JP2013258488A - 暗号鍵生成システム及び認証システム - Google Patents

Abstract

【課題】乱数性に優れるとともに予測困難性の高い、乱数ないしは乱数構造体を用いた安全性の高い暗号鍵の生成。
【解決手段】乱流現象を示す原画像を取得する画像取得部と、原画像を演算可能な画像特性値からなる特性値画像に変換する画像処理部と、特性値画像の画像特性値から求めた乱数の生成に適した乱数因子の集合体である乱数因子構造体を生成する乱数因子構造体生成部と、所定の導出パラメータによって乱数因子構造体から導出された乱数因子から物理乱数を生成する乱数生成部と、物理乱数に基づいて暗号鍵を生成する暗号鍵生成部とを備えた暗号鍵生成システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、暗号鍵生成技術に関する。

乱数は，情報セキュリティ分野における重要な役割を果たしている暗号鍵の生成のために広く利用されている。
例えば、特許文献１には、第一の発振回路の発振開始によって動作を開始し、第二の発振回路の発振開始によって出力を確定する乱数発生器を用いて暗号鍵を生成する暗号鍵生成器が記載されている。
また、特許文献２には、乱数発生手段と、この乱数発生手段が発生させた乱数に基づいて第１秘密鍵と公開鍵とを生成する手段と、この生成した公開鍵を送信する手段と、この送信した公開鍵により暗号化された第２秘密鍵を受信する手段と、この暗号化された第２秘密鍵を第１秘密鍵と公開鍵により復号化する手段と、この復号化した第２秘密鍵によりデータを暗号化して送信する手段とを備えた通信端末装置が記載されている。

情報を暗号化する暗号鍵の生成に用いられる乱数には、乱数列の乱数性に優れるとともにその乱数列の予測が困難であることが要求されるので、実装性が良いとしても単純な演算式による擬似乱数の使用は敬遠されている。そのような擬似乱数とは異なり、熱雑音やノイズ等を利用して生成される物理乱数も知られている。例えば、特許文献３には、端末機と基地局からなる、物理乱数を利用した暗号通信装置が記載されている。その基地局には、不規則な物理現象を利用して乱数を発生する乱数発生手段と、乱数の中から暗号鍵に適した乱数を選択し第１の暗号鍵とする手段と、第１の暗号鍵を記憶する第１記憶手段と、端末機と直接電気的に接続する端末接続手段と、端末接続手段を介して第１の暗号鍵を端末機に送出する手段と、第１の暗号鍵により暗号化したアプリケーション情報を送受信する手段とが設けられている。端末機には、基地局と直接電気的に接続する基地局接続手段と、基地局接続手段を介して受信した第１の暗号鍵を記憶する第２記憶手段と、第１の暗号鍵により暗号化したアプリケーション情報を送受信する手段とを設けられている。なお、この特許文献３では、不規則な物理現象を利用した物理乱数として、熱雑音に基づく乱数が提示されている。

特開２０１０−１３４２４８号公報 特開平１１−９８１３３号公報 特開２０００−５０３６３号公報

全く新しい方法で生成される、乱数性に優れるとともに予測困難性の高い、乱数を用いた安全性の高い暗号鍵の生成が望まれている。

本発明による暗号鍵生成システムは、乱流現象を示す原画像を取得する画像取得部と、前記原画像を演算可能な画像特性値からなる特性値画像に変換する画像処理部と、前記特性値画像の画像特性値から求めた乱数の生成に適した乱数因子の集合体である乱数因子構造体を生成する乱数因子構造体生成部と、所定の導出パラメータによって前記乱数因子構造体から導出された乱数因子から物理乱数を生成する乱数生成部と、前記物理乱数に基づいて暗号鍵を生成する暗号鍵生成部とを備えている。

乱流現象は不規則で再現性が無いためその画像ないしは当該画像に画像処理を施した画像を構成する画素に割り当てられる画素値群は不規則で再現性のない値を示す。本発明は、乱流現象を捉えた画像が持つ不規則性や非再現性に着眼して、この画像を構成する画素値群を利用して物理乱数を生成し、この物理乱数を利用して暗号鍵を生成するものである。ここでの乱数構造体とは、乱数生成の種（シード値）となる数値そのものあるいはそのような数値の群、例えばマトリックス構造体を意味している。
上記の構成によると、乱流現象を捉えた画像から乱流現象を特徴付けている特性値からなる特性値画像が生成され、この特性値から乱数の生成に適した乱数因子が求められ、求められた乱数因子群からその集合体としての乱数因子構造体が生成される。その際、この乱数因子構造体は所定の導出パラメータによって所定の乱数因子（乱数因子列）が導出されるように、つまりテーブルないしは関数のような形態で構成されているので、導出された乱数因子から乱流現象に起因する数値列、つまり物理乱数が生成される。このようにして生成された、不規則で再現性のない数値列である物理乱数を、それ自体は公知な暗号鍵アルゴリズムに適用することで優れた暗号鍵が生成される。なお、乱流現象を捉えた画像は、二次元画像に限定されるわけではなく、三次元画像であってもよいし、１つの数値列として取り扱われる一次元画像であってもよい。例えば、その画像がカメラによる撮影画像である場合、ステレオカメラ方式を用いて三次元画像を得ることが可能であるし、さらには高速連続撮影（ビデオ撮影を含む）によって得られた撮影画像群から二次元に時間軸を加えた三次元画像（時空間）を得ることも可能である。乱流現象の撮影にあたっては、その乱流現象が無色透明である場合、色素や粉体を混入して流れを可視化して撮影するとよい。乱流現象は、ノイズ（強度と時間の二次元的情報）と異なって、速度ベクトル、光強度、及び（又は）色情報という不規則情報を四次元（三次元＋時間）で発生するところに特徴があり、一度の画像取得で多数の（相互に関連する）情報が得られる。

本発明の用いられる乱流現象の好適なものの１つは、不規則性や非再現性に優れた乱流火炎である。乱流火炎では、それ自体の自発光を利用した撮影、レーザー誘起蛍光法を用いた撮影、粒子添加による撮影など、状況に合わせた撮影形態を選ぶことができる。

実際の乱流現象を捉えて画像化することが最適であるが、本発明の簡易な形態として、コンピュータによる乱流シミュレーションによる画像を原画像として採用することを除外しているわけではない。乱流シミュレーションでは、初期条件、境界条件、メッシュ作成及び時間間隔が一致すると同じ結果が生じるという点で、実際の乱流現象による画像を用いることに較べて劣るが、異なった時間の計算結果を用いれば、異なった瞬時画像を得ることができ、計算対象と計算条件の全てが偶然一致する確率は小さいので、実用性が大きく損なわれることはない。また、実測を行わずに済むというその優れた簡便性は、大きな利点をもたらす。なお、シミュレーションにおいては、乱流のモデル化を行わないＬＥＳ（ラージエディシミュレーション）やＤＮＳ（直接数値シミュレーション）等の計算手法によることが望ましい。

本発明の好適な実施形態の１つでは、前記画像処理部は、前記原画像を、各画素に特性値として三原色または単色の濃度値を割り当てた特性値画像ａｎｄ／ｏｒ各画素に特性値として色相値と彩度値と輝度値を割り当てた特性値画像ａｎｄ／ｏｒ流れを速度ベクトルに割り当てた特性値画像に変換する。上記の画像処理は、最もよく行われているものであり、そのアルゴリズムやプログラムが入手しやすく、コスト的に有利である。
本発明の好適な実施形態の１つでは、前記画像処理部は、乱流現象時系列に沿って取得された前記原画像を、乱流現象座標点における速度ベクトル値を各画素に特性値として割り当てた特性値画像に変換する機能（第１機能）、前記原画像を、各画素に特性値として三原色または単色の濃度値を割り当てた特性値画像に変換する機能（第２機能）、前記原画像を、各画素に特性値として色相値と彩度値と輝度値を割り当てた特性値画像に変換する機能（第３機能）のうちのいずれかあるいはそれらを組み合わせたものを有する。
第１機能における速度ベクトル値とは、乱流現象が発生している空間における空間座標点でのｘ、ｙ、ｚ各方向への流速であり、これは、流れの時間変化を算定することで得ることができる。また、この第１機能を簡単化したものとして、動画像処理においてよく知られているオプティカルフロー技法を用いて得られるオプティカルフロー図を特性値画像とすることも好適である。また、各座標軸方向の流れの速さを色彩であらわしたコンター図を特性値画像として採用してもよい。
ノイズの強さの時間変化（物理量と時間の二次元データ）から物理乱数を求めていた従来技術に較べ、乱流現象から物理乱数を求める場合、各座標における流速の時間変化（速度ベクトルと時間の四次元データ）を特性値として採用することができるので、優れた乱数性を有する物理乱数を生成することができる。特に乱流火炎の場合、速度要素だけでなく、化学物質（複数）の濃度変化と温度変化（スカラー）も特性値として取り扱うことができ、つまり、三次元の各座標に対して速度、化学種、温度（密度）を特性値として取り扱うことができ有利である。
なお、第２機能や第３機能に関しては、広く流通しているフォトレタッチアプリケーションを用いた画像処理を通じて簡単にその特性値画像を得ることができるので、コスト的に有利である。

乱数列の乱数性に優れるとともにその乱数列の予測が困難である物理乱数を生成する本発明の暗号鍵生成システムでは、物理乱数を用いることで、従来安全性と演算速度とのトレードオフの点で問題があった共通鍵暗号システムの欠点を減じることができる。従って、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記暗号鍵生成部は、前記物理乱数に基づいて共通鍵を生成する共通鍵生成アルゴリズムを有している。

もちろん、本発明の優れた物理乱数は、公開鍵暗号システムにおいても有利に適用可能である。そのような公開鍵暗号システムの一例では、前記乱数生成部は、第１の物理乱数と第２の物理乱数を生成し、前記暗号鍵生成部は、第１の物理乱数から公開鍵を生成するとともに前記第２の物理乱数から秘密鍵を生成する公開暗号鍵生成アルゴリズムを有する。

共通鍵暗号システムや公開鍵暗号システムに適した暗号鍵生成技術は、認証システムにも適している。従って、本発明では、上述した乱数生成部によって生成された物理乱数を用いて生成された認証コードを、上述した暗号鍵生成部によって生成された暗号鍵を用いて秘匿化する認証システムも提案されている。その際、優れた乱数性や予測困難性を有する物理乱数を用いた認証システムは、知識認証（パスワード認証）、所有物（ＩＤカード）認証、生体（指紋・声紋・虹彩・網膜）認証のうちの少なくとも１つの認証と組み合わせるとさらに強固な認証システムとなる。このことから、本発明では、乱流現象を示す原画像に基づいて生成された、演算可能な画像特性値からなる特性値画像を用いた所有物認証を行う第１認証ステップと、生体認証、知識認証又は他の所有物認証のいずれかを行う第２認証ステップとからなる認証方法も提案されている。

本発明による暗号鍵生成システムの基本原理を示す模式図である。 乱流拡散火炎の撮影画像を示す図である。 ＬＩＦ（レーザー誘起蛍光法）を用いて取得された乱流拡散火炎の画像を示す図である。 乱流拡散火炎に酸化チタン粒子をシードして取得された画像を示す図である。 図４の画像に白黒二値化処理と画素数削減処理を施した画像を示す図である。 共通鍵暗号システムの機能ブロック図である。 公開鍵暗号システムの機能ブロック図である。 認証システムの機能ブロック図である。

本発明による暗号鍵生成システムの具体的な実施形態を説明する前に、本発明に基本原理を図１の模式図を用いて説明する。
乱流火炎などを通じて乱流現象を生じさせ、この乱流現象の時間的かつ空間的に規定される所定部分を画像化し、その所定部分の画像を原画像として取得する（＃０１）。取得される原画像の代表的なものは、図２に示されたような、自発光している瞬時の乱流拡散火炎を直接スチルカメラで撮影することで得られるカラーの撮影画像であり、高速シャッタースピード（例えば、１０００分の１秒程度）での静止画カメラによって撮影された静止画像、あるいはムービーカメラによって高速度撮影（数千コマ／秒程度）された動画から抜き出したコマ画像として取得されたものである。つまり、これは、乱流拡散火炎の自発光を用いた撮影画像である。

これ以外の原画像として、乱流拡散火炎が有する種々の特性に基づく画像があり、図３に例示されている。図３で示された画像は、ＬＩＦ（レーザー誘起蛍光法）を用いて取得された画像である。ＬＩＦは、火炎中の特定化学種（例えば、ＣＨ、ＯＨ、ＮＯ等）の吸収波長に合わせたレーザー光を当てることによって蛍光画像を得る手法であり、レーザーをシート状に加工して当てれば、火炎の断面ＬＩＦ像も得ることができ、計算によって温度分布も画像化することが可能である。図３の（ａ）はＯＨ濃度分布図であり、図３の（ｂ）はＮＯ濃度分布図であり、図３の（ｃ）は温度分布図である。これらの画像は、それぞれの化学種の蛍光強度又は計算値を濃度でコンター図として表現したものである。

図示されていないが、コヒーレント反ストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ：Coherent Anti-Stokes Raman Scattering ）やレイリー散乱を利用した撮影画像も原画像として利用できる。密度分布については、シュリーレン写真装置で撮影することができる。さらに、チタン粒子等を添加（シーディング）してその軌跡をレーザドップラー流速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velocimetry）を介して撮影することで速度（ベクトル）分布画像も利用可能である。

取得された原画像が、デジタル画像のように数値データが内在しているものでなければデジタル画像化される。デジタル化された原画像ないしは本来的にデジタル化画像である原画像は、次の処理工程に適合するように、デジタル画像処理を施され、特定の画像特性値からなる特性値画像に変換される（＃０２）。例えば、カラー撮影画像である原画像から変換される特性値画像としては、各画素を濃度値で表した濃度画像、または各画素を色彩値で表した色彩値画像、あるいは各画素を濃度値と色彩値とで表した濃度色彩画像などを前記特性値画像として挙げられる。また、画像処理としては、特性値画像に対する、解像度変換処理、白黒二値化処理、解像度低減処理などが挙げられる。

図４には、乱流拡散火炎に酸化チタン粒子をシードして異なる時間で撮影された２つのデジタル画像のモノクロ濃度画像が示され、さらに図５には、それぞれの画像に対して解像度低減処理と白黒二値化処理を施したのちの画像が示されている。特性値としての濃度値が二値化された特性値画像を画素単位の特性値で示すと、「０」または「１」の行列となるので、各画素値は物理乱数を生成するための乱数因子（乱数種）として利用可能である。従って、この特性値画像を表すマトリックスは、そのままで、物理乱数を作り出すための乱数因子構造体（Ｒの記号で示している）となる。ここで、原画像がカラー画像であれば、例えば、色空間[Ｒ・Ｇ・Ｂ]で表される各成分値を３つの特性値とする特性値画像を生成することができ、その際、各画素に割り当てられているＲ・Ｇ・Ｂ値が３つの特性値[ａ、ｂ、ｃ]となる。この[ａ、ｂ、ｃ]に対して何らかの演算を施して得られた値ｓを乱数因子ｓとすると、同様な乱数因子構造体が生成される（＃０３）。また、[ａ、ｂ、ｃ]の各要素をそのまま乱数因子ｓとすると、三次元の乱数因子構造体が生成されることになる。もちろんその他の色空間で表される成分値を特性値とする特性値画像を採用してもよい。例えば、色相と彩度と輝度からなるＨＬＳ色空間の各成分値を特性値[ａ、ｂ、ｃ]とする特性値画像とすることもできる。原画像がモノクロ画像であれば、各画素に割り当てられる輝度値をそのまま特性値とする特性値画像が生成される。

いずれにしても、この乱数因子構造体は、所定の座標位置を指定することによって乱数因子である要素が読み出されるマトリックスとみなすことができる。従って、乱数因子構造体は、この乱数因子構造体に対して、座標位置の指定としての導出パラメータ（パラメータ列を含む）を与えることで、特定の乱数因子（乱数因子列を含む）が導出される（読み出される）ように構成することができる。

暗号鍵生成システムに乱数因子構造体が構成されると、所定の導出パラメータをもってこの乱数因子構造体にアクセスすることで読み出される乱数因子から乱流現象に基づく乱数つまり物理乱数を算出することができる（＃０４）。このプロセスは、導出パラメータをδ、乱数因子構造体をＲ（δ）、乱数因子をｓ、物理乱数をｒ、乱数因子ｓから物理乱数ｒを算出する関数（写像）をＧ（ｓ）とすると、
δ -> Ｒ（δ） -> ｓ -> Ｇ（ｓ） -> ｒ
で表される。もちろん、乱数因子構造体から物理乱数を直接導出するような関数（写像）：δ -> ＲＧ（δ） -> ｒ を採用してもよい。いずれにせよ、そのような関数（写像）は、本発明では、特別なものに限定されないが、例えば単純な数値から数値への変換式であってもよいし、二次元バーコードのような画像から数値を導くようなアルゴリズムであってもよい。

物理乱数が生成されると、よく知られた暗号鍵生成アルゴリズムを用いて、所望の暗号鍵を生成することができる（＃０５）。例えば、共通鍵生成アルゴリズムを用いることで共通鍵（図ではＫｃで表されている）が生成され、公開鍵生成アルゴリズムを用いることで公開鍵（図ではＫｐで表されている）と秘密鍵（図ではＫｓで表されている）が生成される。具体的な実施の形態で、詳しく説明されるが、この暗号鍵生成システムで生成される共通鍵を用いて共通鍵暗号システムを、公開鍵と秘密鍵とを用いて公開鍵暗号システムを高い安全性もって構築することができる。また、公開鍵暗号システムを用いた鍵交換方式の認証システムも、本発明による公開鍵、秘密鍵、物理乱数を用いた認証コード（図ではＫｐｓで表されている）の照合を行うことで高い安全性もって構築することができる。

以下、本発明の暗号鍵生成システムの具体的な実施形態を説明する。
第１の実施形態は共通鍵暗号システムであり、その機能ブロック図が図６に示されている。この共通鍵暗号システムは、管理装置１と第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂとを主要構成要素としているが、管理装置１は、各ユーザ端末に組み込むことが可能である。

管理装置１は実質的にはコンピュータ装置であり、ハードウエアまたはソフトウエアあるいはその両方で構築される画像取得部１１と画像処理部１２と乱数因子構造体生成部１３とを含んでいる。画像取得部１１は、上述したような乱流現象の時間的かつ空間的に規定される一部分を切り出して画像化することで得られた原画像を取得するものでる。ここでは可視化した火炎をデジタルカメラ１０によって撮影して得られた撮影画像が原画像として、画像取得部１１に入力される。

画像処理部１２は、原画像を演算可能な画像特性値からなる特性値画像に変換する。ここでは、原画像はモノクロ化され、二値化画像に変換されたものが特性値画像となる。つまり、図５に示した画像がこの特性値画像を視覚化したもので、デジタル画像の画像特性値は、「０」または「１」で示される２進数であるが、８進数、１０進数、１６進数などの他の記数法による値であっても良い。

乱数因子構造体生成部１３は、特性値画像の画像特性値から求めた乱数の生成に適した乱数因子の集合体である乱数因子構造体を生成する。この実施形態では、画像特性値が既に二値化数値などの数値となっているので、その特性値列から直接数値（２進数、８進数、１６進数など）を導くことができる。つまり、画像特性値をそのまま乱数因子とすることも可能である。ここでは、乱数因子構造体生成部１３は、特性値画像の画素座標位置に対応する導出パラメータを引数として所定の桁数の乱数因子を読み出すことができる乱数因子構造体Ｒを生成する。この乱数因子構造体Ｒは第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂに供給される。

第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂの構成は実質的に同じであるので、第１ユーザ端末２Ａの説明だけを行う。第１ユーザ端末２Ａも、実質的にはコンピュータ装置であり、ハードウエアまたはソフトウエアあるいはその両方で構築される導出パラメータ設定部２１、乱数生成部２２、暗号鍵生成部３０を含んでいる。管理装置１から供給される乱数因子構造体Ｒは導出パラメータ設定部２１と乱数生成部２２に連係するように実装されている。なお、ここでいうコンピュータ装置は、最低限メモリと演算プロセッサと通信ユニットを備えていればよいので、ＩＣカードやポータブルなＩＤチップのようなものも含まれる。

導出パラメータ設定部２１は、内部的に記憶されている情報ないしはＩＣカード等によって外部から入力される情報に基づいて所定の導出パラメータを取り出して、乱数因子構造体Ｒに与える。これによって乱数因子構造体Ｒから乱数因子が導出される。乱数生成部２２は、乱数因子構造体Ｒから導出された乱数因子から物理乱数を生成する。前述したように、乱数因子をｓとしては、乱数因子ｓから物理乱数ｒを算出する関数（写像）：Ｇ（ｓ）が乱数生成部２２の本体となる。ｓの関数（写像）：Ｇ（ｓ）の内容としては、簡単には、乱数因子ｓそれ自体を物理乱数ｒとするものでもよいが、乱数因子ｓが数値列からなる場合には、その数値列を構成する数値に対して論理演算や数値演算を施して物理乱数ｒとするものであってもよい。
暗号鍵生成部３０は、生成された物理乱数を用いて暗号鍵を生成する、それ自体は公知な暗号鍵作成アルゴリズム、この実施形態では共通鍵作成アルゴリズムを実装している。

第１ユーザ端末２Ａから第２ユーザ端末２Ｂへ情報を伝送する際には、生の情報である平文は、暗号鍵生成部３０で生成された共通鍵Ｋｃで暗号化され、暗号化された暗号文としてインターネットなどの通信網を介して第２ユーザ端末２Ｂへ伝送される。第２ユーザ端末２Ｂにおいても、第１ユーザ端末２Ａと同一の導出パラメータを用いて生成された物理乱数を用いて共通鍵Ｋｃが生成される。同一の乱数因子構造体Ｒに対して同一の導出パラメータを用いて生成された物理乱数は第１ユーザ端末２Ａの物理乱数と同一となる。その結果、第２ユーザ端末２Ｂで生成された共通鍵Ｋｃは当然第１ユーザ端末２Ａで生成された共通鍵Ｋｃと同一となる。第２ユーザ端末２Ｂが受け取った暗号文は第２ユーザ端末２Ｂで生成された共通鍵Ｋｃによって復号化され、元の平文が得られる。

第２の実施形態は公開鍵暗号システムであり、その機能ブロック図が図７に示されている。この共通鍵暗号システムでも、管理装置１と第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂとを主要構成要素としているが、管理装置１の構成は第１の実施形態と同じであるので、その説明は省力する。

第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂの構成も、実質的には第１の実施形態と同じであるが、暗号鍵生成部３０の構成が少し異なっている。つまり、第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂにおける暗号鍵生成部３０は、物理乱数に基づいて秘密鍵Ｋｓを生成する秘密鍵生成部３１と、物理乱数に基づいて公開鍵Ｋｐを生成する公開鍵生成部３２と、物理乱数（秘密鍵Ｋｓ）に基づいて共通鍵Ｋｃを生成する共通鍵生成部３３を含んでいる。

この公開鍵暗号システムは、ＤＨ鍵共有方式を採用したものであり、第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂは共通情報（特定の素数など）を共有している。
まず、第１ユーザ端末２Ａは、生成した物理乱数をそのまま秘密鍵Ｋｓとして保持し、共通情報と前記物理乱数（秘密鍵Ｋｓ）を用いて公開鍵Ｋｐを生成し、この公開鍵Ｋｐを第２ユーザ端末２Ｂに送る。
第２ユーザ端末２Ｂ側でも同様に、生成した物理乱数をそのまま秘密鍵Ｋｓとして保持し、共通情報と前記物理乱数（秘密鍵Ｋｓ）を用いて公開鍵Ｋｐを生成し、この第２ユーザの公開鍵Ｋｐを第１ユーザ端末２Ａに送る。
これにより第１ユーザ端末２Ａと第２ユーザ端末２Ｂは、秘密裏にそれぞれの秘密鍵Ｋｓ（第１の秘密鍵と第２の秘密鍵）を保持することになるとともに、相互に公開鍵Ｋｐも受け取ることになる。

第１ユーザ端末２Ａから第２ユーザ端末２Ｂへ情報を伝送する際には、第１ユーザ端末２Ａは保持している秘密鍵Ｋｓと第２ユーザ端末２Ｂから受け取った公開鍵Ｋｐとを用いて共通鍵Ｋｃを生成する。この生成された共通鍵Ｋｃで生の情報である平文が、暗号化され、暗号化された暗号文としてインターネットなどの通信網を介して第２ユーザ端末２Ｂへ伝送される。第２ユーザ端末２Ｂでも、保持している秘密鍵Ｋｓと第２ユーザ端末２Ｂから受け取った公開鍵Ｋｐとを用いて共通鍵Ｋｃを生成する。この第２ユーザ端末２Ｂで生成された共通鍵Ｋｃを用いて第２ユーザ端末２Ｂが受け取った暗号文は復号化され、元の平文が得られる。

第３の実施形態は、鍵交換方式の認証システムであり、その機能ブロック図が図８に示されている。この認証システムでも、管理装置１と第１ユーザ端末２Ａと認証サーバ２Ｃとを主要構成要素としているが、管理装置１の構成は第１及び第２の実施形態と同じであるので、その説明は省力する。

第１ユーザ端末２Ａの構成は、第１及び第２の実施形態に類似しており、認証サーバ２Ｃも第１ユーザ端末２Ａと類似している。異なる点は、ここでの、第１ユーザ端末２Ａと認証サーバ２Ｃの暗号鍵生成部３０には、物理乱数に基づいて認証コードを生成する認証コード生成部３４が含まれていることである。さらに、第１ユーザ端末２Ａは、自己の暗号鍵としての共通鍵と秘密鍵とを保持している。また、認証サーバ２Ｃは、第１ユーザ端末２Ａを含む各ユーザ端末の端末ＩＤにリンクされた各ユーザ端末の共通鍵と公開鍵を保持している。

第１ユーザ端末２Ａが認証サーバ２Ｃによって認証を受ける際には、第１ユーザ端末２Ａは端末ＩＤをもって認証サーバ２Ｃに認証要求を行う。認証サーバ２Ｃは認証要求を受け取ると、物理乱数を生成するとともに、この物理乱数を第１ユーザ端末２Ａに送る。さらに、認証サーバ２Ｃ側では、第１ユーザ端末２Ａから受け取った端末ＩＤから保持している第１ユーザ端末の共通鍵を読み出し、この共通鍵と物理乱数を用いて認証コード：Ｋｐｓを生成しておく。第１ユーザ端末２Ａは、受け取った物理乱数と共通鍵を用いて認証コードを生成し、秘密鍵を用いてこの認証コードを認証サーバ２Ｃに送る。第１ユーザ端末２Ａから受け取った認証コードを公開鍵で復号して得られた認証コード：Ｋｐｓと、先に認証サーバ２Ｃ側で生成した認証コード：Ｋｐｓとを比較して、一致すれば認証が成立する。

上記認証システムは、公知の認証アルゴリズムを用いて種々の改変が可能である。その際、本発明による認証システムとって重要なことは、上述した乱数生成部２２によって生成された物理乱数を用いて生成された認証コードを、上述した暗号鍵生成部２３によって生成された暗号鍵（共通鍵、公開鍵、秘密鍵）を用いて秘匿化することである。
また、本発明による優れた乱数性や予測困難性を有する物理乱数を認証コードとして用いるだけではなく、本発明による、乱流現象を示す原画像に基づいて生成された、演算可能な画像特性値からなる特性値画像を用いた所有物認証を行うことも可能である。その際、上記の認証を、知識認証（パスワード認証）、所有物（ＩＤカード）認証、生体（指紋・声紋・虹彩・網膜）認証のうちの少なくとも１つの認証と組み合わせることでさらに強固な認証方法が実現する。そのような認証方法の１つは、乱流現象を示す原画像に基づいて生成された、演算可能な画像特性値からなる特性値画像を用いた所有物認証を行う第１認証ステップと、生体認証を行う第２認証ステップとから構成される。

本発明は、乱数を用いた暗号鍵生成システムに利用することができる。

１１：画像取得部
１２：画像処理部
１３：乱数因子構造体生成部
２２：乱数生成部
２３：暗号鍵生成部
Ｒ：乱数因子構造体

本発明による暗号鍵生成システムは、乱流現象を示す原画像を取得する画像取得部と、前記原画像を演算可能な画像特性値からなる特性値画像に変換する画像処理部と、前記特性値画像の画像特性値から求めた乱数の生成に適した乱数因子の集合体である乱数因子構造体を生成する乱数因子構造体生成部と、所定の導出パラメータによって前記乱数因子構造体から導出された乱数因子から物理乱数を生成する乱数生成部と、前記物理乱数に基づいて暗号鍵を生成する暗号鍵生成部とを備え、前記乱流現象が、乱流火炎であり、前記原画像が、前記乱流火炎における自発光を用いた撮影またはレーザー誘起蛍光法を用いた撮影または粒子添加による撮影により、もしくは、コンピュータによる乱流シミュレーションにより時間的かつ空間的に規定された所定部分の画像である。

本発明の用いられる乱流現象は、不規則性や非再現性に優れた乱流火炎である。乱流火炎では、それ自体の自発光を利用した撮影、レーザー誘起蛍光法を用いた撮影、粒子添加による撮影など、状況に合わせた撮影形態を選ぶことができる。

本発明の好適な実施形態の１つでは、前記画像処理部は、前記原画像を、各画素に特性値として流れを速度ベクトルに割り当てた特性値画像に変換する。上記の画像処理は、最もよく行われているものであり、そのアルゴリズムやプログラムが入手しやすく、コスト的に有利である。
本発明の好適な実施形態の１つでは、前記画像処理部は、乱流現象時系列に沿って取得された前記原画像を、乱流現象座標点における速度ベクトル値を各画素に特性値として割り当てた特性値画像に変換する機能（第１機能）を有する。
第１機能における速度ベクトル値とは、乱流現象が発生している空間における空間座標点でのｘ、ｙ、ｚ各方向への流速であり、これは、流れの時間変化を算定することで得ることができる。また、この第１機能を簡単化したものとして、動画像処理においてよく知られているオプティカルフロー技法を用いて得られるオプティカルフロー図を特性値画像とすることも好適である。また、各座標軸方向の流れの速さを色彩であらわしたコンター図を特性値画像として採用してもよい。
ノイズの強さの時間変化（物理量と時間の二次元データ）から物理乱数を求めていた従来技術に較べ、乱流現象から物理乱数を求める場合、各座標における流速の時間変化（速度ベクトルと時間の四次元データ）を特性値として採用することができるので、優れた乱数性を有する物理乱数を生成することができる。特に乱流火炎の場合、速度要素だけでなく、化学物質（複数）の濃度変化と温度変化（スカラー）も特性値として取り扱うことができ、つまり、三次元の各座標に対して速度、化学種、温度（密度）を特性値として取り扱うことができ有利である。

本発明による暗号鍵生成システムの具体的な実施形態を説明する前に、本発明に基本原理を図１の模式図を用いて説明する。
乱流火炎を通じて乱流現象を生じさせ、この乱流現象の時間的かつ空間的に規定される所定部分を画像化し、その所定部分の画像を原画像として取得する（＃０１）。取得される原画像の代表的なものは、図２に示されたような、自発光している瞬時の乱流拡散火炎を直接スチルカメラで撮影することで得られるカラーの撮影画像であり、高速シャッタースピード（例えば、１０００分の１秒程度）での静止画カメラによって撮影された静止画像、あるいはムービーカメラによって高速度撮影（数千コマ／秒程度）された動画から抜き出したコマ画像として取得されたものである。つまり、これは、乱流拡散火炎の自発光を用いた撮影画像である。

Claims (9)

1. 乱流現象を示す原画像を取得する画像取得部と、
   前記原画像を演算可能な画像特性値からなる特性値画像に変換する画像処理部と、
   前記特性値画像の画像特性値から求めた乱数の生成に適した乱数因子の集合体である乱数因子構造体を生成する乱数因子構造体生成部と、
   所定の導出パラメータによって前記乱数因子構造体から導出された乱数因子から物理乱数を生成する乱数生成部と、
   前記物理乱数に基づいて暗号鍵を生成する暗号鍵生成部と、
   を備えた暗号鍵生成システム。
2. 前記乱流現象が乱流火炎であり、前記原画像が、前記乱流火炎に対する自発光を用いた撮影またはレーザー誘起蛍光法を用いた撮影または粒子添加による撮影によるものである請求項１に記載の暗号鍵生成システム。
3. 前記原画像が、コンピュータによる乱流シミュレーションによる画像である請求項１に記載の暗号鍵生成システム。
4. 前記画像処理部は、乱流現象時系列に沿って取得された前記原画像を、乱流現象座標点における速度ベクトル値を各画素に特性値として割り当てた特性値画像に変換する機能、前記原画像を、各画素に特性値として三原色または単色の濃度値を割り当てた特性値画像に変換する機能、前記原画像を、各画素に特性値として色相値と彩度値と輝度値を割り当てた特性値画像に変換する機能のうちのいずれかあるいはそれらを組み合わせたものを有する請求項１から３のいずれか一項に記載の暗号鍵生成システム。
5. 前記画像処理部は、前記特性値画像に対する、白黒二値化処理、または、解像度低減処理を通じて前記特性値画像を整形する請求項４に記載の暗号鍵生成システム。
6. 前記暗号鍵生成部は、前記物理乱数に基づいて共通鍵を生成する共通鍵生成アルゴリズムを有する請求項１から５のいずれか一項に記載の暗号鍵生成システム。
7. 前記乱数生成部は、第１の物理乱数と第２の物理乱数を生成し、
   前記暗号鍵生成部は、第１の物理乱数から公開鍵を生成するとともに前記第２の物理乱数から秘密鍵を生成する公開暗号鍵生成アルゴリズムを有する請求項１から５のいずれか一項に記載の暗号鍵生成システム。
8. 請求項１から６のいずれか一項による暗号鍵生成システムを用いた認証システムであって、
   前記乱数生成部によって生成された物理乱数を用いて生成された認証コードを前記暗号鍵生成部によって生成された暗号鍵を用いて秘匿化する認証システム。
9. 乱流現象を示す原画像に基づいて生成された、演算可能な画像特性値からなる特性値画像を用いた所有物認証を行う第１認証ステップと、生体認証、知識認証又は他の所有物認証のいずれかを行う第２認証ステップとからなる認証方法。