低调黑科技!华人团队用耳机解锁智能手机,便捷安全隐秘

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低调黑科技!华人团队用耳机解锁智能手机,便捷安全隐秘
麻省理工科技评论 2019-09-21

2019-09-21

纽约州立大学布法罗分校研发出一种利用生物识别工具 EarEcho,也就是利用无线耳塞声波的方式解锁手机
技术 耳机
纽约州立大学布法罗分校研发出一种利用生物识别工具 EarEcho,也就是利用无线耳塞声波的方式解锁手机

先问一个问题:你是如何解锁手机的?指纹?人脸?还是隔屏远程操作?

事实上,传统的人类生理和行为特征,如指纹、面部、声音和触摸等生物识别技术已被广泛应用于识别解锁和支付认证场景当中,不管是手机等移动设备,还是可穿戴设备,逐渐开始使用起来。有媒体预测,这一新趋势有望继续,不仅是更加方便智能,而且,随着技术的不断进步,更安全的身份验证解决方案或将给行业带来新的机遇。

从消费者眼光来看,指纹可能是最广泛使用的生物识别模式,因为它具有很高的可用性和准确性。然而,它也因此易受欺骗攻击,其安全性有待考证。

语音是另一种生物识别模式,它具有低硬件要求和良好的可用性,但语音很容易受到噪音环境影响,所以最近,面部识别又火爆起来了。例如 iPhone X 之后的手机使用的 Face ID 技术。尽管这项技术集成了多个传感器,包括泛光照明、红外深度相机等,来增强 Face ID 的安全性,但有媒体称,Face ID 本身并不安全,红外摄像机很可能被黑白自拍照片所欺骗。在 Mate 30 发布会上,华为消费者业务CEO余承东表示,为了增加手机解锁安全性,就使用上面部+屏下指纹两种生物识别模式,以及密码解锁。从目前来看,这将是手机等移动设备中非常广泛的识别解决方案。

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图|现有的生物识别模式和 EarEcho 的模式区别(来源:论文)

除了这些非常流行的生物识别认证方法之外,目前有研究人员还在探索了人体的各种生物电信号,例如用心电图(ECG)和脑电图(EEG)等,或者是骨传导技术作为认证或生物识别。但是,这些方案,要么需要额外的手势来实现身份验证,要么不适合长时间佩戴。因此,人们也想知道,是否还有一种更加不引人注目的解锁认证方法或生物识别模式,可以让用户轻松使用并方便地支付或解锁呢?

近日,纽约州立大学布法罗分校(UB)计算机科学与工程系 CyberMed 实验室高杨、王为等人研发出一种利用生物识别工具 EarEcho,也就是利用无线耳塞声波的方式解锁手机,其中使用声波来识别耳道的独特几何形状,判断你要做出的动作,这一论文刊登在 9 月 19 日的美国计算机学会(ACM)期刊上。值得一提的是,该期刊由计算机协会每季度出版,目前已有数据表明,该刊的研究成果中,大约有 95% 的有效成果或将使用在现实生活当中。另外,UB 的技术转让办公室已经为该技术提交了临时专利申请。

关于该项研究成果,高杨和王为对 DeepTech 表示,两人都是纽约州立大学布法罗分校计算机系在读博士,研究方向主要是普适计算(包括移动和可穿戴设备),以及生物认证/身份识别。而该实验室导师是纽约州立大学布法罗分校计算机科学与工程系的靳战鹏教授。

靳战鹏的研究方向包括新兴生物识别技术、认知神经科学、网络物理安全、神经形态计算、移动健康和低功耗传感等,其是 IEEE 的高级成员。另外,靳战鹏主导的这项研究其他共同作者来自布法罗大学和锡拉丘兹大学。

EarEcho的工作原理

靳战鹏团队使用现成的产品制造原型,包括一对入耳式耳机和一个小型麦克风,做出一个 EarEcho 样本产品。接着,团队开发了声学信号处理技术来限制噪声干扰,并建立了在 EarEcho 组件之间共享信息的模型。

当声音传播到人的耳朵时,声音会通过耳道传播并被耳道反射和吸收,所有声音都会产生可由麦克风录制的独特声音传输。而麦克风收集的信息由耳塞的蓝牙连接发送到智能手机进行分析。在声学信号预处理之后,基于传递函数的特征被馈送到 SVM 分类器中,以进行身份验证。

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图|耳道中声传播和反射的简化声波建模图示,P 是声波的直接传播,Pi 表示入射声波,Pr 表示反射声波(来源:论文)

论文显示,与现有的移动和可穿戴认证解决方案(即指纹,Face ID,声纹等)相比,EarEcho 具有以下优势:

第一个就是实时拿起使用,麦克风和耳机喇叭是无线耳机设计的两个基本组件,外形小巧,成本低,也可轻松带走。第二个就是用户友好度,EarEcho 不需要主动验证操作,它能够在用户佩戴耳机时自动处理认证请求。

第三个优势就是不引人注意,指纹和基于面部移动认证的主要问题之一,是用户信息被非法获取后欺骗系统。所以,在 EarEcho 样本中,数据收集和认证过程以更加不引人注意的方式进行,恶意攻击者很难通过旁道攻击窃取注册用户的耳朵(包括物理和生理)信息。而这种信息将不会持续保留,随着下一次的认证而更新另一个信息识别。

最后一个优势就是可靠性,随时间的稳定性和坚固性,这一新技术可以应对不同背景的噪声,身体运动和声压级的不确定性。

为了测试该技术的可靠性,20 名受试者收听了包含各种语音、音乐和其他内容的音频样本。该团队在不同的环境设置(街道、购物中心等)和不同位置的对象(坐、站立、头部倾斜等)进行测试。结果表明,EarEcho 可以达到 97.55% 的召回率和 97.57% 的精度,另外,在给予验证对象一秒反应时,证明有效率大约在 95%。从目前来看,这一技术是非常有可能应用于未来的可穿戴式设备当中,并随着用户复杂的使用环境,这一技术将会不断演进,发展潜能非常巨大。

理论上讲,用户可以依靠 EarEcho 来解锁他们的智能手机,从而减少对密码、指纹、面部识别和其他生物识别技术的需求。但靳战鹏认为,EarEcho 最大的使用场景是持续检测智能手机用户,EarEcho 在用户收听耳塞时起作用,是一种被动系统,意味着用户不需要采取任何行动,就是收听,而且需要携带,例如提交指纹或语音命令场景下,非常方便。另外,这种系统非常适合用户需要验证其身份的情况,例如在进行移动支付之后自动锁定,这时 EarEcho 还可以消除重新输入密码或指纹的需要,可以再次认证成功,容错率也非常低。

靳战鹏表示,只要佩戴 EarEcho 耳机,就可以轻松解锁。

可穿戴式产业潜能巨大

据报道,全球有线耳机和无线耳机市场预计在 2017 - 2023 年间将以 7.31% 的复合年率增长,到 2023 年,耳机产业收入将达到 200 亿美元。因此,无线耳机的日益普及,以及 AI 技术带来的无限潜能,EarEcho 有可能成为用户认证方式的一种选择。

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图|无线耳机(来源:Pexels)

无线耳机本身属于可穿戴式设备类型,在苹果最新财报中显示,Apple Watch、HomePod 和 AirPods 等可穿戴设备和配件销售收入为 55.25 亿美元,同比增长 48%。苹果在手表和耳机的共同推动下赢得了显著增长,这一产业的潜能巨大,甚至可以这样说,可穿戴式设备或将成为下一个技术时代入口。

2014 年 7 月 22 日,小米手环正式发布,一下子将可穿戴式设备的价位降至到两百元以内。其设计公司华米科技也在 2018 年 2 月 8 日上了美股。在招股书中,华米公司表示,2017 年,该公司实现营业收入 20.489 亿元,同比增长 31.6%;实现净利润 1.671 亿元,同比增长 597.8%。其他可穿戴设备品牌,包括佳明、Elbee、Heddoko 等,盈利情况都非常不错,由此我们可以看到,整个可穿戴式行业发展潜能巨大。而且,伴随着信息交互以及物联网技术的发展,该行业还会迎来另一大机遇。

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图|IDC 中国的报告(来源:IDC)

目前来看,这个行业正处于头部厂商竞争逐渐白热化,耳机市场成重要角逐场的状态。根据 IDC 最新发布的《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告》显示,2019 年第二季度,中国可穿戴设备市场出货量为 2307 万台,同比增长 34.3%。基础可穿戴设备(不支持第三方应用的可穿戴设备)出货量为 1846 万台,同比增长 31.9%,智能可穿戴设备出货量为 461 万台,同比增长 45.0%。在可穿戴式设备不断出货的背后,是用户日益增长的需求。

所以,就各种数据以及技术发展前景来看, EarEcho 产品发展潜能非常大,在没有任何特定的使用要求和额外的传感器情况下,仅利用耳中传播的独特耳道几何形状和声学特征,就可以轻松认证识别,并且有效识别率极高,不引人注目,加上使用和产品成本优势,这一技术或将很快应用。

IDC中国研究经理潘雪菲认为:“耳机市场的发展是在人工智能等技术驱动下的消费升级,未来耳机产品将通过在交互方式和功能方面的逐步升级,有可能发展成为更加独立的新兴智能设备,尤其在智能助手、传感及通讯方面将具有更大升级空间。”

中国人民大学新闻学院教授匡文波表示,目前,可穿戴设备行业是一个新兴行业,处在发展初期。急需形成产业联盟、开展产学研合作,制定有效标准。而更多人应该鼓励技术创新,加大研发创新投入,走出同质化泥沼。

而这,或许就是 EarEcho 的重要机会。

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