{"id":36133,"date":"2019-10-31T22:09:48","date_gmt":"2019-10-31T19:09:48","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/chitat-mezhdu-not-sistema-peredachi-dannyh-vnutri-muzyki\/"},"modified":"2019-10-31T22:09:48","modified_gmt":"2019-10-31T19:09:48","slug":"chitat-mezhdu-not-sistema-peredachi-dannyh-vnutri-muzyki","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/news\/chitat-mezhdu-not-sistema-peredachi-dannyh-vnutri-muzyki","title":{"rendered":"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/1ad50bc8761fbc232dd6834872b0a818.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nDie Musik erm\u00f6glicht es, das auszudr\u00fccken, was Worte nicht verm\u00f6gen; die vielf\u00e4ltigsten Emotionen zu f\u00fchlen, die in einem Sturm der Gef\u00fchle miteinander verwoben sind; sich von Erde, Himmel und sogar dem Universum zu l\u00f6sen, um eine Reise anzutreten, auf der es keine Karten, keine Stra\u00dfen, keine Wegweiser gibt; eine ganze Geschichte zu erfinden, erz\u00e4hlen und erleben, die immer einzigartig und unverwechselbar bleiben wird. All das kann die Musik \u2013 ein Kunstwerk, das seit vielen Tausenden von Jahren existiert und unser Geh\u00f6r und unsere Herzen erfreut. <\/p>\n<p>Musik, oder genauer gesagt musikalische Werke, k\u00f6nnen jedoch nicht nur f\u00fcr \u00e4sthetischen Genuss dienen, sondern auch als Tr\u00e4ger von codierter, f\u00fcr ein bestimmtes Ger\u00e4t bestimmter Informationen, die f\u00fcr den H\u00f6rer unsichtbar sind. Heute werden wir uns mit einer sehr ungew\u00f6hnlichen Forschung vertraut machen, bei der Doktoranden der ETH Z\u00fcrich es geschafft haben, bestimmte Daten unh\u00f6rbar f\u00fcr das menschliche Ohr in musikalische Werke einzubetten, wodurch die Musik selbst zu einem Kanal f\u00fcr die Daten\u00fcbertragung wird. Wie sie ihre Technologie umgesetzt haben, wie stark sich Melodien mit und ohne eingebettete Daten unterscheiden und was die praktischen Tests ergeben haben? Darum geht es im Vortrag der Forscher. Los geht's.<noindex><a rel=\"nofollow\" name=\"habracut\"><\/a><\/noindex><\/p>\n<h3>Basis der Forschung<\/h3>\n<p>\nDie Forscher bezeichnen ihre Technologie als akustische Daten\u00fcbertragungstechnik. Wenn ein Lautsprecher eine modifizierte Melodie abspielt, nimmt der Mensch sie als gew\u00f6hnlich wahr, w\u00e4hrend beispielsweise ein Smartphone die codierten Informationen zwischen den Zeilen, genauer gesagt zwischen den Noten, lesen kann. Der wichtigste Aspekt bei der Umsetzung dieser Daten\u00fcbertragungsmethode, den die Wissenschaftler (dass diese Leute noch Doktoranden sind, hindert sie nicht daran, Wissenschaftler zu sein) als ausschlaggebend ansehen, ist die Geschwindigkeit und Zuverl\u00e4ssigkeit der \u00dcbertragung, w\u00e4hrend das Niveau dieser Parameter unabh\u00e4ngig von der empfohlenen Audiodatei bestehen bleibt. Bei dieser Aufgabe hilft die Psychoakustik, die die psychologischen und physiologischen Aspekte der Wahrnehmung von Ger\u00e4uschen durch den Menschen untersucht. <\/p>\n<p>Der Kern der akustischen Daten\u00fcbertragung ist OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), das zusammen mit der Anpassung der Tr\u00e4ger an die urspr\u00fcngliche Musik im Laufe der Zeit es erm\u00f6glicht, das Spektrum der \u00fcbertragbaren Frequenz maximal auszunutzen, um Informationen zu \u00fcbertragen. Dadurch konnte eine \u00dcbertragungsgeschwindigkeit von 412 Bit\/s \u00fcber eine Distanz von bis zu 24 Metern erreicht werden (Fehlerquote &lt; 10%). Praktische Experimente mit 40 Freiwilligen best\u00e4tigten, dass es nahezu unm\u00f6glich ist, den Unterschied zwischen der Originalmelodie und der Version, in die Informationen eingebettet wurden, wahrzunehmen.<\/p>\n<p>Wo kann eine solche Technologie praktisch angewendet werden? Die Forscher haben daf\u00fcr eine Antwort: Fast alle modernen Smartphones, Laptops und andere tragbare Ger\u00e4te sind mit Mikrofonen ausgestattet, und an vielen \u00f6ffentlichen Orten (Caf\u00e9s, Restaurants, Einkaufszentren usw.) gibt es Lautsprecher mit Hintergrundmusik. In diese Hintergrundmelodie k\u00f6nnen beispielsweise Daten f\u00fcr die Verbindung zum Wi-Fi-Netzwerk ohne zus\u00e4tzliche Ma\u00dfnahmen eingebettet werden.<\/p>\n<p>Die allgemeinen Merkmale der akustischen Daten\u00fcbertragung sind nun klar, nun gehen wir zur detaillierten Untersuchung der Struktur dieses Systems \u00fcber.<\/p>\n<h3>Systembeschreibung<\/h3>\n<p>\nDie Einbettung von Daten in die Melodie erfolgt durch Frequenzmaskierung. In bestimmten Zeitintervallen werden die maskierenden Frequenzen identifiziert, und die OFDM-Tr\u00e4gersignale, die diesen maskierenden Elementen nahe sind, werden mit Daten gef\u00fcllt.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/f6b1e812118410599fac4e8f161d7dd2.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Abbildung Nr. 1: Umwandlung der urspr\u00fcnglichen Datei in ein zusammengesetztes Signal (Melodie + Daten), das \u00fcber Lautsprecher \u00fcbertragen wird.<\/i><\/p>\n<p>Zun\u00e4chst wird das urspr\u00fcngliche Audiosignal in aufeinanderfolgende Segmente zur Analyse unterteilt. Jedes dieser Segmente (Hi) besteht aus L = 8820 Abtastungen, was 200 ms entspricht, und wird mit <i>einem Fenster*<\/i> multipliziert, um Grenzwerteffekte zu minimieren.<\/p>\n<blockquote><p><b>Fenster*<\/b> ist eine Gewichtungsfunktion, die verwendet wird, um die durch seitliche Lappen in den spektralen Bewertungen verursachten Effekte zu steuern.<\/p><\/blockquote>\n<p>Dar\u00fcber hinaus wurden die dominierenden Frequenzen des urspr\u00fcnglichen Signals im Bereich von 500 Hz bis 9,8 kHz erkannt, was es erm\u00f6glichte, die Maskierungsfrequenzen fM,l f\u00fcr dieses Segment zu erhalten. Zus\u00e4tzlich wurden Daten im schmalen Bereich von 9,8 bis 10 kHz \u00fcbertragen, um die Position der Untertr\u00e4ger im Empf\u00e4nger zu bestimmen. Die obere Grenze des verwendeten Frequenzbereichs wurde auf 10 kHz festgelegt, da die Empfindlichkeit der Smartphone-Mikrofone bei hohen Frequenzen gering ist.<\/p>\n<p>Die Maskierungsfrequenzen wurden f\u00fcr jedes analysierte Segment individuell bestimmt. Durch die Methode HPS (harmonisches Spektrum der Produkte) wurden drei dominierende Frequenzen ermittelt, die dann auf die n\u00e4chstgelegenen T\u00f6ne der harmonischen chromatischen Skala gerundet wurden. Auf diese Weise wurden die Grundt\u00f6ne fF,i = 1\u20263, die zwischen den Tasten C0 (16,35 Hz) und B0 (30,87 Hz) liegen, erhalten. Da die Grundt\u00f6ne zu niedrig f\u00fcr die Daten\u00fcbertragung sind, wurden im Bereich von 500 Hz \u2026 9,8 kHz ihre h\u00f6heren Oktaven 2kfF,i berechnet. Viele dieser Frequenzen (fO,l1) waren aufgrund der Natur von HPS ausgepr\u00e4gter.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/bdaea485e9ab52be9fd9cbba6e5602cb.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Bild Nr. 2: Berechnete Oktaven fO,l1 f\u00fcr die Grundt\u00f6ne und Harmoniken fH,l2 des st\u00e4rksten Tons.<\/i><\/p>\n<p>Die Gesamtheit der Oktaven und Harmoniken wurde anschlie\u00dfend als Maskierungsfrequenzen verwendet, auf deren Grundlage die Frequenzen der OFDM-Untertr\u00e4ger fSC,k bestimmt wurden. Unter und \u00fcber jeder Maskierungsfrequenz wurden jeweils zwei Untertr\u00e4ger eingef\u00fcgt. <\/p>\n<p>Anschlie\u00dfend erfolgte die Filterung des Spektrums des Audiosignals Hi bei den Frequenzen der Untertr\u00e4ger fSC,k. Daraufhin wurde basierend auf den Informationsbits in Bi ein OFDM-Symbol erstellt, wodurch das Composite-Segment Ci \u00fcber den Lautsprecher \u00fcbertragen werden konnte. Die Amplituden und Phasen der Untertr\u00e4ger m\u00fcssen so gew\u00e4hlt werden, dass der Empf\u00e4nger die \u00fcbertragenen Daten extrahieren kann, w\u00e4hrend der Zuh\u00f6rer keine Ver\u00e4nderungen in der Melodie bemerkt.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/bf0f7ee1b1fc06db059c5b93d7f74249.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Bild Nr. 3: Abschnitt des Spektrums und Frequenzen der Untertr\u00e4ger des Segments Hi der urspr\u00fcnglichen Melodie.<\/i><\/p>\n<p>Wenn das Audiosignal, das die codierten Informationen enth\u00e4lt, \u00fcber die Lautsprecher wiedergegeben wird, nimmt das Mikrofon des Empfangsger\u00e4ts es auf. Um die Anfangspositionen der eingebetteten OFDM-Symbole zu finden, muss die Aufnahme zun\u00e4chst durch eine Bandfilterung geleitet werden. So wird der obere Frequenzbereich extrahiert, in dem es zwischen den Tr\u00e4gersignalen keine st\u00f6renden Musiksignale gibt. Der Beginn der OFDM-Symbole kann mit Hilfe des zyklischen Pr\u00e4fixes gefunden werden.<\/p>\n<p>Nach der Erkennung des Beginns der OFDM-Symbole erh\u00e4lt der Empf\u00e4nger Informationen \u00fcber die dominierenden Noten durch Dekodierung des oberen Frequenzbereichs. Au\u00dferdem ist OFDM recht resistent gegen die Einwirkung von Quellen von schmalbandigen St\u00f6rungen, da diese nur einige der Tr\u00e4gersignale beeinflussen.<\/p>\n<h3>Praktische Tests<\/h3>\n<p>\nAls Quelle der modifizierten Melodien diente der Lautsprecher KRK Rokit 8, und das Empfangsger\u00e4t war das Smartphone Nexus 5X.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/b3a34977ff5009411a20899d42decca4.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Bild Nr. 4: Unterschied zwischen den realen Erscheinungen von OFDM und den gemessenen Korrelationst\u00f6pfen, aufgenommen im Innenraum in einem Abstand von 5 m zwischen Lautsprecher und Mikrofon.<\/i><\/p>\n<p>Die meisten OFDM-Punkte liegen im Bereich von 0 bis 25 ms, daher kann ein akzeptabler Beginn innerhalb des zyklischen Pr\u00e4fixes von 66,6 ms gefunden werden. Die Forscher bemerken, dass der Empf\u00e4nger (in diesem Experiment das Smartphone) ber\u00fccksichtigt, dass die OFDM-Symbole periodisch wiedergegeben werden, was deren Erkennung verbessert.<\/p>\n<p>Zun\u00e4chst musste der Einfluss der Entfernung auf die Bitfehlerrate (BER) \u00fcberpr\u00fcft werden. Dazu wurden drei Tests in verschiedenen Raumtypen durchgef\u00fchrt: ein Korridor mit Teppichboden, ein B\u00fcro mit Linoleum auf dem Boden und ein Auditorium mit Holzfu\u00dfboden.<\/p>\n<p><center><div class=\"youtube-placeholder\" data-id=\"FFez84xaR6Q\" onclick=\"loadVideo(this)\">\r\n        <img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/img.youtube.com\/vi\/FFez84xaR6Q\/hqdefault.jpg\" alt=\"Video abspielen\" loading=\"lazy\" width=\"480\" height=\"360\" style=\"width:100%;height:auto;\">\r\n        <div class=\"play-button\"><\/div>\r\n    <\/div><\/center><br \/>\n<i>Als 'Testobjekt' wurde das Lied 'And The Cradle Will Rock' von Van Halen gew\u00e4hlt. <\/i><\/p>\n<p>Die Lautst\u00e4rke wurde so eingestellt, dass der vom Smartphone in 2 m Entfernung vom Lautsprecher gemessene Schalldruckpegel 63 dB betrug.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/9583cb07bd30f4a74f55d1dec77130f8.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Bild Nr. 5: BER-Werte in Abh\u00e4ngigkeit von der Entfernung zwischen Lautsprecher und Mikrofon (blaue Linie \u2014 Auditorium, gr\u00fcne Linie \u2014 Korridor, orange Linie \u2014 B\u00fcro).<\/i><\/p>\n<p>Im Korridor wurde ein Schallpegel von 40 dB vom Smartphone bis zu 24 Meter vom Lautsprecher erfasst. Im Auditorium betrug der Schallpegel in 15 m Entfernung 55 dB, w\u00e4hrend im B\u00fcro bei einem Abstand von 8 Metern der vom Smartphone wahrgenommene Lautst\u00e4rkepegel 57 dB erreichte. <\/p>\n<p>Da das Publikum und das B\u00fcro eine st\u00e4rkere Nachhallwirkung aufweisen, \u00fcberschreiten die sp\u00e4ten Echosignale der OFDM-Symbole die L\u00e4nge des zyklischen Prefixes und erh\u00f6hen die BER.<\/p>\n<blockquote><p><b> Nachhall*<\/b> \u2014 allm\u00e4hliche Abnahme der Schallintensit\u00e4t durch wiederholte Reflexion. <\/p><\/blockquote>\n<p>Die Forscher demonstrierten anschlie\u00dfend die Vielseitigkeit ihres Systems, indem sie es auf 6 verschiedene Lieder aus drei Genres anwandten (siehe Tabelle unten).<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/4e252e90f891f25be4da411309b3729e.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Tabelle Nr. 1: Die im Test verwendeten Lieder.<\/i><\/p>\n<p>Anhand der Daten in der Tabelle k\u00f6nnen wir auch die \u00dcbertragungsraten sowie die Bitfehlerraten f\u00fcr jedes Lied sehen. Die \u00dcbertragungsrate variiert, da die differentielle BPSK (Phasenmodulation) besser funktioniert, wenn dieselben Tr\u00e4gersignale verwendet werden. Dies ist m\u00f6glich, wenn benachbarte Segmente identische Maskierungselemente enthalten. Dauerhaft laute Lieder bieten eine optimale Basis f\u00fcr die Datenverbergung, da die Maskierungsfrequenzen in einem breiten Frequenzbereich st\u00e4rker ausgepr\u00e4gt sind. Schnell wechselnde Musik kann die OFDM-Symbole nur teilweise maskieren, aufgrund der festen L\u00e4nge des Analysefensters.<\/p>\n<p>Im n\u00e4chsten Schritt begaben sich Personen an die Tests, die bestimmen sollten, welches St\u00fcck urspr\u00fcnglich war und welches durch die eingebetteten Informationen modifiziert wurde. Hierzu wurden 12-sek\u00fcndige Ausschnitte der Lieder aus Tabelle Nr. 1 auf einer speziellen Website platziert. <\/p>\n<p>Im ersten Experiment (E1) erhielt jeder Teilnehmer entweder einen modifizierten oder einen Originalausschnitt zum Anh\u00f6ren und musste entscheiden, ob dieser Ausschnitt original oder modifiziert war. Im zweiten Experiment (E2) konnten die Teilnehmer beide Varianten beliebig oft anh\u00f6ren und dann entscheiden, welche der Originale und welche die modifizierte Version war.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Zwischen den Noten lesen: Datentransfer in der Musik\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/07\/778f01635f57427333a7fc0a1bd6e0c7.jpg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Tabelle Nr. 2: Ergebnisse der Experimente E1 und E2.<\/i><\/p>\n<p>In den Ergebnissen des ersten Experiments gibt es zwei Kennzahlen: p(O|O) \u2014 der Prozentsatz der Teilnehmer, die die originale Melodie korrekt identifizierten, und p(O|M) \u2014 der Prozentsatz der Teilnehmer, die die modifizierte Version der Melodie als original identifizierten.<\/p>\n<p>Es ist interessant, dass einige Teilnehmer laut den Forschern bestimmte modifizierte Melodien als origineller empfanden als das Original. Der Durchschnittswert beider Experimente deutet darauf hin, dass der durchschnittliche H\u00f6rer keinen Unterschied zwischen einer herk\u00f6mmlichen Melodie und einer, in die Daten eingebettet wurden, wahrnehmen wird.<\/p>\n<p>Nat\u00fcrlich werden Musikexperten und Musiker einige Ungenauigkeiten und verd\u00e4chtige Elemente in den modifizierten Melodien erkennen, aber diese Elemente sind nicht so bedeutend, dass sie Unbehagen verursachen.<\/p>\n<p>Und jetzt k\u00f6nnen auch wir an dem Experiment teilnehmen. Unten sind zwei Varianten derselben Melodie \u2013 die originale und die modifizierte \u2013 aufgef\u00fchrt. H\u00f6ren Sie den Unterschied?<\/p>\n<p><noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.ethz.ch\/content\/dam\/ethz\/main\/news\/eth-news\/2019\/07\/190709-daten-in-musik-speichern\/hoerbeispiel-original.mp3\">Originalversion der Melodie<\/a><\/noindex><br \/>\nvs<br \/>\n<noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.ethz.ch\/content\/dam\/ethz\/main\/news\/eth-news\/2019\/07\/190709-daten-in-musik-speichern\/hoerbeispiel-enc-300bps.mp3\">Modifizierte Version der Melodie<\/a><\/noindex><\/p>\n<p>F\u00fcr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/tik-old.ee.ethz.ch\/file\/8a61c16532c1d4f9021d3aaf06f4f381\/imperceptible_audio_communication.pdf\">Bericht<\/a><\/noindex> Forschergruppe.<\/p>\n<p>Sie k\u00f6nnen auch das ZIP-Archiv mit den Audio-Dateien der originalen und modifizierten Melodien, die in der Studie verwendet wurden, herunterladen unter <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.research-collection.ethz.ch\/handle\/20.500.11850\/297564\">diesem Link<\/a><\/noindex>.<\/p>\n<h3>Epilog<\/h3>\n<p>\nIn dieser Arbeit beschreiben Doktoranden der Eidgen\u00f6ssischen Technischen Hochschule Z\u00fcrich ein erstaunliches System zur Daten\u00fcbertragung innerhalb von Musik. Sie haben Frequenzmaskierung angewendet, um Daten in die Melodie einzubetten, die \u00fcber einen Lautsprecher wiedergegeben wird. Diese Melodie wird von einem Mikrofon des Ger\u00e4ts erfasst, das die versteckten Daten erkennt und dekodiert, w\u00e4hrend der durchschnittliche H\u00f6rer den Unterschied \u00fcberhaupt nicht bemerkt. In Zukunft planen die Forscher, ihr System weiterzuentwickeln und raffiniertere Methoden zur Datenintegration in Audio zu finden. <\/p>\n<p>Wenn jemand etwas Ungew\u00f6hnliches und vor allem Funktionierendes erfindet, freuen wir uns immer. Aber noch mehr Freude kommt von der Tatsache, dass diese Erfindung von jungen Menschen geschaffen wurde. Wissenschaft kennt kein Alter. Und wenn die Jugend Wissenschaft als langweilig empfindet, dann wird sie nicht aus der richtigen Perspektive pr\u00e4sentiert, sozusagen. Denn wie wir wissen, ist die Wissenschaft eine erstaunliche Welt, die niemals aufh\u00f6rt, zu \u00fcberraschen. <\/p>\n<p><b class=\"spoiler_title\">Freitags Off-Topic:<\/b><center><div class=\"youtube-placeholder\" data-id=\"pjTUKNhoQ58\" onclick=\"loadVideo(this)\">\r\n        <img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/img.youtube.com\/vi\/pjTUKNhoQ58\/hqdefault.jpg\" alt=\"Video abspielen\" loading=\"lazy\" width=\"480\" height=\"360\" style=\"width:100%;height:auto;\">\r\n        <div class=\"play-button\"><\/div>\r\n    <\/div><\/center><br \/>\n<i>Da wir \u00fcber Musik gesprochen haben, genauer gesagt \u00fcber Rockmusik, hier ist eine wunderbare Reise durch die Welt des Rocks.<\/i><\/p>\n<p><center><div class=\"youtube-placeholder\" data-id=\"azdwsXLmrHE\" onclick=\"loadVideo(this)\">\r\n        <img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/img.youtube.com\/vi\/azdwsXLmrHE\/hqdefault.jpg\" alt=\"Video abspielen\" loading=\"lazy\" width=\"480\" height=\"360\" style=\"width:100%;height:auto;\">\r\n        <div class=\"play-button\"><\/div>\r\n    <\/div><\/center><br \/>\n<i>Queen, \u201eRadio Ga Ga\u201c (1984).<\/i><\/p>\n<p>Vielen Dank f\u00fcr Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein tolles Wochenende, Leute! \ud83d\ude42<\/p>\n<p>\nDanke, dass Sie bei uns sind. 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