一种便携式真随机码发生装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种便携式真随机码发生装置，包括发光模块、图像传感器、散射材料、反射片、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块和PCB板；其中，发光模块、图像传感器、FPGA控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块均固定在PCB板上，发光模块设置在图像传感器的周边，散射材料覆盖在图像传感器、发光模块上，反射片设置在散射材料上。本发明还公开了一种便携式真随机码发生方法。本发明结构简单，易于实现，具有高随机性、高产生率、且价格低廉，预计实现实物只有U盘大小，方便携带，使用USB进行真随机码的传输，即插即用，使用非常方便。产生随机码的过程不依赖于任何外部辅助，具有极高的安全性。
【专利说明】一种便携式真随机码发生装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信息安全以及个人信息安全保护【技术领域】，特别是一种便携式真随机 码发生装置及方法。
【背景技术】
[0002]随机码对于很多应用来说是一种宝贵的资源，广泛应用于电脑仿真、赌博、数值分 析、采样、决策以及通信安全等领域。产生随机码的方法主要有两种，一种是基于数学方法 的伪随机码生成器，依赖复杂的算法，通过种子产生周期很长的伪随机码。事实上，依赖于 复杂确定算法的伪随机码发生器因为其高效率以及高产生率已经被广泛应用。尽管算法复 杂，由伪随机码产生器产生的随机码最终还是会重复它自己，因此如果种子或者算法运行 的当前状态被破解者知道，伪随机码的输出是可以预测的。
[0003]第二种就是利用物理现象产生真随机码。相比较于第一种，通过物理现象产生的 随机码通常是被认为具有完全的不可确定性，这就保证了它将是不可预测的随机码。几种 比较常用的产生真随机码的物理过程如：单光子传输路径选择，单光子到达时时间，振荡器 的定时抖动，电路热噪声，混沌激光，自发辐射噪声，激光器的相位噪声，真空状态。基于这 些物理现象产生的随机码既能够保证随机码的高随机性，又能获得较多比特的噪声。然而 这些方法都依赖于专业的昂贵的硬件，如单光子探测器、精确配置外部谐振腔的激光源。因 此他们不适合用于个人安全应用，如个人电话、个人网络支付等。现如今真随机码发生器存 在这样的缺陷：成本高、产生率低、随机性不够高、不适合个人使用等问题。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种便携式真随机码 发生装置及方法，本发明将发光模块、图像传感器、控制模块等都集成到一块小电路板上， 产生随机码的过程不依赖于任何外部辅助，具有极高的安全性、随机性；本发明结构简单且 成本低。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 根据本发明提出的一种便携式真随机码发生装置，包括发光模块、图像传感器、散 射材料、反射片、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块和PCB板；发光模块、图 像传感器、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块均固定在PCB板上，发光模块设 置在图像传感器的周边，散射材料覆盖在图像传感器和发光模块上，反射片设置在散射材 料上；其中，
[0007] 发光模块，用于发射光至散射材料；
[0008] 散射材料，用于利用入射光产生透射光和第一散射光；其中，透射光照射至反射 片，第一散射光照射至图像传感器；
[0009] 反射片，用于将接收到的透射光产生反射光并经散射材料产生第二散射光，然后 将第二散射光照射至图像传感器；
[0010]图像传感器，用于将接收的第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值后输出至 控制模块；
[0011]控制模块，用于控制发光模块发射光的强度，使得图像传感器接收到第一散射光 和第二散射光的信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态，并根据接收的像 素灰度值中选出每一个像素点灰度值最后η位作为真随机码源，该真随机码源乘以熵压缩 矩阵进行熵压缩，获得真随机码输出至USB桥接模块；其中，η为整数,0<η<9 ;
[0012] USB桥接模块，用于将真随机码打包为USB协议的数据帧通过USB接口输出至外部 设备；
[0013] 电源转换模块，外部电源经USB接口输入至电源转换模块，经转换后输出至图像 传感器和控制模块。
[0014] 作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述控制模块 为FPGA控制模块。
[0015] 作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述发光模块 为LED光源；所述散射材料为硅胶或者聚丙乙烯或者 FuiiCure树脂；所述反射片的形状为 锯齿形状。
[0016] 作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述图像传感 器为0V9120灰度CMOS图像传感器。
[0017] 作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述USB桥接 模块采用CH：341USB芯片；所述电压转换模块为1117-3. 3电压转换芯片或1117-1. 2电压转 换芯片。
[0018] 作为本发明的一种便携式真随机码发生装置的进一步优化的方案，所述η的取值 是由图像传感器决定。
[0019] 根据本发明提出的一种便携式真随机码发生方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤一、将入射光经散射材料产生透射光和第一散射光，其中，将透射光入射至反 射片上产生反射光，将反射光经散射材料产生第二散射光；
[0021] 步骤二、将第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值；
[0022] 步骤三、控制光的强度，并对第一散射光和第二散射光的信噪比进行扫描，使得信 噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态；
[0023] 步骤四、获取k个像素点灰度值的末η位，当k*n>M时，从其中选取Μ个元素作为 Μ个真随机码源；Μ为预先设置的大于〇的整数，k为大于0的整数；
[0024] 步骤五、将Μ个真随机码源排列为矩阵A，将矩阵A乘以熵压缩矩阵B进行熵压缩 处理，得到熵压缩后的真随机码矩阵C ;
[0025] 步骤六、将熵压缩后的真随机码矩阵C的元素作为真随机码输出至外部设备。
[0026]作为本发明的一种便携式真随机码发生方法的进一步优化的方案，所述步骤五 中，矩阵A为P行Q列的矩阵，其中P*Q = M，熵压缩矩阵B为Q行f列矩阵，将矩阵A和熵 压缩矩阵B相乘得到一个P行|列的熵压缩后的真随机码矩阵C ;其中，p为大于〇的整数， Q为正偶数。
[0027]作为本发明的一种便携式真醜码发生方法的进一步优化的方案，所述矩阵A 为：
[0028]
【权利要求】
1. 一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，包括发光模块、图像传感器、散射材料、 反射片、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块和PCB板；发光模块、图像传感 器、控制模块、USB桥接模块、USB接口、电源转换模块均固定在PCB板上，发光模块设置在图 像传感器的周边，散射材料覆盖在图像传感器和发光模块上，反射片设置在散射材料上；其 中， 发光模块，用于发射光至散射材料； 散射材料，用于利用入射光产生透射光和第一散射光；其中，透射光照射至反射片，第 一散射光照射至图像传感器； 反射片，用于将接收到的透射光产生反射光并经散射材料产生第二散射光，然后将第 二散射光照射至图像传感器； 图像传感器，用于将接收的第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值后输出至控制 模块； 控制模块，用于控制发光模块发射光的强度，使得图像传感器接收到第一散射光和第 二散射光的信噪比处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态，并根据接收的像素灰 度值中选出每一个像素点灰度值最后η位作为真随机码源，该真随机码源乘以熵压缩矩阵 进行熵压缩，获得真随机码输出至USB桥接模块；其中，η为整数，0〈η〈9 ; USB桥接模块，用于将真随机码打包为USB协议的数据帧通过USB接口输出至外部设 备； 电源转换模块，外部电源经USB接口输入至电源转换模块，经转换后输出至图像传感 器和控制模块。
2. 根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述控制模块 为FPGA控制模块。
3. 根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述发光模块 为LED光源；所述散射材料为硅胶或者聚丙乙烯或者FullCure树脂；所述反射片的形状为 锅齿形状。
4. 根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述图像传感 器为0V9120灰度CMOS图像传感器。
5. 根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述USB桥接模 块采用CH341USB芯片；所述电压转换模块为1117-3. 3电压转换芯片或1117-1. 2电压转换 心/T〇
6. 根据权利要求1所述的一种便携式真随机码发生装置，其特征在于，所述η的取值是 由图像传感器决定。
7. -种便携式真随机码发生方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、将入射光经散射材料产生透射光和第一散射光，其中，将透射光入射至反射片 上产生反射光，将反射光经散射材料产生第二散射光； 步骤二、将第一散射光和第二散射光转化为像素灰度值； 步骤三、控制光的强度，并对第一散射光和第二散射光的信噪比进行扫描，使得信噪比 处于光电流散粒噪声主导图像像素点噪声的状态； 步骤四、获取k个像素点灰度值的末η位，当k*n>M时,从其中选取M个元素作为M个 真随机码源；M为预先设置的大于O的整数，k为大于O的整数； 步骤五、将M个真随机码源排列为矩阵A，将矩阵A乘以熵压缩矩阵B进行熵压缩处理， 得到熵压缩后的真随机码矩阵C; 步骤六、将熵压缩后的真随机码矩阵C的元素作为真随机码输出至外部设备。
8. 根据权利要求7所述的一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，所述步骤五中， 矩阵A为P行Q列的矩阵，其中P*Q=M，熵压缩矩阵B为Q行·|列矩阵，将矩阵A和熵压 缩矩阵B相乘得到一个P行!列的熵压缩后的真随机码矩阵C;其中，P为大于O的整数，Q为正偶数。
9. 根据权利要求8所述的一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，所述矩阵A为： ^5Il" ^1O A= ^11 :a|Q ^所述熵压缩矩阵B为：B= ; ··.：，所述熵压缩后的真随机码矩 .· · ' bQi …15J _aPl …apQ」 [_ Qy _ cIl*** 阵C为：C=AB= : ··：； Cpl …CpQ _ 2 _ 其中，aih为矩阵A中第i行第h列元素，i，h均为整数且0〈i<P，0〈h<Q; bw为矩阵B中第h行第j列元素，j为整数，〇 < ; Cij =ai^j+aAj+··· 为熵压缩后的真随机码矩阵C中第i行j列元素，Cij是 遵循模2加法运算得到。
10. 根据权利要求7或8或9所述的一种便携式真随机码发生方法，其特征在于，所述 熵压缩矩阵B由FPGA控制模块的RAND单元首先产生一个N位种子，该种子由线性反馈移 位寄存器进行邻位异或操作产生，其中，N为大于1的整数。
【文档编号】H04N5/351GK104270581SQ201410516031
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】张益昕, 张旭苹, 乔苇岩, 唐志强, 戚力 申请人:南京大学