基于生物特征点拓扑结构的随机数发生器

技术领域：

本发明涉及密码学的随机数发生器技术，也涉及生物特征认证的生物模式识别技术，尤其涉及基于生物特征点拓扑结构的随机数制作方法。

背景技术：

目前标准的随机数发生器主要有美国联邦信息处理标准(FIPS)批准的用于生成DES密钥及其初始向量的ANSI X9.17和FIPS 186。另外，密码学上著名的安全随机发生器还有由S.micali和C.P.Schnorr提出的Micali-Schnorr，以及由L.Blum、M.blum和M.Shub提出的Blum-Blum-Shub等数种伪随机数发生器。

可以把上述随机数发生器称之为传统随机数发生器。使用传统随机数发生器所产生的随机数，具有随机性从而具有隐秘性，故能作为密钥用于密码学；但该作为密钥的随机数没能包含密钥使用人的生物特征点拓扑结构信息，从而不能以此认证该密钥使用人生物特征。

发明内容：

基于生物特征认证的生物模式识别技术是已有的技术。通过该技术可获取人的生物特征点拓扑结构，也可由此进行人的生物特征认证。可以例举人的生物特征有指纹特征、虹膜特征、面相特征、声音特征等，表征生物特征的特征点拓扑结构即生物特征点拓扑结构，如指纹特征点拓扑结构、面相特征点拓扑结构等。

本发明的目的是提供一种可产生包含生物特征点拓扑结构信息的随机数发生器，以便克服传统随机数发生器所产生随机数没能包含生物特征点拓扑结构信息的不足。

为了实现本发明目的，本发明方案的技术特征包括，设定运算处理流程及数学表达式，所设定的数学表达式是P＝KG，其中G是待运算处理变量、用于存储输入的生物特征点拓扑结构矩阵数据，P是运算处理结果变量、用于存储经运算处理后待输出的生物特征点拓扑结构新矩阵数据，K是由函数k(random[r]，Move，Round，MROrder)决定的算法，其中random[r]是随机指令数组变量、Move是位移指令变量、Round是旋转指令变量、MROrder是先后指令变量，设定以算法K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)为核心、以P＝KG为表达式且按(random[r]、Move、Round、MROrder)指定方法进行随机位移旋转的运算处理流程，包括设置输入整型变量r、M、R、MRO，把由传统随机数发生器所产生的r个随机数赋值给random[r]、把M赋值给Move、把R赋值给Round、把MRO赋值给MROrder，还包括把random[r]元素的个数r设为操作轮次、random[r]的元素值random[n]设为操作次数、Move的变量值M设为位移步长、Round的变量值R设为旋转步长、MROrder的变量值MRO为位移和旋转操作先后次序，从而设定完成对G数据按r轮次、random[n]次数、M和R步长、MRO次序进行位移和旋转操作的运算处理流程，其中MRO＝0先位移后旋转，MRO＝1先旋转后位移，n是大于等于1与小于等于r的整数，当r为0时设定本发明仅作一次M和R步长位移和旋转运算；本发明方案的技术特征又包括，按数学表达式P＝KG及其运算处理流程 设置运算处理模块，该模块的设置步骤包括设置输入接口连接G数据获取模块获取G变量数据，G数据获取模块设有把输入生物特征点拓扑结构矩阵数据进行程序数据结构化处理并赋值给G变量的步骤，设置输入接口连接K获取模块获取K变量数据，K获取模块设有传统随机数发生器，其特征在于K获取模块按输入的r值可r次调用该传统随机数发生器产生r个随机数并赋值给random[r]，连同所输入的M、R、MRO获经设定的K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)，设置该模块的步骤又包括把输入的G数据和K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)按P＝KG进行运算处理，即把G按GK＝Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)＝P的算法步骤进行随机地位移、旋转运算处理，从而把包含Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息的运算处理结果赋值给P，设置该模块的步骤还包括设置输出接口连接RSP拼接模块，RSP拼接模块设有把输入P数据各点坐标参数“依次”拼接成RSP数字串的处理步骤；经设置该模块的上述步骤，最终使G由GK到P把所包含的Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息传递到RSP，从而转化为包含生物特征点拓扑结构信息的随机数即RSP输出。

所说的“依次”拼接，可从上到下从左到右地“依次”按输入矩阵坐标点顺序或输出矩阵坐标点顺序拼接。也可按其它预先定好的顺序“依次”拼接。

本发明可以在设有Windows或Linux等操作系统的PC中使用程序编程实现，也可以在设有WindowsCE或Linux等嵌入式操作系统的微处理器系统中使用程序编程实现，还可自制芯片或电路板上使用程序编程实现。

生物特征点拓扑结构矩阵数据的信源，可来自生物特征传感器，如指纹特征传感器、虹膜特征传感器、面相特征传感器、声音特征传感器，经相关生物模式识别技术图像预处理获取；也可来自输入的生物图像，经生物模式识别技术图像预处理获取；还可来自输入的生物特征点拓扑结构矩阵数据直接获取。

采用本发明技术方案之所以能够实现本发明目的，是因为生物特征点拓扑结构是稳定的，即使把它随机地位移、旋转，其拓扑结构仍然稳定不变；同时，组成生物特征点拓扑结构的各坐标参数值是可变的，一旦把它随机地位移、旋转则随机剧变。把该随机数用作密钥，因该密钥随机数包含密钥使用人的生物特征点拓扑结构信息，故能以此认证该密钥使用人生物特征。

使用本发明非常简便，只要使采用本发明实现的内容处于工作状态，输入生物特征点拓扑结构信息，就可以得到包含生物特征点拓扑结构信息的随机数即RSP输出。把RSP重新转化为P数据也非常简单的，只要把依次拼接的P数据各点坐标参数，重新分开为P数据的各点坐标参数即可。由于P数据和G数据是同样的生物特征点拓扑结构，因此经生物特征点拓扑结构比对认证也非常方便。由此实现本发明目的。

由于目前尚无其它基于生物特征点拓扑结构的随机数发生器发明公开，因此尚不能进行横向比较。但把基于生物特征点拓扑结构的随机数用作密钥，既具有随机性从而具有可隐秘性，又具有生物特征点拓扑结构稳定性从而具有可认证性。因此优点是非常明显的。

附图说明：

本发明有三幅图，附图说明如下：

图1是本发明的结构示意框图。

图2是本发明运算处理流程示意框图。

图3是本发明位移运算示意图。

图4是本发明旋转运算示意图。

具体实施方式：

为了更充分地公开本发明内容，以下结合附图使用实施例进一步说明本发明。

实施例1

实施例1，是在设有Windows操作系统的PC中使用程序编程实现本发明(因本发明在Linux操作系统的PC中使用程序编程实现与此类似，故略)。

在本实施例中，如图1所示的本发明结构示意框图，使用矩形框表示程序的函数模块(简称模块)、圆圈表示函数接口(简称接口)、箭头表示输入或输出连接，使用编号及引线标记框图结构的主要组成部分。本发明使用Visual C++程序编程，实现按数学表达式P＝KG及其运算处理流程设置运算处理模块(1)，其特征在于：该模块(1)的设置步骤包括设置输入接口(2)通过传递参数连接G数据获取模块(5)获取G变量数据，G数据获取模块(5)设有把输入指纹特征点拓扑结构矩阵数据进行程序数据结构化处理并赋值给G变量的步骤，设置输入接口(3)通过传递参数连接K获取模块(6)获取K变量数据，K获取模块(6)设有传统随机数发生器，其特征在于K获取模块(6)按输入的r值可r次调用该传统随机数发生器产生r个随机数并赋值给random[r]，连同所输入的M、R、MRO获经设定的K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)，设置该模块(1)的步骤又包括把输入的G数据和K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)按P＝KG进行运算处理，即把G按GK＝Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)＝P的算法步骤进行随机地位移、旋转运算处理，从而把包含Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息的运算处理结果赋值给P，设置该模块的步骤还包括设置输出接口(4)通过传递参数连接RSP拼接模块(7)，RSP拼接模块(7)设有把输入P数据各点坐标参数依次拼接成RSP数字串的处理步骤；经设置该模块(1)的上述步骤，最终使G由GK到P把所包含的Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息传递到RSP，从而转化为包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数即RSP输出。

在本实施例中，如图2所示的运算处理流程示意框图，使用箭头表示该程序流程的方向。该程序首先初始化变量：random[r]、Move、Round、MROrder，P、G等；然后是输入指令参数：r、M、R、MRO；接着变量赋值：random[r]＝{r个随机数}，Move＝M，Round＝R，MROrder＝MRO；进而设定算法函数：K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)；通过输入G数据，该数据是一个指纹特征点拓扑结构的矩阵数据，进行KG矩阵运算，运算结果赋值：P＝KG；最后把P矩阵数据编码为数字串数据，并赋值给：RSP＝P，输出该包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数。

在本实施例中，如图3所示的M位移运算示意图，坐标点g(xg，yg)是G所存储输入矩阵数据中一个坐标点的数据表示，坐标点p(xp，yp)是P所存储经M位移运算处理后待输出矩阵数据中一个新坐标点的数据表示。该矩阵运算的数学表达式为：P＝G+M。

在本实施例中，如图4所示的R旋转运算示意图，坐标点g(xg，yg)是G所存储输入矩阵数据中一个坐标点的数据表示，坐标点p(xp，yp)是P所存储经R旋转运算处理后待输 出矩阵数据中一个新坐标点的数据表示。该矩阵运算的数学表达式为：P＝G·R。

由于本实施例设MROrder＝0，因此图4坐标点g(xg，yg)所对应G输入矩阵数据，是图3坐标点p(xp，yp)所对应P经M位移运算处理后输出的矩阵数据。

使用本发明非常简便，只要使本发明实现程序处于工作状态；然后连接使用三棱镜和USB摄像机头改制的简易指纹图像传感器，在三棱镜上按指纹输入指纹图像，经指纹模式识别技术图像预处理获取指纹特征点拓扑结构矩阵数据，为方便说明这里缩小了20被且仅取了5个指纹特征点，该拓扑结构的坐标参数矩阵数据是：{(3，3)、(2，2.5)、(1，2)、(4，1.5)、(2，1)}；通过本发明实现程序把{(3，3)、(2，2.5)、(1，2)、(4，1.5)、(2，1)}输入G变量，输入r＝1、M＝1、R＝-π/6、MROrder＝0的数据值，由传统随机数发生器所产生的1个随机数值为2，赋值：random[1]＝2、Move＝1、Round＝-π/6、MROrder＝0，从而如图2、3、4所示：完成对G＝{(3，3)、(2，2.5)、(1，2)、(4，1.5)、(2，1)}按r＝1轮次、random[n]＝2次数、Move＝M＝1和Round＝R-π/6步长、MROrder＝0进行GK＝Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)＝P的先位移和后旋转操作的运算处理，把运算处理结果赋值给P＝{(5，-3)、(4，2)、(3，-2)、(4，-4)、(3，-3)}，把P矩阵数据编码按输入矩阵坐标点顺序“依次”拼接为数字串并赋值给RSP＝“(5，-3)(4，2)(3，-2)(4，-4)(3，-3)”，输出该包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数“(5，-3)(4，2)(3，-2)(4，-4)(3，-3)”。

把RSP＝“(5，-3)(4，2)(3，-2)(4，-4)(3，-3)”重新转化为P＝{(5，-3)、(4，2)、(3，-2)、(4，-4)、(3，-3)}也非常简单的。

比较G和P的指纹特征点拓扑结构可见，经随机地位移、旋转则二者仍然稳定不变，故使用指纹模式识别技术进行指纹特征点拓扑结构比对认证非常可靠；同时，比较G和P的矩阵各坐标参数值可见，一旦把它随机地位移、旋转则二者随机剧变，故具有随机性从而具有隐秘性，能作为密钥用于密码学。因此把该随机数用作密钥，因该密钥随机数包含密钥使用人的指纹特征点拓扑结构信息，故能以此认证该密钥使用人指纹特征。本实施例的本发明应用程序已经实现，且效果良好使用简便，由此实现本发明目的。

实施例2

实施例2，是在设有Windows CE嵌入式操作系统的OMAP3440微处理器系统中使用程序编程实现本发明(因本发明在Linux嵌入式操作系统的OMAP3440微处理器系统中使用程序编程实现与此类似，故略)。

在本实施例中，如图1所示的本发明结构示意框图，使用矩形框表示程序的函数模块(简称模块)、圆圈表示函数接口(简称接口)、箭头表示输入或输出连接，使用编号及引线标记框图结构的主要组成部分。本发明使用eVC++程序编程，实现按数学表达式P＝KG及其运算处理流程设置运算处理模块(1)，其特征在于：该模块(1)的设置步骤包括设置输入接口(2)通过传递参数连接G数据获取模块(5)获取G变量数据，G数据获取模块(5)设有把输入指纹特征点拓扑结构矩阵数据进行程序数据结构化处理并赋值给G变量的步骤，设置输入接口(3)通过传递参数连接K获取模块(6)获取K变量数据，K获取模块(6)设有传统随机数发生器，其特征在于K获取模块(6)按输入的r值可r次调用该传统随机数发生器产生r个随机数并赋值给random[r]，连同所输入的M、R、MRO获经设定的K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)，设置该模块(1)的步骤又包括把输入的G数据和K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)按P＝KG进行运算处理，即把G按GK＝ Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)＝P的算法步骤进行随机地位移、旋转运算处理，从而把包含Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息的运算处理结果赋值给P，设置该模块的步骤还包括设置输出接口(4)通过传递参数连接RSP拼接模块(7)，RSP拼接模块(7)设有把输入P数据各点坐标参数依次拼接成RSP数字串的处理步骤；经设置该模块(1)的上述步骤，最终使G由GK到P把所包含的Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息传递到RSP，从而转化为包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数即RSP输出。

在本实施例中，如图2所示的运算处理流程示意框图，使用箭头表示该程序流程的方向。该程序首先初始化变量：random[r]、Move、Round、MROrder，P、G等；然后是输入指令参数：r、M、R、MRO；接着变量赋值：random[r]＝{r个随机数}，Move＝M，Round＝R，MROrder＝MRO；进而设定算法函数：K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)；通过输入G数据，该数据是一个指纹特征点拓扑结构的矩阵数据，进行KG矩阵运算，运算结果赋值：P＝KG；最后把P矩阵数据编码为数字串数据，并赋值给：RSP＝P，输出该包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数。

在本实施例中，如图3所示的M位移运算示意图，坐标点g(xg，yg)是G所存储输入矩阵数据中一个坐标点的数据表示，坐标点p(xp，yp)是P所存储经M位移运算处理后待输出矩阵数据中一个新坐标点的数据表示。该矩阵运算的数学表达式为：P＝G+M。

在本实施例中，如图4所示的R旋转运算示意图，坐标点g(xg，yg)是G所存储输入矩阵数据中一个坐标点的数据表示，坐标点p(xp，yp)是P所存储经R旋转运算处理后待输出矩阵数据中一个新坐标点的数据表示。该矩阵运算的数学表达式为：P＝G·R。

由于本实施例设MROrder＝0，因此图4坐标点g(xg，yg)所对应G输入矩阵数据，是图3坐标点p(xp，yp)所对应P经M位移运算处理后输出的矩阵数据。

使用本发明非常简便，只要使本发明实现程序处于工作状态；然后获取一个指纹图像文件，经指纹模式识别技术图像预处理获取指纹特征点拓扑结构矩阵数据，为方便说明这里缩小了20被且仅取了5个指纹特征点，该拓扑结构的坐标参数矩阵数据是：{(2，6)、(3，4)、(4，3)、(5，2)、(1，1)}；通过本发明实现程序把{(2，6)、(3，4)、(4，3)、(5，2)、(1，1)}输入G变量，输入r＝1、M＝1、R＝-π/6、MROrder＝0的数据值，由传统随机数发生器所产生的1个随机数值为5，赋值：random[1]＝5、Move＝1、Round＝-π/6、MROrder＝0，从而如图2、3、4所示：完成对G＝{(2，6)、(3，4)、(4，3)、(5，2)、(1，1)}按r＝1轮次、random[n]＝5次数、Move＝M＝1和Round＝R-π/6、MROrder＝0步长进行GK＝Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)＝P的先位移和后旋转操作的运算处理，把运算处理结果赋值给P＝{(6，-4)、(-5，-7)、(-6，-7)、(-8，3)、(-5，-4)}，把P矩阵数据编码按输入矩阵坐标点顺序“依次”拼接为数字串并赋值给RSP＝“(6，-4)、(-5，-7)、(-6，-7)、(-8，3)、(-5，-4)”，输出该包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数“(6，-4)、(-5，-7)、(-6，-7)、(-8，3)、(-5，-4)”。

把RSP＝“(6，-4)、(-5，-7)、(-6，-7)、(-8，3)、(-5，-4)”重新转化为P＝{(6，-4)、(-5，-7)、(-6，-7)、(-8，3)、(-5，-4)}也非常简单的。

比较G和P的指纹特征点拓扑结构可见，经随机地位移、旋转则二者仍然稳定不变，故使用指纹模式识别技术进行指纹特征点拓扑结构比对认证非常可靠；同时，比较G和P的矩阵各坐标参数值可见，一旦把它随机地位移、旋转则二者随机剧变，故具有随机性从 而具有隐秘性，能作为密钥用于密码学。因此把该随机数用作密钥，因该密钥随机数包含密钥使用人的指纹特征点拓扑结构信息，故能以此认证该密钥使用人指纹特征。本实施例的本发明应用程序已经实现，且效果良好使用简便，由此实现本发明目的。

实施例3

实施例3，是在自制电路板上使用程序编程实现本发明。

在本实施例中，首先按S3C2440微处理器芯片标准配置线路设置电路板和S3C2440微处理器芯片，配置LCD显示器用于显示，配置一个可直接获取指纹特征点拓扑结构矩阵数据的指纹传感器。然后针对该电路板设置驱动层程序，针对该驱动层程序设置管理层程序，针对该管理层程序设置应用程序接口层程序，完成本发明应用程序的设计准备。本发明应用程序的设计与实施例1、2类似。即：

在本实施例中，如图1所示的本发明结构示意框图，使用矩形框表示程序的函数模块(简称模块)、圆圈表示函数接口(简称接口)、箭头表示输入或输出连接，使用编号及引线标记框图结构的主要组成部分。本发明使用ARM C++程序编程，实现按数学表达式P＝KG及其运算处理流程设置运算处理模块(1)，其特征在于：该模块(1)的设置步骤包括设置输入接口(2)通过传递参数连接G数据获取模块(5)获取G变量数据，G数据获取模块(5)设有把输入指纹特征点拓扑结构矩阵数据进行程序数据结构化处理并赋值给G变量的步骤，设置输入接口(3)通过传递参数连接K获取模块(6)获取K变量数据，K获取模块(6)设有传统随机数发生器，其特征在于K获取模块(6)按输入的r值可r次调用该传统随机数发生器产生r个随机数并赋值给random[r]，连同所输入的M、R、MRO获经设定的K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)，设置该模块(1)的步骤又包括把输入的G数据和K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)按P＝KG进行运算处理，即把G按GK＝Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)＝P的算法步骤进行随机地位移、旋转运算处理，从而把包含Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息的运算处理结果赋值给P，设置该模块的步骤还包括设置输出接口(4)通过传递参数连接RSP拼接模块(7)，RSP拼接模块(7)设有把输入P数据各点坐标参数依次拼接成RSP数字串的处理步骤；经设置该模块(1)的上述步骤，最终使G由GK到P把所包含的Gk(random[r]，Move，Round，MROrder)随机信息传递到RSP，从而转化为包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数即RSP输出。

在本实施例中，如图2所示的运算处理流程示意框图，使用箭头表示该程序流程的方向。该程序首先初始化变量：random[r]、Move、Round、MROrder，P、G等；然后是输入指令参数：r、M、R、MRO；接着变量赋值：random[r]＝{r个随机数}，Move＝M，Round＝R、MROrder＝MRO；进而设定算法函数：K＝k(random[r]，Move，Round，MROrder)；通过输入G数据，该数据是一个指纹特征点拓扑结构的矩阵数据，进行KG矩阵运算，运算结果赋值：P＝KG；最后把P矩阵数据编码为数字串数据，并赋值给：RSP＝P，输出该包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数。

在本实施例中，如图3所示的M位移运算示意图，坐标点g(xg，yg)是G所存储输入矩阵数据中一个坐标点的数据表示，坐标点p(xp，yp)是P所存储经M位移运算处理后待输出矩阵数据中一个新坐标点的数据表示。该矩阵运算的数学表达式为：P＝G+M。

在本实施例中，如图4所示的R旋转运算示意图，坐标点g(xg，yg)是G所存储输入矩阵数据中一个坐标点的数据表示，坐标点p(xp，yp)是P所存储经R旋转运算处理后待输 出矩阵数据中一个新坐标点的数据表示。该矩阵运算的数学表达式为：P＝G·R。

由于本实施例设MROrder＝0，因此图4坐标点g(xg，yg)所对应G输入矩阵数据，是图3坐标点p(xp，yp)所对应P经M位移运算处理后输出的矩阵数据。

使用本发明非常简便，只要使本发明实现程序处于工作状态；然后在连接的指纹传感器上按指纹直接获取所输入的指纹特征点拓扑结构矩阵数据，为方便说明这里缩小了20被且仅取了5个指纹特征点，该拓扑结构的坐标参数矩阵数据是：{(6，8)、(1，6)、(2，4)、(8，2)、(10，2)}；通过本发明实现程序把{(6，8)、(1，6)、(2，4)、(8，2)、(10，2)}输入G变量，输入r＝1、M＝1、R＝-π/6、MROrder＝0的数据值，由传统随机数发生器所产生的1个随机数值为3，赋值：random[1]＝3、Move＝1、Round＝-π/6、MROrder＝0，从而如图2、3、4所示：完成对G＝{(6，8)、(1，6)、(2，4)、(8，2)、(10，2)}按r＝1轮次、random[n]＝3次数、Move＝M＝1和Round＝R-π/6、MROrder＝0步长进行GK＝Gk(random[r]，Move，Round，MROrder＝0)＝P的先位移和后旋转操作的运算处理，把运算处理结果赋值给P＝{(8，-9)、(6，8)、(4，-3)、(2，-11)、(2，-13)}，把P矩阵数据编码按输入矩阵坐标点顺序“依次”拼接为数字串并赋值给RSP＝“(8，-9)、(6，8)、(4，-3)、(2，-11)、(2，-13)”，输出该包含指纹特征点拓扑结构信息的随机数“(8，-9)、(6，8)、(4，-3)、(2，-11)、(2，-13)”。

把RSP＝“(8，-9)、(6，8)、(4，-3)、(2，-11)、(2，-13)”重新转化为P＝{(8，-9)、(6，8)、(4，-3)、(2，-11)、(2，-13)}也非常简单的。

比较G和P的指纹特征点拓扑结构可见，经随机地位移、旋转则二者仍然稳定不变，故使用指纹模式识别技术进行指纹特征点拓扑结构比对认证非常可靠；同时，比较G和P的矩阵各坐标参数值可见，一旦把它随机地位移、旋转则二者随机剧变，故具有随机性从而具有隐秘性，能作为密钥用于密码学。因此把该随机数用作密钥，因该密钥随机数包含密钥使用人的指纹特征点拓扑结构信息，故能以此认证该密钥使用人指纹特征。本实施例的本发明应用程序已经实现，且效果良好使用简便，由此实现本发明目的。