{"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\/es\/blog\/news\/chitat-mezhdu-not-sistema-peredachi-dannyh-vnutri-muzyki","title":{"rendered":"Leer entre las notas: el sistema de transmisi\u00f3n de datos dentro de la m\u00fasica","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

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\n
\nExpresar lo que las palabras no pueden transmitir; sentir una amplia variedad de emociones entrelazadas en un torbellino de sentimientos; desprenderse de la tierra, del cielo e incluso del mismo universo, embarc\u00e1ndose en un viaje donde no hay mapas, ni caminos, ni se\u00f1ales; imaginar, contar y vivir toda una historia que siempre ser\u00e1 \u00fanica e irrepetible. Todo esto es posible gracias a la m\u00fasica, un arte que existe desde hace miles de a\u00f1os y que deleita nuestros o\u00eddos y corazones. <\/p>\n

Sin embargo, la m\u00fasica, o m\u00e1s exactamente, las composiciones musicales pueden servir no solo para el placer est\u00e9tico, sino tambi\u00e9n para transmitir informaci\u00f3n codificada en ellas, destinada a alg\u00fan dispositivo y que es indetectable para el oyente. Hoy, nos familiarizaremos con una investigaci\u00f3n bastante inusual, en la que estudiantes de posgrado de la Escuela Polit\u00e9cnica Federal de Z\u00farich lograron, sin que el o\u00eddo humano se diera cuenta, insertar ciertos datos en composiciones musicales, lo que convierte a la m\u00fasica en un canal para la transmisi\u00f3n de datos. \u00bfC\u00f3mo implementaron exactamente su tecnolog\u00eda, qu\u00e9 tan diferentes son las melod\u00edas con y sin los datos insertados, y qu\u00e9 mostraron las pruebas pr\u00e1cticas? De esto aprenderemos en el informe de los investigadores. \u00a1Vamos!<\/a><\/noindex><\/p>\n

Base de la investigaci\u00f3n<\/h3>\n

\nLos investigadores llaman a su tecnolog\u00eda t\u00e9cnica ac\u00fastica de transmisi\u00f3n de datos. Cuando un altavoz reproduce una melod\u00eda modificada, el ser humano la percibe como normal, mientras que, por ejemplo, un smartphone puede leer la informaci\u00f3n codificada entre l\u00edneas, o m\u00e1s precisamente, entre notas, si se puede expresar as\u00ed. El aspecto m\u00e1s importante en la implementaci\u00f3n de este m\u00e9todo de transmisi\u00f3n de datos, seg\u00fan los cient\u00edficos (el hecho de que estos chicos a\u00fan sean estudiantes de posgrado no les impide ser cient\u00edficos), es la velocidad y la fiabilidad de la transmisi\u00f3n, manteniendo el nivel de estos par\u00e1metros independientemente del archivo de audio elegido. Afrontar esta tarea se facilita con la psicoac\u00fastica, que estudia los aspectos psicol\u00f3gicos y fisiol\u00f3gicos de la percepci\u00f3n humana de los sonidos. <\/p>\n

El n\u00facleo de la transmisi\u00f3n ac\u00fastica de datos se puede denominar OFDM (multiplexi\u00f3n por divisi\u00f3n de frecuencia ortogonal), que, junto con la adaptaci\u00f3n de las portadoras a la m\u00fasica original con el tiempo, permiti\u00f3 maximizar el uso del espectro de frecuencia transmitida para la transmisi\u00f3n de informaci\u00f3n. Gracias a esto, se logr\u00f3 alcanzar una velocidad de transmisi\u00f3n de 412 bits\/s a una distancia de hasta 24 metros (tasa de errores < 10%). Experimentos pr\u00e1cticos con 40 voluntarios confirmaron que es pr\u00e1cticamente imposible escuchar la diferencia entre la melod\u00eda original y aquella en la que se ha incrustado la informaci\u00f3n.<\/p>\n

\u00bfD\u00f3nde se puede aplicar esta tecnolog\u00eda en la pr\u00e1ctica? Los investigadores tienen su propia respuesta: pr\u00e1cticamente todos los smartphones modernos, laptops y otros dispositivos port\u00e1tiles est\u00e1n equipados con micr\u00f3fonos, y en muchos lugares p\u00fablicos (caf\u00e9s, restaurantes, centros comerciales, etc.) hay altavoces con m\u00fasica de fondo. En esta melod\u00eda de fondo se pueden incrustar, por ejemplo, datos para conectarse a la red Wi-Fi sin necesidad de realizar acciones adicionales.<\/p>\n

Ahora que hemos aclarado las caracter\u00edsticas generales de la transmisi\u00f3n ac\u00fastica de datos, pasemos a un estudio detallado de la estructura de este sistema.<\/p>\n

Descripci\u00f3n del sistema<\/h3>\n

\nLa inserci\u00f3n de datos en la melod\u00eda se realiza mediante el enmascaramiento de la frecuencia. En intervalos de tiempo, se identifican las frecuencias enmascaradoras, y las portadoras OFDM cercanas a estos elementos enmascaradores se rellenan con datos.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba1: transformaci\u00f3n del archivo original en una se\u00f1al compuesta (melod\u00eda + datos), transmitida a trav\u00e9s de altavoces.<\/i><\/p>\n

Primero, la se\u00f1al de audio original se divide en segmentos secuenciales para su an\u00e1lisis. Cada uno de estos segmentos (Hi) de L = 8820 muestras, equivalente a 200 ms, se multiplica por una ventana*<\/i> para minimizar los efectos de borde.<\/p>\n

Ventana*<\/b> es una funci\u00f3n de peso utilizada para controlar los efectos causados por la presencia de l\u00f3bulos laterales en las evaluaciones espectrales.<\/p><\/blockquote>\n

A continuaci\u00f3n, se identificaron las frecuencias dominantes de la se\u00f1al original en un rango de 500 Hz a 9.8 kHz, lo que permiti\u00f3 obtener las frecuencias de enmascaramiento fM,l para este segmento. Adem\u00e1s, se transmitieron datos en un rango reducido de 9.8 a 10 kHz para establecer la ubicaci\u00f3n de las portadoras en el receptor. El l\u00edmite superior de la banda de frecuencias utilizada se fij\u00f3 en 10 kHz debido a la baja sensibilidad de los micr\u00f3fonos de los smartphones a altas frecuencias.<\/p>\n

Las frecuencias de enmascaramiento se determinaban para cada segmento analizado de manera individual. Mediante el m\u00e9todo HPS (espectro arm\u00f3nico de productos) se establecieron tres frecuencias dominantes, que luego se redondearon a las notas m\u00e1s cercanas de la escala crom\u00e1tica arm\u00f3nica. As\u00ed se obtuvieron las notas fundamentales fF,i = 1\u20263, que se encontraban entre las teclas C0 (16.35 Hz) y B0 (30.87 Hz). Dado que las notas fundamentales eran demasiado bajas para su uso en transmisi\u00f3n de datos, se calcularon sus octavas m\u00e1s altas 2kfF,i en el rango de 500 Hz a 9.8 kHz. Muchas de estas frecuencias (fO,l1) se expresaron m\u00e1s debido a la naturaleza del HPS.<\/p>\n

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\nImagen No. 2: octavas calculadas fO,l1 para las notas fundamentales y arm\u00f3nicas fH,l2 del tono m\u00e1s fuerte.<\/i><\/p>\n

El conjunto de octavas y arm\u00f3nicas se utiliz\u00f3 como frecuencias de enmascaramiento, a partir de las cuales se obtuvieron las frecuencias de la portadora OFDM fSC,k. Se insertaron dos portadoras por debajo y por encima de cada frecuencia de enmascaramiento. <\/p>\n

A continuaci\u00f3n, se filtr\u00f3 el espectro del segmento de audio Hi en las frecuencias de las portadoras fSC,k. Despu\u00e9s, con base en los bits informativos en Bi, se cre\u00f3 un s\u00edmbolo OFDM, lo que permiti\u00f3 que el segmento compuesto Ci pudiera transmitirse a trav\u00e9s del altavoz. Las magnitudes y fases de las portadoras deben elegirse de manera que el receptor pueda extraer los datos transmitidos, mientras que el oyente no percibe cambios en la melod\u00eda.<\/p>\n

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\nImagen No. 3: secci\u00f3n del espectro y frecuencias de las portadoras del segmento Hi de la melod\u00eda original.<\/i><\/p>\n

Cuando la se\u00f1al de audio con la informaci\u00f3n codificada se reproduce a trav\u00e9s de los altavoces, el micr\u00f3fono del dispositivo receptor la graba. Para encontrar las posiciones iniciales de los s\u00edmbolos OFDM incorporados, es necesario filtrar la grabaci\u00f3n a trav\u00e9s de un filtro de paso de banda. De esta manera, se extrae el rango de alta frecuencia, donde no hay se\u00f1ales musicales de interferencia entre las subportadoras. Se puede encontrar el inicio de los s\u00edmbolos OFDM utilizando un prefijo c\u00edclico.<\/p>\n

Despu\u00e9s de detectar el inicio de los s\u00edmbolos OFDM, el receptor recibe informaci\u00f3n sobre las notas m\u00e1s dominantes mediante la decodificaci\u00f3n de la regi\u00f3n de alta frecuencia. Adem\u00e1s, OFDM es bastante robusto frente a fuentes de interferencia de banda estrecha, ya que estas afectan solo a algunas de las subportadoras.<\/p>\n

Pruebas pr\u00e1cticas<\/h3>\n

\nEl altavoz KRK Rokit 8 fue la fuente de las melod\u00edas alteradas, y el smartphone Nexus 5X actu\u00f3 como el dispositivo receptor.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 4: diferencia entre las manifestaciones reales de OFDM y los picos de correlaci\u00f3n medidos dentro de una habitaci\u00f3n a 5 m de distancia entre el altavoz y el micr\u00f3fono.<\/i><\/p>\n

La mayor\u00eda de los puntos OFDM est\u00e1n en el rango de 0 a 25 ms, por lo que se puede encontrar un inicio aceptable dentro del prefijo c\u00edclico de 66.6 ms. Los investigadores se\u00f1alan que el receptor (en este experimento, un smartphone) considera que los s\u00edmbolos OFDM se reproducen peri\u00f3dicamente, lo que mejora su detecci\u00f3n.<\/p>\n

Lo primero que hab\u00eda que comprobar era la influencia de la distancia en la tasa de errores de bits (BER). Para ello se realizaron tres pruebas en diferentes tipos de habitaciones: un pasillo con moqueta, una oficina con lin\u00f3leo en el suelo y un aula con suelo de madera.<\/p>\n

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\nComo 'sujeto de prueba' se eligi\u00f3 la canci\u00f3n 'And The Cradle Will Rock' del grupo Van Halen. <\/i><\/p>\n

El volumen del sonido se ajust\u00f3 de manera que el nivel de sonido medido por el smartphone a una distancia de 2 m del altavoz fuera de 63 dB.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 5: indicadores de BER en funci\u00f3n de la distancia entre el altavoz y el micr\u00f3fono (la l\u00ednea azul representa el aula, la verde el pasillo y la naranja la oficina).<\/i><\/p>\n

En el pasillo, el sonido de 40 dB fue captado por el smartphone a una distancia de hasta 24 metros del altavoz. En el aula, a 15 m, el sonido era de 55 dB, mientras que en la oficina, a 8 metros, el nivel de sonido percibido por el smartphone alcanzaba los 57 dB. <\/p>\n

Dado que la audiencia y la oficina son m\u00e1s reverberantes, las se\u00f1ales de eco tard\u00edo de los s\u00edmbolos OFDM exceden la longitud del prefijo c\u00edclico y aumentan el BER.<\/p>\n

Reverberaci\u00f3n*<\/b> \u2014 disminuci\u00f3n gradual de la intensidad del sonido debido a sus m\u00faltiples reflexiones. <\/p><\/blockquote>\n

A continuaci\u00f3n, los investigadores demostraron la versatilidad de su sistema aplic\u00e1ndolo a 6 canciones diferentes de tres g\u00e9neros (tabla a continuaci\u00f3n).<\/p>\n

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\nTabla n.\u00ba 1: canciones utilizadas en las pruebas.<\/i><\/p>\n

Adem\u00e1s, a trav\u00e9s de los datos en la tabla, podemos ver la velocidad de transmisi\u00f3n y las tasas de error por bit para cada canci\u00f3n. La velocidad de transmisi\u00f3n var\u00eda porque el BPSK diferencial (modulaci\u00f3n de fase) funciona mejor cuando se utilizan las mismas subportadoras. Esto es posible cuando los segmentos adyacentes contienen los mismos elementos de enmascaramiento. Las canciones continuamente ruidosas proporcionan una base \u00f3ptima para el ocultamiento de datos, ya que las frecuencias de enmascaramiento est\u00e1n m\u00e1s pronunciadas en un amplio rango de frecuencias. La m\u00fasica de ritmo r\u00e1pido puede enmascarar los s\u00edmbolos OFDM solo parcialmente debido a la longitud fija de la ventana de an\u00e1lisis.<\/p>\n

A continuaci\u00f3n, comenz\u00f3 a probarse el sistema con personas que deb\u00edan determinar qu\u00e9 melod\u00eda era original y cu\u00e1l hab\u00eda sido modificada con informaci\u00f3n insertada. Para ello, se colocaron fragmentos de 12 segundos de las canciones de la tabla n.\u00ba 1 en un sitio web especial. <\/p>\n

En el primer experimento (E1), a cada participante se le proporcion\u00f3 un fragmento modificado o uno original para escuchar, y deb\u00eda decidir si este fragmento era original o modificado. En el segundo experimento (E2), los participantes pod\u00edan escuchar ambas versiones tantas veces como desearan, y luego decidir cu\u00e1l de ellas era la original y cu\u00e1l la modificada.<\/p>\n

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\nTabla n.\u00ba 2: resultados de los experimentos E1 y E2.<\/i><\/p>\n

Los resultados de la primera experiencia tienen dos indicadores: p(O|O) \u2014 porcentaje de participantes que identificaron correctamente la melod\u00eda original y p(O|M) \u2014 porcentaje de participantes que identificaron la versi\u00f3n modificada de la melod\u00eda como original.<\/p>\n

Es curioso que algunos participantes, seg\u00fan los investigadores, consideraron que ciertas melod\u00edas modificadas eran m\u00e1s originales que la original misma. La media de ambos experimentos sugiere que el oyente promedio no notar\u00eda la diferencia entre una melod\u00eda normal y una en la que se han incrustado los datos.<\/p>\n

Naturalmente, los conocedores de m\u00fasica y los m\u00fasicos podr\u00e1n detectar algunas imprecisiones y elementos sospechosos en las melod\u00edas modificadas, pero estos elementos no son tan significativos como para causar incomodidad.<\/p>\n

Ahora, nosotros mismos podemos participar en el experimento. A continuaci\u00f3n, se presentan dos versiones de la misma melod\u00eda: la original y la modificada. \u00bfEscuchas la diferencia?<\/p>\n

Versi\u00f3n original de la melod\u00eda<\/a><\/noindex>
\nvs
\nVersi\u00f3n modificada de la melod\u00eda<\/a><\/noindex><\/p>\n

Para un conocimiento m\u00e1s detallado de las sutilezas de la investigaci\u00f3n, recomiendo echar un vistazo a de Vladimir Leshchenko<\/a><\/noindex> del grupo de investigaci\u00f3n.<\/p>\n

Tambi\u00e9n puedes descargar el archivo ZIP con los archivos de audio de las melod\u00edas originales y modificadas utilizadas en el estudio, desde este enlace<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

Ep\u00edlogo<\/h3>\n

\nEn este trabajo, los estudiantes de postgrado de la Escuela Polit\u00e9cnica Federal de Z\u00farich describieron un sorprendente sistema de transmisi\u00f3n de datos dentro de la m\u00fasica. Para ello, aplicaron el enmascaramiento de frecuencia, lo que permiti\u00f3 incrustar datos en la melod\u00eda reproducida por un altavoz. Esta melod\u00eda es percibida por el micr\u00f3fono del dispositivo, que reconoce los datos ocultos y los decodifica, mientras que el oyente promedio no notar\u00e1 la diferencia. En el futuro, planean desarrollar su sistema, buscando m\u00e9todos m\u00e1s avanzados para incrustar datos en el audio. <\/p>\n

Siempre nos alegra cuando alguien inventa algo inusual, y lo m\u00e1s importante, funcional. Pero a\u00fan m\u00e1s alegr\u00eda es que este invento haya sido creado por j\u00f3venes. La ciencia no tiene l\u00edmites de edad. Y si los j\u00f3venes consideran que la ciencia es aburrida, significa que la est\u00e1n presentando desde un \u00e1ngulo equivocando, por as\u00ed decirlo. Porque, como sabemos, la ciencia es un mundo sorprendente que nunca deja de asombrar. <\/p>\n

Off-topic del viernes:<\/b>

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\nYa que hemos hablado de m\u00fasica, m\u00e1s espec\u00edficamente de rock, aqu\u00ed tienes un hermoso viaje por los confines del rock.<\/i><\/p>\n

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\nQueen, \u00abRadio Ga Ga\u00bb (1984).<\/i><\/p>\n

\u00a1Gracias por su atenci\u00f3n, sigan siendo curiosos y les deseo un excelente fin de semana, chicos! \ud83d\ude42<\/p>\n

\nGracias por seguir con nosotros. \u00bfTe gustan nuestros art\u00edculos? \u00bfQuieres ver m\u00e1s material interesante? Ap\u00f3yanos realizando un pedido o recomend\u00e1ndonos a tus conocidos, 30% de descuento para los usuarios de Habr en una alternativa \u00fanica a los servidores de nivel de entrada, que hemos dise\u00f1ado para usted:<\/b> Toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 n\u00facleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps desde $20 o \u00bfc\u00f3mo dividir correctamente un servidor?<\/a><\/noindex> (disponibles opciones con RAID1 y RAID10, hasta 24 n\u00facleos y hasta 40GB DDR4).<\/p>\n

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\n
Fuente: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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