Bir odanın içinde konuşulanları duymak için mutlaka mikrofon kullanılması gerekmiyor. Ses dalgalarının çevredeki nesnelerde oluşturduğu son derece küçük titreşimler, uygun ölçüm sistemleriyle yeniden sese dönüştürülebiliyor.

Üstelik bu nesne tavandan sarkan sıradan bir ampul bile olabiliyor. Bilim insanları, yaklaşık 25 metre uzaklıktan bir ampulün yaydığı ışığı analiz ederek odadaki konuşmaları ve müzikleri geri getirmeyi başardı. Peki ışık kaynağının titreşimlerinden ses nasıl elde ediliyor ve bu yöntem gerçekten gizlice dinleme için kullanılabilir mi?

İnsanlar konuştuğunda ses tellerinin oluşturduğu titreşimler havada basınç dalgaları halinde yayılıyor. Bu dalgalar kulak zarımıza ulaştığında sesleri duyuyoruz. Ancak aynı basınç değişimleri odadaki duvarlara, pencerelere, mobilyalara ve diğer nesnelere de ulaşıyor. Ses dalgaları bu yüzeylerde çok küçük mekanik titreşimler oluşturabiliyor.

Tavandan sarkan bir ampul de bu etkiden tamamen bağımsız değil. Odada konuşulanlar, ampulün yüzeyine ulaşan hava basıncını değiştiriyor ve ampulün çok küçük açılarla hareket etmesine yol açabiliyor. Bu hareketler çıplak gözle fark edilemeyecek kadar küçük olmasına rağmen hassas optik sensörlerle ölçülebiliyor.

Burada önemli olan ampulün elektriksel olarak ses üretmesi veya içindeki elektronik devrelerin mikrofon gibi çalışması değil. Ampulün fiziksel hareketi, belirli bir noktadan gözlemlenen ışık miktarının değişmesine neden oluyor. Işığın algılandığı noktadaki küçük yoğunluk değişimleri, ampulü titreştiren ses dalgalarıyla ilişkili bilgiler taşıyabiliyor.

Ancak elde edilen optik sinyal doğrudan dinlenebilecek bir ses kaydı değil. Ölçümlerin içindeki gürültünün azaltılması, titreşimlerin ayırt edilmesi ve ses dalgalarıyla ilişkili frekans bileşenlerinin çıkarılması gerekiyor. Bunun için özel sinyal işleme algoritmaları kullanılıyor.

2020 yılında İsrail’deki Ben-Gurion Üniversitesi ve Weizmann Bilim Enstitüsü araştırmacıları, Lamphone adını verdikleri yöntemle ampul titreşimlerinden gerçek zamanlı ses elde edilebildiğini gösterdi. Çalışmada Ben Nassi, Yaron Pirutin, Adi Shamir, Yuval Elovici ve Boris Zadov yer aldı.

Deney için bir ofis binasının üçüncü katındaki odada tavandan sarkan 12 watt gücünde bir LED ampul kullanıldı. Araştırmacılar, binadan yaklaşık 25 metre uzaklıktaki bir yaya köprüsüne teleskop ve elektro-optik sensör yerleştirdi. Odada hoparlörlerden konuşma ve müzik kayıtları çalınırken ampulden gelen ışık ölçüldü.

Kullanılan elektro-optik sensör, üzerine düşen ışık miktarını elektriksel sinyale dönüştürüyordu. Bu sinyal analog-dijital dönüştürücü üzerinden bilgisayara aktarılıyor ve geliştirilen algoritmalarla işleniyordu. Araştırmacıların bulunduğu konumdan odada çalınan sesler doğrudan duyulamıyordu.

Buna rağmen sistem, ampulün titreşimlerinin ışıkta oluşturduğu değişimleri kullanarak iki şarkıyı ve bir konuşma örneğini yeniden oluşturabildi. Geri getirilen kayıtlar arasında The Beatles’ın Let It Be ve Coldplay’in Clocks şarkıları da bulunuyordu.

Elde edilen ses kayıtları yalnızca insan kulağıyla değerlendirilebilecek düzeyde değildi. Müzikler Shazam ve SoundHound gibi uygulamalar tarafından tanınabilirken konuşma örneği de Google’ın konuşmayı metne dönüştürme sistemi tarafından çözümlenebildi.

Ancak ilk deneyde kullanılan seslerin hoparlörlerden yüksek seviyede çalındığını belirtmek gerekiyor. Dolayısıyla 25 metre mesafeden başarılı sonuç alınması, aynı sistemin normal ses seviyesindeki bütün konuşmaları benzer kalitede kaydedebileceğini göstermiyor.

Lamphone sisteminin dikkat çekici özelliklerinden biri, hedef odanın içerisine herhangi bir cihaz yerleştirilmesine ihtiyaç duymaması. Sistemin çalışması için mikrofon, kamera veya internete bağlı bir cihazın ele geçirilmesi gerekmiyor. Ölçüm, dışarıdan gözlemlenebilen ampulün yaydığı ışık üzerinden gerçekleştiriliyor.

Üstelik yöntem, lazer mikrofonlarından da farklı çalışıyor. Lazer tabanlı dinleme sistemlerinde hedef yüzeye bir ışın gönderiliyor ve yüzeyin titreşimleri yansıyan ışık üzerinden ölçülüyor. Lamphone ise ampulün kendi yaydığı ışığı kullanıyor. Dolayısıyla hedefe dışarıdan lazer ışını gönderilmiyor.

Benzer bir yaklaşım, 2014 yılında MIT, Microsoft ve Adobe araştırmacılarının geliştirdiği Visual Microphone çalışmasında da kullanılmıştı. Bu araştırmada cips paketleri ve bitkiler gibi nesnelerin ses nedeniyle oluşturduğu küçük hareketler yüksek hızlı video kayıtlarından analiz edilerek sesler yeniden oluşturulmuştu.

Lamphone’un önemli farkı, görüntüdeki milyonlarca pikselin hareketini analiz etmek yerine tek bir optik sensörden gelen ışık yoğunluğu ölçümlerini kullanabilmesi. Sensörün yeterli hızda örnekleme yapması sayesinde sesle ilişkili değişimler takip edilebiliyor. Bu yapı, sesin gerçek zamanlı olarak geri getirilmesini de mümkün kılıyor.

Lamphone araştırmaları 2020 yılındaki deneyle sınırlı kalmadı. Araştırmacılar, 2022 yılında USENIX Security konferansında yayımlanan çalışmalarında masa lambalarındaki ampullerden ses elde edilmesini de inceledi.

Bu çalışmada ses dalgalarının ampulde oluşturduğu çok küçük açısal titreşimler analiz edildi. Hareketlerin mili derece seviyesinde olabilmesine rağmen optik ölçümler üzerinden anlamlı ses bilgisi çıkarılabildiği gösterildi.

Araştırmacılar, masa başında gerçekleştirilen çevrim içi toplantılardakine benzer ses seviyelerinde de konuşma geri kazanımı üzerinde çalıştı. Geliştirilen sistem, uygun deney koşullarında 35 metre uzaklıktan konuşmaları belirli ölçüde anlaşılabilir şekilde yeniden oluşturabildi.

Bununla birlikte ses kalitesi, kullanılan ışık kaynağına ve ölçüm koşullarına bağlı. Ampulün mekanik özellikleri, titreşimlere verdiği tepki, ışık dağılımı ve sensörün hassasiyeti geri kazanılabilecek sesin kalitesini doğrudan etkiliyor. LED, akkor ve floresan ampuller arasında da bu açıdan farklılıklar bulunuyor.

Lamphone’un çalışabilmesi için dışarıdaki optik sistemin hedef ampulden gelen ışığı yeterli hassasiyetle ölçebilmesi gerekiyor. Ampulün dışarıdan görülememesi, araya opak bir engel girmesi veya ışığın çok zayıf ulaşması yöntemin uygulanmasını engelleyebiliyor.

Ayrıca her ampul aynı düzeyde titreşmiyor. Ampulün ağırlığı, biçimi, montaj yöntemi ve bağlı olduğu armatürün mekanik özellikleri ses dalgalarına verdiği tepkiyi değiştiriyor. Tavandan serbestçe sarkan bir ampulle sert biçimde sabitlenmiş bir aydınlatma ünitesinin davranışı aynı olmayabiliyor.

Ortam gürültüsü de önemli bir sınır oluşturuyor. İnsan konuşmalarından kaynaklanan titreşimler; trafik, klima, havalandırma sistemleri ve diğer mekanik etkilerin oluşturduğu değişimlerle karışabiliyor. Ölçüm sırasında ortaya çıkan elektronik gürültü ve ışık kaynağındaki istenmeyen dalgalanmalar da sinyal kalitesini azaltabiliyor.

Bir başka sorun ise konuşmanın bütün frekans bileşenlerinin aynı kalitede geri getirilememesi. Ampul ve bağlı olduğu mekanik yapı bazı frekanslara diğerlerinden daha güçlü tepki verebiliyor. Bu nedenle yeniden oluşturulan sesin belirli bölümleri zayıf kalabiliyor veya bozulabiliyor. Kayıttan konuşmanın anlaşılması, orijinal sesin eksiksiz biçimde elde edildiği anlamına gelmiyor.

Ses dalgalarının fiziksel yüzeylerde iz bırakması yalnızca ampullere özgü değil. Camlar, ince plastik yüzeyler ve hafif nesneler de konuşmalar sırasında titreşebiliyor. Bu titreşimler yeterince hassas yöntemlerle ölçüldüğünde ortamda bulunan sesler hakkında bilgi elde edilebiliyor.

Özellikle pencere camlarının titreşimlerini ölçen lazer tabanlı sistemler, optik dinleme teknolojilerinin daha eski örnekleri arasında bulunuyor. Video görüntülerinden hareket çıkaran sistemler ise yüzeylerin gözle fark edilmeyen hareketlerini analiz ediyor.

Lamphone gibi yöntemler bilgi güvenliğinde yan kanal saldırısı (Side-Channel Attack) başlığı altında değerlendiriliyor. Burada ses bilgisi doğrudan bir mikrofondan alınmıyor. Konuşmanın çevrede oluşturduğu fiziksel etkiler ölçülerek bilgi elde ediliyor.

Bu tür optik dinleme yöntemlerine karşı en temel fiziksel önlemlerden biri, hassas görüşmelerin yapıldığı ortamlardaki ışık kaynaklarının dışarıdan doğrudan gözlemlenmesini engellemek.

Opak perdeler ve görüş hattını kapatan düzenlemeler, dışarıdan yapılabilecek optik ölçümlerin önüne geçebiliyor. Ancak Lamphone’un deneysel olarak gösterilmiş bir yöntem olması ile herhangi bir binadaki bütün konuşmaların uzaktan kolayca kaydedilebilmesi arasında önemli bir fark bulunuyor.