本文經(jīng)AI新媒體量子位（公眾號ID:QbitAI）授權(quán)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系出處。

無了個大語！以后AI靠聽鍵盤聲就能偷你密碼，準確率高達95%！

你沒聽錯，現(xiàn)在鍵盤敲字也不安全了，簡直防不勝防。

最近，來自杜倫大學(xué)等三所高校的研究人員訓(xùn)練了個AI模型，讓聲學(xué)攻擊變得無比簡單，通過分析鍵盤聲音，就能重構(gòu)用戶輸入的密碼和敏感信息。這要是被惡意泄露給第三方……

網(wǎng)友們聽到后直呼可瑞賊，有人表示：

這就是為啥我輸密碼的時候會聽重金屬音樂，并且將音量調(diào)到最大。

危險！危險！危險！

事情還要從英國幾所大學(xué)研究人員發(fā)的這篇題為“A Practical Deep Learning-Based Acoustic Side Channel Attack on Keyboards”的論文說起。

在這項研究中，研究人員用深度學(xué)習(xí)的方法提出了一個完全自動化的鍵盤聲學(xué)側(cè)信道攻擊流程，包括按鍵分割、通過mel頻譜圖進行特征提取、使用CoAtNet模型進行分類幾個大的部分。

具體來說，第一步按鍵分割，就是記錄目標鍵盤上的按鍵。

在這項工作中，研究人員用到了手機（iPhone13 mini）和視頻會議軟件Zoom(模擬遠程攻擊場景)來收集聲音，通過按壓MacBookPro上的36個按鍵（0-9，a-z）來制造聲音。

△手機距離目標17cm

每個按鍵被連續(xù)按下25次后，一個記錄按壓聲音的文件就產(chǎn)生了。

接下來就是對錄音進行快速傅里葉變換，然后在頻率上對系數(shù)進行求和以獲得“能量”（energy）。之后定義一個能量閾值，當能量超過這個閾值時，標記這里是一個按鍵音。

通過這個方法，可以從長音頻中分割出獨立的按鍵音段。

△按鍵分割過程，信號通過FFT轉(zhuǎn)換為能量，當超過閾值時標記按鍵。

和手機錄音不同，由于Zoom會使用降噪技術(shù)來壓縮音量范圍，所以不同按鍵的音量差異很小。這里研究人員提出了一種逐步調(diào)整閾值的方法來解決這個問題。

簡而言之，就是先設(shè)置一個初始閾值，使用當前閾值分割音頻，得到按鍵數(shù)量。如果分割得到的按鍵數(shù)量小于目標數(shù)量，則降低閾值；如果分割得到的按鍵數(shù)量大于目標數(shù)量，則增加閾值。通過逐步微調(diào)閾值，直到分割結(jié)果等于目標按鍵數(shù)量。

這里為了更精細調(diào)整，每次調(diào)整幅度會變小，直到準確分割出所有按鍵。

然后，就可以制作出波形圖和頻譜圖，進行特征提取，可視化每個按鍵的可識別差異。

△左圖為手機錄音的波形圖和相應(yīng)的mel頻譜圖，右圖為Zoom錄音。

下面重頭戲來了，這些頻譜圖圖像會被用來訓(xùn)練一個圖像分類器——CoAtNet。

研究人員將mel頻譜圖作為聲音的視覺表示，以圖像的形式輸入到CoAtNet中。CoAtNet包含卷積層和自注意力層，可以高效學(xué)習(xí)特征并建模特征之間的全局關(guān)系。

并在CoAtNet的基礎(chǔ)上添加了平均池化層和全連接層，以得到最終的按鍵分類結(jié)果。

此外，研究人員還使用了交叉熵損失函數(shù)和Adam優(yōu)化器訓(xùn)練模型，訓(xùn)練過程中，每5個epoch測試一次驗證集精度。通過調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)率、epoch數(shù)量等超參數(shù)，解決了模型精度突降的問題。

最終，模型在手機錄制的數(shù)據(jù)集上，分類準確率達到95%；在Zoom錄制的數(shù)據(jù)集上，分類準確率達到93%。

△手機錄制的MacBook按鍵分類器的混淆矩陣

手機和Zoom兩種錄音方式的結(jié)果僅差2%，也側(cè)面說明了錄音方式的改變不會對準確率產(chǎn)生顯著影響。

此外，值得一提的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)誤分類都是相鄰按鍵，錯誤具有一定規(guī)律性。

AI讓古老的東西「重生」

網(wǎng)友看到這項研究后，一部分人表示驚恐，還有一部分人表示這項研究十幾年前就有了：

顯然，古老的（非常非常古老的）東西再次變得新鮮起來了。

就比如說2005年華人一作的這項工作中，就已對鍵盤聲學(xué)進行了探索。

那么，這里有什么差別？

研究人員表示，之前的方法大多針對的是臺式機鍵盤，已經(jīng)過時了，而這項研究中用的是MacBook鍵盤，很多型號通用，潛在危險更大。

還有現(xiàn)在的麥克風(fēng)也不是當年的了，之前是外置話筒，而這項研究中用的是手機和Zoom錄制按鍵聲。

最主要的是方法不太一樣，以前一種較為常見的方法是用隱馬爾可夫模型（HMM），現(xiàn)在用的是CoAtNet模型。

HMM是在文本語料庫上訓(xùn)練的模型，用于預(yù)測序列位置中最可能的單詞或字符。例如，如果分類器輸出“Hwllo”，則可以使用HMM來推斷“w”實際上是錯誤分類的“e”。

相信對于廣大網(wǎng)友來說，這些都不是重點，重要的是怎么防范啊！

怎么防鍵盤竊聽？

應(yīng)對AI竊密也不是木得法子。研究人員就說了，可以通過改變打字風(fēng)格，從標準十指摳鍵盤變?yōu)樽杂纱蜃?，降低識別準確率。還有一些方法：

• 使用隨機復(fù)雜密碼，包含不同大小寫字母，增加攻擊難度。
• 在語音通話軟件中添加隨機假打字音頻干擾信號，檢測到按鍵聲時添加干擾。
• 使用雙重認證，比如指紋等生物特征，避免通過鍵盤輸入密碼。

除此之外，此前有研究也提出過一些，但今時今日效果可能較差，比如使用觸屏鍵盤、檢查房間內(nèi)是否有隱藏麥克風(fēng)、關(guān)閉麥克風(fēng)、不在視頻通話時輸入關(guān)鍵信息等。

網(wǎng)友也給出了一些奇招，比如說：

把敲密碼改成復(fù)制/粘貼？

家人們還有啥法子不？

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2308.01074