{"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\/pt\/blog\/news\/chitat-mezhdu-not-sistema-peredachi-dannyh-vnutri-muzyki","title":{"rendered":"Ler entre as notas: sistema de transmiss\u00e3o de dados dentro da m\u00fasica","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

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\n
\nExpressar o que palavras n\u00e3o conseguem transmitir; sentir as mais diversas emo\u00e7\u00f5es entrela\u00e7adas em um furac\u00e3o de sentimentos; desprender-se da terra, do c\u00e9u e at\u00e9 mesmo do pr\u00f3prio Universo, embarcando em uma viagem onde n\u00e3o existem mapas, estradas ou sinaliza\u00e7\u00f5es; inventar, contar e vivenciar uma hist\u00f3ria que sempre ser\u00e1 \u00fanica e inigual\u00e1vel. Tudo isso \u00e9 poss\u00edvel gra\u00e7as \u00e0 m\u00fasica \u2014 uma arte que existe h\u00e1 milhares de anos e que agrada nossos ouvidos e cora\u00e7\u00f5es. <\/p>\n

No entanto, a m\u00fasica, ou mais precisamente, as composi\u00e7\u00f5es musicais, podem servir n\u00e3o apenas para o prazer est\u00e9tico, mas tamb\u00e9m para transmitir informa\u00e7\u00f5es codificadas que s\u00e3o destinadas a algum dispositivo e impercept\u00edveis ao ouvinte. Hoje, iremos conhecer uma pesquisa bastante incomum, na qual estudantes de doutorado da Escola Polit\u00e9cnica Federal de Zurique conseguiram introduzir dados espec\u00edficos em composi\u00e7\u00f5es musicais sem que o ouvido humano percebesse. Como eles realizaram essa tecnologia, se as melodias com e sem os dados incorporados diferem muito e o que os testes pr\u00e1ticos mostraram? Sobre isso iremos nos informar a partir da apresenta\u00e7\u00e3o dos pesquisadores. Vamos l\u00e1.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Base da pesquisa<\/h3>\n

\nOs pesquisadores chamam sua tecnologia de t\u00e9cnica ac\u00fastica de transmiss\u00e3o de dados. Quando um alto-falante reproduz uma melodia alterada, uma pessoa a percebe como comum, enquanto um smartphone, por exemplo, pode ler a informa\u00e7\u00e3o codificada entre as linhas, ou melhor, entre as notas, se assim podemos dizer. O aspecto mais importante na implementa\u00e7\u00e3o desse m\u00e9todo de transmiss\u00e3o de dados, segundo os cientistas (o fato de que essas pessoas ainda s\u00e3o estudantes de p\u00f3s-gradua\u00e7\u00e3o n\u00e3o os impede de serem cientistas), \u00e9 a velocidade e a confiabilidade da transmiss\u00e3o, mantendo o n\u00edvel desses par\u00e2metros independentemente do arquivo de \u00e1udio escolhido. Para enfrentar essa tarefa, a psicoac\u00fastica ajuda a estudar os aspectos psicol\u00f3gicos e fisiol\u00f3gicos da percep\u00e7\u00e3o sonora pelo ser humano. <\/p>\n

O n\u00facleo da transmiss\u00e3o ac\u00fastica de dados pode ser descrito pelo OFDM (multiplexa\u00e7\u00e3o por divis\u00e3o de frequ\u00eancia ortogonal), que, juntamente com a adapta\u00e7\u00e3o das portadoras \u00e0 m\u00fasica original ao longo do tempo, permitiu maximizar o uso do espectro da frequ\u00eancia transmitida para a transfer\u00eancia de informa\u00e7\u00f5es. Gra\u00e7as a isso, foi poss\u00edvel alcan\u00e7ar uma velocidade de transmiss\u00e3o de 412 bits\/s a uma dist\u00e2ncia de at\u00e9 24 metros (taxa de erros < 10%). Experimentos pr\u00e1ticos com 40 volunt\u00e1rios confirmaram que \u00e9 praticamente imposs\u00edvel perceber a diferen\u00e7a entre a melodia original e a que teve informa\u00e7\u00f5es embutidas.<\/p>\n

Onde essa tecnologia pode ser aplicada na pr\u00e1tica? Os pesquisadores t\u00eam sua pr\u00f3pria resposta: praticamente todos os smartphones modernos, laptops e outros dispositivos port\u00e1teis est\u00e3o equipados com microfones, e muitos locais p\u00fablicos (caf\u00e9s, restaurantes, shoppings, etc.) t\u00eam alto-falantes com m\u00fasica ambiente. Nessa melodia de fundo, \u00e9 poss\u00edvel embutir, por exemplo, dados para conectar \u00e0 rede Wi-Fi, sem a necessidade de realizar a\u00e7\u00f5es adicionais.<\/p>\n

Agora que entendemos os aspectos gerais da transmiss\u00e3o ac\u00fastica de dados, vamos passar a um exame detalhado da estrutura deste sistema.<\/p>\n

Descri\u00e7\u00e3o do sistema<\/h3>\n

\nA inser\u00e7\u00e3o de dados na melodia \u00e9 feita atrav\u00e9s da mascaragem de frequ\u00eancia. Em intervalos de tempo, as frequ\u00eancias de mascaramento s\u00e3o identificadas, e as portadoras OFDM, pr\u00f3ximas a esses elementos de mascaramento, s\u00e3o preenchidas com dados.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 1: transforma\u00e7\u00e3o do arquivo original em um sinal composto (melodia + dados), transmitido atrav\u00e9s de alto-falantes.<\/i><\/p>\n

Primeiro, o sinal de \u00e1udio original \u00e9 dividido em segmentos sequenciais para an\u00e1lise. Cada segmento (Hi) de L = 8820 amostras, equivalente a 200 ms, \u00e9 multiplicado por uma janela*<\/i> para minimizar os efeitos de borda.<\/p>\n

Janela*<\/b> \u00e9 uma fun\u00e7\u00e3o de peso utilizada para controlar os efeitos causados pela presen\u00e7a de lobos laterais nas estimativas espectrais.<\/p><\/blockquote>\n

Em seguida, foram detectadas frequ\u00eancias dominantes do sinal original na faixa de 500 Hz a 9,8 kHz, o que permitiu obter as frequ\u00eancias de mascaramento fM,l para este segmento. Al\u00e9m disso, foram transmitidos dados em uma pequena faixa de 9,8 a 10 kHz para determinar a localiza\u00e7\u00e3o das portadoras no receptor. O limite superior da faixa de frequ\u00eancia utilizada foi fixado em 10 kHz devido \u00e0 baixa sensibilidade dos microfones de smartphones em altas frequ\u00eancias.<\/p>\n

As frequ\u00eancias de mascaramento foram determinadas para cada segmento analisado de forma individual. Utilizando o m\u00e9todo HPS (espectro harm\u00f4nico de produtos), foram identificadas tr\u00eas frequ\u00eancias dominantes, que depois foram arredondadas para as notas mais pr\u00f3ximas da escala crom\u00e1tica harm\u00f4nica. Assim, foram obtidas as notas principais fF,i = 1\u20263, situadas entre as teclas C0 (16,35 Hz) e B0 (30,87 Hz). Considerando que as notas principais s\u00e3o demasiado baixas para serem utilizadas na transmiss\u00e3o de dados, foram calculadas suas octavas mais altas 2kfF,i na faixa de 500 Hz a 9,8 kHz. Muitas dessas frequ\u00eancias (fO,l1) foram mais pronunciadas devido \u00e0 natureza do HPS.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 2: octavas calculadas fO,l1 para as notas principais e harm\u00f4nicos fH,l2 do tom mais forte.<\/i><\/p>\n

O conjunto de octavas e harm\u00f4nicos foi utilizado como frequ\u00eancias de mascaramento, com base nas quais foram obtidas as frequ\u00eancias de subportadora OFDM fSC,k. Duas subportadoras foram inseridas acima e abaixo de cada frequ\u00eancia de mascaramento. <\/p>\n

Em seguida, ocorreu a filtragem do espectro do segmento de \u00e1udio Hi nas frequ\u00eancias das subportadoras fSC,k. Com base nos bits informativos em Bi, foi criado um s\u00edmbolo OFDM, permitindo que o segmento composto Ci fosse transmitido por meio do alto-falante. Os valores e fases das subportadoras precisam ser escolhidos de maneira que o receptor possa extrair os dados transmitidos, enquanto o ouvinte n\u00e3o percebe altera\u00e7\u00f5es na melodia.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 3: faixa do espectro e as frequ\u00eancias das subportadoras do segmento Hi da melodia original.<\/i><\/p>\n

Quando o sinal de \u00e1udio, que cont\u00e9m informa\u00e7\u00f5es codificadas, \u00e9 reproduzido atrav\u00e9s dos alto-falantes, o microfone do dispositivo receptor o registra. Para encontrar as posi\u00e7\u00f5es iniciais dos s\u00edmbolos OFDM embutidos, a grava\u00e7\u00e3o deve ser filtrada por faixa de frequ\u00eancia. Assim, \u00e9 extra\u00edda a faixa superior de frequ\u00eancia, onde n\u00e3o h\u00e1 sinais musicais interferentes entre as portadoras. O in\u00edcio dos s\u00edmbolos OFDM pode ser encontrado com o uso do prefixo c\u00edclico.<\/p>\n

Ap\u00f3s detectar o in\u00edcio dos s\u00edmbolos OFDM, o receptor obt\u00e9m informa\u00e7\u00f5es sobre as notas mais dominantes por meio da decodifica\u00e7\u00e3o da faixa de frequ\u00eancia superior. Al\u00e9m disso, o OFDM \u00e9 bastante resistente \u00e0 influ\u00eancia de fontes de interfer\u00eancia de bandas estreitas, uma vez que elas afetam apenas algumas das portadoras.<\/p>\n

Testes pr\u00e1ticos<\/h3>\n

\nComo fonte das melodias alteradas, foi utilizado o alto-falante KRK Rokit 8, enquanto o smartphone Nexus 5X atuou como o dispositivo receptor.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 4: diferen\u00e7a entre as manifesta\u00e7\u00f5es reais do OFDM e os picos de correla\u00e7\u00e3o medidos em um ambiente a 5 m de dist\u00e2ncia entre o alto-falante e o microfone.<\/i><\/p>\n

A maioria dos pontos do OFDM est\u00e1 na faixa de 0 a 25 ms, por isso \u00e9 poss\u00edvel encontrar um in\u00edcio aceit\u00e1vel dentro do prefixo c\u00edclico de 66,6 ms. Os pesquisadores observam que o receptor (neste experimento, o smartphone) leva em considera\u00e7\u00e3o que os s\u00edmbolos OFDM s\u00e3o reproduzidos periodicamente, o que melhora sua detec\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

A primeira coisa a ser verificada foi a influ\u00eancia da dist\u00e2ncia na taxa de erro por bit (BER). Para isso, foram realizados tr\u00eas testes em diferentes tipos de ambientes: um corredor com carpete, uma sala com lin\u00f3leo no piso e um audit\u00f3rio com piso de madeira.<\/p>\n

\r\n \"Por\r\n
<\/div>\r\n <\/div><\/center>
\nA can\u00e7\u00e3o escolhida para o \"teste\" foi \"And The Cradle Will Rock\" da banda Van Halen. <\/i><\/p>\n

O volume de som foi ajustado de modo que o n\u00edvel de som medido pelo smartphone a 2 m do alto-falante fosse de 63 dB.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 5: \u00edndices de BER em fun\u00e7\u00e3o da dist\u00e2ncia entre o alto-falante e o microfone (linha azul \u2014 audit\u00f3rio, verde \u2014 corredor, laranja \u2014 escrit\u00f3rio).<\/i><\/p>\n

No corredor, o som de 40 dB foi captado pelo smartphone a uma dist\u00e2ncia de at\u00e9 24 metros do alto-falante. No audit\u00f3rio, a 15 m, o som estava em 55 dB, enquanto no escrit\u00f3rio, a uma dist\u00e2ncia de 8 metros, o n\u00edvel de som percebido pelo smartphone alcan\u00e7ou 57 dB. <\/p>\n

Devido ao fato de que o p\u00fablico e o escrit\u00f3rio t\u00eam mais reverbera\u00e7\u00e3o, os ecos atrasados dos s\u00edmbolos OFDM excedem o comprimento do prefixo c\u00edclico e aumentam o BER.<\/p>\n

Reverbera\u00e7\u00e3o*<\/b> \u2014 a diminui\u00e7\u00e3o gradual da intensidade do som devido \u00e0 sua m\u00faltipla reflex\u00e3o. <\/p><\/blockquote>\n

Em seguida, os pesquisadores demonstraram a versatilidade de seu sistema aplicando-o a 6 m\u00fasicas diferentes de tr\u00eas g\u00eaneros (tabela abaixo).<\/p>\n

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\nTabela n\u00ba 1: m\u00fasicas utilizadas nos testes.<\/i><\/p>\n

Al\u00e9m disso, atrav\u00e9s dos dados da tabela, podemos ver a taxa de transmiss\u00e3o e as taxas de erro por bit para cada m\u00fasica. A taxa de transmiss\u00e3o varia porque o BPSK diferencial (manipula\u00e7\u00e3o de fase) funciona melhor quando as mesmas subportadoras s\u00e3o utilizadas. Isso \u00e9 poss\u00edvel quando os segmentos adjacentes cont\u00eam os mesmos elementos de mascaramento. M\u00fasicas continuamente altas fornecem uma base ideal para oculta\u00e7\u00e3o de dados, pois as frequ\u00eancias de mascaramento est\u00e3o mais fortemente presentes em uma ampla faixa de frequ\u00eancia. M\u00fasicas de r\u00e1pida mudan\u00e7a podem mascarar os s\u00edmbolos OFDM apenas parcialmente devido ao comprimento fixo da janela de an\u00e1lise.<\/p>\n

Em seguida, o sistema foi testado por pessoas que deveriam determinar qual melodia era original e qual tinha sido modificada com informa\u00e7\u00f5es inseridas. Para isso, trechos de 12 segundos das m\u00fasicas na tabela n\u00ba 1 foram colocados em um site especial. <\/p>\n

No primeiro experimento (E1), cada participante recebia um trecho modificado ou original para ouvir e tinha que decidir se esse trecho era original ou modificado. No segundo experimento (E2), os participantes podiam ouvir as duas vers\u00f5es quantas vezes quisessem, e depois decidir qual delas era o original e qual estava alterado.<\/p>\n

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\nTabela n\u00ba 2: resultados dos experimentos E1 e E2.<\/i><\/p>\n

Nos resultados da primeira experi\u00eancia, h\u00e1 dois indicadores: p(O|O) \u2014 a porcentagem de participantes que identificaram corretamente a melodia original e p(O|M) \u2014 a porcentagem de participantes que identificaram a vers\u00e3o alterada da melodia como sendo a original.<\/p>\n

Curiosamente, alguns participantes, segundo os pesquisadores, consideraram certas melodias alteradas mais originais do que o pr\u00f3prio original. A m\u00e9dia dos dois experimentos indica que o ouvinte m\u00e9dio n\u00e3o perceber\u00e1 a diferen\u00e7a entre uma melodia comum e aquela em que os dados foram incorporados.<\/p>\n

Naturalmente, os conhecedores de m\u00fasica e os m\u00fasicos poder\u00e3o notar algumas imprecis\u00f5es e elementos suspeitos nas melodias alteradas, mas esses elementos n\u00e3o s\u00e3o t\u00e3o significativos a ponto de causar desconforto.<\/p>\n

Agora, n\u00f3s mesmos podemos participar do experimento. Abaixo est\u00e3o duas vers\u00f5es da mesma melodia - a original e a alterada. Voc\u00ea consegue ouvir a diferen\u00e7a?<\/p>\n

Vers\u00e3o original da melodia<\/a><\/noindex>
\nvs
\nVers\u00e3o modificada da melodia<\/a><\/noindex><\/p>\n

Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em relat\u00f3rio<\/a><\/noindex> do grupo de pesquisa.<\/p>\n

Voc\u00ea tamb\u00e9m pode baixar o arquivo ZIP com os \u00e1udios das melodias originais e alteradas utilizadas no estudo em este link<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

Ep\u00edlogo<\/h3>\n

\nNeste trabalho, os graduandos da escola t\u00e9cnica superior de Zurique descreveram um sistema surpreendente de transmiss\u00e3o de dados dentro da m\u00fasica. Para isso, aplicaram a m\u00e1scara de frequ\u00eancia, que permitiu incorporar dados na melodia reproduzida pelo alto-falante. Essa melodia \u00e9 percebida pelo microfone do dispositivo, que reconhece os dados ocultos e os decodifica, enquanto o ouvinte m\u00e9dio nem percebe a diferen\u00e7a. No futuro, eles pretendem desenvolver seu sistema, buscando m\u00e9todos mais avan\u00e7ados de inser\u00e7\u00e3o de dados no \u00e1udio. <\/p>\n

Quando algu\u00e9m inventa algo incomum, e o que \u00e9 mais importante, funcional, sempre nos alegramos. Mas ainda mais alegria vem do fato de que essa inven\u00e7\u00e3o foi criada por jovens. A ci\u00eancia n\u00e3o tem restri\u00e7\u00f5es de idade. E se os jovens acham a ci\u00eancia entediante, significa que est\u00e1 sendo apresentada de forma inadequada. Afinal, como sabemos, a ci\u00eancia \u00e9 um mundo incr\u00edvel que nunca deixa de surpreender. <\/p>\n

Off-topic de sexta-feira:<\/b>

\r\n \"Por\r\n
<\/div>\r\n <\/div><\/center>
\nJ\u00e1 que estamos falando de m\u00fasica, mais especificamente de rock, aqui est\u00e1 uma bela viagem pelo mundo do rock.<\/i><\/p>\n

\r\n \"Por\r\n
<\/div>\r\n <\/div><\/center>
\nQueen, \u00abRadio Ga Ga\u00bb (1984).<\/i><\/p>\n

Obrigado pela aten\u00e7\u00e3o, mantenham-se curiosos, e um \u00f3timo fim de semana a todos, pessoal! \ud83d\ude42<\/p>\n

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

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