图0:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

没想到吧,有一天你会被键盘出卖。

对,就是你每日敲击的键盘。当指尖在键盘上跳跃,清脆的噼啪声此起彼落时,你输入的所有信息,包括那些情真意切的词句,那些不欲人知的心事,还有你的网络账户、银行密码……全都被它泄露了。

键盘,还能被黑???

今天,一个叫做Keytap的“黑科技”在国外火了。Keytap通过监听你敲击键盘的声音,就能还原出你输入的内容。

而且,只需要通过你电脑里的麦克风,就能完成声波采集的任务。

在一段发布于网上的Demo里,Keytap作者展示了在iMac+Filco机械键盘环境中,这个算法的优秀程度,请看:

四步偷窥大法

搭建这样一个“偷窥”打字的模型并不难,Keytap算法也已经开源了。跟着做,只要如下四步:

一是,收集训练数据;

二是,搭建预测模型,学习一下数据;

三是,检测出有人在敲键盘;

四是,检测出ta在打什么字。

收集训练数据

Keytap收集数据时,只保留每次敲击前后75-100毫秒的音频。

这就是说,并非连续取样,两次敲击之间有一部分是忽略的。

这种做法是会牺牲一些信息量的。

从敲下按键,到程序受到指令,这之间有随机延时,与硬件和软件都有关系。

比如,按下g键的完整波形长这样:

图1:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

看图像可以发现,敲击时出现了一个峰值,而再过大约150毫秒,又有一个按键被抬起的小峰值。

这样说来,100毫秒之外的信息也可能有用,不过这里为了简便就忽略了。

最终,收集到的数据长这样:

图2:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

除此之外,局限性还在于,如果两次按键之间相隔不久,后者落在前者的后75毫秒之内,那数据可能就有些混杂了。

搭个预测模型

这个部分是最能发挥创造力的部分。Keytap用了一个非常简单的方法,分为三步:

1.把收集到的波形的峰值对齐。这样可以避免延时带来的影响。

2.基于相似度指标 (Similarity Metric) ,更精细地对齐波形。

需要更精确的对齐方法,是因为有时候峰值未必是最好的判断依据。

那么,可不可以跳过峰值对齐呢?

之所以第2步之前要先做第1步,是因为相似度指标的计算很占CPU。而第1步可以有效缩小对齐窗口 (Alignment Window) ,减少计算量。

3.对齐后,做简单加权平均。权重也是用相似度指标来定义的。

完成第3步之后,每一个按键都会得出一个平均波形 (a Single Averaged Waveform) ,用来和实时捕捉的数据做比对

Keytap用的相似度指标互相关(Cross Correlation, CC) ,长这样:

图3:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

这里,Ai和Bi都是某个按键的波形样本,比对就在它们之间进行。CC值越高,表示两者越相似。

当然,也可以用其他相似度指标来做。

顺便一说,两次按键之间的间隔时长,其实也可以用来预测的,但开发者怕麻烦就省略了,勇敢的少年可以去源代码基础上自行实验。

检测出在敲键盘

平均波形和比对标准都有了,可是麦克风实时收录的声音连绵不绝,该和哪一段来比对呢?

这就需要从连续的音频里,找到敲击键盘的声音。

Keytap用了一个非常简单的阈值方法,在原始音频里监测敲击动作:

按下去的时候,会有一个大大的峰值,这就是侦测目标。

不过,这个阈值不是固定的,是自适应 (Adaptive) 的:根据过去数百毫秒之内的平均样本强度来调整的。

图4:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

检测打了什么字

当系统发现有人在敲键盘,就用相似度指标来测到底按了哪个键,CC值最高的就是答案。方法就像上文说的那样。

现在,代码实现已经开源了,传送门见文底。

不过,作者在博客中说,这个方法目前只有机械键盘适用。

“薯片间谍”

听音识字的研究不止这一个,去年一篇Don’t Skype & Type!Acoustic Eavesdropping in Voice-Over-IP的论文,也提出了Skype & Type(S&T)键盘声音识别算法。

和这个研究类似,根据网络电话Skepe中传出的打字按键声音,在了解了被测者的打字风格和设备类型后,系统能复原敲下了什么。

图5:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

整个算法搭建过程只有三步:收集信息、数据处理与数据分类。

研究人员事先收集语音电话中键盘敲击声,将这些声音分为两类,即按下声与松开回弹声,随后提取它们的特征。

当听到键盘声时,算法先识别设备类型,再去识别为键盘中的哪个键。和Keytap不同的是,S&T也能适用于非机械键盘了。

研究人员表示,在预测的最可能的前5个字母中,包含正确字母的准确率达到了91.7%。

这篇论文发表在ACM亚洲计算机和通讯安全大会(ASIACCS 2017)上,地址:

https://www.math.unipd.it/~dlain/papers/2017-skype.pdf

推测人类讲了什么,AI需要甚至只是一包薯片

什么,觉得太离谱了?Naive。

MIT、微软和Adobe开发的这种看似天方夜谭的算法,只需高速相机透过隔音玻璃,拍摄出薯片袋的振动,算法就会判断说话人是男是女,甚至还原出说了什么。

图6:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

对,就是这种生活中随处可见的薯片

研究人员表示,声音传播时触碰到周围的物体,会震动形成一股微妙的视觉信号,肉眼无法识别,但高速相机(每秒帧数2000~6000 FPS)可以敏锐捕捉。

图7:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

除了薯片袋子,研究人员还用铝箔、水杯甚至植物盆栽进行了试验,效果“一如既往的好”。

图8:你敲键盘的声音泄露了你的内容 | 附开源代码

这不是野生研究,相关论文The Visual Microphone:Passive Recovery of Sound from Video还登上了2014年的Siggraph计算机图形学大会。

论文地址(注意科学前往):

http://t.cn/EyZEZYI

传送门

方法虽多,如果想自己动手搞一个,这些Keytap相关资源还是要收好:

博客地址:

https://ggerganov.github.io/jekyll/update/2018/11/30/keytap-deion-and-thoughts.html

代码地址:

https://github.com/ggerganov/kbd-audio

Demo:

https://ggerganov.github.io/jekyll/update/2018/11/24/keytap.html

嘘,掩好口鼻,轻声撤退。

余下全文(1/3)

本文最初发表在www.techug.com,文章内容属作者个人观点,不代表本站立场。

分享这篇文章:

请关注我们:

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注