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？

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
! f) h! l# t# |1 [2 H- e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。

0 Y' {/ w# ]; M! 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。
* ?, p( R6 E& r7 `6 F' L* Z; ~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。
* e* W' H9 H4 H( j2 s/ L3 n$ {45名志愿者真人测试，数字、字母，都被AI“偷”了出来。
1 E/ j# O- c+ l5 a' `声波出卖你
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! t! _8 t( J( }/ D1 j' N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？
2 f& B/ @7 Z: Z( ?; h, n5 M% X/ L“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。
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
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。
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。
实验所用的恶意声波收集程序
; Q. o2 X& n5 B; p8 Z4 Q  [5 r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：
- Q. X; k' v+ D' c2 A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。
AI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。
现场验证
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6 {  z! `" s; `+ |/ U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。
' L; ~+ o. z6 K8 ^6 w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。
+ e2 N9 a  j- t2 H实验设备麦克风位置示意：左为Nexus 5，右为Nexus 9
+ `, A7 m1 [% c2 P) O7 N* P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：
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。
( B. f8 ^# N3 @3 m/ x实验结果验证了这种攻击方法可行性。
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。
$ s6 N4 I. C4 p; U就是这样，你毫无察觉，但密码不胫而走。
) Y& i* S# B/ k7 \( I6 y我有许多小mimi，都在声波里

8 {+ `# j2 T3 _  R其实不用慌，因为AI想拿到手机密码，也不止这一种方法。
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。
7 Z9 P0 T- Q, F  k5 [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。
& E$ L3 b  z# r3 \6 d4 f当然，上面这些只是手机上的问题。
5 v! P: `6 E1 [如今，从键盘到硬盘，哪一个听不到你的秘密？
7 W2 |' v& R3 }* H' Q" f& v(请注意，这是一句严肃的话，没有开车。)
; S6 N% o; T, r: @2 \/ _* Y! J' Z就连家里的盆栽，可能也知道你说了什么。
所以，我们一个一个讲。
/ l# S  b7 y# d( C  I- D, Q) ]6 ^听一下键盘先

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。
3 P% C' Z3 }  }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。
. p1 U6 D+ s2 [再搭个简单的预测模型，算出每个按键的平均波形：
5 z5 n& E0 q, S) P& g1 E0 m' w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。
/ S' V2 m" I6 ?7 d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。
: ?1 O' `# T1 K5 a硬盘偷听，麦克风也不用

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：
7 ?  s8 u7 ]: k  C( [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。
; d% I) y# B9 q- d: w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。
9 |. ~! O0 c3 t4 N" j# M7 {6 {% z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。
6 y3 j( l  z# g+ G& b薯片，不只是清脆

. \+ m. O1 R4 o, A" f/ H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。
" K3 K/ E2 v3 e8 ^) g9 [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。
: |, J# p+ n, M8 o$ N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。
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。
; f2 _$ F1 I. c) q' A4 d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。
不过还好，这些方法还在研究阶段。
# I2 y! g* h$ g" E传送门
( \3 F9 r! [% V# a( u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。
/ G% H* ~! }6 W0 r  I/ Y# j6 s. v7 U( _论文Hearingyour touch: A new acoustic side channel on smartphones
" Y4 O8 r7 F2 V+ t+ h# `地址：https://arxiv.org/abs/1903.11137
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来源：http://www.yidianzixun.com/article/0LeJghDe
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