يعد التنصت على المحادثات الخاصة أحد أكثر تهديدات الخصوصية شيوعًا وغير سارة. ليس من قبيل الصدفة أن يقوم الكثير من الناس بلصق الميكروفونات والكاميرات على أجهزة الكمبيوتر المحمولة للحفاظ على سرية أكثر اللحظات الشخصية والخاصة. حسنًا ، حان الوقت للصق الليدار على المكنسة الكهربائية الذكية أيضًا. لأن علماء من جامعة سنغافورة الوطنية وجدوا طريقة للتنصت على الغرف باستخدام مكنسة كهربائية.
اقترح الباحثون مؤخرًا عدة طرق للتنصت على المكالمات الهاتفية عبر الأجهزة الذكية المختلفة "للمنزل الذكي". تصف هذه الورقة LidarPhone - قناة هجوم صوتي جديدة من خلال lidars ، وهي مزودة بمكانس كهربائية منزلية شهيرة. الفكرة الرئيسية هي إعادة استخدام الليدار ليعمل كميكروفون ليزر يمكنه التقاط الأصوات من الاهتزازات الدقيقة التي تحدث على الأشياء القريبة.
الأصوات هي موجات ضغط تنتشر من خلال اهتزازات الوسط. وبالتالي ، يتم تحفيز الطاقة الصوتية في البيئة جزئيًا على الأشياء القريبة ، مما يؤدي إلى حدوث اهتزازات فيزيائية دقيقة داخل هذه الوسائط الصلبة. يتمثل المفهوم الأساسي لـ LidarPhone في استشعار مثل هذه الاهتزازات المستحثة في الأشياء اليومية باستخدام مستشعر lidar للمكنسة الكهربائية الروبوتية ، ثم معالجة إشارة الاهتزاز المسجلة لاستعادة آثار الأصوات. طريقة الاستشعار هذه مستوحاة من مبدأ ميكروفونات الليزر ، التي تستخدم أشعة الليزر المنعكسة لالتقاط الأصوات من الأجسام المهتزة.
كيف يعمل الليدار غير المكلف
على الرغم من أن ميكروفونات الليزر تتطلب تعديلات معقدة ، إلا أن مستشعرات الليدار الدوارة مزودة على الأقل بجهاز إرسال ليزر ومستشعر انعكاس. يوفر هذا إمكانات أساسية لتحويل الليدار إلى ميكروفون. بالطبع ، يتطلب التطبيق العملي لهذه الفكرة التغلب على عدد من الصعوبات.
تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية عند استخدام الليدار كميكروفون ليزر في انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للإشارات المنعكسة. هذا يرجع جزئيًا إلى حقيقة أن LidarPhone يعتمد على مبادئ فيزيائية مختلفة عن ميكروفونات الليزر ، على الرغم من أوجه التشابه الواضحة بينهما على مستوى عالٍ. تستهدف ميكروفونات الليزر المواد شديدة الانعكاس (أي إنتاج انعكاسات مرآوية) مثل النوافذ الزجاجية عالية نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في المقابل ، يتم ضبط مضخمات ليدار للأجهزة والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) لتكون حساسة فقط للإشارات منخفضة الكثافة ، والتي تنعكس في الغالب على الأسطح الخشنة مثل الجدران ، وبالتالي تنتج انعكاسات منتشرة. لذلك ، حتى لو تلقى الليدار إشارات عالية الكثافة من النافذة الزجاجية ،لن يتلقى معلومات مفيدة.
الفرق بين الانعكاس المرآوي الاتجاهي لميكروفون الليزر (يسار) والانعكاسات المنتشرة مع انخفاض معدل الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الذي يستقبله LidarPhone
للتغلب على مشكلة انخفاض معدل الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، استخدم العلماء تقنيات معالجة الإشارات المختلفة ، بما في ذلك تصفية مكونات التردد التي تحتوي على ضوضاء. لتقليل تأثير الضوضاء بشكل أكبر ، قاموا بتقليل الضوضاء عن طريق طرح الضوضاء المحددة ديناميكيًا باستخدام التحليل الطيفي. بمزيد من التفصيل يتم وصف الطرق الفيزيائية والرياضية في العمل العلمي .
كانت المشكلة الرئيسية الأخرى في تطوير هجوم LidarPhone هي انخفاض معدل أخذ العينات من lidar. نظرًا لحركتها الدورانية ، فإن معدل أخذ العينات لنقطة واحدة على الهدف يعادل معدل دوران الليدار. زاد العلماء معدل أخذ العينات بضرب سرعة الليدار (5 هرتز) في عدد العينات في كل دورة (360). وبالتالي ، زاد معدل أخذ العينات من 5 هرتز إلى 1.8 كيلو هرتز ، وهو مؤشر مهم عند تدريب الشبكة العصبية.
يقوم LidarPhone بمعالجة واستخراج آثار الإشارات الصوتية بعناية من انعكاسات الليزر الصاخبة في البداية. بهذه الطريقة ، يتم التقاط المعلومات السرية (على سبيل المثال ، الكلام المنبعث من مكبر صوت الكمبيوتر عندما تشارك الضحية في مؤتمر عبر الهاتف).
في هذه الورقة العلمية ، كتجربة ، تم اختبار الهجوم على مكنسة Xiaomi Roborock الكهربائية. تم تدريب النموذج الأولي LidarPhone على أرقام من مكبرات صوت الكمبيوتر والموسيقى من مكبر صوت تلفزيون: أكثر من 30 ألف عينة صوتية بمدة إجمالية تزيد عن 19 ساعة من الصوت المسجل. نتيجة لذلك ، أظهر LidarPhone متوسط دقة حوالي 91٪ و 90٪ عند تصنيف الأرقام والموسيقى ، على التوالي.
في التجربة ، تلقى LidarPhone معلومات كلام سرية من أشعة الليزر المنعكسة من أصغر الأشياء المهتزة ، مثل سلة المهملات أو كيس بلاستيكي. يوضح الرسم التوضيحي أدناه مظهر إشارة صوتية مع انعكاس من كائنات مختلفة.
الرقم يتوافق مع الأصوات في كلمة "تسعة" مشتقة من أ) الصوت الأصلي ؛ ب) تسجيل الميكروفون من مسافة 3 أمتار ؛ ج) معالجة سجلات ليدار المهملات ؛ د) عبوة ايكيا. يتم نشر ملفات الصوت المقابلة في bit.ly/lidarphone-sensys
LidarPhone يتغلب على قيود طرق التنصت الحديثة التي تتطلب نوعًا من معدات التنصت لزيادة فرص الاكتشاف. لا توجد أخطاء أو معدات غريبة هنا. فقط مكنسة كهربائية عادية تقف بشكل متواضع في الزاوية ولا تثير الشك.
كتب الباحثون أن العديد من مستشعرات الضوء الأخرى ، بما في ذلك تلك الموجودة على الهواتف الذكية ، يمكن نظريًا استخدامها كميكروفونات. في الآونة الأخيرة ، كشف عدد من الأوراق العلمية عن حالات استخدام لأجهزة الاستشعار غير الصوتية في الهواتف الذكية والتي من المحتمل أن تسمح لك بتسجيل المحادثات دون إذن. نحن نتحدث عن استخدام محرك التسارع والجيروسكوب والاهتزاز ( 1 ، 2 ، 3 ، 4 ).
لكن استخدام الهاتف الذكي للتنصت أمر تافه ويمكن التنبؤ به. الأجهزة المنزلية ذات الليدار ، والتي لا يمكن لأحد أن يشك في التنصت على المحادثات ، هي مسألة مختلفة تمامًا. مثل مكنسة كهربائية. بشكل عام ، يفتح انتشار الأجهزة الذكية في منازلنا العديد من الفرص لهذا النوع من هجمات التنصت الصوتي. الشيء الرئيسي الذي يجب تذكره هو أن الليدار هو في الواقع ميكروفون ليزر جاهز.
تم إصدار ورقة بحثية في 16 نوفمبر 2020 في مؤتمر SenSys الافتراضي 20 في اليابان.
