Information im Ton

In Musik Daten speichern

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von Fabio Bergamin, ETH Zürich

Forscher der ETH Zürich entwickelten eine Methode, mit der in Musik Daten gespeichert und mit dem Smartphone empfangen werden können. Für das menschliche Ohr sind die Daten nicht zu hören – der Musikgenuss bleibt ungetrübt. Interessante Anwendungen gäbe es für die Hotellerie, für Museen und Warenhäuser.

(Source: Federico Rostagno / iStock.com)
(Source: Federico Rostagno / iStock.com)

Die beiden ETH-Doktoranden Manuel Eichelberger und Simon Tanner speichern in Musik Daten. Damit lassen sich in Hintergrundmusik beispielsweise Zugangsdaten für das örtliche WLAN-Netz speichern. Mit dem Mikrofon eines Handys kann man diese Informationen empfangen. "Das wäre in einem Hotelzimmer praktisch", sagt Tanner. "Gäste erhalten so Zugang zum Hotel-WLAN, ohne in ihrem Gerät ein Passwort eingeben zu müssen."

Um die Daten zu speichern, verändern die beiden Doktoranden sowie der Masterstudent Gabriel Voirol die Musik minim. Im Gegensatz zu Versuchen anderer Wissenschaftler in den letzten Jahren sei es mit dem neuen Ansatz möglich, Daten mit einer hohen Rate zu übertragen, ohne dass man dies der Musik anhört. "Unser Ziel war, dass der Musikgenuss nicht beeinträchtigt ist", sagt Eichelberger.

So ist es möglich, unter optimalen Bedingungen bis zu 400 Bit pro Sekunde zu übertragen, ohne dass Durchschnittspersonen einen Unterschied zwischen dem originalen und dem veränderten Musikstück hören, wie die Forscher in Tests zeigten (siehe auch Hörbeispiel). Weil für die Datenübertragung unter realistischen Bedingungen Redundanzen einkalkuliert werden müssen, um die Übertragungsqualität sicherzustellen, dürfte eine realistische Übertragungsrate rund 200 Bit – also rund 25 Buchstaben – pro Sekunde betragen. "Theoretisch wäre es möglich, viel mehr Daten zu übertragen. Je höher die Datenübertragungsrate, desto eher ist dies allerdings als störende Geräusche hörbar, oder die Datenqualität leidet darunter", ergänzt Tanner.

Dominante Töne kaschieren Information

Die Forscher aus dem Institut für technische Informatik und Kommunikation der ETH Zürich nutzen die dominanten Töne in einem Musikstück und überlagern diese jeweils mit zwei minim tieferen und zwei minim höheren Tönen, welche leiser sind als der dominante Ton. Zusätzlich nutzen sie die Obertöne der dominanten Töne (eine oder mehrere Oktaven höher) und ergänzen auch diese mit minim tieferen und höheren Tönen. In all diesen Zusatztönen speichern die Forschern die Information. Ein Smartphone kann diese Information über das eingebaute Mikrofon empfangen und auswerten. Menschen hingegen nehmen die Zusatztöne nicht wahr.

"Wenn wir einen lauten Ton hören, fallen uns schwächere Töne mit leicht höherer oder tieferer Frequenz nicht auf", sagt Manuel Eichelberger. "Wir nutzen daher die dominanten, lauten Töne in einem Musikstück, um die akustische Datenübertragung zu kaschieren." Besonders vorteilhaft für diese Datenübertragung sind daher Musikstücke mit vielen dominanten Tönen, zum Beispiel Popmusik. Weniger geeignet sind leise Musikstücke.

Hörbeispiele

Das Datenspeichern verändert die Musik nur minim. Unterschiede sind kaum herauszuhören. Hier als Beispiel ein Ausschnitt aus einem Musikstück der ETH Big Band (© Henning Eckels (comp./arr.)).

In diesem Musikstream sind mit 300 Bits pro Sekunde Daten gespeichert. Konkret wiederholt sich alle 0,7 Sekunden ständig die Kurz-URL dieses News-Artikels www.ethz.ch/daten-in-musik. Der Algorithmus, mit dem die Daten empfangen werden können, ist noch nicht öffentlich als Smartphone-App erhältlich.

Zum Vergleich: Die unveränderte Originalversion

Um dem Decodier-Algorithmus im Smartphone anzuzeigen, wo er nach Daten suchen muss, nutzen die Wissenschaftler hohe, für das menschliche Ohr nur schlecht wahrnehmbare Töne: Im Frequenzbereich von 9,8 bis 10 kHz ersetzen die Doktoranden die Musik durch einen akustischen Datenstrom. Dieser beinhaltet die Information, wann und wo im restlichen Frequenzbereich die zu übermittelnden Daten gespeichert sind.

Zwischen Lautsprecher und Mikrofon

Das Übermittlungsprinzip ist grundsätzlich anders als das bekannte RDS, über das Autoradios den Sendernamen und Informationen zum gespielten Musikstück empfangen. "Bei RDS werden Daten über UKW übermittelt. Es geht dabei um Informationsübertragung zwischen UKW-Sender und Radiogerät", stellt Tanner klar. "Uns geht es jedoch darum, die Daten in der Musik selbst zu speichern – um die Datenübertragung zwischen einem Lautsprecher und einem Mikrofon."

Weitere Anwendungen als die erwähnte Übertragung von WLAN-Zugangsdaten wären Informationen in Museen oder Einkaufszentren, wie Eichelberger sagt. Man könnte zum Beispiel in einem Museum Informationen zu Exponaten auf ein Smartphone übermitteln. Oder in einem Warenhaus könnte grundsätzlich die gleiche Hintergrundmusik laufen, diese könnte je nach Abteilung jedoch mit unterschiedlichen Informationen, zum Beispiel zu Aktionen, versehen werden. Als konkrete Daten könne beispielweise die URL einer Website übertragen werden. Museumsbesucher oder Kunden können diese dann aufrufen und dort weitere Informationen erhalten. Auf Flughäfen und Bahnhöfen könnten mit dieser Methode ausserdem Abfahrtszeiten oder Verspätungen kommuniziert werden.

Literaturhinweis

Eichelberger M, Tanner S, Voirol G, Wattenhofer R: Imperceptible Audio Communication. 44th IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Brighton, 12.-17. Mai 2019

Dieser Beitrag ist zuerst auf ETH-News erschienen.

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DPF8_145044

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