CN114357500A - 用于生成随机数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成用于加密应用的随机数的方法，其中借助采集单元产生环境的图像；借助显示设备显示图像；在图像的显示中在环境中定位虚拟对象；对于环境来说，针对现实世界坐标系中的现实世界点确定现实世界坐标；对于虚拟对象来说，针对虚拟世界坐标系中的一个或多个虚拟世界点确定虚拟世界坐标；至少使用环境的现实世界点的现实世界坐标和虚拟对象的虚拟世界点的虚拟世界坐标，以便生成随机数；并且在加密应用中使用该随机数。

Description

用于生成随机数的方法

技术领域

本发明涉及一种用于生成随机数的方法，特别是用于加密应用。对于加密应用，例如两个参与者之间的安全的或加密的通信，在理想情况下需要“真正的”随机数。由于在实践中，通常只能通过大的开销才能生成真正的随机数，所以也使用伪随机数来代替，该伪随机数同样具有足够的随机程度来防止加密通信被攻击。

背景技术

这种加密通信尤其在工业过程的控制方面正变得越来越重要。由此在理想情况下，与用于控制和监测工业过程的现场设备的通信也应进行加密。例如，现场设备可以控制工业过程的执行器，并且评估来自工业过程的传感器数据。与现场设备以及现场设备之间的加密通信可以防止工业过程被攻击或被操纵。

因此，对于例如能够在工业过程中实现安全的通信的加密应用存在根本需求。对于这种加密应用，开头提到的随机数是不可缺少的，其中随机数应该尽可能的随机。在这种情况下，随机意味着随机数是不可预测的，即使攻击者知道生成随机数的系统的所有参数。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于生成随机数的方法，在该方法中生成这种强随机的随机数，以便能够在加密应用中安全地应用随机数。

上述技术问题通过根据本发明的方法来解决。

本发明的方法涉及用于加密应用的随机数的生成，其中在该方法中

-借助采集单元产生环境的图像，

-借助显示设备显示图像，

-在图像的显示中在环境中定位虚拟对象，

-对于环境来说，针对现实世界坐标系中的现实世界点确定现实世界坐标，

-对于虚拟对象来说，针对虚拟世界坐标系中的一个或多个虚拟世界点确定虚拟世界坐标，

-至少使用环境的现实世界点的现实世界坐标和虚拟对象的虚拟世界点的虚拟世界坐标，以便生成随机数，并且

-优选地在加密应用中使用该随机数和/或由该随机数导出的值。替换地，该方法还可以在生成随机数后结束，其中例如首先存储随机数，并且随后将其用于加密应用。

简而言之，为用户示出环境的显示，其中用户在环境显示中在任意位置处和任意方向上放置虚拟对象。根据本发明已经示出，在这种方法中存在非常多的随机性来源，从而特别是根据现实世界坐标和虚拟世界坐标产生的随机数也是强随机的。通过强的随机性又大大降低了使用生成的随机数的加密应用的被攻击可能性。

下面还要更详细地描述该方法

采集单元例如可以是照相机，其例如布置在智能手机和类似设备中。然后，尤其在屏幕(即显示设备)上显示环境的图像。如果屏幕是触摸敏感的，则用户例如可以用手指在环境的显示中移动虚拟对象并且基本上任意定位。

通过将环境(即现实)和虚拟对象(虚拟对象对于用户来说实际上看起来位于现实环境中)的显示结合，创造了所谓的“增强现实”。增强现实相应地借助显示设备可见。

尽管用户在显示设备上通常只有两个维度可用，但是可以规定，在环境中在三个维度中定位或放置虚拟对象。为此，例如可以规定，通过放大或缩小虚拟对象可以在深度上实现移动。特别地，现实世界坐标和虚拟世界坐标分别可以具有三个分量，并且相应地代表三维空间。

优选地，虚拟对象可以由用户选择，由此就实现了随机性或熵的来源。对象可以是任意性质，例如动物、物体、字母、数字、符号等等。

在针对环境中的现实世界点确定现实世界坐标的情况下，尤其可以使用显著的点，例如角落、边缘、具有特殊颜色的位置和/或类似物，针对其确定现实世界坐标。根据环境的不同，现实世界点的现实世界坐标会有很大的不同，从而在此又形成了生成随机数的熵的来源。现实世界坐标尤其也可以通过API(“Application Programming Interface”，“应用程序接口”)提供，随后还要对其进行解释。

虚拟世界坐标的确定也可以被用作随机性的来源，因为虚拟世界坐标根据虚拟对象的定位发生变化。此外，可以在虚拟对象上随机确定或设置一个或多个虚拟世界点，然后针对其确定虚拟世界坐标，由此在此再次将随机性带入。

可以看出，通过结合不同的随机性来源，根据本发明生成的随机数整体上具有强随机性，并且因此很适合加密应用。

应该澄清的是，在生成随机数时“使用”现实世界坐标和虚拟世界坐标可以意味着这些坐标可以任意地相互关联、相互进行数学计算、在逻辑上关联、相互串起来和/或诸如此类。随机数的生成尤其是由电子计算设备执行的，电子计算设备例如可能存在于智能手机或平板电脑中。

本发明的另外的实施方式可以从说明书和附图中得到。

根据第一实施方式，随机数的生成包括：确定环境的至少一个点与虚拟对象的点之间的矢量，并且将其用于随机数。因此，将相应点(即，例如环境中的现实世界点和虚拟世界的另一个/不对应的虚拟世界点)的现实世界坐标和虚拟世界坐标用于计算矢量。特别地，分别从虚拟世界坐标的值中减去现实世界坐标的值，以获得相应的矢量。矢量中的值(例如分量)又可以以任意方式在创建随机数时被使用，因此它们可以相互关联，并且/或者也可以与现实世界坐标和/或虚拟世界坐标关联、进行计算、相互串起来等。特别地，用于矢量的现实世界坐标和虚拟世界坐标可以是随机的或者也可以由用户选择，由此在创建随机数时再次增加了熵的来源。

根据另外的实施方式，随机数的生成包括：至少将环境的现实世界点的现实世界坐标和虚拟对象的虚拟世界点的虚拟世界坐标依次串起来。然后，随机数的至少一部分(甚至整个随机数)可能由依次串起来的坐标值组成。例如，如果坐标值包括逗号，可以简单地将其去除。替换地，还可以截断逗号后面的数值。

根据另外的实施方式，将现实世界坐标转换为虚拟世界坐标和/或将虚拟世界坐标转换为现实世界坐标，其中在生成随机数时使用转换后的坐标。由于现实世界坐标系的位置相对于虚拟世界坐标系的位置是随机的，通过转换坐标，这种随机性作为另外的熵的来源被引入随机数的生成。在此，在生成随机数时使用转换后的坐标也意味着，转换后的坐标与可用于生成随机数的其他值任意关联，在数学上进行计算和/或相互串起来等。

根据另外的实施方式，在生成随机数时考虑时间走向，其中，将现实世界坐标随时间走向的变化和/或虚拟世界坐标随时间走向的变化引入随机数。改变的坐标分别可以被视为独立的值，该值又可以与之前的值和其他可用于随机数的值相互关联、进行计算和/或相互串起来等。通过考虑时间走向可以充分利用的是，用户将虚拟对象移动到其最终位置的路径作为附加的熵的来源引入随机数的生成。

通过时间走向还可以实现，将例如由转动照相机引起的环境中的变化用作另外的随机性的来源。特别地，用户无意地移动照相机是很难预测的并且因此是强随机的。

特别地，可以规定，只要相应点的现实世界坐标和/或虚拟世界坐标发生了变化，则针对时间走向以预定的时间间隔(例如每0.5秒或每秒)生成一组新的现实世界坐标和/或虚拟世界坐标。

根据另外的实施方式，生成的随机数和/或通过其他方式已经生成的另外的随机数被用作加密的哈希函数的输入值，其中哈希函数提供哈希值作为结果。例如，另外的随机数可以来自生成随机数的电子计算设备。另外的随机数例如可以基于对处理器温度(热噪声源)的测量、基于存储器中的活动或基于充电过程的随机分布持续时间等。通过借助加密的哈希函数来组合两个不同的随机数，进一步提高随机性。即使在知道随机数的情况下，攻击者实际上也不可能预测或确定哈希值。

根据另外的实施方式，生成的随机数和/或哈希值被用作随机数发生器的输入值。输入值也可以被称为“种子”。随机数发生器可以是所谓的CSPRNG(CryptographicallySecure Pseudo Random Number Generator，加密安全的伪随机数发生器)。利用随机数发生器，可以基于种子/输入值非常迅速地生成许多另外的附加随机数。附加随机数也是强随机的，因为输入值中的至少一个，即根据在此描述的方法产生的随机数，也是强随机的。特别地，附加随机数是由随机数推导出的值。通过执行一次在此描述的方法，可以以这种方式(以高的速度)生成非常多的强的附加随机数。然后，附加随机数尤其可以用于不同的加密应用，由此例如可以保障不同参与者之间的通信。

根据另外的实施方式，虚拟对象在定位时进行移动和/或围绕一个或多个轴进行旋转和/或改变其大小。通过(例如在三个维度中)移动、旋转和改变大小，为用户引入了附加的自由度，这又增加了熵。可以理解的是，虚拟地进行所提到的操作，即尤其是在显示设备上、即在增强现实中为用户显示移动。

通过前面提到的在定位虚拟对象时的操作，为用户定位虚拟对象创造了大量的可能性。例如，仅仅通过围绕三个轴的旋转就大大增加了虚拟对象的可能位置的数量。假设旋转时的角度增量为0.1，则每个轴给出3600个不同的位置。因此，仅仅将三个轴的旋转结合就产生了3600³种可能性，即大约467亿种可能性。通过将其与虚拟对象的相应移动和/或缩放相结合，可能性会进一步成倍增加。

根据另外的实施方式，采集单元和显示设备是电子设备的一部分，优选地是同一电子设备的一部分，其中电子设备特别是执行随机数的生成。在此，随机数的生成或计算可以由电子设备的电子计算设备执行。特别地，通过在唯一一个设备中生成随机数，不需要例如现实世界坐标和/或虚拟世界坐标的外部传输，这可能是不安全的。电子设备例如可以是智能手机、平板电脑、增强现实眼镜(AR眼镜)、笔记本电脑或配备有照相机的现场设备。替代照相机，还可以使用其他技术，例如LIDAR(Light Detection And Ranging，光线探测和测距)或LADAR(Laser Detection And Ranging，激光探测和测距)作为采集单元。原则上可以将显示单元设计为人机界面，并且优选地设计为触摸屏。在笔记本电脑或AR眼镜的情况下，也可以通过鼠标和/或键盘或其他输入方式代替触摸屏进行定位。

现实世界坐标优选地能够通过API提供。API基于环境的图像，并且基于该图像生成现实世界点的点云，例如针对图像中的物体，该物体已经被API所基于的软件识别到。所基于的软件例如可以是谷歌的ARCore或苹果的ARKit。在此，对于哪些现实世界点完全被API输出，以及现实世界点从API获得哪些现实世界坐标，存在着一定的随机性。现实世界坐标是如何被所基于软件准确确定的，通常是保密的，从而一方面由此形成了另外的随机性的来源，另一方面也使攻击更加困难。

根据另外的实施方式，使用随机数和/或附加随机数，以便在电子设备与现场设备之间建立加密的数据连接，并且优选地通过加密的数据连接控制和/或配置现场设备。因此，通过加密的数据连接可以实现电子设备对工业过程的控制。在此，控制通过随机数和/或附加随机数来保障安全。特别地，数据连接的加密密钥可以由随机数和/或附加随机数生成。例如，可以通过数据连接改变伺服驱动器或传感器的特性。

在生成随机数时，在此提到的一个或多个实施方式/可能性也可以相互结合和/或并行使用。因此，随机数的前几位数字可以通过简单地将现实世界坐标和虚拟世界坐标的值相互串起来而生成。随机数的其他数字可以根据前面提到的矢量的值和/或通过坐标的转换形成。其他数字也可以基于时间走向生成。同样地，随机数的生成也有可能只基于在此描述的其中一个可能性。

本发明的另一个对象是具有采集单元、显示设备和电子计算设备的电子设备，其中该设备被设计为，

-借助采集单元产生环境的图像，

-借助显示设备显示图像，

-在图像的显示中在环境中定位虚拟对象，

-对于环境来说，针对现实世界坐标系中的现实世界点确定现实世界坐标，

-对于虚拟对象来说，针对虚拟世界坐标系中的一个或多个虚拟世界点确定虚拟世界坐标，

-至少使用环境的现实世界点的现实世界坐标和虚拟对象的虚拟世界点的虚拟世界坐标，以便生成随机数，并且

-优选地在加密应用中使用该随机数和/或由该随机数导出的值。

关于根据本发明的方法的解释相应地适用于该电子设备，这尤其适用于优点和实施方式。

附图说明

下面纯示例性地参照附图示出了本发明。附图中：

图1示意性示出了对真实环境的采集；

图2示出了具有现实世界坐标的点云；

图3示出了虚拟对象的定位；以及

图4示出了用于生成随机数的流程。

具体实施方式

图1示出了智能手机10形式的电子设备，其具有照相机12作为采集单元。此外，智能手机10具有触摸屏14作为显示设备。

从图1中可以看出，利用智能手机10产生环境16的图像，其中在环境16中存在不同的物体18，例如家具。

图2中示出了环境16的示例性图像，其中图2中还示出了物体18，即家具。

在智能手机10上执行的软件通过API提供现实世界点20(即，现实世界坐标系中的点)。现实世界点20分别包括三个维度的现实世界坐标。在图2中可以看到，通过API输出多个现实世界点20，它们共同构成了点云22。

图3中现在示出了虚拟对象24的定位，其中图3中的虚拟对象24是蝴蝶。虚拟对象24被定位在物体18(在此是杂志)附近。

智能手机10的用户可以通过触摸屏14将虚拟对象24定位在任意位置。此外，还可以在三个轴上旋转以及缩放虚拟对象24。针对虚拟对象24，对于多个虚拟世界点26(即虚拟世界坐标系中的点)，在三个维度上确定虚拟世界坐标。虚拟世界坐标根据用户为虚拟对象24选择的位置而改变。

对于用户来说，在触摸屏14上通常不显示现实世界点20和虚拟世界的点26。

此外，可以在现实世界点20与虚拟世界点26之间确定矢量28，如已经解释的那样。

为了生成随机数，如图4中示意性示出的，在步骤100中，首先生成环境16的图像。然后，在步骤110中，将虚拟对象24定位在环境16中。在步骤120中，确定现实世界点20的现实世界坐标和虚拟世界点26的虚拟世界坐标。然后，在步骤120中，使用现实世界坐标和虚拟世界坐标，以便生成随机数。在该示例中，所有现实世界点20的现实世界坐标和所有虚拟世界点26的虚拟世界坐标可以相互增补(即一个接一个地写入)以获得随机数。此外，还可以通过已经描述的随机数发生器生成附加随机数。

在步骤130中，然后将随机数和/或附加随机数应用于加密应用，例如用于在智能手机10与工业系统的现场设备(未示出)之间建立加密连接。

由于在生成随机数的过程中存在许多随机性的来源，生成的随机数是强随机的，并且由此可以实现安全的通信，例如智能手机10与现场设备之间的安全的通信。

附图标记列表

10 智能手机

12 照相机

14 触摸屏

16 环境

18 物体

20 现实世界点

22 点云

24 虚拟对象

26 虚拟世界点

28 矢量

100 环境的图像

110 虚拟对象的定位

120 随机数的生成

130 加密应用

Claims (12)

1.一种用于生成用于加密应用的随机数的方法，其中

-借助采集单元(12)产生环境(16)的图像，

-借助显示设备(14)显示所述图像，

-在所述图像的显示中在所述环境(16)中定位虚拟对象(24)，

-对于所述环境(16)来说，针对现实世界坐标系中的现实世界点(20)确定现实世界坐标，

-对于所述虚拟对象(24)来说，针对虚拟世界坐标系中的一个或多个虚拟世界点(26)确定虚拟世界坐标，

-至少使用所述环境(16)的现实世界点(20)的现实世界坐标和所述虚拟对象(24)的虚拟世界点(26)的虚拟世界坐标，以便生成随机数，并且

-在加密应用中使用所述随机数和/或由所述随机数导出的值。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述随机数的生成包括：确定所述环境(16)的至少一个点与所述虚拟对象(24)的点之间的矢量(28)，并且将其用于所述随机数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中，所述随机数的生成包括：至少将所述环境(16)的现实世界点(20)的现实世界坐标和所述虚拟对象(24)的虚拟世界点(26)的虚拟世界坐标依次串起来。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，将现实世界坐标转换为虚拟世界坐标和/或将虚拟世界坐标转换为现实世界坐标，其中在生成所述随机数时使用转换后的坐标。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，在生成所述随机数时考虑时间走向，其中，将现实世界坐标随时间走向的变化和/或虚拟世界坐标随时间走向的变化引入所述随机数。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，生成的随机数和以其他方式已经生成的另外的随机数被用作加密的哈希函数的输入值，其中所述哈希函数提供哈希值作为结果。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，生成的随机数和/或哈希值被用作随机数发生器的输入值，所述随机数发生器尤其生成附加随机数。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，所述虚拟对象(24)在定位时进行移动和/或围绕一个或多个轴进行旋转和/或改变其大小。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，使用多个，例如至少5个、10个或100个所述环境(16)的现实世界点(20)的现实世界坐标和所述虚拟对象(24)的虚拟世界点(26)的虚拟世界坐标，以便生成随机数。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，所述采集单元(12)和所述显示设备(14)是电子设备的一部分，其中所述电子设备优选地执行所述随机数的生成。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，使用所述随机数和/或特别是所述附加随机数，以便在所述电子设备与现场设备之间建立加密的数据连接，并且优选地通过加密的数据连接控制和/或配置所述现场设备。

12.一种具有采集单元(12)、显示设备(14)和电子计算设备的电子设备(10)，其中所述设备被设计为，

-借助所述采集单元(12)产生环境(16)的图像，

-借助所述显示设备(14)显示所述图像，

-在所述图像的显示中实现在所述环境(16)中定位虚拟对象(24)，

-对于所述环境(16)来说，针对现实世界坐标系中的现实世界点(20)确定现实世界坐标，

-对于所述虚拟对象(24)来说，针对虚拟世界坐标系中的一个或多个虚拟世界点(26)确定虚拟世界坐标，

-至少使用所述环境(16)的现实世界点(20)的现实世界坐标和所述虚拟对象(24)的虚拟世界点(26)的虚拟世界坐标，以便生成随机数，并且

-在加密应用中使用所述随机数和/或由所述随机数导出的值。

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