JP2014138404A - Mutual authentication system, terminal device, mutual authentication server, mutual authentication method, and mutual authentication program - Google Patents

Mutual authentication system, terminal device, mutual authentication server, mutual authentication method, and mutual authentication program Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mutual authentication system and the like that configure an ad-hoc connection relation between information apparatuses.SOLUTION: A mutual authentication system 1 is constructed through mutual connection between a plurality of terminal devices 3 and 4 and a mutual authentication server 2. Each terminal device 3 includes: audio data collection means 3a for collecting a peripheral environmental sound as audio data; feature vector generation means 3b for analyzing a frequency component of the audio data to generate feature vectors and transmitting the feature vectors to the mutual authentication server; and mutual authentication means 3c for performing mutual authentication with another terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server. The mutual authentication server 2 includes: feature vector selection means 2a for selecting the feature vectors whose acquisition times fall within a predetermined difference range; feature vector comparison means 2b for determining whether the selected feature vectors agree with each other; and key sharing means 2c for, when the selected feature vectors agree with each other, generating the authentication key.

Description

本発明は相互認証システム、端末装置、相互認証サーバ、相互認証方法および相互認証プログラムに関し、特に特定の機器間でのアドホックな接続関係を構築するための相互認証システム等に関する。   The present invention relates to a mutual authentication system, a terminal device, a mutual authentication server, a mutual authentication method, and a mutual authentication program, and more particularly to a mutual authentication system for constructing an ad hoc connection relationship between specific devices.

情報機器相互間でのデータ通信の技術は最近とみに発達しているが、その中でも特定の機器間で「アドホックな(恒常的でない、一時的な)」接続関係を構築したい場合が出てきている。たとえば、ある会社の社員と出入り業者が業務上の打ち合わせをする時に、その打ち合わせの出席者間で資料や議事録などを共有したい場合がそうである。あるいは、特定の場所(たとえば飲食店の店頭、コンサートやスポーツ試合の会場など)にいる特に接点のない人たち同士でコミュニティを構築したい場合などもそうである。   The technology of data communication between information devices has been developed recently, but there are cases where it is desired to establish an "ad hoc (non-permanent, temporary)" connection relationship between specific devices. . For example, when a company employee and a trader have a business meeting, they may want to share materials, minutes, etc. between the attendees of the meeting. Or it may be the case where people who have no particular contact in a specific place (for example, a restaurant or a concert or sports game venue) want to build a community.

そのようなアドホックな接続関係を構築する場合にも機器間の相互認証は必須である。この場合の相互認証は、たとえば長い桁数のPIN(Personal Identification Number)やパスワードなどをユーザに入力させるような煩雑な操作ではなく、ユーザにとってより単純な操作で行えることが望ましい。   Even when such an ad hoc connection relationship is established, mutual authentication between devices is essential. In this case, it is desirable that the mutual authentication can be performed by a simpler operation for the user, rather than a complicated operation in which the user inputs a long digit PIN (Personal Identification Number), a password, or the like.

これに関連する技術として、以下のような技術文献がある。特許文献1には、装置に設けられたボタンが同時に押されたことを検出して固有のグループ接続用IDを生成し、これを共通鍵(認証鍵)として相互認証に利用するという、通信機能を備えた装置のグループ化方法が記載されている。   The following technical documents are related to this. Patent Document 1 discloses a communication function that detects that buttons provided on an apparatus are simultaneously pressed, generates a unique group connection ID, and uses this as a common key (authentication key) for mutual authentication. Is described.

非特許文献1には、非接触ICリーダを備えた装置間をかざしあって鍵共有を行い、これを認証鍵として相互認証に利用するという技術の概要が記載されている。また、特許文献2〜3および非特許文献2〜4には、加速度センサを備えた2つの装置に外部から同じ動きを加えることによって共通の変化量を検出し、このことによって認証鍵を共有するという技術が記載されている。   Non-Patent Document 1 describes an outline of a technique in which keys are shared by holding devices provided with a non-contact IC reader and used for mutual authentication as an authentication key. Further, in Patent Documents 2 to 3 and Non-Patent Documents 2 to 4, a common change amount is detected by applying the same movement from the outside to two devices provided with an acceleration sensor, thereby sharing an authentication key. The technology is described.

また、特許文献4には、ウェブサーバが生成して端末に表示された二次元コードを携帯端末が読み取り、これによってユーザを特定する固有情報を生成するという相互認証システムが記載されている。特許文献5には、複数の端末とセッション管理装置からなり、端末−セッション管理装置で確立された暗号化チャネルを介して端末間で鍵情報を交換するという認証方法が記載されている。   Patent Document 4 describes a mutual authentication system in which a mobile terminal reads a two-dimensional code generated by a web server and displayed on a terminal, thereby generating unique information for specifying a user. Patent Document 5 describes an authentication method that includes a plurality of terminals and a session management apparatus, and exchanges key information between terminals via an encrypted channel established by the terminal-session management apparatus.

さらに、特許文献6には、車載機器で位置情報や加速度情報などのような時系列データを利用して認証を行うという認証システムが記載されている。特許文献7には、光ディスク装置で、光スポット間のタイミングずれ量を装置上で学習してクロックの位相を補正するという技術が記載されている。特許文献8には、ディスク装置の駆動音をサンプリングして、これによって当該装置を良品と不良品とに分類するという技術が記載されている。   Further, Patent Document 6 describes an authentication system in which authentication is performed using time-series data such as position information and acceleration information in an in-vehicle device. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228688 describes a technique in which an optical disc apparatus learns a timing deviation amount between light spots on the apparatus and corrects a clock phase. Patent Document 8 describes a technique of sampling a drive sound of a disk device and classifying the device into a non-defective product and a defective product by this.

特許第3707660号公報Japanese Patent No. 3707660 特開2008−311726号公報JP 2008-31726 A 特開2010−187282号公報JP 2010-187282 A 特開2009−124311号公報JP 2009-1224311 A 特開2005−160005号公報JP 2005-160005 A 特開2011−101118号公報JP 2011-101118 A 特開平08−221759号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-221759 特開平08−077683号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-077683

ソニー株式会社、「SDK for NFC/SDK for FeliCa製品概要」、2011年12月12日、[平成24年1月31日検索]、インターネット<URL:http://www.sony.co.jp/Products/felica/business/data/SDK_Products.pdf>Sony Corporation, “SDK for NFC / SDK for FeliCa Product Overview”, December 12, 2011, [Search January 31, 2012], Internet <URL: http://www.sony.co.jp/ Products / felica / business / data / SDK_Products.pdf> J. Lester, B. Hannaford, and G. Borriello. "“Are You With Me?” - Using accelerometers to determine if two devices are carried by the same person.",Pervasive2004, LNCS 3001,pp.33-50, 2004.J. Lester, B. Hannaford, and G. Borriello. "“ Are You With Me? ”-Using accelerometers to determine if two devices are carried by the same person.", Pervasive2004, LNCS 3001, pp.33-50, 2004 . Y. Huynh and B. Schiele. "Analyzing features for activity recognition." sOc-EUSAI’05, pp.159-163, 2005.Y. Huynh and B. Schiele. "Analyzing features for activity recognition." SOc-EUSAI’05, pp.159-163, 2005. D. Bichler, G. Stromberg, M. Huemer, and M. Low. "Key generation based on acceleration data of shaking processes." UbiComp2007, LNCS 4717, pp.304-417, 2007.D. Bichler, G. Stromberg, M. Huemer, and M. Low. "Key generation based on acceleration data of shaking processes." UbiComp2007, LNCS 4717, pp.304-417, 2007.

前述した各々の相互認証の方法であるが、特許文献1に記載の技術では、ボタンを押すという操作は第三者によっても容易になしうる行為であるので、正当ではない第三者に対して認証鍵を発行してしまう危険性がある。また、ボタンを同時に押す操作でタイミングがズレると、正当なユーザであっても正常に認証できない場合がありうるので、このシステムによる利便性は高くない。非特許文献1に記載の技術では、各装置に非接触ICリーダを装備する必要があるので、コスト上の問題がある。   Although each of the above-described mutual authentication methods, in the technique described in Patent Document 1, an operation of pressing a button is an action that can be easily performed by a third party. There is a risk of issuing an authentication key. Further, if the timing is shifted by the operation of simultaneously pressing the buttons, even a legitimate user may not be able to authenticate normally, so the convenience of this system is not high. The technique described in Non-Patent Document 1 has a problem in cost because it is necessary to equip each device with a non-contact IC reader.

特許文献2〜3および非特許文献2〜4に記載の技術では、ユーザが装置2つを合わせて振るなどのような操作が必要となる。たとえば大きい、重い、衝撃に弱いなどのような物理的な理由でそのような操作ができない機器も多く存在するので、それらの機器に対しては適用できない。   In the techniques described in Patent Literatures 2 to 3 and Non-Patent Literatures 2 to 4, the user needs to perform operations such as shaking the two devices together. For example, there are many devices that cannot be operated due to physical reasons such as being large, heavy, and vulnerable to impact, and thus cannot be applied to such devices.

この問題を解決しうる技術は、残る特許文献4〜8にも記載されていない。特許文献4に記載の技術は、端末と携帯端末が各々同一ユーザの物であることを認証するためのものであり、アドホックな接続関係を構築するものではないので、そもそもの発明の目的が異なる。特許文献5に記載の技術は、認証鍵を配送するための通信経路を構築する技術であり、認証鍵生成の技術ではない。   The technology that can solve this problem is not described in the remaining Patent Documents 4 to 8. The technique described in Patent Document 4 is for authenticating that the terminal and the portable terminal are the same user, and does not construct an ad hoc connection relationship, so the object of the invention is different in the first place. . The technique described in Patent Document 5 is a technique for constructing a communication path for distributing an authentication key, and is not a technique for generating an authentication key.

特許文献6に記載の技術は、車の位置情報や加速度情報などを利用して車載機器の認証を行う技術であるので、車載機器以外に適用できる技術ではない。特許文献7に記載の技術は、光ディスク装置でクロックの位相を補正するという技術であるので、これも認証鍵生成に適用できる技術ではない。特許文献8に記載の技術は、ディスク装置を良品と不良品とに分類するという技術であるので、これも認証鍵生成に適用できる技術ではない。   Since the technique described in Patent Document 6 is a technique for authenticating an in-vehicle device using vehicle position information, acceleration information, and the like, it is not a technology that can be applied to devices other than the in-vehicle device. Since the technique described in Patent Document 7 is a technique for correcting the phase of a clock with an optical disc apparatus, this technique is also not a technique applicable to authentication key generation. The technique described in Patent Document 8 is a technique for classifying a disk device into a non-defective product and a defective product, and is not a technology that can be applied to authentication key generation.

また、認証鍵を発行するサーバコンピュータは、一度に多くの端末機器から発行依頼を受けた場合に過負荷が生じやすいので、端末機器側で行える処理はなるべく端末機器側で行うことが望ましい。特に最近は、端末機器として高機能なスマートフォンが多く用いられるようになっているので、可能な限り端末機器側で処理を行う必要性がなおさら高まっているといえる。この点について解決しうる技術も、特許文献1〜8および非特許文献1〜4には記載されていない。   In addition, the server computer that issues the authentication key is likely to be overloaded when it receives issuance requests from many terminal devices at a time. Therefore, it is desirable that the processing that can be performed on the terminal device side be performed on the terminal device side as much as possible. In particular, recently, since high-functional smartphones are often used as terminal devices, it can be said that the necessity of processing on the terminal device side as much as possible is increasing. Technologies that can solve this point are not described in Patent Documents 1 to 8 and Non-Patent Documents 1 to 4.

本発明の目的は、ユーザにとって煩雑な操作を必要とせず、コストを大幅に増大させず、かつサーバ側の負荷を軽減して情報機器間でアドホックな接続関係を構築することを可能とする相互認証システム、端末装置、相互認証サーバ、相互認証方法および相互認証プログラムを提供することにある。   An object of the present invention is that mutual operations that do not require complicated operations for the user, do not significantly increase costs, and can reduce the load on the server side and establish an ad hoc connection relationship between information devices. An object is to provide an authentication system, a terminal device, a mutual authentication server, a mutual authentication method, and a mutual authentication program.

上記目的を達成するため、本発明に係る相互認証システムは、複数台の端末装置と、相互認証サーバとが相互に接続されて構成される相互認証システムであって、各端末装置が、周辺の環境音を音声データとして収集する音声データ収集手段と、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信する特徴ベクトル生成手段と、この特徴ベクトルに応じて相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行う相互認証手段とを備え、相互認証サーバが、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段と、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段と、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する鍵共有手段とを有すること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, a mutual authentication system according to the present invention is a mutual authentication system configured by connecting a plurality of terminal devices and a mutual authentication server to each other. Voice data collection means for collecting environmental sound as voice data, feature vector generation means for analyzing the frequency component of voice data to generate a feature vector and transmitting it to the mutual authentication server, and a mutual authentication server according to the feature vector Mutual authentication means for performing mutual authentication with another terminal device using the authentication key returned from the mutual authentication server, and the mutual authentication server obtains the acquisition time in advance from the feature vectors received from each terminal device. Feature vector selection means for selecting one within a given difference, and feature vector comparison means for determining whether or not these feature vectors match between the terminal devices It has a key sharing unit generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vector is matched, characterized by.

上記目的を達成するため、本発明に係る端末装置は、他の端末装置および相互認証サーバと相互に接続されて相互認証システムを構成する一の端末装置であって、周辺の環境音を音声データとして収集する音声データ収集手段と、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信する特徴ベクトル生成手段と、この特徴ベクトルに応じて相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行う相互認証手段とを備えること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, a terminal device according to the present invention is a terminal device that is mutually connected to another terminal device and a mutual authentication server to constitute a mutual authentication system, and that is used to convert ambient environmental sound into audio data. Voice data collection means that collects as follows, feature vector generation means that analyzes frequency components of voice data to generate a feature vector and transmits it to the mutual authentication server, and has been returned from the mutual authentication server according to this feature vector And a mutual authentication unit that performs mutual authentication with another terminal device using an authentication key.

上記目的を達成するため、本発明に係る相互認証サーバは、複数の端末装置と相互に接続されて相互認証システムを構成する相互認証サーバであって、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段と、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段と、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する鍵共有手段とを有すること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, a mutual authentication server according to the present invention is a mutual authentication server that is mutually connected to a plurality of terminal devices and constitutes a mutual authentication system, from among feature vectors received from each terminal device. Feature vector selection means for selecting an acquisition time within a given difference, feature vector comparison means for determining whether or not these feature vectors match between the terminal devices, and feature vectors match And a key sharing means for generating and transmitting an authentication key to each terminal device.

上記目的を達成するため、本発明に係る相互認証方法は複数台の端末装置と、相互認証サーバとが相互に接続されて構成される相互認証システムにあって、各端末装置の音声データ収集手段が、周辺の環境音を音声データとして収集し、各端末装置の特徴ベクトル生成手段が、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信し、相互認証サーバの特徴ベクトル選択手段が、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択し、相互認証サーバの特徴ベクトル比較手段が、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定し、相互認証サーバの鍵共有手段が、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信し、各端末装置の相互認証手段が、返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行うこと、を特徴とする。   To achieve the above object, a mutual authentication method according to the present invention is a mutual authentication system in which a plurality of terminal devices and a mutual authentication server are connected to each other, and voice data collection means of each terminal device However, the ambient environmental sound is collected as voice data, and the feature vector generation means of each terminal device analyzes the frequency component of the voice data to generate a feature vector and transmits it to the mutual authentication server. The vector selection means selects one of the feature vectors received from each terminal device that has an acquisition time within a predetermined difference, and the feature vector comparison means of the mutual authentication server selects these features between the terminal devices. It is determined whether the vectors match, and the key sharing means of the mutual authentication server generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vectors match, Mutual authentication means location is, by using the authentication key has been returned to perform mutual authentication with another terminal apparatus, characterized by.

上記目的を達成するため、本発明に係る他の相互認証方法は、他の端末装置および相互認証サーバと相互に接続されて相互認証システムを構成する一の端末装置にあって、音声データ収集手段が、周辺の環境音を音声データとして収集し、特徴ベクトル生成手段が、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信し、相互認証手段が、特徴ベクトルに応じて相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行うこと、を特徴とする。   In order to achieve the above object, another mutual authentication method according to the present invention is provided in one terminal device that is mutually connected to another terminal device and a mutual authentication server to constitute a mutual authentication system, and includes voice data collection means. However, the surrounding environmental sound is collected as voice data, the feature vector generation means analyzes the frequency component of the voice data, generates a feature vector, and transmits it to the mutual authentication server. The mutual authentication means responds to the feature vector. And performing mutual authentication with another terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server.

上記目的を達成するため、本発明に係る他の相互認証方法は、複数の端末装置と相互に接続されて相互認証システムを構成する相互認証サーバにあって、特徴ベクトル選択手段が、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択し、特徴ベクトル比較手段が、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定し、鍵共有手段が、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信すること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, another mutual authentication method according to the present invention is a mutual authentication server that is mutually connected to a plurality of terminal devices to constitute a mutual authentication system, wherein the feature vector selection means includes each terminal device. From the feature vectors received from, the feature vector comparison means determines whether or not these feature vectors match between the terminal devices, and the key The sharing means generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vectors match.

上記目的を達成するため、本発明に係る相互認証プログラムは、他の端末装置および相互認証サーバと相互に接続されて相互認証システムを構成する一の端末装置にあって、端末装置が備えるプロセッサに、周辺の環境音を音声データとして収集する手順、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信する手順、および特徴ベクトルに応じて相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行う手順を実行させること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, a mutual authentication program according to the present invention is provided in a processor included in one terminal device that is mutually connected to another terminal device and a mutual authentication server to constitute a mutual authentication system. , A procedure for collecting ambient environmental sounds as voice data, a procedure for analyzing frequency components of voice data to generate a feature vector and transmitting it to the mutual authentication server, and a response from the mutual authentication server according to the feature vector A procedure for performing mutual authentication with another terminal device using an authentication key is executed.

上記目的を達成するため、本発明に係る他の相互認証プログラムは、複数の端末装置と相互に接続されて相互認証システムを構成する相互認証サーバにあって、相互認証サーバが備えるプロセッサに、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する手順、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する手順、および特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する手順を実行させること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, another mutual authentication program according to the present invention is provided in a mutual authentication server that is mutually connected to a plurality of terminal devices and constitutes a mutual authentication system. A procedure for selecting a feature vector received from a terminal device that has an acquisition time within a predetermined difference, a procedure for determining whether or not these feature vectors match between the terminal devices, and a feature vector In the case where they match, a procedure for generating and transmitting an authentication key to each terminal device is executed.

本発明は、上記したように、端末装置周辺の環境音の特徴ベクトルが一致する場合に相互認証サーバが認証鍵を生成するように構成したので、多くの機器が予め備えている音声入力手段をそのまま利用して相互認証を行うことができる。これによって、ユーザにとって煩雑な操作を必要とせず、コストを大幅に増大させず、かつサーバ側の負荷を軽減して情報機器間でアドホックな接続関係を構築することが可能であるという、優れた特徴を持つ相互認証システム、端末装置、相互認証サーバ、相互認証方法および相互認証プログラムを提供することができる。   Since the present invention is configured such that the mutual authentication server generates the authentication key when the feature vectors of the environmental sounds around the terminal device match as described above, the voice input means provided in many devices in advance is provided. Mutual authentication can be performed by using it as it is. This makes it possible to construct an ad hoc connection relationship between information devices without requiring a complicated operation for the user, without significantly increasing costs, and reducing the load on the server side. A mutual authentication system, a terminal device, a mutual authentication server, a mutual authentication method, and a mutual authentication program having characteristics can be provided.

本発明の基本形態に係る相互認証システムの構成について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the structure of the mutual authentication system which concerns on the basic form of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る相互認証システムの構成について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the structure of the mutual authentication system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図2に示した特徴ベクトル生成手段の構成をさらに詳しく示す説明図である。It is explanatory drawing which shows in more detail the structure of the feature vector production | generation means shown in FIG. 図2に示した音声データ圧縮手段が環境音の代表値を得る動作の一例について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about an example of the operation | movement in which the audio | voice data compression means shown in FIG. 2 obtains the representative value of environmental sound. 図3に示した特徴ベクトル生成手段のフーリエ変換機能が行う処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process which the Fourier-transform function of the feature vector production | generation means shown in FIG. 3 performs. 図3に示した特徴ベクトル生成手段のカットオフ機能が行う処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process which the cutoff function of the feature vector production | generation means shown in FIG. 3 performs. 図3に示した特徴ベクトル生成手段の量子化機能が行う処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process which the quantization function of the feature vector production | generation means shown in FIG. 3 performs. 図3に示した特徴ベクトル生成手段の量子化機能が図7に示した処理を行うに当たって、予め用意されている複数通りの量子化パターンの例について示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing examples of a plurality of types of quantization patterns prepared in advance when the quantization function of the feature vector generation unit shown in FIG. 3 performs the processing shown in FIG. 7. 図2に示した特徴ベクトル選択手段および特徴ベクトル比較手段が行う処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process which the feature vector selection means and the feature vector comparison means shown in FIG. 2 perform. 図2に示した鍵共有手段が行う処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process which the key sharing means shown in FIG. 2 performs. 実験的に作成された相互認証システムの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the mutual authentication system produced experimentally. 図11に示した相互認証システムで、各端末装置の間で算出された情報量の総和の測定時間に対する変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change with respect to the measurement time of the sum total of the information content calculated between each terminal device in the mutual authentication system shown in FIG. 図2に示した時刻補正手段による処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process by the time correction means shown in FIG. 図2に示した相互認証サーバと端末装置との間で行われる相互認証の動作について示すフローチャートである。It is a flowchart shown about operation | movement of the mutual authentication performed between the mutual authentication server shown in FIG. 2, and a terminal device. 本発明の第2の実施形態に係る相互認証システムの構成について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the structure of the mutual authentication system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図15で示した特徴ベクトル生成手段のより詳しい構成について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the more detailed structure of the feature vector production | generation means shown in FIG. 図16に示した周波数選択機能および量子化機能による処理について詳しく示す説明図である。It is explanatory drawing which shows in detail the process by the frequency selection function and quantization function which were shown in FIG. 図15で示した特徴ベクトル比較手段が行う処理について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the process which the feature vector comparison means shown in FIG. 15 performs. 図15に示した相互認証サーバと端末装置との間で行われる相互認証の動作について示すフローチャートである。It is a flowchart shown about the operation | movement of the mutual authentication performed between the mutual authentication server shown in FIG. 15, and a terminal device.

(基本形態)
以下、本発明の基本形態の構成について添付図1に基づいて説明する。
基本形態に係る相互認証システム1は、複数台の端末装置3および4と、相互認証サーバ2とがネットワーク5を介して相互に接続されて構成される相互認証システムである。各端末装置3は、周辺の環境音を音声データとして収集する音声データ収集手段3aと、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信する特徴ベクトル生成手段3bと、この特徴ベクトルに応じて相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行う相互認証手段3cとを備える。そして相互認証サーバ2は、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段2aと、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段2bと、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する鍵共有手段2cとを有する。
具体的にこれらの手段をどのように実現し、処理がどのように行われるかは、以下の第1〜2の実施形態として説明する。
(Basic form)
Hereinafter, the basic configuration of the present invention will be described with reference to FIG.
A mutual authentication system 1 according to a basic form is a mutual authentication system configured by connecting a plurality of terminal devices 3 and 4 and a mutual authentication server 2 to each other via a network 5. Each terminal device 3 includes an audio data collection unit 3a that collects ambient environmental sound as audio data, a feature vector generation unit 3b that analyzes a frequency component of the audio data, generates a feature vector, and transmits the feature vector to the mutual authentication server And a mutual authentication means 3c for performing mutual authentication with another terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server in accordance with the feature vector. Then, the mutual authentication server 2 selects a feature vector selection unit 2a that selects a feature vector received from each terminal device that has an acquisition time within a predetermined difference, and the feature vector between the terminal devices. Feature vector comparison means 2b for determining whether or not they match, and key sharing means 2c for generating and transmitting an authentication key to each terminal device when the feature vectors match.
Specifically, how these means are realized and how the processing is performed will be described as the following first and second embodiments.

(第1の実施形態)
続いて、本発明の実施形態の構成について添付図2〜3に基づいて説明する。
最初に、本実施形態の基本的な内容について説明し、その後でより具体的な内容について説明する。
本実施形態に係る相互認証システム100は、複数台の端末装置20と、相互認証サーバ10とが相互に接続されて構成される相互認証システムである。各端末装置20は、周辺の環境音を音声データとして収集する音声データ収集手段202と、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信する特徴ベクトル生成手段204と、特徴ベクトルに応じて相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行う相互認証手段206とを備える。そして相互認証サーバ10は、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段102と、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段103と、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する鍵共有手段104とを有する。
(First embodiment)
Then, the structure of embodiment of this invention is demonstrated based on attached FIGS.
First, the basic content of the present embodiment will be described, and then more specific content will be described.
The mutual authentication system 100 according to the present embodiment is a mutual authentication system configured by connecting a plurality of terminal devices 20 and a mutual authentication server 10 to each other. Each terminal device 20 includes an audio data collection unit 202 that collects ambient environmental sound as audio data, a feature vector generation unit 204 that analyzes a frequency component of the audio data, generates a feature vector, and transmits the feature vector to the mutual authentication server. And a mutual authentication unit 206 that performs mutual authentication with another terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server in accordance with the feature vector. Then, the mutual authentication server 10 selects the feature vector selection means 102 that selects a feature vector received from each terminal device within the difference in which the acquisition time is given in advance, and the feature vectors between the terminal devices are A feature vector comparison unit 103 that determines whether or not they match, and a key sharing unit 104 that generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vectors match.

また、各端末装置20が、予め相互間で時刻を合わせる時刻同期手段201を有する。さらに端末装置20は、時刻同期手段によって前回時刻を合わせてからの経過時間と過去において発生した時刻ズレ量の平均値とから音声データを取得した正確な時刻を算出する時刻補正手段205を有する。   Each terminal device 20 includes time synchronization means 201 that synchronizes time with each other in advance. Furthermore, the terminal device 20 has time correction means 205 that calculates the exact time at which the audio data is acquired from the elapsed time since the previous time was adjusted by the time synchronization means and the average value of the amount of time deviation that occurred in the past.

そして端末装置20の特徴ベクトル生成手段204は、音声データを一定時間間隔の時間窓に分割して各々の時間窓に対してFFT(高速フーリエ変換)を行ってパワースペクトルを出力するフーリエ変換機能204aと、出力されたパワースペクトルの周波数ごとのパワーレベルを予め設定された閾値と照合することにより周波数ごとの特徴ベクトルを出力する量子化機能204cとを有する。さらに、フーリエ変換機能によって得られたパワースペクトルから予め定められたカットオフ周波数以上の周波数成分を除去してこれを量子化機能に移行するカットオフ機能204bも有する。   Then, the feature vector generation means 204 of the terminal device 20 divides the voice data into time windows having a constant time interval, performs FFT (Fast Fourier Transform) on each time window, and outputs a power spectrum. And a quantization function 204c that outputs a feature vector for each frequency by collating the power level for each frequency of the output power spectrum with a preset threshold value. Further, it has a cut-off function 204b that removes a frequency component equal to or higher than a predetermined cut-off frequency from the power spectrum obtained by the Fourier transform function and shifts it to the quantization function.

以上の構成を備えることにより、相互認証システム1は、ユーザにとって煩雑な操作を必要とせず、コストを大幅に増大させず、かつサーバ側の負荷を軽減して情報機器間でアドホックな接続関係を構築することが可能となる。
以下、これをより詳細に説明する。
By providing the above configuration, the mutual authentication system 1 does not require a complicated operation for the user, does not significantly increase the cost, and reduces the load on the server side to establish an ad hoc connection relationship between information devices. It becomes possible to construct.
Hereinafter, this will be described in more detail.

図2は、本発明の第1の実施形態に係る相互認証システム100の構成について示す説明図である。相互認証システム100は、相互認証を行う対象となる2台の端末装置20aと20b(以後総称して端末装置20という)、およびこれら端末装置20に対して認証鍵を生成して与える相互認証サーバ10とがネットワーク30を介して相互に接続されて構成される。ここで、ネットワーク30は有線接続であっても無線接続であってもよく、その接続形態やプロトコルなどは特に問わない。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the mutual authentication system 100 according to the first embodiment of the present invention. The mutual authentication system 100 includes two terminal devices 20a and 20b (hereinafter collectively referred to as the terminal device 20) to be subjected to mutual authentication, and a mutual authentication server that generates and gives an authentication key to these terminal devices 20. 10 are connected to each other via a network 30. Here, the network 30 may be a wired connection or a wireless connection, and the connection form and protocol are not particularly limited.

相互認証サーバ10は、コンピュータ装置としての基本的な構成を備えている。即ち、コンピュータプログラムの動作主体であるプロセッサ11と、プログラムおよびデータを記憶する記憶手段12と、各端末装置20とのデータ通信を行う通信手段13とを備える。   The mutual authentication server 10 has a basic configuration as a computer device. In other words, the computer 11 includes a processor 11 that is an operation subject of the computer program, a storage unit 12 that stores the program and data, and a communication unit 13 that performs data communication with each terminal device 20.

相互認証サーバ10のプロセッサ11は、相互認証プログラムが動作することにより、端末装置20との間で時刻を合わせる時刻同期手段101、各端末装置20で生成された特徴ベクトルを受信し、その中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段102、選択された特徴ベクトルを各端末装置間で比較し、これらが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段103、および特徴ベクトルが一致した場合に各端末装置20に対して認証鍵を生成して送信する鍵共有手段104の各々として機能する。また記憶手段12には生成された認証鍵111が記憶される。   The processor 11 of the mutual authentication server 10 receives the feature vector generated by the time synchronizer 101 that synchronizes the time with the terminal device 20 and each terminal device 20 by operating the mutual authentication program. Feature vector selection means 102 that selects an acquisition time within a given difference, and feature vector comparison means 103 that compares the selected feature vectors between the terminal devices and determines whether or not they match. , And the key sharing means 104 that generates and transmits an authentication key to each terminal device 20 when the feature vectors match. The generated authentication key 111 is stored in the storage unit 12.

端末装置20(20aおよび20b)はいずれも同一の構成を備え、またいずれもコンピュータ装置としての基本的な構成を備えている。即ち、コンピュータプログラムの動作主体であるプロセッサ21と、プログラムおよびデータを記憶する記憶手段22と、相互認証サーバ10や他の端末装置20とのデータ通信を行う通信手段23と、マイクロフォンなどによって音声データを取得して入力する音声入力手段24とを備える。   The terminal devices 20 (20a and 20b) both have the same configuration, and all have a basic configuration as a computer device. That is, the voice data is transmitted by the processor 21 that is the main operating body of the computer program, the storage unit 22 that stores the program and data, the communication unit 23 that performs data communication with the mutual authentication server 10 and other terminal devices 20, and a microphone. Voice input means 24 for acquiring and inputting

端末装置20のプロセッサ21は、相互認証プログラムが動作することにより、他装置との間で時刻を合わせる時刻同期手段201、音声入力手段24を介して取得した環境音を音圧の時系列変化のデータ(音声データ)として収集する音声データ収集手段202、取得した音声データのデータ量を圧縮する音声データ圧縮手段203、圧縮された音声データから特徴ベクトルを生成して相互認証サーバ10に送信する特徴ベクトル生成手段204、時刻同期手段201が合わせた時刻をさらに精密に補正する時刻補正手段205、および相互認証サーバ10から認証鍵を受信して相互認証を行う相互認証手段206の各々として機能する。また記憶手段22には、相互認証サーバ10から受信した認証鍵211が記憶される。   The processor 21 of the terminal device 20 operates the mutual authentication program to convert the environmental sound acquired through the time synchronization unit 201 and the voice input unit 24 that synchronize the time with other devices into the time series change of the sound pressure. Voice data collecting means 202 that collects data (voice data), voice data compression means 203 that compresses the data amount of the acquired voice data, and a feature vector that is generated from the compressed voice data and transmitted to the mutual authentication server 10 The vector generation unit 204, the time correction unit 205 that corrects the time set by the time synchronization unit 201 more precisely, and the mutual authentication unit 206 that receives the authentication key from the mutual authentication server 10 and performs mutual authentication function. The storage unit 22 stores the authentication key 211 received from the mutual authentication server 10.

図3は、図2に示した特徴ベクトル生成手段204の構成をさらに詳しく示す説明図である。特徴ベクトル生成手段204は、さらに3つの機能部、即ちフーリエ変換機能204a、カットオフ機能204b、および量子化機能204cに分かれる。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of the feature vector generating unit 204 shown in FIG. 2 in more detail. The feature vector generation unit 204 is further divided into three functional units, that is, a Fourier transform function 204a, a cutoff function 204b, and a quantization function 204c.

フーリエ変換機能204aは、入力された時系列データに対してFFT(高速フーリエ変換)を行い、パワースペクトルを出力する。カットオフ機能204bは、入力されたパワースペクトルの、予め与えられたカットオフ周波数以上の周波数成分をカットする。量子化機能204cは、出力されたこのパワースペクトルを、予め与えられた複数の閾値と照合することによって、周波数ごとのパワースペクトルの量子化値を要素とする特徴ベクトルを出力する。   The Fourier transform function 204a performs FFT (Fast Fourier Transform) on the input time-series data and outputs a power spectrum. The cut-off function 204b cuts a frequency component having a frequency equal to or higher than a cut-off frequency given in advance in the input power spectrum. The quantization function 204c compares the output power spectrum with a plurality of threshold values given in advance, and outputs a feature vector whose element is a quantized value of the power spectrum for each frequency.

(時刻同期手段)
次に、相互認証サーバ10および端末装置20の各手段の動作について説明する。相互認証サーバ10、端末装置20aおよび20bで、各々の時刻同期手段101および201は、相互間で時刻を合わせる時刻同期処理を実施する。この時刻同期処理は、相互認証サーバ10、端末装置20aおよび20bの各々の電源投入時に行うようにしてもよく、また特定の周期で定期的に行うようにしてもよい。時刻同期には、NTP(Network Time Protocol)プロトコルを利用することができる。外部のNTPサーバを利用できる場合、端末装置20の同期処理はNTPを介して当該外部サーバに問い合わせてもよく、この場合、相互認証サーバ10に必ずしも時刻同期手段101を設けなくてもよい。なお、時刻補正手段205による処理については後述する。
(Time synchronization means)
Next, the operation of each means of the mutual authentication server 10 and the terminal device 20 will be described. In the mutual authentication server 10 and the terminal devices 20a and 20b, the respective time synchronization means 101 and 201 perform time synchronization processing for adjusting time between each other. This time synchronization process may be performed when the mutual authentication server 10 and the terminal devices 20a and 20b are turned on, or may be performed periodically at a specific cycle. An NTP (Network Time Protocol) protocol can be used for time synchronization. When an external NTP server can be used, the synchronization processing of the terminal device 20 may make an inquiry to the external server via NTP. In this case, the mutual authentication server 10 may not necessarily include the time synchronization means 101. The processing by the time correction unit 205 will be described later.

(音声データ収集手段)
端末装置20の音声データ収集手段202は、上記の時刻同期処理が行われていることが前提で、あらかじめ相互認証サーバ10と各端末装置20の相互間で共通の値として設定されている基準時刻t0と時間間隔wとに基づいて、現時刻(基準時間からの経過時間)t(ただしt0+(α−1)w<t<t0+αw、αは自然数)としたとき、t=(t0+αw)時点から時間w分の環境音を音声入力手段24を介して取得し、これを相互認証サーバ10と各端末装置20の相互間で共通の値として設定されているサンプリングレートf(単位Hz)でサンプリングして、音圧データとして取得する。
(Voice data collection means)
The audio data collection means 202 of the terminal device 20 is based on the premise that the above time synchronization processing is performed, and a reference time set in advance as a common value between the mutual authentication server 10 and each terminal device 20 Based on t0 and time interval w, when the current time (elapsed time from the reference time) t (where t0 + (α-1) w <t <t0 + αw, α is a natural number), from t = (t0 + αw) time point The environmental sound for time w is acquired through the voice input means 24, and is sampled at a sampling rate f (unit: Hz) set as a common value between the mutual authentication server 10 and each terminal device 20. And obtained as sound pressure data.

ここで、t0、w、およびfの値は、時刻同期処理の際に共通の値として設定するようにしてもよい。たとえば、t0=0、w=3、t=10、f=8000(8kHz)といった値が設定されている場合、時刻12〜15秒の間、環境音を8000個/秒の音圧値からなる時系列の音声データとして収集するということを意味する。   Here, the values of t0, w, and f may be set as common values in the time synchronization process. For example, when values such as t0 = 0, w = 3, t = 10, and f = 8000 (8 kHz) are set, the environmental sound is composed of sound pressure values of 8000 sounds / second for 12 to 15 seconds. It means that it is collected as time-series audio data.

(音声データ圧縮手段)
図4は、図2に示した音声データ圧縮手段203が環境音の代表値を得る動作の一例について示す説明図である。音声データ圧縮手段203は、音声データ収集手段202によって収集されたf個/秒の環境音の音圧データ251に対して、これをfc(f>fc)個/秒のデータとしてデータ量を削減する。
(Audio data compression means)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an operation in which the audio data compression unit 203 shown in FIG. 2 obtains a representative value of the environmental sound. The voice data compression unit 203 reduces the data amount by using the sound pressure data 251 of the environmental sound of f pieces / second collected by the voice data collection unit 202 as data of fc (f> fc) pieces / second. To do.

より具体的には、fをfcで除算して得る商の個数毎にデータを分割し、分割毎に求める最大値をその区間の代表値とし、計fc個の時系列データ252を生成する。そして、相互認証サーバ10に対して、その時系列データ252を、音声データ収集手段202でのセンシング時間を示すラベル252bと共に、相互認証サーバ10に送信する。ここでいうラベル252bとは、たとえば「t0+αw〜t0+(α+1)w」などのように、音声データを取得した時間範囲を示すものである。また、最大値のかわりに当該時間範囲の平均値を代表値とすることもできる。以後、この「音声データを取得した時間範囲」を、対象時間範囲という。   More specifically, the data is divided into the number of quotients obtained by dividing f by fc, and the maximum value obtained for each division is set as the representative value of the section to generate a total of fc time-series data 252. Then, the time-series data 252 is transmitted to the mutual authentication server 10 together with the label 252b indicating the sensing time in the voice data collection unit 202. Here, the label 252b indicates a time range in which audio data is acquired, such as “t0 + αw to t0 + (α + 1) w”. Further, instead of the maximum value, an average value in the time range can be used as a representative value. Hereinafter, this “time range in which the audio data is acquired” is referred to as a target time range.

この例では、f=8000、fc=100として、音声データ圧縮手段203は音圧値の80個毎の平均値を求め、100個/秒の時系列データ252を得る。w=3である場合、3秒毎に300個の時系列データが得られることとなる。この処理によって、音声データに含まれる高周波成分を取り除いた時系列データとすることができる。   In this example, assuming that f = 8000 and fc = 100, the audio data compression unit 203 obtains an average value of every 80 sound pressure values and obtains time series data 252 of 100 / second. When w = 3, 300 time-series data are obtained every 3 seconds. By this processing, it is possible to obtain time-series data from which high-frequency components included in the audio data are removed.

(特徴ベクトル生成手段・フーリエ変換機能)
図5は、図3に示した特徴ベクトル生成手段204のフーリエ変換機能204aが行う処理について示す説明図である。フーリエ変換機能204aは、音声データ圧縮手段203によって得られた時系列データを、予め与えられた一定時間間隔の小区間に分割する。これをここでは時間窓301〜303という。そして、フーリエ変換機能204aは各々の時間窓に対してFFT(Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換)を行い、その周波数特性を示すパワースペクトルを出力する。図5には、時間窓301に対して出力されたパワースペクトル311を示している。
(Feature vector generation means / Fourier transform function)
FIG. 5 is an explanatory diagram showing processing performed by the Fourier transform function 204a of the feature vector generation unit 204 shown in FIG. The Fourier transform function 204a divides the time-series data obtained by the audio data compression unit 203 into small sections having a predetermined time interval. This is referred to herein as time windows 301-303. The Fourier transform function 204a performs FFT (Fast Fourier Transform) on each time window, and outputs a power spectrum indicating the frequency characteristics. FIG. 5 shows a power spectrum 311 output with respect to the time window 301.

各端末装置20から受信する時系列データは、前述のように100個/単位時間の音圧値を含む。図5に示した例では、連続した64個の音圧値を1つの時間窓301としている。かつ、そのうちの50%(32個)を次の時間窓302と重ねられた形としている。これに続く時間窓303も、前の時間窓302と50%(32個)が重複した形となっている。この連続する時間窓が重ねられる割合は任意に設定することができる。このようにすることによって、同じ対象時間範囲の時系列データからより多くの時間窓を比較対象データとして切り出すことができる。   The time series data received from each terminal device 20 includes sound pressure values of 100 / unit time as described above. In the example shown in FIG. 5, 64 continuous sound pressure values are used as one time window 301. In addition, 50% (32 pieces) of them are overlapped with the next time window 302. The subsequent time window 303 is also overlapped with the previous time window 302 by 50% (32). The rate at which the continuous time windows are overlapped can be arbitrarily set. By doing in this way, more time windows can be cut out as comparison target data from time series data in the same target time range.

(特徴ベクトル生成手段・カットオフ機能)
図6は、図3に示した特徴ベクトル生成手段204のカットオフ機能204bが行う処理について示す説明図である。カットオフ機能204bは、出力されたパワースペクトル311から、予め与えられたカットオフ周波数fm以上の周波数成分をカットする。図6に示した例ではfm=10Hzとしているが、このカットオフ周波数は任意に設定できる。あるいは、カットオフ機能204bを、フーリエ変換機能204aの前段に置かれたいわゆるLPF(ローパスフィルタ)によってアナログ的に実現してもよい。
(Feature vector generation means / cut-off function)
FIG. 6 is an explanatory diagram showing processing performed by the cut-off function 204b of the feature vector generation unit 204 shown in FIG. The cut-off function 204b cuts a frequency component having a frequency equal to or higher than a predetermined cut-off frequency fm from the output power spectrum 311. In the example shown in FIG. 6, fm = 10 Hz, but this cutoff frequency can be set arbitrarily. Alternatively, the cut-off function 204b may be realized in an analog manner by a so-called LPF (low-pass filter) placed before the Fourier transform function 204a.

ただし、fmは音声データ圧縮手段203が時系列データ作成に使用したfcの半分以下の値でなければならない。本明細書で示した例ではfc=100Hzであるので、fm=10Hzは十分その条件を満たす。   However, fm must be a value equal to or less than half of the fc used by the audio data compression unit 203 to create time-series data. In the example shown in this specification, since fc = 100 Hz, fm = 10 Hz sufficiently satisfies the condition.

(特徴ベクトル生成手段・量子化機能)
図7は、図3に示した特徴ベクトル生成手段204の量子化機能204cが行う処理について示す説明図である。量子化機能204cは、フーリエ変換機能204aから出力されたパワースペクトル311に対して量子化パターンを適用して量子化処理を行う。ここでいう量子化パターンとは、カットオフ周波数fm以下で予め与えられた各成分周波数に対して、複数の閾値を設定したものである。量子化パターンは複数パターンが予め用意されているが、これについては後述することにし、図7では1つの量子化パターンによる処理を示している。
(Feature vector generation means / quantization function)
FIG. 7 is an explanatory diagram showing processing performed by the quantization function 204c of the feature vector generation unit 204 shown in FIG. The quantization function 204c performs a quantization process by applying a quantization pattern to the power spectrum 311 output from the Fourier transform function 204a. Here, the quantization pattern is a pattern in which a plurality of threshold values are set for each component frequency given in advance below the cut-off frequency fm. A plurality of quantization patterns are prepared in advance, which will be described later, and FIG. 7 shows processing by one quantization pattern.

図7に示した例では、1つの量子化パターンには、パワースペクトル311の各成分周波数に対して4つの閾値T1〜T4が含まれており、各々の成分周波数におけるパワーを5段階に分類している。ここでは、成分周波数を0〜10Hzの1Hz刻みに設定している。たとえば成分周波数「0Hz」の場合、この各成分周波数に対応するパワーとは「0Hz以上1Hz未満」の周波数範囲におけるパワーの最大値を意味する。1Hz以上の成分周波数に対しても同様である。なお、実運用においては、上記刻みは、FFTの入力とするデータの単位時間あたりのデータ点数fcと時間窓内のデータ点数Nから、fc/Nとして求められるものである。   In the example shown in FIG. 7, one quantization pattern includes four threshold values T1 to T4 for each component frequency of the power spectrum 311. The power at each component frequency is classified into five levels. ing. Here, the component frequency is set in increments of 1 Hz from 0 to 10 Hz. For example, when the component frequency is “0 Hz”, the power corresponding to each component frequency means the maximum value of power in the frequency range of “0 Hz or more and less than 1 Hz”. The same applies to component frequencies of 1 Hz or higher. In actual operation, the step is obtained as fc / N from the number of data points fc per unit time of the data input to the FFT and the number N of data points in the time window.

各成分周波数に対応するパワーがT4以上であれば領域(5)、T3以上T4未満であれば領域(4)、T2以上T3未満であれば領域(3)、T1以上T2未満であれば領域(2)、T1未満であれば領域(1)に分類される。これらの閾値および成分周波数の、各々の個数と値は任意に設定することができる。なお、本明細書の本文中では、たとえば「5の丸数字」を「(5)」と表記するようにしている。   Region (5) if the power corresponding to each component frequency is T4 or more, region (4) if T3 or more and less than T4, region (3) if T2 or more and less than T3, region if T1 or more and less than T2. (2) If it is less than T1, it is classified into region (1). The number and value of each of these threshold values and component frequencies can be arbitrarily set. In the text of this specification, for example, “5 number” is written as “(5)”.

以上、図7で示したパワースペクトル311に対して、特徴ベクトル生成手段204は特徴ベクトル321を出力して、相互認証サーバ10に送信する。ここでいう特徴ベクトルとは、各成分周波数1〜10Hzに対して、当該周波数におけるパワーが対応する領域を並べたものである。   As described above, for the power spectrum 311 shown in FIG. 7, the feature vector generation unit 204 outputs the feature vector 321 and transmits it to the mutual authentication server 10. The feature vector here is an array of regions corresponding to the power at each frequency for each component frequency of 1 to 10 Hz.

図8は、図3に示した特徴ベクトル生成手段204の量子化機能204cが図7に示した処理を行うに当たって、予め用意されている複数通りの量子化パターンの例について示す説明図である。図8に示した例では、4通りの量子化パターン331〜334が用意されており、その各々が図7に示したものと同様に4つの閾値を含んでいる。   FIG. 8 is an explanatory diagram showing examples of a plurality of types of quantization patterns prepared in advance when the quantization function 204c of the feature vector generation unit 204 shown in FIG. 3 performs the processing shown in FIG. In the example shown in FIG. 8, four types of quantization patterns 331 to 334 are prepared, and each of them includes four threshold values as shown in FIG.

この量子化パターンの数も任意に設定できるが、各量子化パターンの間で閾値の数は共通する。各量子化パターンに含まれる閾値は、時系列データから算出したパワースペクトルの最大値を基準にして、指数関数的に幅を広げたものである。そして、各量子化パターンの間では、この閾値は少しずつ異なる。   The number of quantization patterns can also be set arbitrarily, but the number of threshold values is common among the quantization patterns. The threshold value included in each quantization pattern is an exponentially widened value based on the maximum value of the power spectrum calculated from the time series data. The threshold value is slightly different between the quantization patterns.

詳しくは後述するが、パワーが閾値付近にある場合、音響特性や音源からの位置などが僅かに異なるだけでも、得られたパワーの値が閾値より高いか低いかが変わる場合がある。その結果として、同じ環境音から得られた時間窓であっても、異なる特徴ベクトルが出力される場合がある。そのため、量子化機能204cでは閾値を少しずつずらした複数通りの量子化パターンを用意して、1つの時間窓から複数通りの特徴ベクトルを出力するようにしている。   As will be described in detail later, when the power is in the vicinity of the threshold value, whether the obtained power value is higher or lower than the threshold value may change even if the acoustic characteristics and the position from the sound source are slightly different. As a result, different feature vectors may be output even for time windows obtained from the same environmental sound. For this reason, the quantization function 204c prepares a plurality of quantization patterns with the threshold value shifted little by little, and outputs a plurality of feature vectors from one time window.

ここまでの処理は、一つの端末装置20で取得された環境音から得られる音声データに対して行われるものであり、他の端末装置で取得された音声データは特に関与しないので、端末装置20単体で行っても全く差し支えない。音声データから得られた特徴ベクトルを、他の端末装置で得られた特徴ベクトルとの間で比較する処理は、この次に説明する相互認証サーバ10の特徴ベクトル比較手段103で行われる。   The processing up to this point is performed on audio data obtained from the environmental sound acquired by one terminal device 20, and audio data acquired by other terminal devices is not particularly involved. It can be done alone. The process of comparing the feature vector obtained from the voice data with the feature vector obtained by another terminal device is performed by the feature vector comparing means 103 of the mutual authentication server 10 described next.

(特徴ベクトル選択手段・特徴ベクトル比較手段)
図9は、図2に示した特徴ベクトル選択手段102および特徴ベクトル比較手段103が行う処理について示す説明図である。特徴ベクトル比較手段103は、各端末装置20aおよび20bの量子化機能204cが出力した複数通りの特徴ベクトルを、同一の時間窓について比較し、これらの各端末装置が収集した環境音が同一であるか否かを判定する。その際、量子化機能204cで用意された量子化パターンがc通りであるとすると、同一の時間窓で各端末装置20aおよび20bの各々からc個の特徴ベクトルが出力される。
(Feature vector selection means / feature vector comparison means)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing processing performed by the feature vector selection unit 102 and the feature vector comparison unit 103 shown in FIG. The feature vector comparison means 103 compares a plurality of feature vectors output from the quantization function 204c of each terminal device 20a and 20b over the same time window, and the environmental sounds collected by these terminal devices are the same. It is determined whether or not. At this time, assuming that there are c quantization patterns prepared by the quantization function 204c, c feature vectors are output from each of the terminal devices 20a and 20b in the same time window.

ここでいう「同一の時間窓」とは、各端末装置20aおよび20bで全く同じ時間範囲で観測および処理された時間窓という意味であるが、特徴ベクトル選択手段102は、センシング時刻が予め与えられた差分内である特徴ベクトルの組み合わせを「同一の時間窓」として選択する。時刻同期手段101および201による時刻同期処理によって発生しうる時刻ズレは、おおよそ0.01秒単位であるので、たとえば0.05秒程度をこの「与えられた差分」とすることが望ましい。   Here, the “same time window” means a time window observed and processed in exactly the same time range in each of the terminal devices 20a and 20b, but the feature vector selection means 102 is given a sensing time in advance. A combination of feature vectors within the difference is selected as “same time window”. Since the time shift that can be generated by the time synchronization processing by the time synchronization means 101 and 201 is approximately 0.01 seconds, it is desirable to set, for example, about 0.05 seconds as the “given difference”.

そして特徴ベクトル比較手段103が、各端末装置20aおよび20bで同一の時間窓を対象としてc通りずつ出力された特徴ベクトルに対して、総当たりで比較を行い、1つでも一致したものがあれば端末装置20aおよび20b間で時系列データが一致していると判断する。   Then, the feature vector comparison means 103 compares the feature vectors output c by way of the same time window in each of the terminal devices 20a and 20b, and if there is even one that matches. It is determined that the time series data match between the terminal devices 20a and 20b.

図9で示した例では、同一の時間範囲において各端末装置20aおよび20bから各々特徴ベクトル341および342が出力されている。量子化パターン数は各々c=4であるので、出力された特徴ベクトル341および342は各々4通りずつである。この特徴ベクトル341および342は、いずれも0〜3Hzの1Hz刻みの各成分周波数に対応するパワーが各々図8〜9のどの領域に該当するかを表している。   In the example shown in FIG. 9, feature vectors 341 and 342 are output from the terminal devices 20a and 20b, respectively, in the same time range. Since the number of quantization patterns is c = 4, there are four output feature vectors 341 and 342, respectively. Each of the feature vectors 341 and 342 represents which region in FIGS. 8 to 9 corresponds to the power corresponding to each component frequency in increments of 1 Hz from 0 to 3 Hz.

なお、図9および後述の図10では、説明を平易なものとするために、各特徴ベクトルを「0〜3Hzの1Hz刻み」の各成分周波数に対応するパワーのみを表示している。「各成分周波数に対応するパワー」の定義は、図7と同様である。たとえば成分周波数「0Hz」の場合、この各成分周波数に対応するパワーとは「0Hz以上1Hz未満」の周波数範囲におけるパワーの最大値を意味する。1Hz以上の成分周波数に対しても同様である。   In FIG. 9 and FIG. 10 to be described later, in order to simplify the description, only the power corresponding to each component frequency of “0 to 3 Hz in 1 Hz increments” is displayed for each feature vector. The definition of “power corresponding to each component frequency” is the same as in FIG. For example, when the component frequency is “0 Hz”, the power corresponding to each component frequency means the maximum value of power in the frequency range of “0 Hz or more and less than 1 Hz”. The same applies to component frequencies of 1 Hz or higher.

特徴ベクトル比較手段103は、このうちの「(5)(1)(2)(1)」が、特徴ベクトル331の上から3番目と特徴ベクトル332の上から1番目とで一致したことを発見したので、もうこれで端末装置20aおよび20b間で時系列データが一致したと判断する。   The feature vector comparison unit 103 finds that “(5) (1) (2) (1)” of the feature vector matches the third from the top of the feature vector 331 and the first from the top of the feature vector 332. Therefore, it is already determined that the time series data match between the terminal devices 20a and 20b.

(鍵共有手段)
図10は、図2に示した鍵共有手段104が行う処理について示す説明図である。鍵共有手段104は、この比較結果を受けて、端末装置20aおよび20bに対して認証鍵111を生成して記憶手段12に記憶すると共に、この認証鍵を端末装置20aおよび20bに送信する。
(Key sharing means)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing processing performed by the key sharing means 104 shown in FIG. The key sharing unit 104 receives the comparison result, generates an authentication key 111 for the terminal devices 20a and 20b, stores the authentication key 111 in the storage unit 12, and transmits the authentication key to the terminal devices 20a and 20b.

その際、鍵共有手段104は、一致した特徴ベクトルの生成確率から情報量を計算し、時間窓毎で一致した特徴ベクトルの情報量の総和を鍵長として、この鍵長が一定の閾値を超える場合にのみ、一致した時間窓を連接したもののハッシュ値を認証鍵111とする。ここでいう情報量(選択情報量、自己エントロピー)とは、情報理論でいう概念であり、ある事象の発生する確率をPとすると、以下の数1で計算される情報量I(ビット)である。

Figure 2014138404
At that time, the key sharing means 104 calculates the amount of information from the generation probability of the matched feature vector, and the key length exceeds a certain threshold with the total length of the matched feature vector information for each time window as the key length. Only in this case, the hash value of the concatenated matching time windows is set as the authentication key 111. The amount of information here (selected information amount, self-entropy) is a concept in information theory. If the probability of occurrence of a certain event is P, the amount of information I (bits) calculated by the following equation 1 is used. is there.
Figure 2014138404

鍵共有手段104は、比較対象となる時間範囲の中で、一致した特徴ベクトルの総数、および個々の特徴ベクトルの一致回数をカウントするが、このカウントは時間窓単位でリセットされるものではなく、対象時間範囲内の他の時間窓において一致した特徴ベクトルについても累積してカウントし、一致した特徴ベクトルの情報量(ビット)の総和を求める。   The key sharing means 104 counts the total number of matched feature vectors and the number of matches of individual feature vectors in the time range to be compared, but this count is not reset in units of time windows, The feature vectors that match in other time windows within the target time range are also accumulated and counted, and the total amount of information (bits) of the matched feature vectors is obtained.

図10に示した例では、端末装置20aおよび20bの間で一致した特徴ベクトル341の総数が10個あり、その中で「(5)(1)(4)(1)」が3個、「(5)(2)(4)(1)」が1個、「(5)(1)(4)(2)」が1個、「(5)(1)(3)(1)」が3個、「(5)(2)(4)(2)」が2個一致している。その各々の特徴ベクトルは、端末装置20aおよび20bから得られた時系列データの波形261および262から、特定の対象時間範囲において得られた時間窓301または302から得られ、特徴ベクトル比較手段で一致が観測されたものである。   In the example illustrated in FIG. 10, the total number of feature vectors 341 that coincide between the terminal devices 20a and 20b is ten, of which “(5) (1) (4) (1)” is three, (5) (2) (4) (1) ", one" (5) (1) (4) (2) "," (5) (1) (3) (1) " Three pieces, “(5) (2) (4) (2)”, coincide with two pieces. The respective feature vectors are obtained from the time windows 301 or 262 obtained from the time series data waveforms 261 and 262 obtained from the terminal devices 20a and 20b, and matched by the feature vector comparison means. Is observed.

この場合、たとえば「(5)(1)(4)(1)」の場合は10個中3個が一致したので、確率P=3/10を上記の数1に適用すると、情報量I=1.737ビットと求められる。他の特徴ベクトルについても同様に情報量を算出して、その合計を鍵長として求めると12.44ビットと求められる。この例では閾値を10ビットに設定しているので、ここで算出された「12.44ビット」はこの閾値を超える。   In this case, for example, in the case of “(5) (1) (4) (1)”, three of the ten pieces matched, so when the probability P = 3/10 is applied to the above equation 1, the information amount I = 1.737 bits are required. Similarly, when the amount of information is calculated for other feature vectors and the total is obtained as the key length, 12.44 bits are obtained. In this example, since the threshold value is set to 10 bits, “12.44 bits” calculated here exceeds this threshold value.

図11は、実験的に作成された相互認証システム401の例を示す説明図である。この相互認証システム401は、端末装置420a〜cという3台の端末装置と、相互認証サーバ410とが無線ネットワークを介して接続されて構成される。端末装置420a〜cは各々、図2〜3に示した端末装置20と同一の構成を持つ。相互認証サーバ410は、図2〜3に示した相互認証サーバ10と同一の構成を持つ。端末装置420aおよび420bは同一の室内421に、端末装置420cはその隣室422に、それぞれ設置されている。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a mutual authentication system 401 created experimentally. The mutual authentication system 401 is configured by connecting three terminal devices 420a to 420c and a mutual authentication server 410 via a wireless network. Each of the terminal devices 420a to 420c has the same configuration as that of the terminal device 20 shown in FIGS. The mutual authentication server 410 has the same configuration as the mutual authentication server 10 shown in FIGS. The terminal devices 420a and 420b are installed in the same room 421, and the terminal device 420c is installed in the adjacent room 422.

そして、端末装置420aおよび420bの間と、端末装置420aおよび420cの間とで、各々図10までで説明した手法によって、一致した特徴ベクトルの情報量の総和を算出した。図12は、図11に示した相互認証システム401で、端末装置420aおよび420bの間と、端末装置420aおよび420cの間とで算出された情報量の総和の測定時間に対する変化を示すグラフである。端末装置420aおよび420bの間で算出された情報量の総和をグラフ431、端末装置420aおよび420cの間で算出された情報量の総和をグラフ432として表している。   Then, the sum of the information amounts of the matched feature vectors was calculated between the terminal devices 420a and 420b and between the terminal devices 420a and 420c by the method described up to FIG. FIG. 12 is a graph showing changes with respect to the measurement time of the total amount of information calculated between the terminal devices 420a and 420b and between the terminal devices 420a and 420c in the mutual authentication system 401 shown in FIG. . The sum total of the information amount calculated between the terminal devices 420a and 420b is represented as a graph 431, and the sum total of the information amount calculated between the terminal devices 420a and 420c is represented as a graph 432.

言い換えるなら、グラフ431は同一の環境音が観測されるべき状況、これに対してグラフ432は同一の環境音が観測されるべきでない状況で、各々の場合に算出された情報量の総和を表している。図12で一目瞭然となっているように、グラフ431および432は情報量の総和が明らかに異なるので、その中間の適切な値を閾値433として予め設定し、センシングを行った対象時間の長さに対応する閾値を得られた情報量の総和と比較して、環境音が同一であるか否かを検出することができる。   In other words, the graph 431 represents the total amount of information calculated in each case in the situation where the same environmental sound should be observed, whereas the graph 432 represents the situation where the same environmental sound should not be observed. ing. As clearly shown in FIG. 12, the graphs 431 and 432 clearly differ in the total amount of information. Therefore, an appropriate value in the middle is set in advance as the threshold value 433, and the length of the target time when sensing is performed. It is possible to detect whether or not the environmental sounds are the same by comparing the corresponding threshold value with the total amount of information obtained.

そして、環境音が同一であると判定された場合に、鍵共有手段104が、一致した特徴ベクトル341を連接したもののハッシュ値を認証鍵111として生成して記憶手段12に記憶させ、端末装置20aおよび20bに送信する。ここでいうハッシュ値は、一致した特徴ベクトル341を連接したものを非可逆関数に入力して得られた出力値である。   When it is determined that the environmental sounds are the same, the key sharing unit 104 generates a hash value of the concatenated feature vectors 341 concatenated as the authentication key 111 and stores it in the storage unit 12, and the terminal device 20a And 20b. The hash value here is an output value obtained by inputting the concatenated feature vectors 341 into an irreversible function.

(相互認証手段)
端末装置20aおよび20bでは、相互認証手段204がこの認証鍵211(111)を受信して記憶手段22に記憶すると共に、この認証鍵によって端末装置20aおよび20bが相互認証を行う。この認証鍵111(211)の送受信は、SSL(Secure Socket Layer)などのようなセキュアな通信方式によって行うことが望ましい。また、相互認証の動作は、チャレンジレスポンス認証などのような公知技術を利用することができる。
(Mutual authentication means)
In the terminal devices 20a and 20b, the mutual authentication unit 204 receives the authentication key 211 (111) and stores it in the storage unit 22, and the terminal devices 20a and 20b perform mutual authentication using the authentication key. The authentication key 111 (211) is preferably transmitted and received by a secure communication method such as SSL (Secure Socket Layer). The mutual authentication operation can use a known technique such as challenge-response authentication.

(時刻補正手段)
以上で説明した処理は、相互認証サーバ10、端末装置20aおよび20bの間で精密に時刻が同期していることが前提である。前述の時刻同期手段101および201による時刻同期処理が実施されていても、それら各装置相互間の時刻は0.01秒単位の時刻ズレが発生しうる。特徴ベクトル比較手段103による比較処理を正常に行うためには、各装置相互間の時刻ズレを可能な限り0に近づけることが望ましい。
(Time correction means)
The processing described above is based on the premise that the time is precisely synchronized between the mutual authentication server 10 and the terminal devices 20a and 20b. Even when the time synchronization processing by the time synchronization means 101 and 201 described above is performed, the time between these devices may be shifted by 0.01 second. In order to perform the comparison process by the feature vector comparison unit 103 normally, it is desirable to make the time shift between the devices as close to 0 as possible.

図13は、図2に示した時刻補正手段205による処理について示す説明図である。前述したように8000個/秒の音声データを音声データ圧縮手段203によって100個/秒に圧縮し、かつ各時間窓が連続した64個の音圧値によって構成される場合の時間窓451を、図13では示している。この場合、この時間窓451に対して時刻ズレ452が0.64秒以上となれば、特徴ベクトル比較手段103は全く異なる時刻における時間窓の特徴ベクトルを比較することとなってしまう。これでは、比較自体に意味がなくなる。時刻補正手段205は、そのような時刻ズレを0に近づけるための処理を行う。   FIG. 13 is an explanatory diagram showing processing by the time correction unit 205 shown in FIG. As described above, the time window 451 in the case where 8000 pieces / second of audio data is compressed to 100 pieces / second by the sound data compression means 203 and each time window is constituted by 64 continuous sound pressure values, This is shown in FIG. In this case, if the time shift 452 is 0.64 seconds or more with respect to this time window 451, the feature vector comparison means 103 will compare the feature vectors of the time window at completely different times. This makes the comparison itself meaningless. The time correction unit 205 performs processing for bringing such a time shift close to zero.

前述の時刻同期手段101および201による時刻同期処理が行われるタイミングで、時刻補正手段205は、この時刻同期処理で修正した時刻ズレ量と、前回の時刻同期処理からの経過時間から「単位時間当たりの時刻ズレ量」を算出して記録する。そして、特徴ベクトル生成手段204による処理が行われるタイミングで、過去において記録された単位時間当たりの時刻ズレ量の平均値と、前回の時刻同期処理から現在時刻までの経過時間を、近似式に適用して現在時刻における時刻ズレ量を算出して、この時刻ズレ量によって現在時刻を補正した時刻を、前述のセンシング時刻とする。   At the timing when the time synchronization processing by the time synchronization means 101 and 201 described above is performed, the time correction means 205 calculates “per unit time from the amount of time deviation corrected by this time synchronization processing and the elapsed time from the previous time synchronization processing. The time deviation amount of “is calculated and recorded. Then, at the timing when the processing by the feature vector generation unit 204 is performed, the average value of the time deviation amount recorded per unit time in the past and the elapsed time from the previous time synchronization processing to the current time are applied to the approximate expression. Then, the time deviation amount at the current time is calculated, and the time obtained by correcting the current time by this time deviation amount is set as the sensing time described above.

この時に利用される近似式は、たとえば線形近似式、対数近似式、多項近似式など、任意の式を用いることができる。予め用意された複数種類の近似式の中で、以下の数2で示される決定係数Rがより1に近くなる、即ち相対的残差がより少なくなる近似式を処理ごとに都度選択するようにしてもよい。ここでyは標本値、即ち各々の時刻同期処理の際に実測された時刻ズレ量である。fは各々の時刻同期処理の際の近似式による推定値である。

Figure 2014138404
As the approximate expression used at this time, for example, an arbitrary expression such as a linear approximate expression, a logarithmic approximate expression, or a polynomial approximate expression can be used. Among the plurality of types of approximate expressions prepared in advance, an approximate expression in which the determination coefficient R2 expressed by the following formula 2 is closer to 1, that is, the relative residual is smaller is selected for each process. It may be. Here, y i is the sample value, that is, the amount of time deviation actually measured during each time synchronization process. f i is an estimated value based on an approximate expression for each time synchronization process.
Figure 2014138404

(フローチャート)
図14は、図2に示した相互認証サーバ10と端末装置20との間で行われる相互認証の動作について示すフローチャートである。まず、相互認証サーバ10と端末装置20で、各々の時刻同期手段101および201は、相互間で時刻を合わせる時刻同期処理を実施する(ステップS101および201)。
(flowchart)
FIG. 14 is a flowchart showing a mutual authentication operation performed between the mutual authentication server 10 and the terminal device 20 shown in FIG. First, in the mutual authentication server 10 and the terminal device 20, the respective time synchronization means 101 and 201 perform time synchronization processing for adjusting the time between them (steps S101 and 201).

次に、端末装置20の側で、音声データ収集手段202が音声入力手段24を介して環境音を音声データとして取得し(ステップS202)、これに合わせて時刻補正手段205が時刻ズレを含めたセンシング時刻を算出する(ステップS203)。そして、端末装置20の音声データ圧縮手段203が、取得された音声データからデータ量を削減した時系列データを作成し、この時系列データから各々の時間窓に対して予め用意されたc通りの量子化パターンを適用してc個の特徴ベクトルを生成して、これを相互認証サーバ10に送信する(ステップS204)。   Next, on the terminal device 20 side, the sound data collecting means 202 acquires the environmental sound as sound data via the sound input means 24 (step S202), and the time correction means 205 includes the time deviation accordingly. The sensing time is calculated (step S203). Then, the audio data compression means 203 of the terminal device 20 creates time-series data in which the data amount is reduced from the acquired audio data, and c patterns prepared in advance for each time window from the time-series data. By applying the quantization pattern, c feature vectors are generated and transmitted to the mutual authentication server 10 (step S204).

相互認証サーバ10では、特徴ベクトル選択手段102が、両方の端末装置から送信された特徴ベクトルについて、センシング時刻が予め与えられた差分内である特徴ベクトルの組み合わせを「同一の時間窓」として選択して(ステップS102)、特徴ベクトル比較手段103が、各端末装置で選択された「同一の時間窓」の特徴ベクトルを総当たりで比較し、1個でも特徴ベクトルが共通であれば一致したと判定する(ステップS103)。特徴ベクトルが一致しなければ、処理は異常終了となる。   In the mutual authentication server 10, the feature vector selection unit 102 selects, as the “same time window”, a combination of feature vectors whose sensing times are within a predetermined difference for the feature vectors transmitted from both terminal apparatuses. (Step S102), the feature vector comparison means 103 compares the feature vectors of the “same time window” selected by each terminal device, and determines that they match if even one feature vector is common. (Step S103). If the feature vectors do not match, the process ends abnormally.

この比較結果を受けた鍵共有手段104は、一致した特徴ベクトルの生成確率から、各一致した特徴ベクトルの情報量を計算し、その総和が与えられた閾値を超える場合にのみ、一致した特徴ベクトルを連接したもののハッシュ値を認証鍵として、各端末に送信する(ステップS104〜105)。その特徴ベクトルの情報量が一定の閾値を超えない場合にも、処理は異常終了となる。端末装置20aおよび20bの相互認証手段204は、受信したこの認証鍵によって相互認証を行う(ステップS205)。   Receiving this comparison result, the key sharing means 104 calculates the information amount of each matched feature vector from the generation probability of the matched feature vector, and the matched feature vector only when the sum exceeds a given threshold value. Are transmitted as an authentication key to each terminal (steps S104 to S105). Even when the information amount of the feature vector does not exceed a certain threshold, the process ends abnormally. The mutual authentication means 204 of the terminal devices 20a and 20b performs mutual authentication using the received authentication key (step S205).

以上に示した処理により、この相互認証システムでは、音声入力だけで十分な強度を持った有効な認証鍵を生成して発行することが可能となる。これには特別な操作は特に必要ではなく、また音声入力に必要なハードウェアやソフトウェアなども多くの機器が予め備えているので、導入にかかるコストも小さい。   Through the processing described above, this mutual authentication system can generate and issue an effective authentication key having sufficient strength only by voice input. No special operation is required for this, and since many devices are equipped in advance with hardware and software necessary for voice input, the installation cost is small.

(第1の実施形態の全体的な動作)
次に、上記の実施形態の全体的な動作について説明する。
本実施形態に係る相互認証方法は、複数台の端末装置20と、相互認証サーバ10とが相互に接続されて構成される相互認証システムにあって、各端末装置の音声データ収集手段が、周辺の環境音を音声データとして収集し(図14・ステップS202)、各端末装置の特徴ベクトル生成手段が、音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して相互認証サーバに送信し(図14・ステップS204)、相互認証サーバの特徴ベクトル選択手段が、各端末装置から受信した特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択し(図14・ステップS102)、相互認証サーバの特徴ベクトル比較手段が、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定し(図14・ステップS103)、相互認証サーバの鍵共有手段が、特徴ベクトルが一致する場合に各端末装置に対して認証鍵を生成して送信し(図14・ステップS105)、各端末装置の相互認証手段が、返信されてきた認証鍵を利用して他の端末装置との間で相互認証を行う(図14・ステップS205)。
(Overall operation of the first embodiment)
Next, the overall operation of the above embodiment will be described.
The mutual authentication method according to the present embodiment is a mutual authentication system in which a plurality of terminal devices 20 and a mutual authentication server 10 are connected to each other, and the voice data collection means of each terminal device is a peripheral device. Are collected as voice data (step S202 in FIG. 14), and the feature vector generation means of each terminal device analyzes the frequency component of the voice data to generate a feature vector and transmits it to the mutual authentication server (FIG. 14). 14 · Step S204), the feature vector selection means of the mutual authentication server selects a feature vector received from each terminal device that has an acquisition time within a predetermined difference (FIG. 14 · Step S102), The feature vector comparison means of the mutual authentication server determines whether or not these feature vectors match between the terminal devices (step S103 in FIG. 14). The key sharing means of the certificate server generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vectors match (FIG. 14, step S105), and the mutual authentication means of each terminal device has returned. Mutual authentication is performed with another terminal device using the authentication key (FIG. 14, step S205).

ここで、上記各動作ステップについては、これをコンピュータで実行可能にプログラム化し、これらを前記各ステップを直接実行する相互認証サーバ10のプロセッサ11に実行させるようにしてもよい。本プログラムは、非一時的な記録媒体、例えば、DVD、CD、フラッシュメモリ等に記録されてもよい。その場合、本プログラムは、記録媒体からコンピュータによって読み出され、実行される。
この動作により、本実施形態は以下のような効果を奏する。
Here, each of the above-described operation steps may be programmed to be executable by a computer, and may be executed by the processor 11 of the mutual authentication server 10 that directly executes each of the steps. The program may be recorded on a non-temporary recording medium, such as a DVD, a CD, or a flash memory. In this case, the program is read from the recording medium by a computer and executed.
By this operation, this embodiment has the following effects.

(本実施形態によって得られる効果)
前述の特許文献2〜3および非特許文献2〜4には、ユーザが「装置2つを合わせて振る」という構成が開示されている。本実施形態が認証に利用する環境音も広い意味での「振動」といえるが、下記の理由から、先行技術が開示する手法を本実施形態にそのまま適用することはできない。
(Effect obtained by this embodiment)
Patent Documents 2 to 3 and Non-Patent Documents 2 to 4 described above disclose a configuration in which a user “shakes two devices together”. Although the environmental sound used for authentication in this embodiment can also be said to be “vibration” in a broad sense, the technique disclosed by the prior art cannot be directly applied to this embodiment for the following reason.

この先行技術で認証の操作対象となっている振動は、多くてもせいぜい1秒に数回程度である。それに対して、本実施形態が対象とする音声は、たとえば携帯電話端末の音声通話用のマイクの仕様では、最低でも8kHz、8ビットでのサンプリングが必要になる。これをそのまま送信すると、送信する際に膨大な通信量(8キロバイト/秒)が発生し、判定の際の処理量もまた膨大なものとなる。本実施形態では、端末装置20で収集した環境音データを相互認証サーバ10に送信する際に、音圧データから生成した特徴ベクトルのみを送信しているので、音声データを送信する場合と比較して、通信量や処理量を大幅に低減している。   The vibration that is the subject of authentication in this prior art is at most several times a second. On the other hand, for example, in the specification of a microphone for voice call of a mobile phone terminal, the voice targeted by the present embodiment needs to be sampled at 8 kHz and 8 bits at the minimum. If this is transmitted as it is, an enormous amount of communication (8 kilobytes / second) occurs during transmission, and the amount of processing at the time of determination also becomes enormous. In the present embodiment, when the environmental sound data collected by the terminal device 20 is transmitted to the mutual authentication server 10, only the feature vector generated from the sound pressure data is transmitted. Therefore, the amount of communication and processing are greatly reduced.

本実施形態ではさらに、音圧データを低周波側に限定することにより、いわゆるローパスフィルタを通すことと同様の効果が得ている。環境音は、周期的に発生する「定常音系」と突発的に発生する「パルス系」とに大きく分けることができるが、「定常音系」の環境音は物理的に近接していない異なる場所であっても同一の音が観測される場合が多くある。そして、「定常音系」の環境音は周波数が比較的高いことが多いのに対し、「パルス系」の環境音は周波数が比較的低いことが多い。   Further, in the present embodiment, the sound pressure data is limited to the low frequency side, thereby obtaining the same effect as passing through a so-called low-pass filter. Environmental sounds can be broadly divided into “steady sound systems” that occur periodically and “pulse systems” that occur suddenly, but the environmental sounds of “steady sound systems” are not physically close to each other. There are many cases where the same sound is observed even in a place. The environmental sound of the “stationary sound system” often has a relatively high frequency, whereas the environmental sound of the “pulse system” often has a relatively low frequency.

従って、本実施形態では、周波数が比較的高い「定常音系」の環境音による影響を低減して、その時・その場でしか観測されない「パルス系」の環境音について一致するか否かを判断することができる。これによって、正当でないユーザに対して認証鍵を誤発行する、即ちフォールス・ポジティブ(false positive)発生の危険性を低減することができるという効果もある。   Therefore, in the present embodiment, the influence of the environmental sound of the “steady sound system” having a relatively high frequency is reduced, and it is determined whether or not the “pulse system” environmental sound that is observed only at that time is coincident. can do. This also has the effect of reducing the risk of falsely issuing an authentication key to an unauthorized user, that is, the occurrence of false positives.

また、閾値を少しずつ変化させた複数の量子化パターンを用意しておき、これを利用して複数の特徴ベクトルを生成および比較することにより、観測場所の違いや機器同士での音響特性の違いなどによる影響を低減する効果を得ることもできる。   Also, by preparing multiple quantization patterns with threshold values changed little by little, and using them to generate and compare multiple feature vectors, differences in observation locations and differences in acoustic characteristics between devices It is also possible to obtain an effect of reducing the influence due to the above.

以上の構成によって、本実施形態では、正当でないユーザに対して認証鍵を誤発行する危険の少ない、確実な相互認証を実現することが可能としている。その際に必要となるのは、装置周辺の音声を入力することだけであるので、多くの機器が標準的に備えているハードウェアおよびソフトウェアのみで実施可能である。また、端末装置の台数が増えた場合においても、相互認証サーバにかかる計算量や通信量の負荷を少なくして、スムースに処理を行うことが可能となる。   With the above configuration, in this embodiment, it is possible to realize reliable mutual authentication with less risk of erroneously issuing an authentication key to an unauthorized user. In that case, all that is required is to input the sound around the apparatus, and therefore, it can be implemented only with hardware and software that are provided as standard in many devices. In addition, even when the number of terminal devices increases, it is possible to perform processing smoothly by reducing the load of calculation amount and communication amount applied to the mutual authentication server.

その際、各々の端末装置の間で時刻が正確に同期している必要があるので、時刻補正手段を設けている。この時刻補正手段によって、各端末装置は最近の時刻同期からのずれを自ら計算することが可能となるので、図14のステップS101およびS201の時刻同期の処理を毎回実行しない(数日に1回程度実行する)ように構成すれば、時刻同期処理によって発生するオーバヘッドを削減できるという副次的効果もある。   At that time, since it is necessary to accurately synchronize the time between the terminal devices, time correction means is provided. This time correction means allows each terminal device to calculate its own deviation from the latest time synchronization, so the time synchronization processing of steps S101 and S201 in FIG. 14 is not executed every time (once every several days). If it is configured such that the overhead generated by the time synchronization processing can be reduced, there is also a secondary effect.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る相互認証システム501は、第1の実施形態の構成に加えて、まず端末装置520の特徴ベクトル生成手段504が、前述のカットオフ機能204bの代わりに、フーリエ変換機能によって得られたパワースペクトルからパワーレベルの高い順に予め定められた数の複数の周波数を選択してこれを量子化機能に移行する周波数選択機能504aを有する。そして量子化機能504bが、選択された各周波数と当該周波数におけるパワーレベルを閾値と比較した結果とを含む特徴ベクトルを出力する。さらに量子化機能504bは、閾値を予め複数与えられており、選択された各周波数と当該周波数におけるパワーレベルを各閾値と比較した結果を候補ベクトルとし、これらの各候補ベクトルを合わせて特徴ベクトルとして出力する。
(Second Embodiment)
In the mutual authentication system 501 according to the second embodiment of the present invention, in addition to the configuration of the first embodiment, first, the feature vector generation unit 504 of the terminal device 520 uses a Fourier instead of the above-described cutoff function 204b. A frequency selection function 504a for selecting a predetermined number of frequencies from the power spectrum obtained by the conversion function in descending order of the power level and shifting the frequency to the quantization function is provided. Then, the quantization function 504b outputs a feature vector including each selected frequency and the result of comparing the power level at the frequency with a threshold value. Further, the quantization function 504b is given a plurality of threshold values in advance, and the result of comparing each selected frequency and the power level at that frequency with each threshold is set as a candidate vector, and these candidate vectors are combined as a feature vector. Output.

相互認証サーバ510の特徴ベクトル比較手段503は、各端末装置間で特徴ベクトルに含まれる候補ベクトルが1つでも一致する場合に、当該各端末装置の特徴ベクトルが一致すると判定する。そして鍵共有手段104は、時系列データの対象時間範囲において一致した特徴ベクトルの単位時間当たりの情報量の合計値を算出し、この算出された情報量の合計値が予め与えられた一定値以上である場合にのみ、一致した特徴ベクトルを連接すると共にこの一致した特徴ベクトルを連接したもののハッシュ値を認証鍵として生成する。   The feature vector comparison unit 503 of the mutual authentication server 510 determines that the feature vectors of the respective terminal devices match when at least one candidate vector included in the feature vector matches between the terminal devices. Then, the key sharing means 104 calculates the total value of the information amount per unit time of the feature vectors that coincide in the target time range of the time series data, and the total value of the calculated information amount is equal to or greater than a predetermined value given in advance. Only when the matching feature vectors are connected, the hash value of the connected feature vectors is generated as an authentication key.

以上の構成によっても第1の実施形態と同一の効果が得られるのに加えて、第1の実施形態ではカットされる高周波帯の音声信号を利用して、可聴帯域上限付近〜可聴帯域外の周波数の音声を利用した認証サービスなどを行うことが可能となる。
以下、これをより詳細に説明する。
In addition to obtaining the same effect as in the first embodiment by the above configuration, in the first embodiment, the audio signal in the high frequency band to be cut is used, and near the upper limit of the audible band to outside the audible band. It is possible to provide an authentication service using frequency audio.
Hereinafter, this will be described in more detail.

図15は、本発明の第2の実施形態に係る相互認証システム501の構成について示す説明図である。相互認証システム501は、第1の実施形態で示した相互認証システム1で、相互認証サーバ10が別の相互認証サーバ510に、また端末装置20が別の端末装置520に、各々置換されたものである。   FIG. 15 is an explanatory diagram showing the configuration of the mutual authentication system 501 according to the second embodiment of the present invention. The mutual authentication system 501 is the mutual authentication system 1 shown in the first embodiment, in which the mutual authentication server 10 is replaced with another mutual authentication server 510, and the terminal device 20 is replaced with another terminal device 520. It is.

相互認証サーバ510は、ハードウェアとしての構成は相互認証サーバ10と同一であり、またプロセッサ11で動作するソフトウェアとしての構成も、同一の要素を多く含んでいる。同様に、端末装置520もハードウェアとしての構成は端末装置20と同一であり、またプロセッサ21で動作するソフトウェアとしての構成も、同一の要素を多く含んでいる。従って、ここではその相違点のみを説明するにとどめる。   The mutual authentication server 510 has the same hardware configuration as the mutual authentication server 10, and the software configuration that runs on the processor 11 includes many of the same elements. Similarly, the configuration of the terminal device 520 as hardware is the same as that of the terminal device 20, and the configuration of software operating on the processor 21 includes many of the same elements. Therefore, only the differences will be described here.

相互認証サーバ510では、特徴ベクトル比較手段103が別の特徴ベクトル比較手段503に置換されている。端末装置520では、特徴ベクトル生成手段204が別の特徴ベクトル生成手段504に置換され、また音声データ圧縮手段203が省略されている。   In the mutual authentication server 510, the feature vector comparison unit 103 is replaced with another feature vector comparison unit 503. In the terminal device 520, the feature vector generation unit 204 is replaced with another feature vector generation unit 504, and the audio data compression unit 203 is omitted.

(特徴ベクトル生成手段)
図16は、図15で示した特徴ベクトル生成手段504のより詳しい構成について示す説明図である。特徴ベクトル生成手段504は、図3で示した第1の実施形態と同一のフーリエ変換機能103aと、本実施形態に特有の周波数選択機能504aおよび量子化機能504bとを備える。
(Feature vector generation means)
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a more detailed configuration of the feature vector generation unit 504 shown in FIG. The feature vector generation unit 504 includes the same Fourier transform function 103a as that of the first embodiment shown in FIG. 3, and a frequency selection function 504a and a quantization function 504b unique to this embodiment.

特徴ベクトル生成手段504は、音声データ収集手段202が収集した音声データを、周波数成分のカットオフなどを行うことなくそのまま受け取り、まずフーリエ変換機能103aによってフーリエ変換を行い、(図6に示すような)時間窓ごとのパワースペクトルを出力する。周波数選択機能504aは、そのパワースペクトルの中から、パワーレベルの大きい上位k(≧1)個の周波数を選択する。そして量子化機能504bは、「そのk個の周波数に対するパワーレベル」を予め与えられた閾値と比較し、その比較結果に対応した値を特徴ベクトルとして出力する。   The feature vector generation unit 504 receives the audio data collected by the audio data collection unit 202 without being cut off of frequency components, and first performs a Fourier transform by the Fourier transform function 103a (as shown in FIG. 6). ) Output the power spectrum for each time window. The frequency selection function 504a selects the upper k (≧ 1) frequencies having a large power level from the power spectrum. Then, the quantization function 504b compares the “power level for the k frequencies” with a predetermined threshold value, and outputs a value corresponding to the comparison result as a feature vector.

図17は、図16に示した周波数選択機能504aおよび量子化機能504bによる処理について詳しく示す説明図である。図16では、本発明の概念を平易に説明するためにごく簡単な例についてのみ示している。即ち、周波数選択機能504aは「パワーレベルが高い上位2個」の周波数のみを選択するものとし、また量子化機能504bは「パワーレベル≧閾値であるか否かのみを判断する」ものとしているが、これらの数がこの例より多くなってももちろんよい。即ち、周波数選択機能504aは「パワーレベルが高い上位n個」(n≧3の自然数)の周波数のみを選択するものとし、量子化機能504bが「(図8で説明した第1の実施形態と同様に)2個以上の閾値とパワーレベルを比較し、パワーレベルがどの領域に属するかを判断する」ものとしてもよい。   FIG. 17 is an explanatory diagram illustrating in detail processing by the frequency selection function 504a and the quantization function 504b illustrated in FIG. In FIG. 16, only a very simple example is shown in order to explain the concept of the present invention. That is, the frequency selection function 504a selects only the top two frequencies having the highest power level, and the quantization function 504b determines only whether or not power level ≧ threshold. Of course, these numbers may be larger than this example. That is, it is assumed that the frequency selection function 504a selects only “higher n power levels” (n ≧ 3 natural number) frequencies, and the quantization function 504b “(the first embodiment described with reference to FIG. 8). Similarly, it is also possible to compare two or more threshold values with a power level to determine which region the power level belongs to. "

周波数選択機能504aが選択する「パワーレベルが高い上位2個」の周波数を、各々f1およびf2とする。そして閾値をT1とすると、量子化機能504bは、周波数f1におけるパワーレベルがT1より高く、周波数f2におけるパワーレベルがT1より低い場合には、「(f1,1)(f2,0)」を候補ベクトル551aとする。そして、第1の実施形態と同様に、閾値は複数用意されている。図16では、T1,T2,T3という3通りの閾値を用意した例を示している。そして量子化機能504bは、全ての閾値を適用して得られた候補ベクトル551a〜cの組を、特徴ベクトル551として出力し、相互認証サーバ510に送信する。他の端末装置520においても、同一の閾値を用いてこれと同一の動作を行う。   The “highest two power levels” selected by the frequency selection function 504a are defined as f1 and f2, respectively. When the threshold is T1, the quantization function 504b selects “(f1, 1) (f2, 0)” when the power level at the frequency f1 is higher than T1 and the power level at the frequency f2 is lower than T1. Let it be a vector 551a. As in the first embodiment, a plurality of threshold values are prepared. FIG. 16 shows an example in which three threshold values T1, T2, and T3 are prepared. Then, the quantization function 504b outputs a set of candidate vectors 551a to 551c obtained by applying all the thresholds as a feature vector 551 and transmits it to the mutual authentication server 510. The other terminal device 520 also performs the same operation using the same threshold value.

(特徴ベクトル選択手段・特徴ベクトル比較手段)
図18は、図15で示した特徴ベクトル比較手段503が行う処理について示す説明図である。相互認証サーバ510の特徴ベクトル選択手段102は、第1の実施形態と同様に、各々の端末装置520から受信した特徴ベクトルの中でセンシング時刻が予め与えられた差分内であるものを同一の時間窓における特徴ベクトルとして選択する。そして特徴ベクトル比較手段503は、選択された同一の時間窓における特徴ベクトルに含まれる候補ベクトルを総当たりで比較し、1つでも一致する候補ベクトルがあれば一致するものと判断する。
(Feature vector selection means / feature vector comparison means)
FIG. 18 is an explanatory diagram showing processing performed by the feature vector comparison unit 503 shown in FIG. As in the first embodiment, the feature vector selection unit 102 of the mutual authentication server 510 determines that the feature vectors received from the respective terminal devices 520 have a sensing time within a predetermined difference in the same time. Select as feature vector in window. Then, the feature vector comparison unit 503 compares the candidate vectors included in the selected feature vectors in the same time window, and determines that there is a match if there is even one matching candidate vector.

図18に示した例では、端末装置520aから受信した特徴ベクトル551と、端末装置520bから受信した特徴ベクトル552とが、センシング時刻が予め与えられた差分内であるので「同一の時間窓」であると判断されて比較対象となっている。そして、特徴ベクトル551に含まれる候補ベクトル551aと、特徴ベクトル552に含まれる候補ベクトル552cが、いずれも「(f1,1)(f2,0)」であるので、これでもう特徴ベクトル551と552は一致するものと判断される。   In the example shown in FIG. 18, since the feature vector 551 received from the terminal device 520a and the feature vector 552 received from the terminal device 520b are within the difference in which the sensing time is given in advance, the “same time window”. It is judged that there is a comparison target. Since both the candidate vector 551a included in the feature vector 551 and the candidate vector 552c included in the feature vector 552 are “(f1, 1) (f2, 0)”, the feature vectors 551 and 552 are already used. Are determined to match.

これによって、第1の実施形態における比較処理と同様に、パワーレベルが閾値付近である場合においても、観測場所の違いや機器同士での音響特性の違いなどによる影響を低減して一致するか否かを判断することが可能となる。また、周波数f1またはf2においても「予め与えられた差分値内であれば、各端末装置間で一致すると判断する」ための差分値を適宜設けてもよい。   As a result, similarly to the comparison processing in the first embodiment, even when the power level is near the threshold value, whether or not the influence is reduced due to the difference in the observation place or the difference in the acoustic characteristics between the devices is matched. It becomes possible to judge whether. Further, a difference value for “determining that the terminal devices match each other if within a predetermined difference value” may be provided as appropriate in the frequency f1 or f2.

その際、「(f1,1)(f2,1)」なる候補ベクトルが両方の特徴ベクトルに含まれている場合のみならず、たとえば「(f2,1)(f1,1)」なる候補ベクトルも「(f1,1)(f2,1)」と一致すると判断してもよい。ここで、「(f1,1)(f2,1)」は周波数f1におけるパワーレベルがf2におけるパワーレベルよりも大きいことを意味し、「(f2,1)(f1,1)」は逆にf2におけるパワーレベルの方が大きいことを意味する。鍵共有手段104による処理、およびその他の構成要素による処理は、第1の実施形態と同一である。   At this time, not only the candidate vector “(f1, 1) (f2, 1)” is included in both feature vectors, but also the candidate vector “(f2, 1) (f1, 1)” It may be determined that it matches “(f1,1) (f2,1)”. Here, “(f1,1) (f2,1)” means that the power level at the frequency f1 is higher than the power level at f2, and “(f2,1) (f1,1)” is f2 This means that the power level at is higher. Processing by the key sharing unit 104 and processing by other components are the same as those in the first embodiment.

(フローチャート)
図19は、図15に示した相互認証サーバ510と端末装置520との間で行われる相互認証の動作について示すフローチャートである。このフローチャートも、図14に示した第1の実施形態と同一の動作を多く含むので、そのような動作については同一の参照番号を付して説明を割愛することとする。
(flowchart)
FIG. 19 is a flowchart showing the mutual authentication operation performed between the mutual authentication server 510 and the terminal device 520 shown in FIG. Since this flowchart also includes many operations that are the same as those in the first embodiment shown in FIG. 14, such operations will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

即ち、端末装置520の側の動作は、ステップS201〜203は図14と同一であるが、その後の特徴ベクトルの生成の動作が前述のように異なっている(ステップS601)。相互認証サーバ510の側の動作は、ステップS804までは図14と同一であるが、受信した特徴ベクトルを比較して一致するか否かを判定する動作が前述のように異なっている(ステップS602)。その後に続く動作は、全て図14と同一である。   That is, the operation on the terminal device 520 side is the same as that in FIG. 14 in steps S201 to S203, but the subsequent operation of generating the feature vector is different as described above (step S601). The operation on the mutual authentication server 510 side is the same as that in FIG. 14 until step S804, but the operation for comparing the received feature vectors to determine whether or not they match is as described above (step S602). ). All subsequent operations are the same as in FIG.

(本実施形態によって得られる効果)
前述した第1の実施形態では、カットオフ機能によって収集された音声データの高周波成分をカットして低周波側に限定し、それから特徴ベクトルを生成していた。これに対して、第2の実施形態では周波数成分のカットオフなどを行わずに特徴ベクトルを生成する。端末装置520から相互認証サーバ510に送信されるのは音声データそのものではなく「特徴ベクトル」であるので、高周波信号による成分を含んでも、送信にかかる通信量が増大することはない。第1の実施形態ではサンプリング周波数を8kHzとしたが、これを(たとえば音楽用コンパクトディスクと同じ44.1kHzなどのように)可聴帯域全体を含みうる値としても特に問題は無い。
(Effect obtained by this embodiment)
In the first embodiment described above, the high frequency component of the audio data collected by the cut-off function is cut and limited to the low frequency side, and then the feature vector is generated. On the other hand, in the second embodiment, a feature vector is generated without performing frequency component cutoff or the like. Since what is transmitted from the terminal device 520 to the mutual authentication server 510 is not the voice data itself but the “feature vector”, even if a component due to a high-frequency signal is included, the communication amount for transmission does not increase. In the first embodiment, the sampling frequency is 8 kHz, but there is no particular problem even if it is a value that can include the entire audible band (for example, 44.1 kHz, which is the same as the compact disc for music).

たとえばアドホックな接続関係を構築したい場面で、(いわゆるモスキート音などのような)可聴帯域上限付近〜可聴帯域外の特定の周波数の音声を意識的に流しておけば、それ以外の場所でその周波数の音声が観測される可能性は低いので、これを利用して正当な認証鍵を確実に発行することが可能となる。また、意識的にそのような音声が流されている環境でなくても、そのような周波数の音声成分を積極的に利用して認証を行うことが可能となる。   For example, when you want to build an ad-hoc connection relationship, if you consciously play a sound with a specific frequency near the upper limit of the audible band (such as the so-called mosquito sound) and outside the audible band, that frequency will be used elsewhere. Therefore, it is possible to reliably issue a valid authentication key using this. Further, even if it is not an environment in which such voice is consciously circulated, it is possible to perform authentication by actively using a voice component of such a frequency.

(実施形態の拡張)
以上の通り説明した第1および第2の実施形態には、その趣旨を改変しない範囲でさまざまな拡張が考えられる。以下、これについて説明する。
まず、1つの相互認証システムが3台以上の端末機器を含み、それらの端末機器が3台以上の組で相互認証を行うようにしてもよい。また、1つの相互認証システムに含まれる端末機器のうちの1台が、相互認証サーバとしての機能を兼ね備えてもよい。
(Extended embodiment)
Various extensions can be considered in the first and second embodiments described above without departing from the spirit of the first and second embodiments. This will be described below.
First, one mutual authentication system may include three or more terminal devices, and these terminal devices may perform mutual authentication with a set of three or more devices. One of the terminal devices included in one mutual authentication system may also have a function as a mutual authentication server.

また、相互認証サーバの鍵共有手段が、前述の数1で説明した情報量の合計値が一定値以下の場合に、この特徴ベクトルを一時的に予め備えられた記憶手段に記憶し、同一の端末装置の組から送られてきた特徴ベクトルにさらに一時的に記憶された特徴ベクトルを連接させたもののハッシュ値を認証鍵として生成する構成としてもよい。このようにすれば、ある特定の期間において得られた環境音だけでは十分な鍵長の特徴ベクトルを得ることのできない場合においても、同一の端末装置の組から連続して得られる特徴ベクトルを利用して、有効な認証鍵を生成して利用することが可能となる。   In addition, when the total value of the information amount described in Equation 1 is equal to or less than a predetermined value, the key sharing unit of the mutual authentication server temporarily stores this feature vector in a storage unit provided in advance, and the same A configuration may be adopted in which a hash value obtained by concatenating a feature vector temporarily stored with a feature vector sent from a set of terminal devices is generated as an authentication key. In this way, feature vectors obtained continuously from the same set of terminal devices are used even when feature keys with sufficient key length cannot be obtained with only environmental sounds obtained during a specific period. Thus, a valid authentication key can be generated and used.

さらに、ユーザが特定の時間範囲を指定して、その指定された時間範囲のみを本発明で認証を行う対象時間範囲とする、または逆に本発明で認証を行う対象時間範囲から除外するようにするという構成も考えられる。   Further, the user designates a specific time range, and only the designated time range is set as a target time range to be authenticated in the present invention, or conversely, excluded from the target time range to be authenticated in the present invention. It is also possible to adopt a configuration that does.

これまで本発明について図面に示した特定の実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができる。   The present invention has been described with reference to the specific embodiments shown in the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings, and any known hitherto provided that the effects of the present invention are achieved. Even if it is a structure, it is employable.

本発明は、特定の機器間でのアドホックな(恒常的でない、一時的な)接続関係を構築するための相互認証システムにおいて利用できる。特に、端末装置がスマートフォンなど、処理能力に比較的余裕がある場合に適している。   The present invention can be used in a mutual authentication system for constructing an ad hoc (non-permanent, temporary) connection relationship between specific devices. It is particularly suitable when the terminal device has a relatively large processing capacity such as a smartphone.

1、100、401、501 相互認証システム
2、10、410、510 相互認証サーバ
11、21 プロセッサ
12、22 記憶手段
13、23 通信手段
3、4、20、20a、20b、420、420a、420b、420c 端末装置
24 音声入力手段
5、30 ネットワーク
101、201 時刻同期手段
2a、102 特徴ベクトル選択手段
2b、103、503 特徴ベクトル比較手段
2c、104 鍵共有手段
111、211 認証鍵
3a、202 音声データ収集手段
203 音声データ圧縮手段
3b、204、504 特徴ベクトル生成手段
204a フーリエ変換機能
204b カットオフ機能
204c、504b 量子化機能
205 時刻補正手段
3c、206 相互認証手段
504a 周波数選択機能
1, 100, 401, 501 Mutual authentication system 2, 10, 410, 510 Mutual authentication server 11, 21 Processor 12, 22 Storage means 13, 23 Communication means 3, 4, 20, 20a, 20b, 420, 420a, 420b, 420c Terminal device 24 Voice input means 5, 30 Network 101, 201 Time synchronization means 2a, 102 Feature vector selection means 2b, 103, 503 Feature vector comparison means 2c, 104 Key sharing means 111, 211 Authentication key 3a, 202 Voice data collection Means 203 Audio data compression means 3b, 204, 504 Feature vector generation means 204a Fourier transform function 204b Cut-off function 204c, 504b Quantization function 205 Time correction means 3c, 206 Mutual authentication means 504a Frequency selection function

Claims (17)

複数台の端末装置と、相互認証サーバとが相互に接続されて構成される相互認証システムであって、
前記各端末装置が、周辺の環境音を音声データとして収集する音声データ収集手段と、前記音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して前記相互認証サーバに送信する特徴ベクトル生成手段と、前記特徴ベクトルに応じて前記相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して前記他の端末装置との間で相互認証を行う相互認証手段とを備え、
前記相互認証サーバが、前記各端末装置から受信した前記特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段と、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段と、前記特徴ベクトルが一致する場合に前記各端末装置に対して前記認証鍵を生成して送信する鍵共有手段とを有すること、を特徴とする相互認証システム。
A mutual authentication system configured by connecting a plurality of terminal devices and a mutual authentication server to each other,
Each terminal device collects ambient environmental sound as audio data, and a feature vector generation unit that analyzes a frequency component of the audio data to generate a feature vector and transmits it to the mutual authentication server A mutual authentication means for performing mutual authentication with the other terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server according to the feature vector,
The mutual authentication server selects, from the feature vectors received from the terminal devices, a feature vector selection means for selecting an acquisition time within a predetermined difference, and the feature vectors between the terminal devices are And a feature vector comparison unit that determines whether or not they match, and a key sharing unit that generates and transmits the authentication key to each of the terminal devices when the feature vectors match. Mutual authentication system.
前記各端末装置が、予め相互間で時刻を合わせる時刻同期手段を有すること、を特徴とする請求項1に記載の相互認証システム。   The mutual authentication system according to claim 1, wherein each of the terminal devices has time synchronization means for synchronizing the time with each other in advance. 前記端末装置が、前記時刻同期手段によって前回時刻を合わせてからの経過時間と過去において発生した時刻ズレ量の平均値とから前記音声データを取得した正確な時刻を算出する時刻補正手段を有すること、を特徴とする請求項2に記載の相互認証システム。   The terminal device has time correction means for calculating an accurate time at which the audio data is acquired from an elapsed time since the previous time was adjusted by the time synchronization means and an average value of the amount of time deviation generated in the past. The mutual authentication system according to claim 2, wherein: 前記端末装置の前記特徴ベクトル生成手段が、
前記音声データを一定時間間隔の時間窓に分割して各々の前記時間窓に対してFFT(高速フーリエ変換)を行ってパワースペクトルを出力するフーリエ変換機能と、
出力された前記パワースペクトルの周波数ごとのパワーレベルを予め設定された閾値と照合することにより前記周波数ごとの特徴ベクトルを出力する量子化機能とを有すること、を特徴とする請求項1に記載の相互認証システム。
The feature vector generation means of the terminal device is
A Fourier transform function that divides the audio data into time windows at fixed time intervals, performs FFT (Fast Fourier Transform) on each time window, and outputs a power spectrum;
2. The method according to claim 1, further comprising: a quantization function that outputs a feature vector for each frequency by comparing a power level for each frequency of the output power spectrum with a preset threshold value. Mutual authentication system.
前記端末装置の前記特徴ベクトル生成手段が、
前記フーリエ変換機能によって得られた前記パワースペクトルから予め定められたカットオフ周波数以上の周波数成分を除去してこれを前記量子化機能に移行するカットオフ機能を有すること、を特徴とする請求項4に記載の相互認証システム。
The feature vector generation means of the terminal device is
5. A cutoff function for removing a frequency component equal to or higher than a predetermined cutoff frequency from the power spectrum obtained by the Fourier transform function and shifting the frequency component to the quantization function is provided. The mutual authentication system described in 1.
前記端末装置の前記特徴ベクトル生成手段が、
前記フーリエ変換機能によって得られた前記パワースペクトルからパワーレベルの高い順に予め定められた数の複数の周波数を選択してこれを前記量子化機能に移行する周波数選択機能を有すること、を特徴とする請求項4に記載の相互認証システム。
The feature vector generation means of the terminal device is
It has a frequency selection function of selecting a predetermined number of frequencies from the power spectrum obtained by the Fourier transform function in descending order of power level and shifting this to the quantization function. The mutual authentication system according to claim 4.
前記特徴ベクトル生成手段の前記量子化機能が、選択された前記各周波数と当該周波数におけるパワーレベルを前記閾値と比較した結果とを含む前記特徴ベクトルを出力すること、を特徴とする請求項6に記載の相互認証システム。   The quantization function of the feature vector generation means outputs the feature vector including each selected frequency and a result of comparing a power level at the frequency with the threshold value. The mutual authentication system described. 前記特徴ベクトル生成手段の前記量子化機能が、前記閾値を予め複数与えられており、選択された前記各周波数と当該周波数におけるパワーレベルを前記各閾値と比較した結果を候補ベクトルとし、これらの各候補ベクトルを合わせて前記特徴ベクトルとして出力すること、を特徴とする請求項7に記載の相互認証システム。   The quantization function of the feature vector generation means is provided with a plurality of the threshold values in advance, and a result obtained by comparing the selected frequency and the power level at the frequency with the threshold is set as a candidate vector. The mutual authentication system according to claim 7, wherein candidate vectors are combined and output as the feature vector. 前記相互認証サーバの前記特徴ベクトル比較手段が、前記各端末装置間で前記特徴ベクトルに含まれる前記候補ベクトルが1つでも一致する場合に、当該各端末装置の前記特徴ベクトルが一致すると判定すること、を特徴とする請求項8に記載の相互認証システム。   The feature vector comparison means of the mutual authentication server determines that the feature vectors of the terminal devices match when even one of the candidate vectors included in the feature vector matches between the terminal devices. The mutual authentication system according to claim 8, wherein: 前記相互認証サーバの前記鍵共有手段が、前記時系列データの対象時間範囲において一致した前記特徴ベクトルの単位時間当たりの情報量の合計値を算出し、この算出された情報量の合計値が予め与えられた一定値以上である場合にのみ、前記一致した特徴ベクトルを連接すると共にこの一致した特徴ベクトルを連接したもののハッシュ値を前記認証鍵として生成すること、を特徴とする請求項9に記載の相互認証システム。   The key sharing means of the mutual authentication server calculates a total value of information amounts per unit time of the feature vectors that coincide in the target time range of the time series data, and the calculated total value of information amounts is calculated in advance. 10. The hash value of the concatenated feature vectors and the concatenated feature vectors are generated as the authentication key only when they are equal to or greater than a given value. Mutual authentication system. 他の端末装置および相互認証サーバと相互に接続されて相互認証システムを構成する一の端末装置であって、
周辺の環境音を音声データとして収集する音声データ収集手段と、
前記音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して前記相互認証サーバに送信する特徴ベクトル生成手段と、
この前記特徴ベクトルに応じて前記相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して前記他の端末装置との間で相互認証を行う相互認証手段と
を備えること、を特徴とする端末装置。
One terminal device that is mutually connected to another terminal device and a mutual authentication server to constitute a mutual authentication system,
Voice data collection means for collecting ambient environmental sounds as voice data;
A feature vector generating means for analyzing a frequency component of the voice data to generate a feature vector and transmitting the generated feature vector to the mutual authentication server;
A terminal device comprising: mutual authentication means for performing mutual authentication with the other terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server according to the feature vector.
複数の端末装置と相互に接続されて相互認証システムを構成する相互認証サーバであって、
前記各端末装置から受信した前記特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する特徴ベクトル選択手段と、
当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する特徴ベクトル比較手段と、
前記特徴ベクトルが一致する場合に前記各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する鍵共有手段と
を有すること、を特徴とする相互認証サーバ。
A mutual authentication server that is mutually connected to a plurality of terminal devices to constitute a mutual authentication system,
Feature vector selection means for selecting, from among the feature vectors received from each of the terminal devices, one having an acquisition time within a predetermined difference;
Feature vector comparison means for determining whether or not these feature vectors match between the terminal devices;
A mutual authentication server, comprising: key sharing means for generating and transmitting an authentication key to each of the terminal devices when the feature vectors match.
複数台の端末装置と、相互認証サーバとが相互に接続されて構成される相互認証システムにあって、
前記各端末装置の音声データ収集手段が、周辺の環境音を音声データとして収集し、
前記各端末装置の特徴ベクトル生成手段が、前記音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して前記相互認証サーバに送信し、
前記相互認証サーバの特徴ベクトル選択手段が、前記各端末装置から受信した前記特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択し、
前記相互認証サーバの特徴ベクトル比較手段が、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定し、
前記相互認証サーバの鍵共有手段が、前記特徴ベクトルが一致する場合に前記各端末装置に対して認証鍵を生成して送信し、
前記各端末装置の相互認証手段が、返信されてきた前記認証鍵を利用して前記他の端末装置との間で相互認証を行う
こと、を特徴とする相互認証方法。
In a mutual authentication system in which a plurality of terminal devices and a mutual authentication server are connected to each other,
The voice data collection means of each terminal device collects ambient environmental sounds as voice data,
The feature vector generating means of each terminal device generates a feature vector by analyzing the frequency component of the audio data and transmits it to the mutual authentication server,
The feature vector selection means of the mutual authentication server selects the feature vectors received from the respective terminal devices that have an acquisition time within a predetermined difference,
The feature vector comparison means of the mutual authentication server determines whether or not these feature vectors match between the terminal devices,
The key sharing means of the mutual authentication server generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vectors match,
A mutual authentication method, wherein the mutual authentication means of each terminal device performs mutual authentication with the other terminal device using the returned authentication key.
他の端末装置および相互認証サーバと相互に接続されて相互認証システムを構成する一の端末装置にあって、
音声データ収集手段が、周辺の環境音を音声データとして収集し、
特徴ベクトル生成手段が、前記音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して前記相互認証サーバに送信し、
相互認証手段が、前記特徴ベクトルに応じて前記相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して前記他の端末装置との間で相互認証を行うこと、を特徴とする相互認証方法。
In one terminal device that is mutually connected to another terminal device and a mutual authentication server to constitute a mutual authentication system,
Audio data collection means collects ambient environmental sounds as audio data,
The feature vector generation means analyzes the frequency component of the audio data to generate a feature vector and sends it to the mutual authentication server,
A mutual authentication method, wherein the mutual authentication means performs mutual authentication with the other terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server according to the feature vector.
複数の端末装置と相互に接続されて相互認証システムを構成する相互認証サーバにあって、
特徴ベクトル選択手段が、前記各端末装置から受信した前記特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択し、
特徴ベクトル比較手段が、当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定し、
鍵共有手段が、前記特徴ベクトルが一致する場合に前記各端末装置に対して認証鍵を生成して送信すること、を特徴とする相互認証方法。
In a mutual authentication server that is mutually connected to a plurality of terminal devices and constitutes a mutual authentication system,
A feature vector selection unit selects one of the feature vectors received from each of the terminal devices that has an acquisition time within a predetermined difference,
The feature vector comparison means determines whether or not these feature vectors match between the terminal devices,
A mutual authentication method, wherein key sharing means generates and transmits an authentication key to each terminal device when the feature vectors match.
他の端末装置および相互認証サーバと相互に接続されて相互認証システムを構成する一の端末装置にあって、
前記端末装置が備えるプロセッサに、
周辺の環境音を音声データとして収集する手順、
前記音声データの周波数成分を解析して特徴ベクトルを生成して前記相互認証サーバに送信する手順、
および前記特徴ベクトルに応じて前記相互認証サーバから返信されてきた認証鍵を利用して前記他の端末装置との間で相互認証を行う手順
を実行させること、を特徴とする相互認証プログラム。
In one terminal device that is mutually connected to another terminal device and a mutual authentication server to constitute a mutual authentication system,
In the processor provided in the terminal device,
Procedures for collecting ambient environmental sounds as audio data,
Analyzing frequency components of the audio data to generate a feature vector and transmitting it to the mutual authentication server;
And a mutual authentication program for executing a procedure for performing mutual authentication with the other terminal device using an authentication key returned from the mutual authentication server in accordance with the feature vector.
複数の端末装置と相互に接続されて相互認証システムを構成する相互認証サーバにあって、
前記相互認証サーバが備えるプロセッサに、
前記各端末装置から受信した前記特徴ベクトルの中から取得時刻が予め与えられた差分内であるものを選択する手順、
当該端末装置間でこれらの特徴ベクトルが一致するか否かを判定する手順、
および前記特徴ベクトルが一致する場合に前記各端末装置に対して認証鍵を生成して送信する手順
を実行させること、を特徴とする相互認証プログラム。
In a mutual authentication server that is mutually connected to a plurality of terminal devices and constitutes a mutual authentication system,
In the processor included in the mutual authentication server,
A procedure for selecting the feature vector received from each terminal device that has an acquisition time within a given difference,
A procedure for determining whether or not these feature vectors match between the terminal devices;
And a mutual authentication program for executing a procedure for generating and transmitting an authentication key to each terminal device when the feature vectors match.
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