KR101729663B1 - 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성을 확보함으로써, 이미지센서로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)의 값이 기기에 상관없이 항상 일정 범위 내에서 출력될 수 있으며, 그에 따라 각 픽셀 간 편차를 최소화하면서도 충분한 난수성이 지속적으로 유지될 수 있는 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법을 제안한다.

Description

양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING PERFORMANCE OF RANDOM NUMBER GENERATOR BASED ON QUANTUM SHOT NOISE}
본 발명은 양자 노이즈 기반 난수생성기(Quantum random number generator)의 성능 안정성 확보 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성을 확보하기 위한 방안에 관한 것이다.
난수(random number)는 보안, 과학적 계산, 게임, 복권 등의 다양한 분야에 필요로 하고 있으며, 현재 대부분의 경우에는 순수난수(True random number)가 아닌 알고리즘 기반으로 생성되는 의사난수(Pseudo-random number)가 사용되고 있다.
하지만, 의사난수는 특정한 패턴을 가지고 있으므로 장시간 동안 생성되는 비트열을 관찰한다면 생성되는 비트열의 패턴이 도출될 가능성이 높아 난수가 가져야 할 근본적인 특성 중의 하나인 예측불가능성이 크게 훼손된다. 특히, 이러한 의사난수가 암호통신을 비롯한 보안분야에 사용된다면 보안성이 취약해지는 매우 심각한 문제를 초래하게 된다.
전술의 문제점을 해결하기 위해, 의사난수가 아닌 순수난수를 생성하는 순수난수 생성기(True random number generator)에 대한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있으며, 그 중 양자 현상을 이용하여 순수난수를 생성하는 난수생성기(Quantum random number generator)는 자연현상에 존재하는 완벽한 난수성을 이용하여 랜덤 비트열을 생성하는 기술이다.
이러한 난수생성기를 구성하는 하나의 방법으로 광원이 가지고 있는 빛의 입자적 특성에 의해 나타나는 광자 수의 불확정도인 샷 노이즈(Shot noise)를 이용하는 방법을 생각해 볼 수 있다.
이처럼 광원이 가진 가장 근원적인 노이즈 중의 하나인 광자 수에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)에 기반하여 난수를 생성하는 난수생성기를 구현함에 있어, 카메라 모듈에 주로 사용되고 있는 CMOS 센서(sensor) 또는 CCD 센서(sensor) 등과 같은 이미지센서(image sensor)를 이용하는 기술이 최근 등장하였다(논문: Physical Review X, 4, 031056 (2014) 참고).
좀 더 구체적으로, 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise) 기반의 난수생성기는 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기값을 난수로 사용하는데, 이 광세기값의 변동(fluctuation)이 난수성(randomness)의 근원이 된다. 특히, 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기값은 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖는다. 이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성은 결국, 광세기값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다.
결국, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 각 픽셀 별 광세기값의 평균(mean)값에 따라 이미지센서로부터 출력되는 엔트로피(entropy)가 결정되며, 결정된 엔트로피(entropy)에 의해 난수성의 품질이 결정되게 된다. 즉, 각 픽셀 별 광세기값의 평균(mean)값의 증가는 분산의 증가를 의미하므로, 각 픽셀 별 광세기값의 변동(fluctuation)이 커지고, 엔트로피(entropy)가 증가하게 되어 난수성의 품질이 향상되게 되며, 각 픽셀 별 광세기값의 평균(mean)값의 감소는 분산의 감소를 의미하므로, 각 픽셀 별 광세기값의 변동(fluctuation)이 작아지고, 엔트로피(entropy)가 감소하게 되어 난수성의 품질이 감소하게 된다.
이에, 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise) 기반의 난수생성기는 광원과 이미지센서를 이용함으로써 엔트로피(entropy)에 대응하는 엔트로피 신호(entropic signal)를 생성하고, 이에 대한 RNG(Random Number Generator) 후처리 단계(post-processing)를 수행하여 난수를 생성하게 되는 것이다.
그러나, 광원과 이미지센서들의 제조공정에서 발생할 수 있는 특성 차이, 난수생성기를 구현하는 방식 또는 구조에 따른 특성, 외부 온도, 전류 공급 등에 따른 환경적인 변화요인 등과 같은 다양한 성능 안정성 저하원인으로 인해, 동일한 난수생성기 모듈, 칩, 또는 기기들이라도 이미지센서로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)들이 각기 다른 값을 갖게 됨에 따라 최종적으로 출력되는 난수의 품질이 동일하지 못하고 서로 상이하게 되는 것에 의해 성능 안정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능 안정성 확보 기술에 관한 것으로, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성이 지속적으로 확보되도록 하는 데 있다.
또한, 본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 난수생성기의 성능관리장치는, 적어도 하나의 광원으로부터 방사되는 광신호가 다수의 픽셀을 포함하는 이미지센서로 입력되는 경우, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값을 확인하는 출력확인부; 상기 각 픽셀의 출력값과 상기 기 설정된 통계특성기준영역을 이용하여 상기 각 픽셀의 성능을 분석하는 성능분석부; 및 상기 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 상기 광원 및 상기 이미지센서 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경하는 설정변경부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 성능분석부는, 상기 광원이 온(on) 상태인 경우, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 상기 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되는 경우, 상기 각 픽셀의 성능이 안정된 것으로 판단하여 제1 성능분석결과신호를 생성하며, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 상기 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되지 않는 경우, 상기 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것으로 판단하여 제2 성능분석결과신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 설정변경부는, 상기 제2 성능분석결과신호가 생성되는 경우, 상기 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 상기 광원의 광량 또는 광세기 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하는 것을 특징으로 한다.
상기 설정변경부는, 상기 제2 성능분석결과신호가 생성되는 경우, 상기 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 상기 이미지센서 내 상기 각 픽셀의 구동제어와 관련되는 제2 설정값을 변경하는 것을 특징으로 한다.
상기 설정변경부는, 상기 제2 성능분석결과신호가 생성되는 경우, 상기 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값의 균일도가 기 설정된 균일도판단기준범위에 포함되지 않으면, 상기 이미지센서의 ROI(range of interest) 제어와 관련되는 제3 설정값을 변경하는 것을 특징으로 한다.
상기 성능분석부는, 상기 광원이 오프(off) 상태인 경우, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 기 설정된 노이즈판단기준값(예: 0 또는 0 보다 큰 특정값) 보다 큰 값인 경우, 상기 각 픽셀의 전기적 노이즈가 기준 이상인 것으로 판단하며, 상기 설정변경부는, 상기 전기적 노이즈와 관련되는 제4 설정값을 변경하는 것을 특징으로 한다.
상기 기 설정된 통계특성기준영역은, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 상기 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 가질 수 있는 범위 중 기 설정된 변동폭구분기준값 이상에 해당하는 범위로 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 설정값에 대한 변경 이후 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값의 품질을 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 난수생성기의 성능관리장치의 동작 방법은, 적어도 하나의 광원으로부터 방사되는 광신호가 다수의 픽셀을 포함하는 이미지센서로 입력되는 경우, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값을 확인하는 출력확인단계; 상기 각 픽셀의 출력값과 상기 기 설정된 통계특성기준영역을 이용하여 상기 각 픽셀의 성능을 분석하는 성능분석단계; 및 상기 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 상기 광원 및 상기 이미지센서 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경하는 설정변경단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 설정변경단계는, 상기 광원이 온(on) 상태인 경우, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 상기 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되지 않으면, 상기 광원의 광량 또는 광세기 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하는 단계; 상기 이미지센서 내 상기 각 픽셀의 구동제어와 관련되는 제2 설정값을 변경하는 단계; 및 상기 이미지센서의 ROI(range of interest) 제어와 관련되는 제3 설정값을 변경하는 단계 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기 설정된 통계특성기준영역은, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 상기 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 가질 수 있는 범위 중 기 설정된 변동폭구분기준값 이상에 해당하는 범위로 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 설정값에 대한 변경 이후 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값의 품질을 모니터링하는 모니터링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명은 양자 노이즈 기반 난수생성기(Quantum random number generator)의 성능 안정성 확보 기술에 관한 것으로, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성을 확보함으로써, 이미지센서로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)의 측정값이 기기에 상관없이 항상 일정 범위 내에서 출력될 수 있으며, 그에 따라 각 픽셀 간 편차를 최소화하면서도 충분한 난수성이 지속적으로 확보될 수 있는 효과가 성취된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하는 성능관리장치가 적용될 통신 환경을 보여주는 예시도이다.
도 2는 난수생성기를 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 성능관리장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통계특성기준영역에 대한 일례를 보여주는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 성능관리장치에서 난수생성기의 성능 안정성을 확보하는 동작 흐름을 보여주는 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하는 성능관리장치가 적용될 환경을 보여주는 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 성능관리환경은, 난수생성기(100) 및 성능관리장치(200)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
난수생성기(100)는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 소정 시간 동안의 광세기값을 검출하며, 검출한 광량에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 기반으로 순수난수(True random number)(이하, 난수)를 생성한다.
이러한 난수생성기(100)는, 양자 노이즈를 기반으로 하는 양자난수생성기(Quantum Random Number Generator, QRNG)일 수 있으며, 장비, 모듈 및 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.
이때, 난수생성기(100)의 크기 및 성능에 따라 적어도 하나의 광원이 구비될 수 있으며, 광원의 개수는 제한되지 않는다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 광원이 1개인 것으로 언급하여 설명하도록 하겠다.
성능관리장치(200)는, 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보하기 위한 장치로서, 특히 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 ADC 출력값(이하, 출력값)을 기반으로 각 픽셀 별 성능을 분석하고, 분석한 결과에 기초하여 광원 및 이미지센서 중 적어도 하나의 설정(setting)을 제어하거나, 이미지센서 내 ROI(range of interest)를 변경하여 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보 및 모니터링하기 위한 장치이다.
이를 위해, 성능관리장치(200)는, 난수생성기(100) 내 구성(예: 광원, 이미지센서, ADC 등)의 입력 및 출력신호를 확인할 수 있으며, 구성(예: 광원, 이미지센서, ADC 등)의 설정값을 제어할 수 있는 데, 보다 구체적인 내용은 후술하도록 하겠다.
이러한 성능관리장치(200)는, 난수생성기(100) 내에 탑재되어 구현될 수도 있으며, 별도의 장치로 구현되어 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보 및 모니터링 할 수도 있으며, 본 발명에서는 성능관리장치(200)가 별도의 장치로 구현된 것으로 언급하여 설명하도록 하겠다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 성능관리장치(200)의 구성을 설명하기에 앞서 난수생성기(100)를 제작함에 있어 가장 용이하게 생각해 볼 수 있는 난수생성기(100)의 기본 구조에 대해 간단히 설명하도록 하겠다.
도 2에 도시한 바와 같이, 난수생성기(100)는, 광원(110)으로부터 방사되어 이미지센서(120)의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 소정 시간 동안의 광세기값, 즉 광량을 검출하며, 검출한 광량에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 기반으로 순수난수(True random number)(이하, 난수)를 생성하며, 장비, 모듈 및 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.
이러한 난수생성기(100)는, 광원(110), 이미지센서(120), 증폭기(130) 및 ADC(analog-digital converter)(140)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
광원(110)은, 광자를 방사하며, 예컨대 다수의 광자로 이루어진 광신호를 연속적으로 방사할 수 있다.
이러한 광원(110)은, 레이저(laser) 등과 같은 간섭광(coherent light) 또는 LED(light emitting diode) 등과 같은 혼돈광(chaotic light)일 수 있다. 만일, 광원(110)으로 LED가 사용되는 경우, 양자 노이즈 특성이 유지될 수 있도록 설정된 임계범위 내에서 적정 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
이미지센서(120)는, 이미지센서(120)가 장착된 카메라 모듈일 수 있으며, 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수(150)가 생성될 수 있도록 특정 시간 단위로 누적된 전류/전압을 증폭기(130)로 전달한다.
이때, 이미지센서(120)는, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서 및 CCD(charge coupled device) 센서 등으로 구현될 수 있으며, 광원(110)으로부터 방사되는 광신호를 검출할 수 있다면 다른 유사 센서들로도 구성될 수 있다.
이러한, 이미지센서(120)는, 다수의 픽셀(PI1-PIn)을 포함하며, 각 픽셀(PI1-PIn)은 제어신호에 따라 제어될 수 있다.
증폭기(130)는, 이미지센서(120)로부터 입력되는 전류/전압을 증폭한 다음 ADC(140)로 전송한다.
ADC(140)는, 증폭기(130)를 통해 특정 시간 단위로 누적된 전류/전압이 증폭되어 아날로그 신호로 수신되면, 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 난수(150)를 생성하게 된다.
전술한 난수생성기(100)의 구조는 가장 용이하게 생각해 볼 수 있는 기본 방안으로서 관련된 유사 기술이 Physical Review X, 4, 031056 (2014) 등에 이미 공지된 것을 확인할 수 있다.
이러한 구성원리를 갖는 난수생성기(100)를 통해 난수(150)가 생성되는 경우, 이미지센서(120)의 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기값이 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 수학식 1과 같이 선형 비례 관계를 갖게 된다.
Figure 112015129237419-pat00001
여기서, m은 광세기값의 평균(mean)값을 의미하며, σ 2 은 분산(variance)을 의미한다.
이러한 이유로, 광세기값의 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 이미지센서(120)의 각 픽셀에서의 난수성은 결국, 광세기값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다.
결국, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 각 픽셀 별 광세기값의 평균(mean)값에 따라 이미지센서(120)로부터 출력되는 엔트로피(entropy)가 결정되며, 결정된 엔트로피(entropy)에 의해 난수성의 품질이 결정되게 된다. 즉, 각 픽셀 별 광세기값의 평균(mean)값의 증가는 분산의 증가를 의미하므로, 각 픽셀 별 광세기값의 변동(fluctuation)이 커지고, 엔트로피(entropy)가 증가하게 되어 난수성의 품질이 향상되게 되며, 각 픽셀 별 광세기값의 평균(mean)값의 감소는 분산의 감소를 의미하므로, 각 픽셀 별 광세기값의 변동(fluctuation)이 작아지고, 엔트로피(entropy)가 감소하게 되어 난수성의 품질이 감소하게 된다.
이에, 난수생성기(100)는 광원(110)과 이미지센서(120)를 이용함으로써 엔트로피(entropy)에 대응하는 엔트로피 신호(entropic signal)를 생성하고, 이에 대한 RNG(Random Number Generator) 후처리 단계(post-processing)를 수행하여 난수(150)를 생성하게 되는 것이다.
그러나, 광원(110)과 이미지센서(120)의 제조공정에서 발생할 수 있는 특성 차이, 난수생성기(100)를 구현하는 방식 또는 구조에 따른 특성, 외부 온도, 전류 공급 등에 따른 환경적인 변화요인 등과 같은 다양한 성능 안정성 저하원인으로 인해, 동일한 난수생성기 모듈, 칩, 또는 기기들이라도 이미지센서(120)로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)들이 각기 다른 특성의 값을 갖게 됨에 따라 최종적으로 출력되는 난수성의 품질이 동일하지 못하고 서로 상이하게 되는 것에 의해 성능 안정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해소하기 위해서는, 이미지센서(120)로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)의 값(value)이 기기에 상관없이 항상 일정 범위에 있을 수 있도록 해야 하며, 이미지센서(120)의 각 픽셀이 충분한 난수성(randomness)를 확보할 수 있도록 해야 하며, 픽셀(pixel) 간의 편차를 최소화 하며, 광원(100)이 온(on) 상태가 유지되는 한 계속해서 충분한 난수성(randomness)을 확보할 수 있도록 하는 것이 중요한 요소가 된다고 할 수 있다.
이에, 본 발명에서는, 각기 다른 난수생성기가 다양한 성능 안정성 저하원인의 영향을 받는 경우에도, 광원(110) 및 이미지센서(120)의 상태를 제어한 후 주기적인 모니터링/제어를 통해 난수생성기(100)의 출력 품질에 대한 안정성을 확보하기 위한 방안을 제안하고자 한다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 성능관리장치(200)의 구성을 구체적으로 설명하도록 하겠다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 성능관리장치(200)는, 광원(110)으로부터 방사되는 광신호가 다수의 픽셀을 포함하는 이미지센서(120)로 입력되는 경우, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 각 픽셀로부터 출력되는 출력값을 확인하는 출력확인부(210), 각 픽셀의 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 이용하여 각 픽셀의 성능을 분석하는 성능분석부(220), 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경하는 설정변경부(230), 및 설정값에 대한 변경 이후 각 픽셀의 출력 품질을 모니터링하는 모니터링부(240)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
이상의 출력확인부(210), 성능분석부(220), 설정변경부(230) 및 모니터링부(240)를 포함하는 성능관리장치(200)의 전체 구성 내지는 적어도 일부는 소프트웨어 모듈 또는 하드웨어 모듈 형태로 구현되거나, 또는 소프트웨어 모듈과 하드웨어 모듈이 조합된 형태로도 구현될 수 있다.
결국, 본 발명이 일 실시예에 따른 성능관리장치(200)는 위 구성들을 통해 광원(110)으로부터 방사되어 이미지센서(120)의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성을 확보함으로써, 이미지센서(120)로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)의 값이 기기에 상관없이 항상 일정 범위 내에서 출력될 수 있으며, 그에 따라 각 픽셀 간 편차를 최소화하면서도 충분한 난수성이 지속적으로 확보되도록 할 수 있는 데, 이하에서는 이를 위한 성능관리장치(200) 내 각 구성에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
출력확인부(210)는, 이미지센서(120)의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀의 출력값을 확인하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 출력확인부(210)는, 광원(110)이 온(on) 상태인지 또는 오프(off) 상태인지를 확인한 후 현재 상태에서의 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한다.
여기서, 각 픽셀의 출력값은, 이미지센서(120) 마다 8 비트(bit), 10 비트(bit), ? 16 비트(bit)로 병렬 출력(parallel output)될 수도 있고, 시리얼 출력(serial output)될 수도 있다. 이처럼 병렬 출력(parallel output) 또는 시리얼 출력(serial output)로 출력되더라도 각 픽셀의 출력값은, 결국 일정 범위의 디지털 값(digital value)로 해석되게 된다. 예를 들어, 각 픽셀의 출력이 10 비트(bit)인 경우에는, ADC(140)를 통해 디지털 값(digital value)로 해석되는 출력값이 (0 ~ 1023) 사이의 값을 갖게 된다.
이처럼 각 픽셀의 출력값을 검출할 때, 출력확인부(210)는, 운용자의 설정에 따라 이미지센서(120)의 전체 픽셀에 대한 출력값을 모두 확인할 수도 있고, 시간을 단축하기 위해 일부만(예: 일정 간격 또는 특정패턴(pattern)) 확인할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 이미지센서(120)의 각 픽셀에 대한 출력값을 모두 확인하는 것으로 가정하여 설명하도록 하겠다.
이후, 출력확인부(210)는, 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한 결과를 알리기 위한 검출결과신호를 생성한다.
즉, 출력확인부(210)는, 현재 광원(110)이 온(on) 상태인 경우, 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한 후 검출된 각 픽셀의 출력값을 포함하는 온상태검출결과신호를 생성한다.
여기서, 온상태검출결과신호에는, 광원이 온(on) 상태일 때 검출된 각 픽셀의 출력값 및 광원이 온(on) 상태임을 확인할 수 있는 식별자 등이 포함될 수 있다.
한편, 출력확인부(210)는, 현재 광원(110)이 오프(off) 상태인 경우, 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한 후 검출된 각 픽셀의 출력값을 포함하는 오프상태검출결과신호를 생성한다.
여기서, 오프상태검출결과신호에는, 광원이 오프(off) 상태일 때 검출된 각 픽셀의 출력값 및 광원이 오프(off) 상태임을 확인할 수 있는 식별자 등이 포함될 수 있다.
이처럼 현재 광원의 온(on)/오프(off) 상태에 따른 검출결과신호의 생성이 완료되면, 출력확인부(210)는, 검출결과신호를 성능분석부(220)로 전달한다.
성능분석부(220)는, 각 픽셀의 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 이용하여 각 픽셀의 성능을 분석하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 성능분석부(220)는, 출력확인부(210)로부터 수신되는 검출결과신호에 기초하여 광원(110)의 온(on)/오프(off) 상태에 따른 각 픽셀의 성능을 분석한다.
먼저, 광원(110)이 온(on) 상태일 때 각 픽셀의 성능을 분석하는 과정에 대하여 설명하도록 하겠다.
성능분석부(220)는, 출력확인부(210)로부터 온상태검출결과신호가 수신되는 경우, 현재 광원(110)이 온(on) 상태인 것으로 판단한다. 이어서, 성능분석부(220)는, 온상태검출결과신호로부터 광원이 온(on) 상태일 때 검출된 각 픽셀의 출력값을 확인한다.
이후, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 비교한 결과에 기초하여 성능결과를 생성한다. 이때, 운용자의 설정에 따라 이미지센서(120)의 전체 픽셀에 대한 출력값을 모두 기 설정된 통계특성기준영역과 비교할 수도 있고, 시간을 단축하기 위해 일부만(예: 일정 간격 또는 특정패턴(pattern)) 비교할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 이미지센서(120)의 각 픽셀에 대한 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 모두 비교하는 것으로 가정하여 설명하도록 하겠다.
여기서, 통계특성기준영역은, 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)의 통계 특성을 유지하고 있는 영역에 각 픽셀의 출력값이 분포하고 있는지 또는 충분한 변동성(fluctuation)을 갖고 있는지를 확인하기 위한 기준범위일 수 있다.
이러한, 통계특성기준영역은, 우수한 난수성을 확보하기 위해 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)의 통계 특성을 유지하는 구간(이하, 통계특성유지구간) 내에서 가능한 큰 값을 갖고, 각 픽셀 별 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 큰 영역으로 설정하되, 포화(saturation)되거나 또는 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise) 특성을 벗어나는 구간은 배제하는 것이 바람직할 것이다.
이와 관련하여, 도 4에서는 본 발명의 실시예에 따른 통계특성기준영역에 대한 일례를 보여주고 있다. 도 4에서는 이미지센서(120)의 ADC(140)의 출력값이 10 비트(bit)인 것으로 언급하여 설명하도록 하겠다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 통계특성기준영역은, 이미지센서(120)의 출력이 10 비트(bit)인 경우, 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 디지털 값(digital value)으로 해석되었을 때 가질 수 있는 출력값의 범위인 (0 ~ 1023) 내에서 결정되게 되며, 이 범위의 일부 또는 전체에서 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)의 통계 특성을 유지할 수 있게 된다. 이러한 특성 유지 구간을 확인하기 위해서, 별도의 추가적인 통계 분석 모듈이 포함될 수 있다.
통계특성기준영역은, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 각 픽셀의 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 디지털 값(digital value)로 해석되었을 때 가질 수 있는 최저값(예: 0)과 최대값(예: 1023) 사이의 특성유지구간(R) 내에서 가능한 큰 값으로 결정되게 된다.
여기서, 특성유지구간(R)은, 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 큰 영역에 해당하는 변동폭구분기준값(예: 512)과 최대값(예: 1023) 사이의 제1 구간(R1)과, 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 작은 영역에 해당하는 최저값(예: 0)과 변동폭구분기준값(예: 512) 사이의 제2 구간(R2)으로 구분될 수 있다.
본 발명에서는 설명의 편의를 위해 최저값(예: 0)과 최대값(예: 1023) 사이의 중간값인 (512)를 변동폭구분기준값으로 기 설정한 후 변동폭구분기준값(예: 512)을 기준으로 특성유지구간(R) 중 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 큰 영역을 제1 구간(R1)으로, 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 작은 영역을 제2 구간(R2)으로 구분하였으나, 이에 한정되지 않으며, 사용자의 설정에 따라 다른 변동폭구분기준값을 적용하여 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 큰 영역과 작은 영역을 구분할 수 있음은 물론이다.
결국, 우수한 난수성을 확보하기 위해서는 특성유지구간(R) 중 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 큰 영역에 해당하는 제1 구간(R1)이 통계특성기준영역으로 미리 결정되는 것이 바람직할 것이다.
이에, 성능분석부(220)는, 디지털 값(digital value)으로 변환된 각 픽셀 별 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 비교하여 해당 픽셀의 성능 안정성을 판단할 수 있게 된다.
즉, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 출력값이 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되는 경우, 각 픽셀의 성능이 안정된 것으로 판단하여 제1 성능분석결과신호를 생성하며, 각 픽셀의 출력값이 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되지 않는 경우, 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것으로 판단하여 제2 성능분석결과신호를 생성하게 된다. 제2 성능분석결과신호는 설정변경부(230)가 설정값을 변경하기 위한 참고 데이터를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 각 픽셀의 성능이 안정된 것으로 판단되는 경우 제1 성능분석결과신호를 생성하며, 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것으로 판단되는 경우 제2 성능분석결과신호를 생성하여 전송하는 것으로 언급하였으나, 이에 한정되지 않으며, 각 픽셀의 성능이 안정된 경우에는 별도의 신호를 생성하여 전송하지 않고 성능이 안정되지 않은 경우에만 설정값 변경과 관련되는 신호를 생성하여 전송하는 방식 등과 같이 다양한 신호처리방식에 의해 운용될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때 각 픽셀의 성능을 분석하는 과정에 대하여 설명하도록 하겠다.
성능분석부(220)는, 출력확인부(210)로부터 오프상태검출결과신호가 수신되는 경우, 현재 광원(110)이 오프(off) 상태인 것으로 판단한다. 이어서, 성능분석부(220)는, 오프상태검출결과신호로부터 광원(110)이 오프(off) 상태일 때 검출된 각 픽셀의 출력값을 확인한다.
이후, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 출력값이 기 설정된 노이즈판단기준값(예: 0 또는 0 보다 큰 특정값) 보다 큰 값으로 출력되고 있는지를 확인한다.
즉, 성능분석부(220)는, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때, 각 픽셀의 출력값이 상기 노이즈판단기준값 보다 큰 값으로 출력되고 있는 경우에는 이미지센서(120)의 전기적 노이즈(electrical noise)가 기준 이상인 것으로 판단하여, 전기적 노이즈의 제거를 위한 설정값이 변경되도록 전기적노이즈비정상신호를 생성하고, 이를 설정변경부(230)로 전송한다. 전기적노이즈비정상신호는 설정변경부(230)가 설정값을 변경할 수 있는 참고 데이터를 포함할 수 있다.
여기서, 노이즈판단기준값은, 전기적 노이즈의 발생여부를 판단하기 위해 설정되는 기준값으로 운영자의 설정에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
한편, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때, 각 픽셀의 출력값이 상기 노이즈판단기준값 보다 작은 값으로 출력되고 있는 경우에는 이미지센서(120)의 전기적 노이즈(electrical noise)가 기준 이하인 것으로 판단하여, 전기적 노이즈가 정상범위에 포함되어 있음을 알리기 위해 전기적노이즈정상신호를 생성하고, 이를 설정변경부(230)로 전송한다.
본 발명에서는 각 픽셀의 출력값이 기 설정된 노이즈판단기준값 보다 큰 경우에는 전기적노이즈비정상신호를 생성하며, 각 픽셀의 출력값이 상기 노이즈판단기준값 보다 작은 경우에는 전기적노이즈정상신호를 생성하여 전송하는 것으로 언급하였으나, 이에 한정되지 않으며, 전기적 노이즈가 정상범위에 포함되는 경우에는 별도의 신호를 생성하여 전송하지 않고 전기적 노이즈가 발생된 것으로 판단되는 경우에만 설정값 변경과 관련되는 신호를 생성하여 전송하는 방식 등과 같이 다양한 신호처리방식에 의해 운용될 수 있음은 물론이다.
한편, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경하는 기능을 수행한다.
먼저, 광원(110)이 온(on) 상태일 때 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 설정값을 변경하는 과정에 대하여 설명하도록 하겠다.
보다 구체적으로, 설정변경부(230)는, 성능분석부(220)로부터 제2 성능분석결과신호가 수신되는 경우, 광원(110)이 온(on) 상태일 때 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것이므로 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나의 상태가 제어될 수 있도록 설정값을 변경한다.
이때, 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나의 상태를 제어하기 위해 가장 대표적으로 실행할 수 있는 방법은 광원(110) 및 이미지센서(120) 내 각 부품의 레지스터(register) 값을 변경하거나, 실제 인가되는 전압 또는 전류를 제어를 위한 셋팅값(setting)을 변경하는 것으로 가능할 수도 있다. 이에, 이하에서는 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나의 설정값을 변경하는 것으로 언급하여 설명하도록 하겠다.
먼저, 광원(110)의 상태를 제어하는 경우, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 광원(110)의 광량 또는 광세기 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하여 광원(110)에 인가되는 전류량 또는 전압량이 변경되도록 한다.
여기서, 제1 설정값은, 전류량 또는 전압량 제어를 위한 특정한 구성의 설정값으로 한정되지 않으며, 난수생성기(100) 내에서 광원(110)의 광량을 제어할 수 있는 모든 구성에 대한 설정값일 수 있다.
즉, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 출력값이 전반적으로 낮게 형성되는 경우는 광원(110)으로 인가되는 전류량 또는 전압량이 증가되도록 제1 설정값을 제어하고, 반대로 각 픽셀의 출력값이 높게 형성되는 경우에는 광원(110)으로 인가되는 전류량 또는 전압량이 감소되도록 제1 설정값을 제어한다.
다음, 이미지센서(120)의 상태를 제어하는 경우, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 이미지센서(120) 내 각 픽셀의 구동제어와 관련되는 제2 설정값을 변경하여 원하는 만큼의 변동(fluctuation)이 발생되도록 할 수 있다.
여기서, 제2 설정값은, 이미지센서(120)의 아날로그 게인(analog gain), 노출시간(exposure time) 등과 같이 각 픽셀의 감도를 제어하기 위한 구동제어 파라미터가 포함될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 이미지센서(120)을 구성하는 다수의 픽셀 중 원하는 영역 포함되는 픽셀의 출력값이 원하는 만큼의 변동(fluctuation)이 출력될 수 있도록 하는 다른 파라미터들도 포함될 수 있다.
그렇지만, 대부분의 경우에는 광원(110)의 전류량 또는 전압량 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하여 제어하는 것을 우선적으로 수행하는 것이 바람직할 것이다.
한편, 이미지센서(120)의 상태를 제어했음에도 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값의 균일도가 기 설정된 균일도판단기준범위에 포함되지 않으면, 설정변경부(230)는, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값이 원하는 만큼 균일하지 않은 것으로 판단하여 이미지센서(120)의 ROI(range of interest) 제어와 관련되는 제3 설정값을 변경하여 광신호의 광세기값이 균일하게 입력되는 특정영역만을 선택하여 사용할 수도 있다.
여기서, 제3 설정값은, 이미지센서(120) 내 전체영역 중 사용자가 원하는 특정영역만을 선택하기 위한 모든 파라미터들(예: 시작점 설정, 길이 설정 등)이 포함될 수 있다. 균일도판단기준범위는, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값의 균일한 정도를 판단하기 위해 설정되는 기준값으로 운영자에 설정에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
이때, ROI(range of interest)는, 광신호의 광세기값이 균일하게 입력되는 특정영역을 구분할 수 있는 가로 시작점, 세로 시작점, 가로 길이 및 세로 길이를 지정함으로써 변경되게 되는 데, 일반적으로는 이미지센서(120)의 레지스터(register) 값을 제어함으로써 변경할 수 있다.
결국, 설정변경부(230)는, 이미지센서(120)의 다수의 픽셀 중 일정 간격 또는 패턴(pattern)으로 배치된 픽셀들의 출력값을 확인하여 광신호의 광세기값이 균일하게 입력되는 픽셀이 포함되는 영역을 특정영역으로 결정한다. 이후, 설정변경부(230)는, 이미지센서(120) 내에서 특정영역을 사용할 영역으로 구분하고, 특정영역 이외의 나머지 영역을 버려질 영역으로 구분한 후 특정영역을 ROI로 결정하게 된다.
이처럼 ROI를 결정하는 방법으로는 전술한 방식을 사용하는 것이 일반적이지만, 시작점 또는 길이를 지정함에 있어 일부 제한 요소가 있을 수 있으므로, 경우에 따라서는 다수의 영역을 지정하거나 또는 직사각형이 아닌 형태까지도 가능할 수 있다. 물론, 사용하는 이미지센서에서 지원하는 범위 내에서 구현하는 것이 바람직할 것이다.
다음으로, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 설정값을 변경하는 과정에 대하여 설명하도록 하겠다.
보다 구체적으로, 설정변경부(230)는, 성능분석부(220)로부터 전기적노이즈비정상신호가 수신되는 경우, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때 전기적 노이즈가 기준 이상인 것이므로, 전기적 노이즈와 관련되는 제4 설정값을 변경하게 된다.
여기서, 제4 설정값은, 이미지센서(120)의 오프셋값(offset value), 아날로그 게인(analog gain), 노출시간(exposure time) 등이 포함될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 전기적 노이즈를 제거할 수 있다면 다른 파라미터들도 포함될 수 있다.
모니터링부(240)는, 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경 이후 각 픽셀의 출력값의 품질을 모니터링하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 모니터링부(240)는, 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나에 대한 설정값의 변경이 완료되면, 주기적으로 상태 모니터링과 그에 따른 추가 조정을 수행하게 된다.
이때, 모니터링 주기의 설정은, 하드웨어의 특성에 따라 1시간, 하루, 한달 등과 같이 다양한 단위를 기준으로 설정될 수 있다.
이처럼 주기적인 상태 모니터링을 수행한 결과, 각 픽셀의 출력값이 원하는 영역에서 벗어나게 되는 경우, 특히, 수 회에 걸쳐, 일정 수준 이상으로 벗어나게 되는 경우, 모니터링부(240)는, 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나에 대한 설정값 변경을 다시 수행해야 함을 알리기 위해 경고 시그널을 생성하게 된다.
만일, 경고 시그널이 짧은 주기로 반복되어 생성되는 경우에는, 난수생성기(100)의 동작을 일시 중시시키고, 웜부팅(warm booting) 또는 콜드부팅(cold booting)을 할 수도 있다.
한편, 주기적인 상태 모니터링을 수행하였을 때 각 픽셀의 출력값이 원하는 영역에 있는 경우라도, 각 픽셀의 출력값의 품질을 테스트하는 장치(예: 테스트 모듈)가 이상 징후를 발견하는 경우에는, 경고 시그널을 생성하여 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나에 대한 설정값이 다시 변경될 수 있도록 제어하게 된다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 성능관리장치(200)에서의 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보하는 동작 흐름을 설명하기로 한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 전술의 도 1 ~ 도 4에서 언급한 참조번호를 언급하여 설명하도록 하겠다. 도 5에서 언급하는 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보하는 동작 흐름은 운영자의 선택에 따라 모두 사용될 수도 일부만 사용될 수도 있다.
먼저, 출력확인부(210)는, 이미지센서(120)의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀의 출력값을 확인한다(S100).
즉, 출력확인부(210)는, 광원(110)이 온(on) 상태인지 또는 오프(off) 상태인지를 확인한 후 현재 상태에서의 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한다.
결국, 출력확인부(210)는, 현재 광원(110)이 온(on) 상태인 경우, 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한 후 검출된 각 픽셀의 출력값을 포함하는 온상태검출결과신호를 생성하며, 현재 광원(110)이 오프(off) 상태인 경우, 이미지센서(120)의 각 픽셀의 출력값을 검출한 후 검출된 각 픽셀의 출력값을 포함하는 오프상태검출결과신호를 생성한다.
이후, 출력확인부(210)는, 검출결과신호를 성능분석부(220)로 전달한다.
성능분석부(220)는, 검출결과신호에 기초하여 광원(110)의 온(on) 상태인지의 여부를 판단한다(S101).
S101 단계의 판단결과, 검출결과신호가 온상태검출결과신호인 경우, 성능분석부(220)는, 현재 광원(110)이 온(on) 상태인 것으로 판단하고, 광원이 온(on) 상태일 때 검출된 각 픽셀의 출력값을 확인한다.
이후, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 출력값이 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되는 지의 여부를 판단한다(S102).
여기서, 통계특성기준영역은, 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)의 통계 특성을 유지하고 있는 영역에 각 픽셀의 출력값이 분포하고 있는지 또는 충분한 변동성(fluctuation)을 갖고 있는지를 확인하기 위한 기준범위일 수 있다.
S102 단계의 판단결과, 각 픽셀 별 출력값이 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되지 않는 경우, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것으로 판단하여 제2 성능분석결과신호를 생성하고, 이를 설정변경부(230)로 전달한다(S103). 제2 성능분석결과신호는 설정변경부(230)가 설정값을 변경하기 위한 참고 데이터를 포함할 수 있다.
설정변경부(230)는, 성능분석부(220)로부터 제2 성능분석결과신호가 수신되는 경우, 광원(110)이 온(on) 상태일 때 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것이므로 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나의 상태가 제어될 수 있도록 설정값을 변경한다(S104).
먼저, 광원(110)의 상태를 제어하는 경우, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 광원(110)의 광량 또는 광세기 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하여 광원(110)에 인가되는 전류량 또는 전압량이 변경되도록 한다.
여기서, 제1 설정값은, 전류량 또는 전압량 제어를 위한 특정한 구성의 설정값으로 한정되지 않으며, 난수생성기(100) 내에서 광원(110)의 광량을 제어할 수 있는 모든 구성에 대한 설정값일 수 있다.
즉, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 출력값이 전반적으로 낮게 형성되는 경우는 광원(110)으로 인가되는 전류량 또는 전압량이 증가되도록 제1 설정값을 제어하고, 반대로 각 픽셀의 출력값이 높게 형성되는 경우에는 광원(110)으로 인가되는 전류량 또는 전압량이 감소되도록 제1 설정값을 제어한다.
다음, 이미지센서(120)의 상태를 제어하는 경우, 설정변경부(230)는, 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 이미지센서(120) 내 각 픽셀의 구동제어와 관련되는 제2 설정값을 변경하여 원하는 만큼의 변동(fluctuation)이 발생되도록 할 수 있다.
여기서, 제2 설정값은, 이미지센서(120)의 아날로그 게인(analog gain), 노출시간(exposure time) 등과 같이 각 픽셀의 감도를 제어하기 위한 구동제어 파라미터가 포함될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 이미지센서(120)을 구성하는 다수의 픽셀 중 원하는 영역 포함되는 픽셀의 출력값이 원하는 만큼의 변동(fluctuation)이 출력될 수 있도록 하는 다른 파라미터들도 포함될 수 있다.
한편, 이미지센서(120)의 상태를 제어했음에도 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값의 균일도가 기 설정된 균일도판단기준범위에 포함되지 않으면, 설정변경부(230)는, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값이 원하는 만큼 균일하지 않은 것으로 판단하여 이미지센서(120)의 ROI(range of interest) 제어와 관련되는 제3 설정값을 변경하여 광신호의 광세기값이 균일하게 입력되는 특정영역만을 선택하여 사용할 수도 있다(S105).
여기서, 제3 설정값은, 이미지센서(120) 내 전체영역 중 사용자가 원하는 특정영역만을 선택하기 위한 모든 파라미터들(예: 시작점 설정, 길이 설정 등)이 포함될 수 있다.
결국, 설정변경부(230)는, 이미지센서(120)의 다수의 픽셀 중 일정 간격 또는 패턴(pattern)으로 배치된 픽셀들의 출력값을 확인하여 광신호의 광세기값이 균일하게 입력되는 픽셀이 포함되는 영역을 특정영역으로 결정한다. 이후, 설정변경부(230)는, 이미지센서(120) 내에서 특정영역을 사용할 영역으로 구분하고, 특정영역 이외의 나머지 영역을 버려질 영역으로 구분한 후 특정영역을 ROI로 결정하게 된다.
한편, 모니터링부(240)는, 전술에 따라 광원(110) 및 이미지센서(120) 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값이 변경되거나 또는 ROI(range of interest) 제어된 이후 각 픽셀의 출력값의 품질을 모니터링하는 기능을 수행한다(S106).
만일, S102 단계의 판단결과, 각 픽셀 별 출력값이 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되는 경우, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 성능이 안정된 것으로 판단하게 되며(S107), 이후 모니터링부(240)에 의해 106 단계의 주기적인 상태 모니터링 과정이 수행되게 된다.
한편, S101 단계의 판단결과, 검출결과신호가 오프상태검출결과신호인 경우, 성능분석부(220)는, 현재 광원(110)이 오프(off) 상태인 것으로 판단하고, 광원이 오프(off) 상태일 때 검출된 각 픽셀의 출력값을 확인한다(S108).
이후, 성능분석부(220)는, 각 픽셀의 출력값이 기 설정된 노이즈판단기준값(예: 0 또는 0 보다 큰 특정값) 보다 큰 값으로 출력되고 있는지를 확인한다(S109).
S109 단계의 판단결과, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때, 각 픽셀의 출력값이 상기 노이즈판단기준값 보다 큰 값으로 출력되고 있는 경우, 성능분석부(220)는, 이미지센서(120)의 전기적 노이즈(electrical noise)가 기준 이상인 것으로 판단하여, 전기적 노이즈의 제거를 위한 설정값이 변경되도록 전기적노이즈비정상신호를 생성하고, 이를 설정변경부(230)로 전송한다(S110). 전기적노이즈비정상신호는 설정변경부(230)가 설정값을 변경할 수 있는 참고 데이터를 포함할 수 있다.
설정변경부(230)는, 성능분석부(220)로부터 전기적노이즈비정상신호가 수신되는 경우, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때 전기적 노이즈가 기준 이상인 것이므로, 전기적 노이즈와 관련되는 제4 설정값을 변경하게 된다(S111).
여기서, 제4 설정값은, 이미지센서(120)의 오프셋값(offset value), 아날로그 게인(analog gain), 노출시간(exposure time) 등이 포함될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 전기적 노이즈를 제거할 수 있다면 다른 파라미터들도 포함될 수 있다.
한편, S109 단계의 판단결과, 광원(110)이 오프(off) 상태일 때, 각 픽셀의 출력값이 상기 노이즈판단기준값 보다 작은 값으로 출력되고 있는 경우에는 이미지센서(120)의 전기적 노이즈(electrical noise)가 기준 이하로서 정상범위에 포함되어 있는 것으로 판단하게 되며, 이후 모니터링부(240)에 의해 106 단계의 주기적인 상태 모니터링 과정이 수행되게 된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 난수생성기(100)의 성능 안정성을 확보하는 동작 흐름은, QRNG를 제조하는 단계에서의 품질 테스트 및 구동 중에서의 품질 안정성 확보를 위해 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, QRNG의 성능 안정성 확보와 관련되는 모든 단계(예: 출시 전 단계 등)에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법에 따르면, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성을 확보함으로써, 이미지센서로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)의 값이 기기에 상관없이 항상 일정 범위 내에서 출력될 수 있으며, 그에 따라 각 픽셀 간 편차를 최소화하면서도 충분한 난수성이 지속적으로 확보될 수 있는 효과가 성취된다.
한편, 여기에 제시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘 또는 제어기능의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
본 발명에 따른 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법에 따르면, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 출력되는 각 픽셀 별 출력값을 기반으로 난수생성기의 성능 안정성을 확보함으로써, 이미지센서로부터 출력되는 엔트로피 신호(entropic signal)의 값이 기기에 상관없이 항상 일정 범위 내에서 출력될 수 있으며, 그에 따라 각 픽셀 간 편차를 최소화하면서도 충분한 난수성이 지속적으로 확보될 수 있다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
100: 난수생성기
110: 광원 120: 이미지센서
130: 증폭기 140: ADC(analog-digital converter)
200: 성능관리장치
210: 출력확인부 220: 성능분석부
230: 설정변경부 240: 모니터링부

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 광원으로부터 방사되는 광신호가 다수의 픽셀을 포함하는 이미지센서로 입력되는 경우, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값을 확인하는 출력확인부;
    상기 각 픽셀의 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 이용하여 상기 각 픽셀의 성능을 분석하는 성능분석부; 및
    상기 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 상기 광원 및 상기 이미지센서 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경하는 설정변경부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 성능분석부는,
    상기 광원이 온(on) 상태인 경우, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 상기 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되는 경우, 상기 각 픽셀의 성능이 안정된 것으로 판단하여 제1 성능분석결과신호를 생성하며,
    상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 상기 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되지 않는 경우, 상기 각 픽셀의 성능이 안정되지 않은 것으로 판단하여 제2 성능분석결과신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 설정변경부는,
    상기 제2 성능분석결과신호가 생성되는 경우, 상기 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 상기 광원의 광량 또는 광세기 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 설정변경부는,
    상기 제2 성능분석결과신호가 생성되는 경우, 상기 각 픽셀의 성능 안정화를 위해 상기 이미지센서 내 상기 각 픽셀의 구동제어와 관련되는 제2 설정값을 변경하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 설정변경부는,
    상기 제2 성능분석결과신호가 생성되는 경우, 상기 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값의 균일도가 기 설정된 균일도판단기준범위에 포함되지 않으면, 상기 이미지센서의 ROI(range of interest) 제어와 관련되는 제3 설정값을 변경하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 성능분석부는,
    상기 광원이 오프(off) 상태인 경우, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 기 설정된 노이즈판단기준값 보다 큰 값인 경우, 상기 각 픽셀의 전기적 노이즈가 기준 이상인 것으로 판단하며,
    상기 설정변경부는,
    상기 전기적 노이즈와 관련되는 제4 설정값을 변경하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 통계특성기준영역은, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 상기 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 가질 수 있는 범위 중 기 설정된 변동폭구분기준값 이상에 해당하는 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정값에 대한 변경 이후 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값의 품질을 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치.
  9. 적어도 하나의 광원으로부터 방사되는 광신호가 다수의 픽셀을 포함하는 이미지센서로 입력되는 경우, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기값에 대응하여 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값을 확인하는 출력확인단계;
    상기 각 픽셀의 출력값과 기 설정된 통계특성기준영역을 이용하여 상기 각 픽셀의 성능을 분석하는 성능분석단계; 및
    상기 각 픽셀의 성능을 분석한 결과에 기초하여 상기 광원 및 상기 이미지센서 중 적어도 하나가 제어될 수 있도록 설정값을 변경하는 설정변경단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치의 동작방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 설정변경단계는,
    상기 광원이 온(on) 상태인 경우, 상기 각 픽셀의 전체 또는 일부 출력값이 상기 기 설정된 통계특성기준영역에 포함되지 않으면, 상기 광원의 광량 또는 광세기 제어와 관련되는 제1 설정값을 변경하는 단계;
    상기 이미지센서 내 상기 각 픽셀의 구동제어와 관련되는 제2 설정값을 변경하는 단계; 및
    상기 이미지센서의 ROI(range of interest) 제어와 관련되는 제3 설정값을 변경하는 단계 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치의 동작방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 기 설정된 통계특성기준영역은, 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 상기 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기값의 변동(fluctuation) 폭이 가질 수 있는 범위 중 기 설정된 변동폭구분기준값 이상에 해당하는 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치의 동작방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 설정값에 대한 변경 이후 상기 각 픽셀로부터 출력되는 출력값의 품질을 모니터링하는 모니터링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성기의 성능관리장치의 동작방법.

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