Wissenschaftler entwickelten Lamphone: Mithilfe einer Fotodiode und eines Teleskops verwandelten die Forscher Glühbirnen in „Käfer“ für das Abhören

Wenn Sie von der Originalität der Entwicklungen von Lev Termen auf dem Gebiet der verdeckten Aufzeichnung von Toninformationen, dh Abhören wie „Buran“ und „Chrysostom“, beeindruckt sind, werden Sie sicherlich von den unten beschriebenen Erfahrungen israelischer Forscher beeindruckt sein. Ben Nassi, Aaron Pirutin, Yuval Elovici, Boris Zadov von der Ben-Gurion-Universität des Negev und Adi Shamir Shamir) vom Weizmann Institute of Science haben ein Gerät entwickelt, das Sprache und andere Geräusche aus den Vibrationen einer von der Decke hängenden Glühbirne aus der Ferne hören kann. Das Gerät entschlüsselt Daten in Echtzeit und ermöglicht es Ihnen, Informationen fast sofort zu erhalten.

Ein bisschen über die Geschichte des photoakustischen Abhörens

Diese Methoden des Abhörens wurzeln in den Tiefen jahrhundertelanger Forschung des Ingenieurs des geschlossenen Tupolev-Designbüros und Pioniers der elektronischen Musik, Lev Termen. Das Buran-System, das Mitte der vierziger Jahre des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde, konnte die Schwingung von Fensterscheiben mit reflektierten Infrarotstrahlen abhören. Das gleiche Prinzip bildete später die Basis für Lasermikrofone. Die Methode war jedoch nicht perfekt. Das Vorhandensein von schallabsorbierenden Barrieren vor der Schallquelle verhinderte ein ausreichendes Schütteln des Glases, um eine nützliche Informationsaufnahme durchzuführen.





Lasermikrofon der späten 80er Jahre



Das Aufkommen hochauflösender Kameras mit einer Bildwiederholfrequenz hat neue Möglichkeiten für das Abhören eröffnet. Schallwellen, die mit der Oberfläche von Objekten kollidieren, verursachen für das Auge nicht wahrnehmbare Schwingungen.







Um sie zu erkennen, kann eine hochauflösende Kamera mit einer Bildwiederholfrequenz von 60 fps oder mehr verwendet werden. Vor drei Jahren konnte ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology ein mit 2200 fps aufgenommenes Video in den Klang einer Melodie umwandeln, die zum Zeitpunkt der Aufnahme in Innenräumen gespielt wurde. Es wurde ferner entdeckt, dass das Verfahren mit geringerer Effizienz auch mit einer Bildwiederholfrequenz von 60 fps angewendet werden kann.







Diese Methode hatte auch Einschränkungen. Das erste sind die Kosten für Kameras mit hohen und extrem hohen Bildwiederholraten. Zweitens gibt es Probleme mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit eines mit einer solchen Bildrate aufgenommenen Bildes: Umfangreiche Videodateien erfordern eine lange Verarbeitung, deren Dauer direkt von den Hardwarekapazitäten abhängt. Dies schränkt die Verwendung der Echtzeitmethode ein.

Kameras mit der vorhandenen Auflösung erlauben es praktisch nicht, die Kamera in beträchtlicher Entfernung zu verwenden, wodurch sie auf 5 bis 6 Meter zum Objekt begrenzt ist.

Die Essenz der neuen Methode

Israelische Wissenschaftler beschlossen, die Methode der Amerikaner zu verbessern, konzentrierten die Aufnahme mit einem Teleskop auf ein bestimmtes Objekt und ersetzten eine teure Kamera durch eine kostengünstige Fotodiode. Luftjitter während eines Gesprächs verursacht eine Mikrovibration der Glühbirne, was wiederum nicht wahrnehmbare, aber für empfindliche Geräte signifikante Änderungen der Beleuchtung verursacht. Licht wird von einem Teleskop erfasst und von einer Fotodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt. Unter Verwendung eines Software-Analog-Digital-Wandlers wird das Signal in Form eines Spektrogramms aufgezeichnet, das von einem von den Forschern geschriebenen Algorithmus verarbeitet und dann in Ton umgewandelt wird.



Die Forscher überprüften die Effizienz der Methode durch Laborexperimente, bei denen sie ein Gyroskop an der Glühbirne anbrachten und Geräusche mit einer Frequenz von 100 bis 400 Hz in einem Zentimeter vom Objekt reproduzierten. Die Schwingungen der Glühbirne waren gering und lagen im Bereich von 0,005 bis 0,06 Grad (die Abweichung betrug im Durchschnitt 300 bis 950 Mikrometer), aber die Hauptsache war, dass sie sich je nach Frequenz und Schalldruckpegel signifikant unterschieden und dementsprechend eine Abhängigkeit der Schwingungen besteht auf die Eigenschaften der Ausbreitung von Schallwellen.







Die Vibrationen in der vertikalen und horizontalen Ebene waren sehr gering (300-950 Mikrometer), änderten sich jedoch in Abhängigkeit von der Frequenz und Lautstärke des zugeführten Schalls. Dies bedeutet, dass die Glühbirne zwar kaum wahrnehmbar ist, aber dennoch von den sich in der Nähe ausbreitenden Schallwellen vibriert Schwankungen hängen von ihren Eigenschaften ab.

Messung und Experiment

Messungen der Daten von der Fotodiode zeigten ungefähre Stromänderungen während der Schwingungen der Glühbirne in unterschiedlichen Abständen zwischen ihr und dem Teleskop. Wir haben herausgefunden, dass bei Verwendung einer 24-Bit-Umwandlung die Schwingungen einer 300-Mikron-Glühbirne in einer Ebene eine Spannungsänderung von 54 Mikrovolt verursachen, was völlig ausreicht, um das Testspektrum (100 - 400 Hz) mit der Optik des verwendeten Teleskops in beträchtlicher Entfernung (mehrere zehn Meter) zu übertragen. Das Fehlen von Schall wird auch im Spektrogramm des optischen Signals von der Glühbirne in Form eines Peaks von 100 Hz (der durch seine Flimmerfrequenz verursacht wird) reflektiert. Diese Funktion wurde auch in den Algorithmus eingeführt.







Der Algorithmus selbst wirkt sequentiell. In der ersten Stufe arbeitet es als Filter für informativ irrelevante Frequenzen wie die Flimmerfrequenz und extrahiert dann das der Sprache entsprechende Spektrum. Danach werden die Frequenzzeichen von Nebengeräuschen entfernt, ähnlich wie bei Standard-Denoisern in Diktier- und Studiorecordern. Das so verarbeitete Spektrogramm wird von einem Drittanbieterprogramm in Ton umgewandelt.







Es wurde von Lamphone-Wissenschaftlern in der aktuellen Version entwickelt und ermöglicht die Wiederherstellung von Sprache und Musik in Echtzeit in einem Raum, der sich 25 Meter vom Beobachtungsort entfernt befindet. Dies wird objektiv durch das folgende Experiment bewiesen. Ein mit einem Amateurteleskop mit einer 20-cm-Linse ausgestatteter Aufbau wurde auf einer Brücke 25 Meter vom Fenster entfernt in den Raum installiert, in dem sich die Lampe befand. Nicht weit von der Lampe entfernt wurden die Beatles "Let It Be" und Coldplay "Clocks" sowie eine Aufnahme von D. Trumps Rede mit dem Satz "Wir werden Amerika wieder großartig machen" gespielt.







Infolgedessen erwiesen sich Tonaufnahmen, die aus Spektrogrammen wiederhergestellt wurden, als recht unterscheidbar, Musikstücke wurden vom Shazam-Dienst leicht erraten und Wörter wurden von der offenen API von Google zur Texterkennung erkannt.

Trockene Rückstände

Das Gerät funktioniert. Nichts dergleichen wurde zuvor berichtet. Dies wird die Arbeit der Sonderdienste in gewisser Weise vereinfachen, und alle, die etwas zu befürchten haben, sollten neue Vorsichtsmaßnahmen treffen. Es ist noch nicht klar, ob das System mit etwas anderem als einer sich bewegenden Lichtquelle arbeiten kann. Israelische Forscher planen, ihre Forschung fortzusetzen.