剑桥大学用AI算法“监听”手机打字，手机密码不复存在？

手术刀

浓眉大眼的触摸屏也叛变了？

% {1 {& b& l2 \4 h. a# N, O转载声明：本文转载自「量子位」，搜索「QbitAI」即可关注。作者：栗子 安妮
# \! h! O/ g7 {触摸屏，也能出卖你的手机密码。
手机的内置麦克风，搭配AI算法，就能让输入的每一个字无处可逃。
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& F4 p: `8 _; D* ^5 w; c" W你可能听不到，但手指每在屏幕上轻轻点一下，都会发出一个声波。离屏幕不到1厘米远的麦克风，轻轻松松就能记录下来。
剑桥大学的科学家们，开发了一只偷听触摸屏的AI。它能从细微的声音中，还原出人类输入的信息。
45名志愿者真人测试，数字、字母，都被AI“偷”了出来。
6 z' ~- F% B5 r( a声波出卖你
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四顾无人时悄咪咪在触摸屏上解个锁，怎么就被声波泄露了密码呢？
1 l5 D. `3 y$ N$ }$ R“听到你的触摸”，这是论文的名字 (完整版：Hearing your touch: A new acoustic side channel on smartphones) 。在这里，研究人员揭秘了“作案思路”，其实并不难理解。
1 s# S. y( z4 l" q3 n' s: s7 w即使是在触摸屏上轻悄悄地操作，手指的每一次轻微的敲击都会产生声波。当戳击屏幕不同位置时，声波信息也会有相应的变化。
触摸屏上按下“f”键时的声波震动形状
5 @. w6 Z- D; \没错，关键信息就隐藏在这些形状不同的声波里。而这些信息，恰巧可以被手机内置的麦克风捕捉到。
& r# y9 O3 B- M6 I: T研究人员反手开发了一个手机恶意应用程序，当这个程序被植入手机时，能够调动内置麦克风，让其秘密开始工作，记录下触摸时的声波信息。
5 W% c0 }) }6 {实验所用的恶意声波收集程序
2 V+ N  |& _; H  \& c& S他们收集了声波形状与触摸位置的对应信息，训练出了一个AI模型，还原输入内容。
至此，作案流程已经基本成型：
恶意程序悄悄启动→悄悄捕捉输入密码时的声波→AI模型预测手指对应在屏幕的位置→还原输入的密码和信息。
3 u8 h* P1 h  [8 n8 ^' Q- YAI伙同麦克风，分工明确，里应外合，井然有序地就将你的隐私偷走了。
+ F! o' `& Q3 G& {  J  Z3 u现场验证
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这套程序的效果如何？研究人员找来了45位志愿者，开始了一系列测试。
, @2 N: H* D  m; U整套测试的机型选用了Google旗下的Nexus 5手机以及Nexus 9平板。前者为2013年首发，屏幕大小为4.95英寸，后者为2014年发布，屏幕为8.9英寸。两款设备均内置2个麦克风。
实验设备麦克风位置示意：左为Nexus 5，右为Nexus 9
为了模拟真实世界的环境，研究人员没有选择安静的实验室，而是选取了3种日常环境，测试在不同噪音环境下整个系统的准确度：
( w) k! ?1 m! b! s8 [公共休息室：周围是聊天的人类，偶尔会出现煮咖啡时发出的较大噪音。
阅览室：电脑键盘声与小声说话声混合的环境。
图书馆：几乎没有说话声，但电脑键盘声环绕四周。
研究人员在这三个环境中，让45名志愿者分别进行了4组实验。
第一组志愿者需要随机输入数字1-9，每个数字各输入10次，第二组需要输入200组四位数字的密码，第三组随机输入字母，第四组需要输入5个字母组成的单词，这些单词均来自聊天语料库NPS。
3 w* |& k! i& @" `3 m实验结果验证了这种攻击方法可行性。
4 |* k, y' u6 Y在20次实验中，AI能准确还原150个四位数字密码中的91个，还原准确率为61%。
破解字母组成的暗号也不成问题。用27个单词密码测试时，只进行10次实验，模型在手机上破解了7个单词，在平板上成功还原出其中的19个。
就是这样，你毫无察觉，但密码不胫而走。
我有许多小mimi，都在声波里

其实不用慌，因为AI想拿到手机密码，也不止这一种方法。
. @3 T. U6 _5 a3 J% T去年9月，英国兰卡斯特大学发表的研究，用手机扬声器里的声呐，窃取密码，特别是图形密码。
声呐的原理是，计算声波从发出到返回之间的时差，来确定物体的位置，以及物体有没有移动。这项研究里，AI分析麦克风录下的回声，便可以追踪用户手指在智能手机屏幕上的移动轨迹了。
也是在你没有察觉的时候，一切就发生了。
' ^' [! b, z) K当然，上面这些只是手机上的问题。
4 E5 v6 J$ h5 B8 R如今，从键盘到硬盘，哪一个听不到你的秘密？
(请注意，这是一句严肃的话，没有开车。)
就连家里的盆栽，可能也知道你说了什么。
) o: p7 H# h7 f9 c$ G- a所以，我们一个一个讲。
听一下键盘先
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5 ^. N, R; s4 u; t去年12月，就有个名叫Keytap的键盘窃听法术，简单有效，吸引了大片关注。
/ L* e! _. u  t( w; {先用麦克风采集一下敲击各种按键的声波，比如每个键收集三次。
& `3 N; I/ o% h  R8 y- P再搭个简单的预测模型，算出每个按键的平均波形：
把收集好的声波的峰值对齐，避免延时影响；再用相似度指标 (Similarity Metric) 精细地对齐波形；对齐之后，做个简单加权平均，就得到平均波形了。
' V1 q  H2 u1 ?0 T/ C* g最后，尽情敲键盘吧，只要和平均波形比对一下相似度，就能检测出是哪个按键了。
还有开源代码，大家可以直接玩耍。
: E: S# j! d8 Y- J1 P2 @4 u; @硬盘偷听，麦克风也不用
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) r& H9 }) O) `! X) r2 ?1 S. Y7 U这是密歇根大学和浙大学者脑洞的结晶。原原本本的机械硬盘，不加麦克风，不做任何硬件改动，就变成了窃听器，且音质不俗：
硬盘工作的时候，主轴高速运转带动盘片，上面的磁头会感应盘片上的磁场变化，通过改变磁场，来写入数据。
4 j4 L( S( E6 ?* [这个过程非常精细。只要受到外部的声波冲击，磁头就会发生偏移。硬盘的位置传感器，产生的电压信号里就会体现出这个偏移。
0 F, s, K  j( j: ?  ^" R/ Q让AI去分析这细小的偏移，科学家们还原了人类说的话，又还原了高保真的音乐，Shazam的听歌识曲也能答对歌名。
毕竟，硬盘的采样率超过30,000赫兹，几乎是CD级的录音质量。
薯片，不只是清脆
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  N9 n6 i5 [! t优雅的声音，可能是吃薯片最大的快感。
但偷听人类说话，科学家们不是靠薯片碎裂发出的声波，而是在视觉上动了心思。
MIT、微软和Adobe组成的混合团队，用高速相机透过隔音玻璃，拍摄出薯片袋的振动，算法便能判断说话的人是男是女，甚至还原讲话的内容。
研究人员说，声音传播时触碰到周围的物体，会在振动中形成一股微妙的视觉信号，肉眼不会发觉，但高速相机（每秒2000~6000帧）捕捉得到。AI分析视觉信号，便能听出人类的谈话了。
; N. n8 B! {9 u2 Q而且，不止薯片袋，铝箔、水杯甚至植物盆栽，都可以用来偷听。这些物件在房间里出现，人类又丝毫不会觉得奇怪，真是得天独厚。
这项研究，中选了顶会SIGGRAPH 2014。
如此说来，或许世间万物，都知道你的秘密。
/ w" M. I9 u, a不过还好，这些方法还在研究阶段。
传送门
这篇论文的研究人员共有四位，分别为剑桥大学的Ilia Shumailov、Jeff Yan、Ross Anderson及三星美国研究院Laurent Simon。
% i' C" Y- h  b% N论文Hearingyour touch: A new acoustic side channel on smartphones
5 a# l; f2 M  @: L地址：https://arxiv.org/abs/1903.11137
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( Y5 Y& J8 ^3 \6 T5 K2 ]9 S 有品好玩的科技，一切都会与你有关


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