灯泡晃一晃，你就被窃听了：以色列黑科技，根据灯泡振动，25米外实时恢复室内声音

鱼羊 2020-06-16 13:40:48 来源：量子位

白交 鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

一台望远镜，对准窗子里的吊灯，你在屋里发出的声音，就被听光了？！

这不是耸人听闻，而是来自以色列内盖夫本古里安大学和魏兹曼科学研究所的最新研究。

这一新的远程窃听技术，名为Lamphone。

任何人，只要拥有一台笔记本，和价值不到1000美元的望远镜 + 光电传感器，就能实时监听25米开外房间里的声音。

就像这样：

而其所利用的，只是灯泡的振动。

神奇。

盯住灯泡，实现窃听

灯泡晃一晃，屋子里的对话就被窃听了？

听上去着实有些毛骨悚然，我们先来看看这到底是怎么一回事。

所需工具：

「别人家的」悬挂式灯泡，「别人家的」窗户（窗帘刚好没拉上的那种）、一台的望远镜以及光电传感器。

具体步骤：

简单来说，分为三个部分。

第一步，室内的几个人说话，声波撞击灯泡，引发「灯泡」的振动（毫米级）。

第二步，将装有「光电传感器」的望远镜对准灯泡。

第三步，利用ADC（模数转换器），将从光电传感器中采样「光信号」，通过设计的算法处理为「声信号」。

研究人员设置了这样一个实验场景：

目标是位于写字楼三层的一间办公室，办公室内悬挂着一个12瓦的LED灯泡。

窃听设备被安置在25米外的人行天桥上，包括三台在目镜上装上了光电传感器的望远镜（直径10cm、20cm、35cm），以及用以处理数据的笔记本电脑。

在这个位置，窃听者无法直接听到办公室里的声音。

研究人员发现，灯泡因声音而产生的微小振动成功被传感器记录了下来。

单个望远镜捕获的光学测量结果，被传输到计算机中。

信号在经过带阻滤波器、正则化、降噪、均衡器这四步处理之后，可以以惊人的保真度重建房间内的声音。

比如，音箱播放的一段音乐：

△左：恢复音频频谱图；右：原始音频频谱图

比如，文章开头川普的演讲片段：

研究人员还证明，谷歌的Cloud Speech API能够成功将这段恢复出来的语音转换成文字。

另外，实验数据显示，望远镜的镜头直径越大，恢复出的音频质量越高。

方法局限性

对于这样的黑科技，斯坦福大学计算机科学家和密码学家Dan Boneh表示：这是旁道攻击的完美应用——旁道攻击，即通过意料之外的信息泄露来窃取秘密。

此前，MIT、微软和Adobe的研究人员也开发了一种类似的算法，可以通过分析视频中物体的微小震动来重建音频信号，称为可视麦克风。

「可视麦克风」实验中，研究人员通过隔声玻璃，在4.5米开外拍摄一袋薯片的振动，继而成功恢复出了清晰的语音。

不过，想要通过视频来恢复语音，首先对硬件设备的要求就很苛刻——每秒传输帧数（FPS）需要超过2200Hz。

此外，仅是恢复几秒钟的语音，就需要几个小时的处理时间，因为处理高分辨率、高频视频需要耗费大量计算资源。受限于此，该方法也无法实现实时监控。

相比之下，Lamphone不仅成本低廉，还能做到实时监控。

不过，Lamphone也存在局限性。

其一，在实验中，研究人员只针对悬挂式灯泡进行了研究，尚不清楚固定在天花板上的灯泡是否同样能成为「窃听工具」。

并且，实验中观察的灯泡是12瓦的LED灯泡，相比于白炽灯泡和荧光灯泡，信噪比更高——是前者的6.3倍，后者的70倍。

也就是说，通过信号处理来恢复出声音的难度，相对低一些。

其二，在实验中，扬声器的音量被开到了最大。也就是说，播放的语音和音乐要比正常情况下声音更大。

研究团队表示，目前，他们使用了相对便宜的光电传感器和模数转换器，使用更加昂贵的传感器则能够恢复出音量更小的对话。

One More Thing

这样的研究，当然不是为了鼓励“大胆的想法”，而是为了“提高人们对攻击媒介的认识”。

因此，研究人员也在论文中讨论了避免/缓解这种攻击的方法。

比如，降低灯泡的发光量和使用建筑幕墙。

光电传感器捕获的光信号越少，信噪比也会随之降低。

所以，使用瓦数更低的灯泡、增加建筑幕墙，都会加大攻击的难度。

△噪声分析。上：无幕墙；下：有幕墙

或者，更直接一点——

拉上窗帘。

参考链接：
项目地址：https://www.nassiben.com/lamphone
https://www.wired.com/story/lamphone-light-bulb-vibration-spying/