JP2010271888A - Physical random number generator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a physical random number generator which inexpensively generates random numbers of high quality at high speed. <P>SOLUTION: The physical random number generator includes: a laser diode 2 which is a coherent light source; a laser driver circuit 1 which makes the laser diode 2 drive and emit light; a finger skin rough surface 12 which makes light from the laser diode 2 reflect irregularly; an image sensor array 4 which receives a laser beam which has caused mutual interference by irregular reflection after projecting on skin of the skin rough surface 12; an image sensor module 5 which changes an analog voltage value of each pixel concerning a speckle pattern formed on a light receiving surface of the image sensor array 4 into a digital pixel value; a memory section 6 in which the pixel value detected by the image sensor module 5 is accumulated; a memory read/write section 7 for reading accumulated data string serially from the memory section 6; a processing section 8 which equalizes appearance ratio of "1" and "0" of the digital data read in the memory read/write section 7; and an MCU 9 which controls a series of processings of data flow until to reach a request bit length. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、物理乱数生成装置に関し、特に、コヒーレントな信号を用いて物理乱数を生成する物理乱数生成装置に関する。   The present invention relates to a physical random number generation device, and more particularly to a physical random number generation device that generates a physical random number using a coherent signal.

近年、eコマースなどに代表されるネットワーク通信では、通信対象のデータの秘匿性が求められている。具体的には、たとえば、個人情報などのデータについては、暗号化された状態で通信される。そして、データの暗号化に際し、暗号鍵が用いられている。暗号鍵の生成には、予測不可能な乱数を用いることが必要とされている。   In recent years, in network communication represented by e-commerce and the like, confidentiality of data to be communicated is required. Specifically, for example, data such as personal information is communicated in an encrypted state. An encryption key is used for data encryption. For generation of an encryption key, it is necessary to use a random number that cannot be predicted.

また、金融シミュレーション、科学シミュレーションの分野においては、シミュレーションの精度向上のために、一様性の高い高品質な乱数を用いることが望まれている。   In the fields of financial simulation and scientific simulation, it is desired to use high-quality random numbers with high uniformity in order to improve the accuracy of simulation.

ここで、アルゴリズム、すなわち、ある数学式に従った計算により生成する疑似乱数が知られている。疑似乱数は、計算アルゴリズムに従って生成されることから、出力である乱数列には不可避的に周期性や偏在性が生じてしまう。特に、使用目的が暗号であれば予測不可能性が、シミュレーションでは一様性が求められるので、周期性や偏在性が生じてしまうことは問題である。   Here, a pseudo-random number generated by an algorithm, that is, a calculation according to a mathematical formula is known. Since pseudo-random numbers are generated according to a calculation algorithm, the output random number sequence inevitably has periodicity and uneven distribution. In particular, if the purpose of use is encryption, unpredictability is required for simulation, and uniformity is required in the simulation, so that periodicity and uneven distribution occur.

この結果、セキュリティ用途においては、疑似乱数に基づく暗号鍵は、この周期性の予測結果に基づいて攻撃がなされることに対して脆弱なものとなる。また、シミュレーション用途においては、疑似乱数は、周期性があることから、データに偏在性が生じてしまう。このため、シミュレーション結果の精度向上も限定的なものしか望めない。   As a result, in security applications, encryption keys based on pseudo-random numbers are vulnerable to attacks based on the periodicity prediction results. In addition, in simulation applications, pseudorandom numbers have periodicity, which causes uneven distribution of data. For this reason, only a limited improvement in the accuracy of simulation results can be expected.

このような実情から、近年、自然界の物理現象に起因する乱雑性を利用して生成する物理乱数が注目されている。物理乱数の生成には、疑似乱数生成の場合には必要であった、初期値やアルゴリズムが不要となる。   In recent years, physical random numbers generated using randomness resulting from physical phenomena in the natural world have attracted attention. The generation of physical random numbers does not require initial values and algorithms that were necessary in the case of pseudo-random number generation.

物理乱数では、自然現象に起因する乱雑性には再現性がないため、これに基づいて生成される乱数列は、再現性が存在しない予測困難なランダム列になる。したがって、物理乱数は、セキュリティ用途でみれば、暗号鍵生成の必須要件である「再現不可能性」「予測不可能性」を満たしているし、シミュレーション用途でみても、ランダム性の高い乱数が提供できる。   In the case of physical random numbers, randomness due to natural phenomena is not reproducible, and a random number sequence generated based on the randomness is a random sequence that is difficult to predict and does not have reproducibility. Therefore, physical random numbers satisfy “reproducibility” and “unpredictability”, which are essential requirements for encryption key generation in security applications, and random numbers with high randomness are also in simulation applications. Can be provided.

特許文献1,2には、「物理乱数」の生成手法が開示されている。この種の従来技術は、「回路ノイズ方式」と称される方式を採用しており、雑音源と、高感度プリアンプと、フィルタと、微弱信号増幅回路と、A/D変換器とから構成されている。   Patent Documents 1 and 2 disclose a method of generating a “physical random number”. This type of prior art employs a method called a “circuit noise method”, and includes a noise source, a high-sensitivity preamplifier, a filter, a weak signal amplifier circuit, and an A / D converter. ing.

特許文献3には、電波星から発せられた電波を含む電波信号を用いて乱数を生成する技術が開示されている。   Patent Document 3 discloses a technique for generating a random number using a radio signal including radio waves emitted from radio stars.

特開2008−165500号公報JP 2008-165500 A 特開2008−299595号公報JP 2008-299595 A 特許第3876324号Patent No. 3876324

しかし、回路ノイズ方式の乱数生成装置は、電子回路の構成素子単体で発生する微弱レベルの熱雑音を乱数生成源として利用しているため、熱雑音源直後に高感度プリアンプを必ず配置する必要がある点で部品点数が相対的に多くなり、これに起因して乱数生成装置がコストアップする。   However, the circuit noise type random number generator uses the weak level of thermal noise generated by a single component of the electronic circuit as a random number generator, so a high-sensitivity preamplifier must be placed immediately after the thermal noise source. At a certain point, the number of parts is relatively large, and this increases the cost of the random number generation device.

また、回路ノイズ方式の乱数生成装置は、雑音源の直近にて、周辺雑音(他の装置からの輻射雑音など)の混入した場合には、生成される乱数のランダム性の品質が低下する。これを回避するためには、雑音源を周辺雑音に対して強化しなければならないといった面倒な処理も必要となる。   In addition, in the circuit noise type random number generation device, when ambient noise (radiation noise from other devices, etc.) is mixed in the immediate vicinity of the noise source, the quality of randomness of the generated random number is deteriorated. In order to avoid this, a troublesome process in which the noise source must be strengthened against ambient noise is also required.

加えて、回路ノイズ方式の乱数生成装置は、乱数生成効率の向上のために、高速でサンプリング可能なA/D変換器を備える必要がある。この点も、乱数生成装置のコストアップが避けられない一因である。   In addition, the circuit noise type random number generation device needs to include an A / D converter that can sample at high speed in order to improve random number generation efficiency. This is another factor that inevitably increases the cost of the random number generation device.

さらに、電波星から発せられた電波を含む電波信号を用いて乱数を生成する場合、大がかりなアンテナ設備を用意する必要がある。これも、装置のコストアップの一因である。   Furthermore, when generating random numbers using radio signals including radio waves emitted from radio stars, it is necessary to prepare a large-scale antenna facility. This also contributes to the cost increase of the apparatus.

本発明は、このような問題点に鑑み、高品質の物理乱数を生成可能な乱数生成装置を、安価に提供することを課題としている。   In view of such a problem, an object of the present invention is to provide a random number generator capable of generating high-quality physical random numbers at a low cost.

上記課題を解決するために、本発明の物理乱数生成装置は、
信号レベルが動的である信号の発生手段(図1の光学部10など)と、
前記発生手段に起因する信号レベルの偏りを低減させる処理手段(図1の処理部8など)と、
前記処理手段によって処理されることで生成される乱数のビット長を指示する指示手段(図1のMCU(Micro Controller Unit)9など)とを備える。
In order to solve the above problems, the physical random number generation device of the present invention provides:
A means for generating a signal whose signal level is dynamic (such as the optical unit 10 in FIG. 1);
Processing means (such as the processing unit 8 in FIG. 1) for reducing the bias of the signal level caused by the generating means;
Instructing means (such as MCU (Micro Controller Unit) 9 in FIG. 1) for instructing the bit length of a random number generated by being processed by the processing means.

上記処理手段は、たとえば、信号レベルが動的な信号を構成するnビットのビットシーケンスに基づいてmビット(n≠m)のデータ列を生成するといった一様化処理を行うことができる。一様化処理には、ノイマンコレクターを採用してもよい。   The processing means can perform a uniformization process such as generating an m-bit (n ≠ m) data string based on an n-bit bit sequence constituting a signal having a dynamic signal level. A Neumann collector may be employed for the uniformization process.

また、上記処理手段は、信号レベルの高低の明確化のためにフィルタ処理を行うことができる。たとえば、発生手段が光信号を発生させる場合には、ラプラシアンフィルタを用いることができ、発生手段が音信号を発生させる場合には、バンドパスフィルタを用いることができる。   Further, the processing means can perform a filter process for clarifying the level of the signal level. For example, when the generating means generates an optical signal, a Laplacian filter can be used, and when the generating means generates a sound signal, a bandpass filter can be used.

さらに、上記処理手段は、信号レベルの高低の明確化のために差分処理を行うことができる。差分処理は、時間的又は空間的に信号の特定要素の差分処理を行う。具体的には、たとえば、発生手段が光信号を発生させる場合には、その光信号のレベルをメモリなどに格納し、隣接ピクセル間で差分をとるなどの手法を採用することができる。   Further, the processing means can perform differential processing for clarifying the level of the signal level. The difference process performs a difference process on a specific element of a signal temporally or spatially. Specifically, for example, when the generating means generates an optical signal, a method of storing the level of the optical signal in a memory or the like and taking a difference between adjacent pixels can be employed.

前記信号は、コヒーレントな信号である。したがって、光信号、電波信号、音信号など、波動成分を含む信号であればよい。一例としては、レーザ光を用いることができる。この場合、レーザ光を粗面物体に照射したときに得られる反射光、或いは、レーザ光の伝送経路である光ファイバに対して外力を付加することによって得られる伝送光を、前記信号とすることができる。   The signal is a coherent signal. Therefore, any signal including a wave component such as an optical signal, a radio wave signal, and a sound signal may be used. As an example, laser light can be used. In this case, the reflected light obtained when the rough object is irradiated with laser light or the transmission light obtained by applying an external force to the optical fiber that is the laser light transmission path is used as the signal. Can do.

本発明の物理乱数生成装置の具体的な構成としては、
コヒーレントな光源であるレーザダイオードと、
前記レーザダイオードを駆動発光させるレーザドライバ回路と、
前記レーザダイオードからの光を空間伝搬途上で乱反射させる粗面物体により構成された乱反射型光経路と、
前記粗面に投射後に乱反射し相互干渉を起こしたレーザ光を受光するイメージセンサアレイと、
前記イメージセンサアレイの受光面に形成されていてスペックルパターンを受像した各ピクセルのアナログ電圧値をディジタル画素値に変換するイメージセンサモジュールと、
前記イメージセンサにて検出された画素値を一時的に蓄積しておくメモリ部と、
前記メモリ部から逐次蓄積データ列を読み出し/書き込みを行うメモリ読み書き部と、
一前記メモリ部からメモリ読み書き部経由で読みだしたディジタルデータの“1”(マーク)、“0”(スペース)出現率を均等化させる一様化処理部と、
要求ビット長に達するまで前記各部間のデータの流れの一連の処理を制御する制御手段とを備えることができる。
As a specific configuration of the physical random number generator of the present invention,
A laser diode which is a coherent light source;
A laser driver circuit for driving and emitting the laser diode;
An irregular reflection type optical path composed of a rough surface object that irregularly reflects light from the laser diode in the course of spatial propagation;
An image sensor array that receives laser light that has been diffusely reflected after the projection on the rough surface and caused mutual interference;
An image sensor module for converting an analog voltage value of each pixel formed on the light receiving surface of the image sensor array and receiving a speckle pattern into a digital pixel value;
A memory unit for temporarily storing pixel values detected by the image sensor;
A memory read / write unit that sequentially reads / writes a stored data string from the memory unit;
A uniformization processing unit for equalizing the appearance rate of “1” (mark) and “0” (space) of digital data read from the memory unit via a memory read / write unit;
And control means for controlling a series of processing of the data flow between the units until the required bit length is reached.

或いは、本発明の物理乱数生成装置の具体的な構成としては、
コヒーレントな光源であるレーザダイオードと、
前記レーザダイオードを駆動発光させるレーザドライバ回路と、
前記レーザダイオードからの光を伝搬途上でさせる光ファイバを含む光導波路と、
前記光導波路に外乱を加えることにより干渉状態をランダムに変化させる圧電素子と、
前記圧電素子をランダムに電気駆動するための疑似雑音(Pseudo Noise:PN)パターン発生回路により構成される「外乱印加型光経路」と、
前記光ファイバの出射端出力光を受光するイメージセンサアレイと、
前記イメージセンサアレイの受光面に形成されていてスペックルパターンを受像した各ピクセル毎のアナログ電圧値をディジタル画素値に変換するイメージセンサモジュールと、
前記イメージセンサにて検出された画素値を一時的に蓄積しておくメモリ部と、
前記メモリ部から逐次蓄積データ列を読み出し/書き込みを行うメモリ読み書き部と、
一前記メモリ部からメモリ読み書き部経由で読みだしたディジタルデータの“1”(マーク)、“0”(スペース)出現率を均等化させる一様化処理部と、
要求ビット長に達するまで前記各部間のデータの流れの一連の処理を制御する制御手段とを備えることができる。
Alternatively, as a specific configuration of the physical random number generator of the present invention,
A laser diode which is a coherent light source;
A laser driver circuit for driving and emitting the laser diode;
An optical waveguide including an optical fiber that propagates light from the laser diode;
A piezoelectric element that randomly changes the interference state by applying a disturbance to the optical waveguide;
“Pseudo Noise (PN) pattern generation circuit for electrically driving the piezoelectric element randomly,“ disturbance application type optical path ”,
An image sensor array for receiving output light from the output end of the optical fiber;
An image sensor module which is formed on the light receiving surface of the image sensor array and converts an analog voltage value for each pixel which has received a speckle pattern into a digital pixel value;
A memory unit for temporarily storing pixel values detected by the image sensor;
A memory read / write unit that sequentially reads / writes a stored data string from the memory unit;
A uniformization processing unit for equalizing the appearance rate of “1” (mark) and “0” (space) of digital data read from the memory unit via a memory read / write unit;
And control means for controlling a series of processing of the data flow between the units until the required bit length is reached.

もっとも、実施例を用いて後述するように、「外乱印加型光経路」に代えて、指肌粗面とすることもできる。こうすると、PNパターン発生回路を備えなくてもよいので、PNパターンに依存しない物理乱数を得ることができるし、PNパターン発生回路を備えない分、物理乱数生成装置を廉価とすることができる。   However, as will be described later with reference to the embodiment, instead of the “disturbance application type optical path”, a rough surface of the finger skin can be used. In this case, since it is not necessary to provide a PN pattern generation circuit, a physical random number independent of the PN pattern can be obtained, and the physical random number generation device can be made inexpensive because the PN pattern generation circuit is not provided.

本発明によれば、高感度プリアンプ、A/D変換器、アンテナ設備などのコストアップ要因となるものを用意する必要がないため、乱数生成装置がコストアップを抑止することができる。また、乱数のランダム性の品質を低下する要因がなくなるため、ランダム性に優れた物理乱数を得ることが可能な物理乱数生成装置を提供することができる。   According to the present invention, since it is not necessary to prepare a high-sensitivity preamplifier, an A / D converter, an antenna facility, or the like that causes a cost increase, the random number generation device can suppress the cost increase. In addition, since there is no factor that degrades the quality of randomness of random numbers, it is possible to provide a physical random number generation device that can obtain physical random numbers with excellent randomness.

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態の物理乱数生成装置の概要説明図である。本実施形態の物理乱数生成装置は、発光及び受光を行う光学部10と、光学部10からの信号を処理するデータ処理部20とに大別される。以下、光学部10及びデータ処理部20の動作に従って、本実施形態の物理乱数生成装置について説明する。   FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a physical random number generator according to an embodiment of the present invention. The physical random number generation device according to the present embodiment is roughly divided into an optical unit 10 that emits and receives light and a data processing unit 20 that processes a signal from the optical unit 10. Hereinafter, the physical random number generation device of the present embodiment will be described according to the operations of the optical unit 10 and the data processing unit 20.

まず、光学部10では、レーザドライバ回路1は、MCU9から命令に従って、コヒーレントな光源であるレーザダイオード2を駆動する。これにより、レーザダイオード2が発光すると、レーザダイオード2から光は、乱反射面3に投射される。この結果、乱反射面3からの投射光の乱反射による散乱光が得られる。   First, in the optical unit 10, the laser driver circuit 1 drives the laser diode 2 that is a coherent light source according to a command from the MCU 9. Thus, when the laser diode 2 emits light, the light from the laser diode 2 is projected onto the irregular reflection surface 3. As a result, scattered light due to irregular reflection of the projection light from the irregular reflection surface 3 is obtained.

イメージセンサアレイ4は、乱反射面3からの散乱光を受けて、これに対応する電気信号をイメージセンサモジュール5に出力する。イメージセンサアレイ4で受けられる散乱光は、スペックルパターンと称される斑点状の模様となる。イメージセンサモジュール5は、イメージセンサアレイ4からのピクセル毎の出力を、アナログ信号からディジタル信号に変換する。   The image sensor array 4 receives scattered light from the irregular reflection surface 3 and outputs an electrical signal corresponding to the scattered light to the image sensor module 5. The scattered light received by the image sensor array 4 becomes a speckled pattern called a speckle pattern. The image sensor module 5 converts the output for each pixel from the image sensor array 4 from an analog signal to a digital signal.

つぎに、データ処理部20では、メモリ読み書き制御部7は、イメージセンサモジュール5によって変換された信号を、メモリ部6に順次書き込んでいく。この結果、メモリ部6には、イメージセンサアレイ4の各ピクセルに対応する多値のディジタル信号が蓄積されることになる。   Next, in the data processing unit 20, the memory read / write control unit 7 sequentially writes the signals converted by the image sensor module 5 in the memory unit 6. As a result, a multi-value digital signal corresponding to each pixel of the image sensor array 4 is accumulated in the memory unit 6.

また、メモリ読み書き制御部7は、すべてのピクセルからの信号がメモリ部6に蓄積された後に、メモリ部6に蓄積されたデータ列を読み出して、処理部8に出力する。処理部8は、たとえば、このデータ列に対して、フィルタリング処理、2値化処理などを施し、さらに、2値信号の“1”(マーク)、“0”(スペース)の出現率を均等化させるといった一様化処理を行う。MCU9は、一様化処理後のデータ長が、所望のデータ長となるまで、各部に対して動作命令を行う。   Further, the memory read / write control unit 7 reads out the data sequence stored in the memory unit 6 after the signals from all the pixels are stored in the memory unit 6, and outputs them to the processing unit 8. For example, the processing unit 8 performs a filtering process, a binarization process, and the like on the data string, and further equalizes the appearance rate of “1” (mark) and “0” (space) of the binary signal. The uniform process is performed. The MCU 9 issues an operation command to each unit until the data length after the equalization processing becomes a desired data length.

以下、この種の物理乱数生成装置について、いくつかの実施例を挙げて詳述する。   Hereinafter, a physical random number generator of this type will be described in detail with some examples.

(第1の実施例)
図2は、本発明の第1の実施例の物理乱数生成装置の模式的な構成図である。図2に示すように、本実施例の物理乱数生成装置は、レーザダイオード2を駆動するレーザドライバ回路1と、コヒーレントな光源であるレーザダイオード2と、レーザダイオード2からの光を指肌粗面12に集めるレンズ11と、指肌粗面12からの反射光をイメージセンサアレイ4に集めるレンズ13と、レンズ13からの光を受けるイメージセンサアレイ4と、イメージセンサアレイ4で受けられた反射光に基づく電気信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するイメージセンサモジュール5とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the physical random number generation device according to the first exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the physical random number generation device according to the present embodiment includes a laser driver circuit 1 that drives a laser diode 2, a laser diode 2 that is a coherent light source, and light from the laser diode 2 that has a finger surface. 12, a lens 11 that collects reflected light from the rough surface 12 of the finger skin on the image sensor array 4, an image sensor array 4 that receives light from the lens 13, and reflected light that is received by the image sensor array 4. And an image sensor module 5 for converting an electric signal based on the analog signal into a digital signal.

また、本実施例の物理乱数生成装置は、イメージセンサモジュール5からの信号が蓄積されるメモリ部6と、物理乱数生成装置全体の動作の制御を司るMCU9と、MCU9から出力される物理乱数を入力するPCパーソナルコンピュータ(以下、「PC」と称する)15と、処理部8とPC15とを接続するUSBインターフェース回路14とを備えている。   The physical random number generation device according to the present embodiment also includes a memory unit 6 in which signals from the image sensor module 5 are stored, an MCU 9 that controls the operation of the entire physical random number generation device, and physical random numbers output from the MCU 9. A PC personal computer (hereinafter referred to as “PC”) 15 for input and a USB interface circuit 14 for connecting the processing unit 8 and the PC 15 are provided.

さらに、MCU9は、メモリ部6への信号の読み書きを制御するメモリ読み書き制御部7と、メモリ部6から読み出された信号に対して光学部10に起因する信号レベルの偏りを低減させる処理部8とを備える。   Further, the MCU 9 includes a memory read / write control unit 7 that controls reading / writing of signals to / from the memory unit 6, and a processing unit that reduces the deviation in signal level caused by the optical unit 10 with respect to the signal read from the memory unit 6. 8.

図3は、図2に示す物理乱数生成装置の動作を示すフローチャートである。まず、ユーザによって、乱数生成装置の電源が投入される(ステップS1)。   FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the physical random number generator shown in FIG. First, the user turns on the power of the random number generation device (step S1).

この状態で、PC15から乱数取得要求がなされると、MCU9に当該要求が入力される。MCU9は、この要求を入力すると、レーザドライバ回路1をONする(ステップS2)。   When a random number acquisition request is made from the PC 15 in this state, the request is input to the MCU 9. When receiving this request, the MCU 9 turns on the laser driver circuit 1 (step S2).

この結果、レーザダイオード2は、レーザ光を照射することになる(ステップS3)。   As a result, the laser diode 2 emits laser light (step S3).

なお、PC15は、乱数取得要求の際に、取得対象の乱数のビット長も併せて要求することになる。   Note that the PC 15 also requests the bit length of the random number to be acquired when making a random number acquisition request.

レーザダイオード2から照射されたレーザ光は、レンズ11で絞られ、筐体の開口部に押し当てられた人間の指肌粗面12に投射される。このレーザ光は、指肌粗面12で乱反射する結果、二次元座標位置とその位置の光強度との間には、相関性が薄い、すなわち統計的にランダムな濃淡輝度パターンが生成される。このパターンは光学現象の一つであり、スペックルパターンと称されている。   Laser light emitted from the laser diode 2 is focused by the lens 11 and projected onto the rough surface 12 of the human finger skin pressed against the opening of the housing. As a result of this laser light being irregularly reflected by the finger skin rough surface 12, a light-and-dark brightness pattern with a low correlation is generated between the two-dimensional coordinate position and the light intensity at that position. This pattern is an optical phenomenon and is called a speckle pattern.

ここで、人間の指肌自体は、あくまで生体の組織の一部であるため、マクロ的には静止しているように見えていても、ミクロ的には静止していない。つまり、人間の指肌自体は、光の波長サイズオーダのレベルから見れば、様々な不確定かつ不安定な要因により、肌の位置・形状・状態がランダムに微動しているため、時間方向にも、光の干渉状態が変化し、ある位置座標の輝度はランダムな分布になる。この結果、座標方向と時間方向に対して、ランダムな輝度分布が生成される。   Here, since the human finger skin itself is only a part of the tissue of the living body, even though it seems to be stationary macroscopically, it is not stationary microscopically. In other words, the human finger skin itself is moving in the time direction because the position, shape, and state of the skin fluctuate randomly due to various uncertain and unstable factors when viewed from the level of the wavelength size of light. However, the light interference state changes, and the luminance at a certain position coordinate has a random distribution. As a result, a random luminance distribution is generated in the coordinate direction and the time direction.

なお、仮に、指肌粗面12に投射しなくとも、大気中を進行する光は、大気又は空気中の微粒子の揺らぎを受けるため、ランダムな輝度分布が生成されるため、指肌粗面12に投射することが必須ではない点に留意されたい。   Even if it is not projected onto the finger skin rough surface 12, light traveling in the atmosphere is subject to fluctuations of fine particles in the air or air, so that a random luminance distribution is generated. Note that it is not essential to project to

指面粗面12にて乱反射したレーザ光は、レンズ13で集光されてイメージセンサアレイ14で受光される(ステップS4)。   The laser light irregularly reflected by the rough finger surface 12 is collected by the lens 13 and received by the image sensor array 14 (step S4).

イメージセンサアレイ14は、光信号を電気信号に変換して、イメージセンサモジュール5に出力する。イメージセンサモジュール5は、この電気信号の各ピクセルの電圧値を、アナログ信号からディジタル信号に変換する(ステップS5)。   The image sensor array 14 converts an optical signal into an electric signal and outputs it to the image sensor module 5. The image sensor module 5 converts the voltage value of each pixel of the electrical signal from an analog signal to a digital signal (step S5).

MCU9は、PC15からの乱数生成要求があるか否かを判定する(ステップS6)。   The MCU 9 determines whether or not there is a random number generation request from the PC 15 (step S6).

判定の結果、PC15からの乱数生成要求がない場合は、引き続きステップS6を実行する。一方、PC15からの乱数生成要求がある場合には、メモリ読み書き制御部7は、イメージセンサモジュール5で得られるデータを、画像フルサイズまでメモリ部6に書き込む(ステップS7)。   As a result of the determination, if there is no random number generation request from the PC 15, step S6 is continued. On the other hand, if there is a random number generation request from the PC 15, the memory read / write control unit 7 writes the data obtained by the image sensor module 5 to the memory unit 6 up to the image full size (step S7).

画像フルサイズまでメモリ部6に書き込まれた後に、メモリ読み書き制御部7が、メモリ部6に書き込まれたデータを、処理部8へ読み出す。   After the image is written up to the full size in the memory unit 6, the memory read / write control unit 7 reads out the data written in the memory unit 6 to the processing unit 8.

ここで、メモリ部6から読み出された信号は、光学部10に起因する信号レベルの偏りが存在する。典型的には、レーザダイオード2は、点光源であるため、イメージセンサモジュール5で受光された光は、その中央領域がその周辺領域よりも受光レベルが高くなるといった偏りが生じる。つまり、光学部10内の各ハードウェア部分の性質などに起因して、信号レベルには、不可避的な偏りが存在する。このため、本実施形態では、この偏りを低減させて、乱数のランダム性を向上させるようにしている。   Here, the signal read from the memory unit 6 has a signal level deviation caused by the optical unit 10. Typically, since the laser diode 2 is a point light source, the light received by the image sensor module 5 is biased such that the light receiving level is higher in the central area than in the peripheral area. That is, there is an unavoidable bias in the signal level due to the nature of each hardware part in the optical unit 10. For this reason, in this embodiment, this bias is reduced to improve the randomness of random numbers.

処理部8は、たとえば、2連のビット列に基づいて1ビットを取得或いは0ビットを取得するといった一様化処理を行う(ステップS8)。   For example, the processing unit 8 performs a uniformization process such as acquiring 1 bit or acquiring 0 bit based on two consecutive bit strings (step S8).

具体的には、この場合、“01”という2連のビット列に基づいて“0”という1ビットを取得し、“01”という2連のビット列に基づいて“0”という1ビットを取得し、“10”という2連のビット列に基づいて“1”という1ビットを取得し、“00”という2連のビット列及び“11”という2連のビット列に基づいて0ビットを取得する(破棄する)。これにより、処理部8からの出力のビット列は、“0”、“1”の発生確率が均等化される。   Specifically, in this case, 1 bit of “0” is acquired based on the 2 bit strings of “01”, 1 bit of “0” is acquired based on the 2 bit strings of “01”, 1 bit of “1” is acquired based on the 2 bit strings “10”, and 0 bit is acquired (discarded) based on the 2 bit strings of “00” and 2 bit strings of “11”. . As a result, the occurrence probability of “0” and “1” is equalized in the bit string output from the processing unit 8.

なお、一様化処理前のデータは、統計確率分布に従ったランダムな物理現象であるビット列から構成されているため、その統計分布に似た偏在性を帯びている。これに対して、一様化処理後のデータは、この偏在性が解消されることになる。加えて、一様化処理後のデータは、セキュリティ技術で適用されるべき乱数の仕様のデファクトスタンダードとなっている米国標準技術局(NIST)SP800−22に“0”、“1”の生起確率が極力均等であること(mono bit test)との要件にも沿ったものとなる。   Since the data before the equalization processing is composed of a bit string that is a random physical phenomenon according to the statistical probability distribution, it has an uneven distribution similar to the statistical distribution. On the other hand, this uneven distribution is eliminated in the data after the equalization processing. In addition, the data after the uniformization process has a probability of occurrence of “0” and “1” in the National Institute of Standards and Technology (NIST) SP800-22, which is the de facto standard for the specification of random numbers to be applied in security technology. It is in line with the requirement that is as uniform as possible (mono bit test).

もっとも、2連のビット列に基づいて1ビットを取得するといった処理は単なる例示であり、たとえば3連のビット列に基づいて1ビットを取得する、或いは、1ビットから例えば2連のビット列を取得するといった処理を行ってもよい。   However, the process of acquiring one bit based on two consecutive bit strings is merely an example. For example, one bit is acquired based on three consecutive bit strings, or two bit strings are acquired from one bit, for example. Processing may be performed.

また、処理部8は、一様化処理に代えて、又は、一様化処理とともに、フィルタ処理を行うことができる。本実施形態のように、処理対象が光信号の場合には、ラプラシアンフィルタを用いることができる。なお、処理対象が音信号の場合には、バンドパスフィルタを用いることができる。   Moreover, the process part 8 can perform a filter process instead of the equalization process or with the equalization process. As in the present embodiment, when the processing target is an optical signal, a Laplacian filter can be used. When the processing target is a sound signal, a band pass filter can be used.

さらに、一様化処理或いはフィルタ処理に代えて、又は、一様化処理或いはフィルタ処理とともに、差分処理を行うことができる。差分処理は、時間的又は空間的に信号の特定要素の差分処理を行う。具体的には、イメージセンサモジュール5の隣接ピクセル間の信号レベルの差分をとる、或いは、たとえば1行1列目のピクセルを基準ピクセルとし、当該ピクセルとの間で順次な他のピクセルの信号レベルの差分をとるなどの手法を採用することができる。   Furthermore, instead of the uniforming process or the filter process, or together with the uniformizing process or the filter process, a difference process can be performed. The difference process performs a difference process on a specific element of a signal temporally or spatially. Specifically, the signal level difference between adjacent pixels of the image sensor module 5 is taken, or the pixel level of the first row and the first column is used as a reference pixel, for example, and the signal level of other pixels in sequence with the pixel. It is possible to adopt a technique such as taking the difference between the two.

MCU9は、処理部8に対して、一様化処理などをした後のデータの出力命令を行う。処理部8、出力命令に従って、一様化処理などをした後のデータを、USBインターフェース回路14へ出力する(ステップS9)。   The MCU 9 issues a data output command to the processing unit 8 after performing the equalization process. In accordance with the processing unit 8 and the output command, the data after the equalization processing is output to the USB interface circuit 14 (step S9).

その後、MCU9は、USBインターフェース回路14へ出力された一様化処理などをした後のデータのビット長が、PC15からの乱数要求ビット長に到達したか否かを判定する(ステップS10)。   Thereafter, the MCU 9 determines whether or not the bit length of the data after the equalization processing and the like output to the USB interface circuit 14 has reached the random number request bit length from the PC 15 (step S10).

判定の結果、一様化処理などをした後のデータのビット長が乱数要求ビット長に到達していなければ、ステップS8に移行する。一方、一様化処理などをした後のデータのビット長が乱数要求ビット長に到達していれば、USBインターフェース回路14からPC15に対して、乱数列を出力する(ステップS11)。   As a result of the determination, if the bit length of the data after the equalization processing or the like has not reached the random number request bit length, the process proceeds to step S8. On the other hand, if the bit length of the data after the equalization processing has reached the random number request bit length, a random number sequence is output from the USB interface circuit 14 to the PC 15 (step S11).

(第2の実施例)
図4は、本発明の第2の実施例の物理乱数生成装置の模式的な構成図である。図4には、レンズ11によって集められた光を伝送する光ファイバ16と、光ファイバ16に対して外力を印加するための圧電素子17と、圧電素子17に対して供給するPNパターンの電気信号を発生させるPNパターン発生回路18とを示している。なお、図4において、図2に示した部分と同様の部分には同一符号を付している。
(Second embodiment)
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a physical random number generation device according to the second exemplary embodiment of the present invention. FIG. 4 shows an optical fiber 16 that transmits the light collected by the lens 11, a piezoelectric element 17 for applying an external force to the optical fiber 16, and an electric signal of a PN pattern supplied to the piezoelectric element 17. PN pattern generation circuit 18 for generating In FIG. 4, the same parts as those shown in FIG.

図5は、図4に示す物理乱数生成装置の動作を示すフローチャートである。まず、ステップS1と同様に、乱数生成装置の電源が投入された状態で(ステップS21)、PC15から乱数取得要求がなされると、MCU9に当該要求が入力される。MCU9は、この要求を入力すると、レーザドライバ回路1をONし、かつ、PNパターン発生回路18をONする(ステップS22)。   FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the physical random number generator shown in FIG. First, as in step S1, when the random number generation device is powered on (step S21) and a random number acquisition request is made from the PC 15, the request is input to the MCU 9. When receiving this request, the MCU 9 turns on the laser driver circuit 1 and turns on the PN pattern generation circuit 18 (step S22).

この結果、レーザダイオード2は、レーザ光を照射することになり、かつ、圧電素子17は、PNパターンに従って駆動する(ステップS23)。   As a result, the laser diode 2 emits laser light, and the piezoelectric element 17 is driven according to the PN pattern (step S23).

このため、レーザダイオード2からのレーザ光は、レンズ11で絞られ、光ファイバ16内に入射される。   For this reason, the laser light from the laser diode 2 is focused by the lens 11 and enters the optical fiber 16.

ここで、光ファイバ16の入射光は、理想的には、コアとクラッドの境界面で様々な反射角度で全反射しながら進行していく。この際、圧電素子17が光ファイバ6に対してランダムな外力を印加するため、光経路自体が変化することになる。   Here, the incident light of the optical fiber 16 ideally travels while being totally reflected at various reflection angles at the interface between the core and the clad. At this time, since the piezoelectric element 17 applies a random external force to the optical fiber 6, the optical path itself changes.

したがって、光ファイバ6の入射光は、光ファイバ6内を進行する過程で、乱反射角度が時間軸に対して変化するため、時間的にランダム性を有する輝度分布のスペックルパターンが生じることになる。   Therefore, the incident light of the optical fiber 6 travels through the optical fiber 6, and the irregular reflection angle changes with respect to the time axis. Therefore, a speckle pattern with a luminance distribution having temporal randomness is generated. .

もっとも、光ファイバ6に対して圧電素子17を用いて外力を印加しなくても、光ファイバ6を構成するコア又はクラッドの構造上の不均一性、コア又はクラッドに混入した不純物による屈折率の不均一性から、全反射面は、ミクロ的には不均等でランダムな粗面となる。   However, even if an external force is not applied to the optical fiber 6 using the piezoelectric element 17, the structural non-uniformity of the core or the clad constituting the optical fiber 6, the refractive index due to impurities mixed in the core or the clad Due to the non-uniformity, the total reflection surface is microscopically uneven and randomly rough.

このように、光ファイバ6の入射光は、光ファイバ6内を進行するだけでも、イメージセンサアレイ14に入射する光には、空間的にランダム性を有する輝度分布のスペックルパターンが生じることになる。   As described above, even if the incident light of the optical fiber 6 travels only in the optical fiber 6, a speckle pattern with a spatially random luminance distribution is generated in the light incident on the image sensor array 14. Become.

したがって、本実施例の物理乱数生成装置は、光ファイバ6に対して圧電素子17を用いて外力を印加した場合には、空間的にも時間的にもランダム性を有する輝度分布のスペックルパターンが生成されることになる。   Therefore, the physical random number generation device according to the present embodiment, when an external force is applied to the optical fiber 6 using the piezoelectric element 17, has a speckle pattern with a luminance distribution that has randomness both spatially and temporally. Will be generated.

なお、本実施例の物理乱数生成装置における、その後の処理は、ステップS6〜S11と同様である(ステップS26〜S31)。   The subsequent processing in the physical random number generation device of the present embodiment is the same as steps S6 to S11 (steps S26 to S31).

(第3の実施例)
図6は、本発明の実施例3の物理乱数生成装置の模式的な一部拡大図である。この物理乱数生成装置は、図2に示す物理乱数生成装置の変形例の説明図である。図6には、指肌粗面12付近の拡大図を示している。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a schematic partially enlarged view of the physical random number generation device according to the third embodiment of the present invention. This physical random number generator is an explanatory diagram of a modification of the physical random number generator shown in FIG. In FIG. 6, the enlarged view of finger skin rough surface 12 vicinity is shown.

ここでは、既述のレーザダイオード(LD)2とイメージセンサアレイ4との他に、LD2から出射された光を分ける複数のビームスプリッター21と、各ビームスプリッター21からの光を指肌粗面12の側面に照射するように反射する複数の反射プリズム22と、反射プリズム22と指肌粗面12との間に設けられていて例えば50%の光減衰が可能な光アッテネータ23と、指肌粗面12が載置されるガラス板25と、ガラス板25とビームスプリッター21との間に選択的に設けられる電子式シャッター24とを示している。   Here, in addition to the laser diode (LD) 2 and the image sensor array 4 described above, a plurality of beam splitters 21 that divide the light emitted from the LD 2 and the light from each beam splitter 21 are applied to the finger skin rough surface 12. A plurality of reflecting prisms 22 that reflect the light so as to irradiate the side surface, an optical attenuator 23 that is provided between the reflecting prism 22 and the rough finger skin surface 12 and can attenuate, for example, 50%, and rough finger skin. A glass plate 25 on which the surface 12 is placed, and an electronic shutter 24 selectively provided between the glass plate 25 and the beam splitter 21 are shown.

本実施例では、乱数生成時には、LD2から指肌粗面12に対する照射光の反射光を用いるのみならず、反射プリズム22等を用いて指肌粗面12に照射した際に得られる透過光をも用いている。   In this embodiment, when generating random numbers, not only the reflected light of the irradiation light from the LD 2 to the rough skin 12 but also the transmitted light obtained when the rough skin 12 is irradiated using the reflecting prism 22 or the like is used. Is also used.

なお、指肌粗面12からの透過光は、いわゆる静脈認証にも用いることができる。この際、反射光と透過光とが同時にイメージセンサアレイ4に入射しないように、具体的には、静脈認証時には電子式シャッター24を閉じて、イメージセンサアレイ4に対して反射光が入射しないようにするとよい。   The transmitted light from the finger skin rough surface 12 can also be used for so-called vein authentication. At this time, the reflected light and the transmitted light do not enter the image sensor array 4 at the same time. Specifically, the electronic shutter 24 is closed during vein authentication so that the reflected light does not enter the image sensor array 4. It is good to.

本発明の乱数生成装置の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the random number generator of this invention. 本発明の実施例1の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の物理乱数生成装置の模式的な一部拡大図である。It is a typical partial enlarged view of the physical random number generator of Example 3 of this invention.

Claims (3)

信号レベルが動的である信号の発生手段と、
前記発生手段に起因する信号レベルの偏りを低減させる処理手段と、
前記処理手段によって処理されることで生成される乱数のビット長を指示する指示手段とを備える物理乱数生成装置。
Means for generating a signal whose signal level is dynamic;
Processing means for reducing bias in signal level caused by the generating means;
A physical random number generator comprising: instruction means for instructing a bit length of a random number generated by being processed by the processing means.
前記信号は、粗面物体からの光信号である、請求項1記載の物理乱数生成装置。   The physical random number generation device according to claim 1, wherein the signal is an optical signal from a rough object. 前記信号は、当該信号の伝送経路に対して外力を付加することによって得られる、請求項1記載の物理乱数生成装置。   The physical random number generation device according to claim 1, wherein the signal is obtained by applying an external force to a transmission path of the signal.
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