指纹匹配被检测到为止。所捕获的特征数据的可变数量的随机性质取决于任意路径，这产生额外的安全性并增加克隆难度110。
在111，对特征分量被再处理以移除偏离棒的旋转的偏差。根据传感器的相对位置，特征传感器和光学位置传感器跟踪稍微不同的路径。因为目的是匹配或识别特征指纹，所以当特征数据被捕获时基于光学传感器数据的传感器的预期位置和旋转可以被评估。
特征传感器在任何给定点处的旋转引入二次数据处理步骤。实际特征指纹数据可以被分解成三维向量分量(BX、BY和BZ)或定标器数据。如果特征传感器被精确地保持在标签的特定X、Y坐标之上并且然后围绕理论Z轴旋转，则BX、BY和BZ的传感器值对于磁性将改变，但对于定标器数据不改变。只要通过光学传感器测量的旋转角度是已知的，这个改变就用数学方法被预测到。因此，对于每个磁性数据捕获序列，记录磁性传感器的所计算的X、Y位置，以及还记录基于磁性传感器的已知旋转的磁场的所计算的BX、BY和BZ元素。
在112，将特征指纹与原始登记数据进行比较以确认真实性。
在第二实施例中，使用智能手机的磁力计和屏幕扫描磁性PUF标签以用于位置控制。如上所述，通过将预磁化颗粒模制到树脂(尼龙等)内来创建独特的对象。预磁化颗粒基于颗粒的随机大小、位置、极性旋转、磁化水平、颗粒密度等形成独特的磁性“指纹”。这里描述的是使通常可得到的移动设备(例如智能手机)能够用作PUF标签的手持读取器的元素。这些元素包括：针对磁力计扫描路径的智能手机特定用户指令；用户界面元素；与智能手机的磁性传感器有关的标签的机械位置控制；单个或多个电容触摸点；补偿移动设备的偏差的设备相关数据放大或过滤。
现在参考附图且特别是图4，示出了一个范例实施例的逻辑流程图。在401，见图5，物理不可克隆功能标签550被制造，并且可以被安装在结构元件500上。在402，以高分辨率磁性地扫描PUF标签550以在数据库中登记磁性指纹信息。为此目的，在403，信息被上传到安全云环境以用于以后访问。然而，数据库不限于云环境，且服务器或其他资源也可以被使用。
在404，用户将具有PUF标签550的结构元件500附着到物品，并扫描PUF标签550以将PUF标签550的磁性指纹逻辑地链接到产品。在405，在商业链中的下游用户可以使用磁性读取器来识别和认证给定产品。用户可以利用被编程的扫描设备或者安装移动智能手机应用(“app”)，以将智能手机600(见图6)用作磁性读取器。
在406，扫描设备的操作系统或在智能手机上的应用为用户提供关于磁力计扫描路径的指示。不同智能手机型号的不同制造商将磁力计放置在不同的位置上。然而，由于在智能手机移动设备内的罗盘(compass)的主要用途，磁力计一般被放置在设备的外边缘上。例如，两个
Figure BDA0003265753910000081
型号显示磁力计位置的稍微不同(见图8，例如iPhone
Figure BDA0003265753910000082
和iPhone
Figure BDA0003265753910000083
)。此外，另外的不同是手机的厚度，且因而存在在磁力计中的测量元件和手机的背面之间的“深度”的差异。深度的这个差异将对所捕获的磁性签名的幅度有影响。例如，在智能手机的背面上有一片稍微较厚的玻璃片的智能手机将在PUF标签550和传感元件之间产生更大的间隙。这将产生磁性签名的较低幅度版本。大致轮廓在大多数情况下将保持相同，但峰幅度较小。基于知道是什么智能手机型号执行扫描，可以使用设备相关放大算法来补偿这个幅度影响。
当智能手机应用被启动时，它通常能够检测手机型号，应用可以根据该型号来参考数据库以确定磁力计在该给定型号的设备上所位于的位置。该应用然后可以给出用户应该如何扫描在设备上的它们的PUF标签550的指示。例如，在智能手机应用上，可以引导用户将带有PUF标签550的结构元件500定位在电话的边缘上哪里；见图9，在什么方向903相对于智能手机600扫滑PUF标签550；以什么速度扫滑标签；如果PUF标签500的扫滑903被执行得太快或太慢，则警告用户，并且如果需要的话，则提示用户重新扫滑，以及是否翻转标签1004并扫滑第二表面1005(见图10)。当PUF标签被翻转并被扫描使得PUF标签500的磁性表面与智能手机600的屏幕侧表面接触时，磁性签名是独特地不同的，然而仍然是可重复地一致的。执行二次扫描可以为需要这样的情况的用例产生另一个安全和认证的级别。
在408，用户使带有PUF标签550的结构元件500在智能手机600的边缘上对准。见图5。支撑元件500具有一般靠在智能手机600的底部上的基座元件503。支撑元件500的顶部具有可以搁在智能手机600的触摸屏面602上的叉齿(prongs)501、502。在叉齿501、502之间的间隙允许用户的拇指接触触摸屏602。在叉齿之间的间隙可以具有弯曲部分以改善用户的抓握。阻挡元件505邻接智能手机600的边缘以相对于例如磁力计802、811定位PUF标签550。注意，磁力计802和811不精确地在相同的位置上。弹簧或类似的挠曲支撑结构(未示出)可用于当PUF标签550沿着智能手机的边缘被扫滑时允许各种厚度的智能手机被紧贴地保持。可以定义一个或更多个基准面，使得PUF标签550在智能手机磁力计上方以位置一致性进行扫滑。在一些实现方式中，基准面可以被间隔开，使得中心间隙保持打开，并且在电话的侧面上的任何按钮可以被扫过而不会影响具有PUF标签550的结构元件500的路径。
通过靠着结构元件500的表面504安置PUF标签550，PUF标签550被定位在结构元件500的标签上。由于阻挡元件505邻接智能手机600的边缘，只有PUF标签550的一部分被智能手机磁力计读取。PUF标签550的足够宽的部分被放置在标签结构内以允许有扫滑的容限，并且还补偿磁力计沿着智能手机的边缘的放置的潜在距离偏差。这一般在5-10mm的数量级上，但是可能偏差到0-20mm。只要PUF标签550在登记402之前被永久固定，在结构元件500上对PUF标签550的精确定位是不需要的。
在409，具有在叉齿501、502之间的间隙的标签结构引导用户的手指或拇指与智能手机屏602接触。可选地，电容元件(例如触笔)可以被使用，或者可以被合并到结构元件500中。为了在扫滑标签时以高频率进行位置准确的磁性数据捕获，必须记录PUF标签550在每个磁性捕获点处的“定位”位置。在这里，触摸屏表面602被用作输入传感器。结构元件500被成形成在将PUF标签550保持在智能手机600的边缘上的适当位置上时鼓励用户的手指被放置在触摸屏602上。用户界面可以提示用户适当地保持PUF标签550。
如果某种形式的电容橡胶材料(例如通常在设备触笔中使用的材料)可以在类似于往往是手指扫滑区域的区域的位置上(例如在叉齿501、502的内部端上)永久地附着到结构元件500的内部。在这种情况下，结构元件500将沿着触摸屏602的表面经过，并且在PUF标签550扫滑期间提供可能与磁性读数相关联的位置输入。在又一实施例中，电容触摸元件可以具有单独的特征。随着在新代智能手机设备上的现代触摸屏下超声波指纹技术的添加，使用超声波传感器来识别与表面接触的电容元件的结构的能力变成可能。
在两个电容橡胶元件(未示出)被放置在结构元件500的内表面上且然后被定位在触摸屏上用于扫描的情况下，在保持结构元件500的阻挡件504靠着智能手机600的边缘时用户没有沿着智能手机600的边缘扫滑结构元件500的情况下，智能手机应用可以计算偏斜因子。在磁性签名匹配算法期间将使用该偏斜因子。
在410，当用户扫滑PUF标签550时，磁力计场数据BX、BY和BZ以及触摸屏位置数据(p)同时被捕获，见图7。智能手机应用可以生成X-Y曲线图，其中，位置在X轴上被示出，以及相对应的磁力计场数据在Y轴上被示出。
为了说明的目的，呈现了实施例的前述描述。其并没有被规定为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确的步骤和/或形式，以及显然根据上面的教导，很多修改和变形是可能的。旨在本发明的范围由随附到其的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于沿任意路径扫描物理不可克隆功能(PUF)的磁性签名数据的手持设备，包括：
主体；
一个或更多个霍尔效应传感器，所述一个或更多个霍尔效应传感器在所述设备的顶端上；
光学位置跟踪设备，所述光学位置跟踪设备相邻于所述传感器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备将磁性数据和位置数据传递到移动设备。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，内部微处理器执行对所述磁性签名数据和所述设备的位置移动的计算。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述设备提供反馈给用户。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述反馈是通过用户界面、发光二极管或触觉反馈提供的。
6.一种用于捕获物理不可克隆功能(“PUF”)的沿任意路径的磁性签名数据的方法，包括：
制造具有嵌在PUF标签中的磁性颗粒的所述标签；
磁性地扫描所述PUF标签以登记所述磁性签名数据；
将所述PUF标签链接到产品；
利用具有至少一个霍尔效应传感器的读取器沿着任意路径扫描所述PUF标签，以测量所述磁性签名数据；
沿着所述任意路径从所述PUF标签捕获位置数据和磁性数据；
继续沿着任意路径扫描所述PUF标签，直到足够的数据被收集到或者所述PUF标签被成功地认证为止；
处理所收集的磁性签名数据，以移除偏离变化的角位置的偏差；
将所述收集的磁性签名数据与存储在安全云环境中的磁性签名数据进行比较以用于认证。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，继续沿着各种路径进行所述扫描，直到遇到了特定数量的磁性基准为止。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述霍尔效应传感器在任意给定点处的旋转是通过所述光学传感器测量的。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述磁性签名数据被上传到安全云环境。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述磁性签名数据被上传到安全服务器。
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