Das Abhören privater Gespräche ist eine der häufigsten und unangenehmsten Bedrohungen für die Privatsphäre. Nicht umsonst kleben viele Menschen Mikrofone und Kameras auf Laptops, um die persönlichsten und privatesten Momente geheim zu halten. Nun, es ist Zeit, die Lidars auch auf Ihren intelligenten Staubsauger zu kleben. Weil Wissenschaftler der National University of Singapore einen Weg gefunden haben, Räumlichkeiten mit einem Staubsauger abzuhören.
Kürzlich haben Forscher verschiedene Methoden zum Abhören über verschiedene Smart-Geräte des "Smart Home" vorgeschlagen. In diesem Artikel wird LidarPhone beschrieben - ein neuer akustischer Angriffskanal durch Lidars, die mit beliebten Staubsaugern für Heimroboter ausgestattet sind. Die Hauptidee besteht darin, das Lidar als Lasermikrofon zu verwenden, das Geräusche von subtilen Vibrationen aufnehmen kann, die auf Objekte in der Nähe induziert werden.
Geräusche sind Druckwellen, die sich durch die Schwingungen des Mediums ausbreiten. Folglich wird Schallenergie in der Umgebung teilweise auf nahegelegene Objekte induziert, wodurch subtile physikalische Schwingungen in diesen festen Medien erzeugt werden. Das grundlegende Konzept von LidarPhone besteht darin, solche induzierten Vibrationen in Alltagsgegenständen mithilfe des Lidar-Sensors des Roboterstaubsaugers zu erfassen und dann das aufgezeichnete Vibrationssignal zu verarbeiten, um Spuren von Geräuschen wiederherzustellen. Diese Erfassungsmethode ist vom Prinzip der Lasermikrofone inspiriert, die reflektierte Laserstrahlen verwenden, um Geräusche von vibrierenden Objekten aufzunehmen.
Wie ein preiswerter Lidar funktioniert
Obwohl Lasermikrofone komplexe Einstellungen erfordern, sind rotierende Lidarsensoren mit mindestens einem Lasersender und einem Reflexionssensor ausgestattet. Dies bietet wichtige Funktionen für die Konvertierung von Lidar in Mikrofon. Natürlich erfordert die praktische Umsetzung dieser Idee die Überwindung einer Reihe von Schwierigkeiten.
Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Lidar als Lasermikrofon ist das extrem niedrige Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der reflektierten Signale. Dies ist teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass LidarPhone trotz ihrer offensichtlichen Ähnlichkeiten auf hohem Niveau auf anderen physikalischen Prinzipien als Lasermikrofone beruht. Lasermikrofone zielen auf stark reflektierende Materialien ab (d. H. Sie erzeugen Spiegelreflexionen), wie z. B. Glasfenster mit hohem SNR. Im Gegensatz dazu sind Hardware-Lidar-Verstärker und Analog-Digital-Wandler (ADCs) so eingestellt, dass sie nur für Signale geringer Intensität empfindlich sind, die hauptsächlich von rauen Oberflächen wie Wänden reflektiert werden, wodurch diffuse Reflexionen erzeugt werden. Selbst wenn der Lidar Signale hoher Intensität vom Glasfenster empfängt,Er erhält keine nützlichen Informationen.
Unterschied zwischen gerichteter Spiegelreflexion für ein Lasermikrofon (links) und diffusen Reflexionen mit niedrigerem SNR, die von LidarPhone empfangen werden
Um das Problem des niedrigen SNR zu überwinden, haben Wissenschaftler verschiedene Signalverarbeitungstechniken verwendet, einschließlich des Herausfilterns von rauschhaltigen Frequenzkomponenten. Um den Effekt des Rauschens weiter zu reduzieren, führten sie eine Rauschreduzierung durch, indem sie dynamisch profiliertes Rauschen unter Verwendung der Spektralanalyse subtrahierten. In der wissenschaftlichen Arbeit werden physikalische und mathematische Methoden ausführlicher beschrieben .
Ein weiteres wichtiges Problem bei der Entwicklung des LidarPhone-Angriffs war die niedrige Abtastrate des Lidars. Aufgrund seiner Rotationsbewegung entspricht die Abtastrate für einen Punkt auf dem Ziel der Rotationsrate des Lidars. Die Wissenschaftler erhöhten die Abtastrate, indem sie die Lidargeschwindigkeit (5 Hz) mit der Anzahl der Abtastungen pro Umdrehung (360) multiplizierten. Somit hat sich die Abtastrate von 5 Hz auf 1,8 kHz erhöht, was ein wichtiger Indikator beim Training eines neuronalen Netzwerks ist.
LidarPhone verarbeitet und extrahiert Audiosignalspuren sorgfältig aus anfänglich verrauschten Laserreflexionen. Auf diese Weise werden vertrauliche Informationen erfasst (z. B. Sprache, die von einem Computerlautsprecher ausgegeben wird, wenn das Opfer an einer Telefonkonferenz teilnimmt).
In dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde der Angriff als Experiment auf dem Roboterstaubsauger Xiaomi Roborock getestet. Der LidarPhone-Prototyp wurde auf Zahlen von Computerlautsprechern und Musik von einem Fernsehlautsprecher trainiert: mehr als 30.000 Audio-Schnipsel mit einer Gesamtdauer von mehr als 19 Stunden aufgenommenem Audio. Infolgedessen zeigte LidarPhone eine durchschnittliche Genauigkeit von etwa 91% und 90% bei der Klassifizierung von Zahlen bzw. Musik.
In dem Experiment erhielt LidarPhone vertrauliche Sprachinformationen von Laserstrahlen, die von den kleinsten vibrierenden Objekten wie einem Mülleimer oder einer Plastiktüte reflektiert wurden. Die folgende Abbildung zeigt das Auftreten eines Tonsignals mit Reflexion von verschiedenen Objekten.
Die Figur entspricht den Tönen im Wort "neun", abgeleitet von a) dem Originalaudio; b) Mikrofonaufnahme aus einer Entfernung von 3 Metern; c) verarbeitete Mülleimer-Lidar-Aufzeichnungen; d) IKEA-Paket. Entsprechende Audiodateien werden unter bit.ly/lidarphone-sensys veröffentlicht.
LidarPhone überwindet die Einschränkungen moderner Abhörmethoden, die eine Art Abhörgerät erfordern, um die Erkennungschancen zu erhöhen. Hier gibt es keine Fehler oder Fremdgeräte. Nur ein gewöhnlicher Staubsauger, der bescheiden in der Ecke steht und keinen Verdacht erregt.
Die Forscher schreiben, dass viele andere Lichtsensoren, einschließlich derer auf Smartphones, theoretisch als Mikrofone verwendet werden könnten. In jüngster Zeit wurden in einer Reihe wissenschaftlicher Arbeiten Anwendungsfälle für nichtakustische Sensoren in Smartphones aufgedeckt, mit denen Sie möglicherweise Gespräche ohne Erlaubnis aufzeichnen können. Wir sprechen über die Verwendung eines Beschleunigungsmessers, eines Gyroskops und eines Vibrationsmotors ( 1 , 2 , 3 , 4 ).
Die Verwendung eines Smartphones zum Abhören ist jedoch trivial und vorhersehbar. Eine ganz andere Sache sind Haushaltsgeräte mit Lidars, von denen niemand ahnen kann, dass sie Gespräche belauschen. Wie ein Staubsauger. Im Allgemeinen eröffnet die Verbreitung intelligenter Geräte in unseren Häusern viele Möglichkeiten für akustische Angriffe dieser Art, bei denen private Gespräche belauscht werden. Das Wichtigste ist, dass ein Lidar tatsächlich ein fertiges Lasermikrofon ist.
Forschungsbericht veröffentlicht am 16. November 2020 auf der SenSys '20 Virtual Conference in Japan.
