CN111903112A - 耳朵接近度检测 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的实施方案包括用于检测耳朵相对于音频设备的接近度的方法、装置和计算机程序。在一个实施方案中，本公开内容提供了一种用于检测耳朵在音频设备的附近的存在的系统。该系统包括：输入，该输入用于从所述音频设备的环境获得数据信号；以及，耳朵生物测定认证模块，被配置成：将从所述数据信号所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与一个耳朵生物测定模板进行比较；以及，基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板的比较来生成第一输出，所述第一输出指示在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵。

Description

耳朵接近度检测
技术领域
本公开内容的实施方案涉及用于耳朵接近度(ear proximity)检测的装置、系统、方法和计算机程序。特别地，本公开内容的实施方案涉及用于检测在音频设备的附近是否存在耳朵的装置、系统、方法和计算机程序。
背景技术
已知的是，用户的耳朵(不管是外部部分(被称为耳壳(pinna)或耳廓(auricle))、耳道，或者这二者)的声学属性在个体之间存在显著差异，因此可以被用作对用户进行标识的生物测定。一种实现此的方法是，一个或多个扬声器(或者类似的换能器)被定位为靠近耳朵或被定位在耳朵内，以生成声学刺激，以及一个或多个麦克风类似地被定位为靠近耳朵或被定位在耳朵内，以检测耳朵对声学刺激的声学响应。一个或多个特征可以从响应信号中被提取，且被用于表征个体。
例如，耳道是共振系统，因此可以从响应信号所提取的一个特征是耳道的共振频率。如果所测量的共振频率(即，响应信号中的共振频率)与针对该用户所存储的共振频率不同，则生物测定算法(该生物测定算法被耦合以接收和分析响应信号)可能返回否定结果。响应信号的其他特征可以类似地被提取，且被用于表征个体。例如，特征可以包括一个或多个梅尔频率倒谱系数。更一般地，声学刺激与所测量的响应信号之间的传递函数(或者传递函数的特征)可以被确定，且与所存储的传递函数(或者所存储的传递函数的特征)进行比较，所存储的传递函数是用户的特性。
可以使用个人音频设备(诸如，耳机、头戴式受话器或移动电话)来生成声学刺激以及测量响应。在这种个人音频设备中，功率消耗是至关重要的，因为空间是受限的从而电池尺寸也是受限的。两次连续充电之间的电池寿命是用户选择设备时的关键性能指标。
为了降低功率消耗，许多个人音频设备具有专用的“耳上检测(in-ear detect)”功能，所述“耳上检测”功能可操作以检测在设备的附近是否存在耳朵。如果未检测到耳朵，则可以将设备置于低功率状态，从而节省功率；如果检测到耳朵，则可以将设备置于相对高功率状态。
耳上检测功能还可以用于其他目的。例如，当电话靠近用户的耳朵放置时，移动电话可以利用耳上检测功能以锁定触摸屏，从而防止在通话时意外触摸输入。例如，个人音频设备可以响应于检测到个人音频设备从用户的耳朵移除而暂停音频回放，或者在检测到将个人音频设备施加至用户的耳朵时取消暂停音频。
在本领域中已知用于耳上检测的多种机制。例如，红外传感器已经被用于移动电话中，以检测耳朵的接近度。已经提出了光传感器来检测耳机和头戴式受话器插入用户的耳朵内或戴在用户的耳朵上。然而，所有这些机制都具有缺点，即它们需要设备中的附加硬件，用于耳上检测的目的。可能需要附加传感器和/或用于处理传感器输出信号的附加处理电路。
发明内容
提出了用于耳朵接近度检测的装置、系统、方法和计算机程序，所述装置、系统、方法和计算机程序尝试缓解或减轻上面所陈述的问题中的一个或多个。
在第一方面，提供了一种用于检测耳朵在音频设备的附近的存在的系统。该系统包括：输入，该输入用于从所述音频设备的环境获得数据信号；以及，耳朵生物测定认证模块，被配置成：将从所述数据信号所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与一个耳朵生物测定模板进行比较；以及，基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板的比较来生成第一输出，所述第一输出指示在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵。
另一方面提供了一种电子装置，包括上面所记载的系统。
本公开内容的另一方面提供了一种检测耳朵在音频设备的附近的存在的方法。该方法包括：从所述音频设备的环境获得数据信号；从所述数据信号提取一个或多个耳朵生物测定特征；将所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述音频设备的已授权用户的耳朵生物测定模板进行比较；以及，基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板的比较来生成第一输出，所述第一输出指示在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵。
另一方面提供了一种电子装置，所述电子装置包括处理电路和存储指令的非暂时性机器可读介质，当由所述处理电路执行所述指令时，所述指令导致所述电子装置实施如上面所记载的方法。
另一方面提供了一种存储指令的非暂时性机器可读介质，当由处理电路执行所述指令时，所述指令导致电子装置实施如上面所记载的方法。
本公开内容的另一方面提供一种用于检测耳朵在音频设备的附近的存在的系统。该系统包括：输入，该输入用于从所述音频设备的环境获得数据信号；以及，耳朵生物测定认证模块，被配置成：从所述数据信号的第一数目的数据帧提取一个或多个第一耳朵生物测定特征；计算第一得分，所述第一得分指示所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与已授权用户的耳朵生物测定模板之间的距离；将所述第一得分与第一阈值进行比较，以确定在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵；响应于确定在所述音频设备的附近存在任何耳朵，从所述数据信号的第二数目的数据帧提取一个或多个第二耳朵生物测定特征，数据帧的所述第二数目大于数据帧的所述第一数目；计算第二得分，所述第二得分指示所提取的所述一个或多个第二耳朵生物测定特征与所述已授权用户的耳朵生物测定模板之间的距离；以及，将所述第二得分与第二阈值进行比较，以确定在所述音频设备的附近是否存在所述已授权用户的耳朵，所述第二阈值不同于所述第一阈值。
本公开内容的另一方面提供一种用于检测耳朵在音频设备的附近的存在的系统。所述系统包括：输入，该输入用于从所述音频设备的环境获得数据信号；以及，耳朵生物测定认证模块，被配置成：将从所述数据信号所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与已授权用户的耳朵生物测定模板进行比较；基于所述比较来计算一个或多个得分，所述一个或多个得分指示所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板之间的距离；将所述一个或多个得分与第一阈值以及第二阈值进行比较，其中所述第一阈值和所述第二阈值彼此不同；以及，基于所述一个或多个得分与所述第一阈值的比较来生成第一输出，所述第一输出指示在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵，且基于所述一个或多个得分与所述第二阈值的比较来生成第二输出，所述第二输出指示在所述音频设备的附近是否存在已授权用户的耳朵。
本公开内容的另一方面提供了生物测定处理器用于检测任何耳朵在音频设备的附近的存在的用途。
附图说明
为了更好地理解本公开内容的实施例，且为了更清楚地示出如何实施这些实施例，现仅以实施例的方式参考以下附图，在附图中：
图1a至图1e示出了个人音频设备的实施例；
图2示出了根据本公开内容的实施方案的布置；
图3是根据本公开内容的实施方案的生物测定得分的示意图；
图4示出了根据本公开内容的实施方案的系统；
图5示出了根据本公开内容的实施方案的音频信号的获取；以及
图6是根据本公开内容的实施方案的方法的流程图。
具体实施方式
本公开内容的实施方案提供了用于耳朵接近度检测的装置、系统、方法和计算机程序。特别地，实施方案利用基于一个或多个耳朵生物测定特征的生物测定过程来从个人音频设备的附近检测是否存在耳朵。
如本文中所使用的，术语“个人音频设备”是适合于或可配置为基本上向仅单个用户提供音频回放的任何电子设备。合适的个人音频设备的一些实施例被示出在图1a至图1e中。
图1a示出了用户的耳朵的示意图，用户的耳朵包括(外部)耳壳或耳廓12a以及(内部)耳道12b。个人音频设备20包括由使用者戴在耳朵上的包耳式(circum-aural)头戴式受话器。该头戴受话器包括壳体，该壳体基本上环绕且包围耳廓12a，以在用户的耳朵与外部环境之间提供物理屏障。可以在壳体的边缘处提供缓冲或衬垫，以增加用户的舒适度以及头戴式受话器与用户的皮肤之间的声学耦合(即，在外部环境与用户的耳朵之间提供更有效的屏障)。
头戴式受话器包括一个或多个扬声器22，所述一个或多个扬声器22被定位在头戴式受话器的内表面上，且被布置成生成朝向用户的耳朵且尤其是耳道12b的声学信号。头戴式受话器还包括一个或多个麦克风24，所述一个或多个麦克风24也被定位在头戴式受话器的内表面上，且被布置成检测在由头戴式受话器、耳廓12a和耳道12b所限定的内部体积内的声学信号。
头戴式受话器可能能够执行主动噪声消除，以减少头戴式受话器的用户所感受的噪声量。主动噪声消除通过检测噪声(即，使用麦克风)且生成与噪声信号具有相同幅度但相反相位的信号(即，使用扬声器)来操作。因此，所生成的信号破坏性地干扰噪声，从而减轻了用户所感受的噪声。主动噪声消除可以基于反馈信号、前馈信号或这二者的组合来操作。前馈主动噪声消除利用头戴式受话器的外表面上的一个或多个麦克风，操作以在环境噪声到达用户的耳朵之前检测环境噪声。所检测到的噪声被快速地处理，且生成消除信号，以在传入的噪声到达用户的耳朵时与传入的噪声匹配。反馈主动噪声消除利用定位在头戴式受话器的内表面上的一个或多个误差麦克风，操作以检测噪声和由一个或多个扬声器所生成的音频回放信号的组合。此组合与音频回放信号的知识一起被用于反馈环路中，以调整扬声器所生成的消除信号，从而降低噪声。因此，图1a中所示出的麦克风24可以形成主动噪声消除系统的一部分，例如，作为误差麦克风。
图1b示出了一个替代的个人音频设备30，该个人音频设备30包括贴耳式(supra-aural)头戴式受话器。贴耳式头戴式受话器不环绕或包围用户的耳朵，而是位于耳廓12a上。头戴式受话器可以包括软垫或衬垫，以减轻环境噪声的影响。与图1a中所示出的包耳式头戴式受话器一样，贴耳式头戴式受话器包括一个或多个扬声器32和一个或多个麦克风34。扬声器32和麦克风34可以形成主动噪声消除系统的一部分，其中麦克风34用作误差麦克风。
图1c示出了另一替代的个人音频设备40，该个人音频设备40包括耳内式(intra-concha)头戴式受话器(或耳机)。在使用中，耳内式头戴式受话器位于用户的外耳腔的内侧。耳内式头戴式受话器可以松散地安装在该腔内，允许空气流入和流出用户的耳道12b。
与图1a和1b中示出的设备一样，耳内式头戴式受话器包括一个或多个扬声器42和一个或多个麦克风44，所述一个或多个扬声器42和所述一个或多个麦克风44可以形成主动噪声消除系统的一部分。
图1d示出了另一替代的个人音频设备50，该个人音频设备50包括入耳式(in-ear)头戴式受话器(或耳机)、插入式头戴式受话器或耳塞。此头戴式受话器被配置为部分地或全部地插入耳道12b内，且可以在耳道12b与外部环境之间提供相对紧密的密封(即，它可以在声学上封闭或密封)。与上面所描述的其他设备一样，该头戴式受话器可以包括一个或多个扬声器52和一个或多个麦克风54，且这些部件可以形成主动噪声消除系统的一部分。
由于入耳式头戴式受话器可以在耳道12b周围提供相对紧密的声学密封，所以麦克风54所检测到的外部噪声(即，来自外部的环境的外部噪声)可能很低。
图1e示出了另一替代的个人音频设备60，该个人音频设备60是移动电话或蜂窝电话或听筒(handset)。听筒60包括一个或多个用于向用户回放音频的扬声器62，以及一个或多个类似地定位的麦克风64。
在使用时，靠近用户的耳朵握持听筒60，以提供音频回放(例如，在通话期间)。虽然在听筒60和用户的耳朵之间并未实现紧密的声学密封，但是通常将听筒60握持得足够靠近，以使得经由一个或多个扬声器62施加至耳朵的声学刺激生成来自耳朵的响应，该响应可以通过一个或多个麦克风64来检测。与其他设备一样，一个或多个扬声器62和一个或多个麦克风64可以形成主动噪声消除系统的一部分。
因此，上面所描述的所有个人音频设备在使用时向基本上单个用户提供音频回放。每一设备包括一个或多个扬声器以及一个或多个麦克风，所述一个或多个扬声器以及所述一个或多个麦克风可以被用于生成与用户的耳朵有关的生物测定数据。扬声器可操作以生成朝向用户的耳朵的声学刺激或声学探测波，且麦克风可操作以检测和测量用户的耳朵对声学刺激的响应，例如，测量从耳道或耳壳所反射的声波和/或获取其他耳朵生物测定数据。声学刺激可以是声速的(例如，在例如20Hz至20kHz的音频频率范围内)或超声速的(例如，大于20kHz或在20kHz至50kHz的范围内)或近超声速的(例如，在15kHz至25kHz的范围内)。在一些实施例中，麦克风信号可以被处理，以测量所接收的与所发送的信号频率具有相同频率的信号。
另一生物测定标记可以包括由耳蜗响应于声学刺激波形所发射的耳声噪声(otoacoustic noise)。耳声响应(otoacoustic response)可以包括输入波形中的频率的混合。例如，如果输入声学刺激包括频率为f1和f2的两个音调(tone)，则耳声发射可以包括频率为2*f1-f2的分量。所发射的波形的频率分量的相对功率已被示出是有用的生物测定指示符。因此，在一些实施例中，声学刺激可以包括两个或多个频率的音调，且可以测量由来自耳蜗的耳声发射所生成的整数倍频率的和或差的混合产物的幅度。替代地，可以通过使用包括快速瞬变(例如，滴答声(click))的刺激波形来刺激和测量耳声发射。
取决于个人音频设备的构造和用途，所测量的响应可以包括与耳廓12a、耳道12b或耳廓12a和耳道12b这二者的组合有关的用户特定分量，即生物测定数据。例如，图1a中所示出的包耳式头戴式受话器通常将获取与耳廓12a有关的且潜在地还与耳道12b有关的数据。图1d中所示出的插入式头戴式受话器通常将获取仅与耳道12b有关的数据。
上面所描述的个人音频设备中的一个或多个(或者更精确地说，这些设备中的麦克风)可操作，以检测来自用户的骨传导的语音信号。也就是，当用户说话时，声音通过空气从用户的口部投射出去。然而，声学振动还将通过用户的骨骼或颅骨的一部分(例如，颌骨)运送。这些声学振动可以通过用户的骨骼或颅骨的颌或一些其他部分被耦合至耳道12b，且由麦克风检测到。相比于较高频率的声音，较低频率的声音倾向于经历更强的耦合，且相比于清音话音(即，在声带未振动时所生成的话音或那些音素)，浊音话音(即，在声带振动时所生成的话音或那些音素)经由骨骼传导更强地耦合。由于围绕耳道12b的紧密声学耦合，入耳式头戴式受话器50会特别地适合于检测骨传导的话音。
另一耳朵生物测定特征涉及心音，该另一耳朵生物测定特征可以从由用户的耳朵所获取的音频信号中提取。也就是，心音图已被示出可用于在个体之间进行区分。例如，参见Beritelli和Serrano的“Biometric Identification Based on Frequency Analysisof Cardiac Sounds”，IEEE Transactions on Information Forensics and Security(第2卷，第3期，第596-604页，2007年)。可以用作生物测定的一个特定特征是R-R间期的可变性(即，连续的R波峰之间的时段，其中R是对应于心电图波的QRS复合波的波峰的点)。
图1a至图1e中所示出且上面所描述的所有设备可以被用于实施本公开内容的方面。
图2示出了根据本公开内容的实施方案的布置200。布置200包括个人音频设备202、生物测定认证系统204和主机电子设备206。
个人音频设备202可以是适合于或可配置为向基本上单个用户提供音频回放的任何设备。个人音频设备202通常包括一个或多个扬声器以及一个或多个麦克风，一个或多个麦克风在使用时被定位为邻近用户的耳朵或被定位在用户的耳朵内。个人音频设备可以是可穿戴的，且包括用于用户的每只耳朵的头戴式受话器。替代地，个人音频设备可操作以由用户携带，且在使用期间邻近用户的一个或多个耳朵握持。个人音频设备可以包括头戴式受话器或移动电话听筒，如上面关于图1a至图1e中的任何一个所描述的。
主机电子设备206可以包括任何合适的音频回放设备，所述音频回放设备可配置为生成待经由个人音频设备202向用户播放的音频回放信号。应理解，在例如个人音频设备202包括蜂窝电话或类似设备的情况下，主机设备206和个人音频设备202可以是相同的。
生物测定系统204被耦合至个人音频设备202和主机电子设备206这二者。在一些实施方案中，生物测定系统204被设置在个人音频设备202本身中。在其他实施方案中，生物测定系统204被设置在主机电子设备206中。在另一些实施方案中，生物测定设备204的操作被分布在个人音频设备202和主机电子设备206之间。
生物测定系统204被耦合至个人音频设备202，且可操作以控制个人音频设备202，从而获取指示使用个人音频设备202的个体的生物测定数据。
因此，个人音频设备202可以生成用于施加至用户的耳朵的声学刺激，且检测或测量耳朵对声学刺激的响应，从而获取耳朵生物测定数据。例如，声学刺激可以在声速范围内，或在超声速范围内。在一些实施方案中，声学刺激可以在相关频率范围上具有平坦的频谱，或者可以以突出便于在个体之间进行良好辨别的那些频率(即，具有比其他频率更高的幅度)的方式进行预处理。所测量的响应对应于一个或多个麦克风处所接收到的经反射的信号，由于用户的耳朵的特定响应，某些频率以比其他频率更高的幅度反射。耳朵生物测定数据的其他形式(诸如，心率变异性和骨传导的语音信号)可能仅需要检测音频信号，而无需先前的声学刺激。
生物测定系统204可以将合适的控制信号发送至个人音频设备202，从而启动生物测定数据的获取，且从个人音频设备202接收与所测量的响应相应的数据。生物测定系统204可操作，以从所测量的响应提取一个或多个特征，且利用那些特征作为生物测定过程的一部分。
合适的生物测定过程的一些实施例包括生物测定注册和生物测定认证。注册包括获取和存储作为个体的特性的生物测定数据。在本文中，这种所存储的数据可以被称为“耳纹(ear print)”。认证(替代地被称为验证或标识)包括获取来自个体的生物测定数据，且将该数据与所存储的一个或多个已注册用户或已授权用户的耳纹进行比较。肯定的比较(即，确定所获取的数据与所存储的耳纹匹配或充分靠近)导致个体被认证。例如，该个体可能被允许执行受限动作，或者被准予访问受限区域或受限设备。否定比较(即，确定所获取的数据与所存储的耳纹不匹配或未充分靠近)导致个体不被认证。例如，该个体可能不被允许执行受限动作，或者不被准予访问受限区域或受限设备。
因此，生物测定系统204可以向主机电子设备206提供认证结果，如果生物测定结果是肯定的且将用户标识为已授权用户，则该主机电子设备206被配置为允许或执行一个或多个受限动作。
然而，根据本公开内容的实施方案，认证系统204进一步被利用，以执行耳上检测功能，即，以检测在个人音频设备的附近是否存在耳朵。可以以多种方式使用对耳朵接近于个人音频设备的肯定指示。例如，该指示可以被提供至个人音频设备且被用于更改个人音频设备的操作状态。操作状态可以从相对低功率状态(例如，睡眠状态或未供电状态)改变为相对高功率状态(例如，激活个人音频设备202与主机设备206之间的数字连接，激活个人音频设备中的音频回放等)。该指示可以被提供至主机电子设备206，用于基本上相同的目的(例如，更改主机电子设备206的操作状态，或提示主机电子设备更改个人音频设备202的操作状态)或者用于不同的目的(例如，锁定触摸屏以防止输入等)。
认证系统204可以执行生物测定认证算法，从而检测在个人音频设备202的附近是否存在耳朵。下面将更全面地解释此概念。
图3是示出生物测定认证得分的分布的示意图。
如上面所描述的，生物测定认证通常涉及将生物测定输入信号(特别地，从该输入信号所提取的一个或多个特征)与所存储的用于已授权用户的模板进行比较。如上面所描述的，通常在“注册”过程期间获取所存储的模板。一些生物测定认证过程还可能涉及将生物测定输入信号(或者，从该生物测定输入信号所提取的特征)与描述整个群体而非特定的已授权用户的生物测定的“通用模型”进行比较。比较技术的一些合适的实施例包括概率线性判别分析(PLDA)和余弦相似度的计算。
生物测定认证过程的输出是得分，指示生物测定输入信号是已授权用户的信号的可能性。例如，相对高的得分可以指示生物测定输入信号匹配已授权用户的相对高的可能性；相对低的得分可以指示生物测定输入信号匹配已授权用户的相对低的可能性。生物测定处理器可以通过将生物测定得分与一个阈值进行比较来做出是否将一个特定用户认证为已授权用户的判定。例如，如果生物测定得分超过该阈值，则用户可能被认证；如果生物测定得分低于该阈值，则用户可能不被认证。阈值的值可以是恒定的，或者可以是变化的(例如，根据所需的安全度水平)。
发明人已经认识到，除了仅做出生物测定输入信号是否对应于已授权用户之外，生物测定得分的分布可以被用于做出进一步的区分；生物测定得分可以被用于确定究竟是否存在耳朵。此外，由于指示任何耳朵的输入信号的生物测定特征与指示无耳朵的输入信号的生物测定特征实质不同，所以可以在不消耗显著功率的情况下快速得到关于耳朵相对于个人音频设备202的接近度的判定。
因此，生物测定得分的分布可以落入三个类别300、302、304。类别304中的相对高的生物测定得分可以指示源自已授权用户的生物测定输入信号(即，匹配)。相对低的生物测定得分302可以指示源自未授权用户的生物测定输入信号(即，不匹配)。最低的生物测定得分300可以指示根本不对应于耳朵的生物测定输入信号。
第一阈值和第二阈值可以被设置，从而在这三个类别之间进行区分。例如，第一阈值T1可以被设置成一个值，该值在指示无耳朵的生物测定得分300与指示任何耳朵(不管该耳朵是否属于已授权用户)的得分302、304之间进行辨别。第二阈值T2可以被设置成一个值，该值在指示未授权的耳朵的生物测定得分302与指示已授权的耳朵的得分304之间进行辨别。
可以使用机器学习算法(诸如，神经网络)来设置这些阈值的值。这样的机器学习算法可以经历训练阶段，在训练阶段中，训练数据被输入至算法。训练数据可以包括生物测定得分加上那些得分的相应类别，该相应类别如属于上面所标识的三种类别中的一种(例如，如由人类输入所确定的)。一种实现此的方法是，机器学习算法尝试将训练的生物测定得分归类到所述类别中的一种，然后根据所述类别是否正确而向其提供反馈(反馈可能是肯定的或否定的)。然后，此反馈可被用于调整所施加的阈值。一旦阈值被正确地训练，就可以将它们付诸实践。
上面已经讨论了多种不同的耳朵生物测定特征，包括耳朵共振和反共振、耳声发射、骨传导的语音信号和心率变异性。可以基于这些特征中的任何一个或多个来生成生物测定得分以及相应的类别或者阈值。
在后一种情况下，当多于一个的耳朵生物测定特征被用于对音频信号进行归类时，可以利用不同的技术，从而将不同的生物测定融合至单个过程中。本公开内容的实施方案不限于任何特定的融合技术。
在得分水平融合中，分立的生物测定算法被施加至每一耳朵生物测定，从而生成多个分立的生物测定得分。然后，这些得分被合并。一种实现此的方法是生成单个标量得分，该单个标量得分随后与一个标量阈值进行比较(例如，如图3中所示出的)。例如，可以计算生物测定测量与已注册的生物测定模板或预定的生物测定模板之间的余弦相似度。另一种方法可以取多个生物测定得分的矢量，且该阈值然后包括一个超平面，该超平面在多维空间中在不同类别之间进行辨别。
与之相对比，判定水平融合合并了来自每一生物测定的多个分立的判定(即，基于每一生物测定的分立的生物测定得分以及分立的阈值)。可以确定用于组合多个判定的不同规则，从而得出关于输入生物测定信号的类别的单个总体判定。
图4示出了根据本公开内容的实施方案的系统400。
系统400包括处理电路422，该处理电路422可以包括一个或多个处理器，诸如中央处理单元或应用处理器(AP)或者数字信号处理器(DSP)。一个或多个处理器可以基于存储器424中所存储的数据和程序指令来执行如本文中所描述的方法。存储器424可以被设置成单个部件或者多个部件，或者被设置成与处理电路422中的至少一些共同集成。具体地，本文中所描述的方法可以通过执行以非暂时性形式存储在存储器424中的指令而在处理电路422中执行，其中程序指令在系统400或个人音频设备202的制造期间被存储或在使用系统或设备时通过上载来存储。
处理电路422包括刺激生成器模块403，该刺激生成器模块403直接地或间接地被耦合至放大器404，该放大器404转而被耦合至扬声器406。
刺激生成器模块403生成电激励信号且将该电激励信号提供至放大器404，该放大器404放大该电激励信号且将经放大的信号提供至扬声器406。扬声器406生成相应的声学信号，该声学信号被输出至用户的一只或多只耳朵。声学信号例如可以是声速的或超声速的。声学信号可以具有平坦的频谱，或者以突出便于在个体之间进行良好辨别的那些频率(即，具有比其他频率更高的幅度)的方式进行预处理。
如上所述，声学信号可以被输出至用户的耳朵的全部或一部分(即，耳廓12a或耳道12b)。声学信号从耳朵反射出来，且经反射的信号(或回声信号)被麦克风408检测到且被接收。因此，经反射的信号包含作为个体的耳朵的特性且适合于用作生物测定的数据。
经反射的数据信号从麦克风408被传送至模数转换器(ADC)410，在模数转换器(ADC)410处，经反射的数据信号从模拟域转换至数字域。当然，在替代实施方案中，麦克风可以是数字麦克风且产生数字数据信号(因此不需要转换至数字域)。
该信号在时域中被麦克风408检测到。然而，出于生物测定过程目的所提取的特征可能在频域中(因为用户的耳朵的频率响应作为特性)。因此，系统400包括傅立叶变换模块412，该傅立叶变换模块412将经反射的信号转换至频域。例如，傅立叶变换模块412可以实施快速傅立叶变换(FFT)。
然后，经变换的信号被传送至特征提取模块414，该特征提取模块414提取经变换的信号的一个或多个特征，以用于生物测定过程(例如，生物测定注册、生物测定认证等)。例如，特征提取模块414可以提取用户的耳朵的共振频率。例如，特征提取模块414可以提取一个或多个梅尔频率倒谱系数。替代地，特征提取模块可以确定用户的耳朵在一个或多个预定频率处或在一个或多个频率范围内的频率响应。所提取的特征可以对应于用于耳朵的模型的数据。
所提取的特征被传送至生物测定模块416，该生物测定模块416对它们执行生物测定过程。例如，生物测定模块416可以执行生物测定注册，在生物测定注册中，所提取的特征(或者由所提取的特征导出的参数)被存储为生物测定数据418的一部分，作为个体的特性。生物测定数据418可以被存储在该系统内或远离该系统存储(且可以由生物测定模块416安全地可访问)。这种所存储的数据418可以被称为“耳纹”。在另一实施例中，生物测定模块416可以执行生物测定认证，且将一个或多个所提取的特征与所存储的耳纹418(或多个所存储的耳纹)中的用于已授权用户的相应特征进行比较。
在一些实施方案中，刺激波形可以是预定频率和幅度的音调。在其他实施方案中，刺激生成器可以是可配置的，以将音乐施加至扬声器，例如，正常回放操作，且特征提取模块可以是可配置的，以从刺激波形所包含的任何信号分量中提取响应函数或传递函数。
因此，在一些实施方案中，特征提取模块414可以被设计为具有对刺激的性质的预知(例如，知晓所施加的刺激信号的频谱)，从而可以适当地对响应函数或传递函数进行归一化。在其他实施方案中，特征提取模块414可以包括第二输入，以监视刺激(例如，回放音乐)，从而向特征提取模块提供关于刺激信号或者刺激信号的频谱的信息，使得特征提取模块414可以从刺激波形计算从刺激至所接收到的声波波形的传递函数，从所接收到的声波波形可以导出期望的特征参数。在后一种情况下，刺激信号还可以经由FFT模块412被传送至特征提取模块414。
如上所述，麦克风408可以是可操作的，以检测骨传导的语音信号。在这种情况下，由生物测定模块416所执行的生物测定算法可以包括检查骨传导的语音信号(即，在麦克风408中所检测到的)以及空气传导的语音信号(即，在语音麦克风中所检测到的)是否与一个可接受度匹配，即对应。这将提供对该个人音频设备(即，包括麦克风408的个人音频设备)由正在对语音麦克风讲话的同一用户佩戴的指示。
因此，生物测定模块416生成生物测定结果428(该生物测定结果428可以是耳纹的成功生成或不成功生成，以及成功认证或不成功认证)，且将结果输出至控制模块402。
从上面的讨论将明显的是，根据本公开内容的实施方案的生物测定模块416还执行耳上检测功能。因此，根据本公开内容的实施方案，生物测定模块416进一步生成输出426，该输出426指示在扬声器406的附近是否存在耳朵(任何耳朵)。耳上输出426还可以被提供至控制模块402。
图5是示出根据本公开内容的实施方案的获取和使用音频信号500以用于耳上检测和耳朵生物测定认证的目的的示意图。
由于耳朵生物测定特征的幅度相对低，所以由本文中所描述的个人音频设备所获取的音频信号可能固有地具有低的信噪比。为了在已授权用户的耳朵和未授权用户的耳朵之间进行可靠地区分，生物测定算法可能需要相对大量的数据。这是因为耳朵生物测定特征具有相对低的幅度，而且因为耳朵生物测定在不同个体之间仅略微地变化。因此，为了具有特定生物测定输入信号源自已授权用户的必要置信度，可能需要相对大量的数据(例如，在相对长的时间中取平均值)。
与之相对比，指示存在任何耳朵的生物测定输入信号与指示不存在任何耳朵的生物测定输入信号之间的差异更显著。例如，在不存在任何耳朵的情况下所获取的音频信号可能没有心跳，没有共振频率或反共振频率，没有耳声发射等。因此，根据本公开内容的实施方案的系统和方法可能能够基于相对少的数据而在是否存在耳朵之间进行可靠地辨别。换句话说，可以快速地执行根据本公开内容的实施方案的耳上检测且消耗相对少的功率。在实际的系统中，设想的是，可以基于5至10个数据帧可靠地做出关于是否存在任何耳朵的判定，而可以基于近似100个数据帧可靠地做出关于特定耳朵(例如，已授权用户的耳朵)的存在的判定。在具有100Hz的采样率的系统中，此将等于大约1秒的数据。因此，可能需要用于确定特定耳朵的存在通常所需要的计算的近似5％-10％来确定任何耳朵的存在。
此概念被例示在图5中，其中输入音频信号500包括一连串数据帧502-n(其中n是整数)。每一数据帧可以包括一个或多个数据样本。
例示了三种不同的情境。在每一情况下，基于音频信号来执行生物测定算法，包括将从音频信号500所提取的生物测定特征与用于已授权用户的模板或耳纹进行比较，以及生成指示存在已授权用户的耳朵的可能性的生物测定得分。生物测定得分可以基于音频信号500中的累积数据，因此可以随时间朝向“真”值演变和收敛。生物测定算法可以包括一种或多种不同类型的耳朵生物测定特征，在生物测定算法包括多种不同类型的耳朵生物测定特征的情况下，融合耳朵生物测定得分或判定，如上面所描述的。
在所例示的实施方案中，生物测定模块首先确定音频信号500是否包括指示任何耳朵的存在的耳朵生物测定特征。该确定可以基于相对少的数据。在所例示的实施例中，生物测定模块416基于单个数据帧做出该确定；然而，任何数目的数据帧可被用于做出该确定。该确定可以包括将当前生物测定得分与一个阈值T1进行比较。
在情境1中，生物测定模块416确定不存在耳朵，从而生物测定算法结束，在数据帧502-1之后无需进一步的计算。特别地，生物测定模块416不继续确定音频信号500是否包括与已授权用户的耳朵生物测定特征相应的耳朵生物测定特征。当然，未来，可以例如周期性地或响应于检测到某一事件来重复该算法。
在情境2中，生物测定模块416在数据帧502-1之后确定存在一只耳朵，且响应于该确定而继续执行“完整的”生物测定算法，从而确定该耳朵是否属于已授权用户。此过程可能需要相对更多的数据，从而在所例示的实施方案中，仅能在数据帧502-5之后可靠地做出认证判定。在情境2中，此确定是否定的(即，用户是未被授权的)。情境3基本上对应于情境2，但是认证设备是肯定的(即，用户是被授权的)。在任一种情况下，相比于做出耳上检测判定所依据的数据，做出认证判定所依据的数据可以包括更多的数据帧。例如，可以在所有数据帧上对数据取平均值。该确定可以包括将当前生物测定得分与一个阈值T2进行比较。
图6是根据本公开内容的实施方案的方法的流程图。该方法例如可以通过上面所描述的系统300来执行。
在步骤600中，系统获得音频信号。音频信号可以通过个人音频设备中的麦克风408来获取，如上面所描述的。音频信号可以结合生成声学刺激(例如，从而检测共振频率/反共振频率、耳声发射等)或不结合生成声学刺激(例如，当检测骨传导的语音、心率变异性等时)来获得。
在步骤602，从音频信号提取一个或多个耳朵生物测定特征。此步骤例如可以由特征提取模块414执行。在对音频信号施加傅立叶变换之后，可以提取频域中的特征。耳朵生物测定特征可以包括以下中的一个或多个：一个或多个共振频率；一个或多个反共振频率；耳声发射；心率变异性；以及，骨传导的语音信号。
在步骤604中，基于音频信号来执行生物测定算法，包括将在步骤602中所提取的生物测定特征与用于已授权用户的模板或耳纹进行比较，以及生成指示存在已授权用户的耳朵的可能性的生物测定得分。在采用多于一种类型的耳朵生物测定特征的情况下，可以使用生物测定融合技术来融合耳朵生物测定得分或判定，如上面所描述的。
在步骤606中，将在步骤604中所生成的生物测定得分与一个阈值T1进行比较，该阈值T1在指示没有耳朵的得分与指示任何耳朵的得分之间进行辨别。如果比较是否定的，则该方法行进至步骤608，该方法在步骤608中结束。替代地，可以生成否定的耳上输出信号，指示在个人音频设备附近不存在任何耳朵。
如果步骤606中的比较是肯定的(即，存在耳朵)，则生成肯定的耳上输出信号。该系统可以以许多不同的方式对这样的输出信号进行响应，因此在一些实施方案中，该方法可以在此时结束。也就是，生物测定模块416检测个人音频设备应用至用户的耳朵，且个人音频设备或主机电子设备以其通常的方式对这种检测进行响应。在所例示的实施方案中，该方法行进至步骤610，在步骤610中，将个人音频设备和/或主机电子设备从低功率状态(例如，睡眠状态或关闭状态)“唤醒”。然而，在其他实施方案中，个人音频设备可以例如通过锁定触摸屏以防止进一步输入、通过取消暂停音频回放或以任何其他方式来做出反应。
因此，本公开内容的实施方案提供了这样的方法、装置和系统，在所述方法、装置和系统中，生物测定处理器或模块被用于执行耳上检测功能。
在本公开内容的其他实施方案中，该方法继续响应于在步骤606中对耳朵的接近度的检测来执行对用户的生物测定认证。如上所述，相比于耳朵接近度检测，生物测定认证可能需要更多的数据，从而在步骤612中获得更多的音频信号数据。例如，可以获取音频信号的一个或多个附加数据帧。
在步骤614中，从音频信号数据(即，在步骤600和/或步骤612中所获取的音频信号数据)提取一个或多个耳朵生物测定特征，且在步骤616中生成生物测定得分，该生物测定得分指示所提取的特征匹配所存储的用于已授权用户的模板或耳纹的特征的可能性。步骤614和步骤616可以基本上对应于上面所描述的步骤602和步骤604。步骤616中被用于生成生物测定得分的特征可以包括步骤602中所提取的特征以及步骤614中所提取的特征。
在步骤618中，将得分与一个阈值T2进行比较，该阈值T2在整个群体的耳朵与已授权用户的耳朵进行辨别。阈值T2不同于在步骤606中所施加的阈值T1，且在生物测定得分被配置为随着输入与所存储的模板之间匹配的可能性增大而增大的实施方案中，阈值T2高于阈值T1。
如果步骤618中的比较的结果是肯定的，则该方法行进至步骤620，在步骤620中，该用户被认证为已授权用户；如果步骤618中的比较结果是否定的，则该方法行进至步骤622，在步骤622中，该用户未被认证为已授权用户。再次，系统可以以任何方式对用户的肯定认证/否定认证做出响应。例如，可以执行受限动作或者可以阻止执行受限动作；可以应用或不应用特定于已授权用户的设置。存在许多不同的可能性，且本公开内容不限于该方面。
因此，本公开内容提供了用于使用生物测定处理器或模块来执行耳上检测的方法、装置和系统。通过以这种方式重新使用生物测定处理器，可以将耳上检测原本需要的专用电路完全从个人音频设备或主机电子设备中省去。
本公开内容的实施方案可以被实施在电子的、便携式的和/或电池供电的主机设备(诸如，智能电话、音频播放器、移动电话或蜂窝电话、听筒)中。实施方案可以被实施在设置于这样的主机设备内的一个或多个集成电路上。实施方案可以被实施在可配置为向单个人提供音频回放的个人音频设备(诸如，智能手机、移动电话或蜂窝电话、头戴式受话器、耳机等)中。参见图1a至图1e。再次，实施方案可以被实施在设置于这样的个人音频设备内的一个或多个集成电路上。在另外的替代方案中，实施方案可以被实施在主机设备和个人音频设备的组合中。例如，实施方案可以被实施在设置于个人音频设备内的一个或多个集成电路以及设置于主机设备内的一个或多个集成电路中。
应理解，尤其是受益于此公开内容的本领域普通技术人员应理解，本文中特别是结合附图所描述的多种操作可以由其他电路或其他硬件部件来实施。可以改变执行给定方法的每一操作的次序，且在本文中所例示的系统的多个元素可以被添加、重新排序、组合、省略、修改等。意图是，本公开内容涵盖所有这样的修改和改变，且因此上面的描述应当被认为是例示意义而非限制意义。
类似地，尽管此公开内容参考特定的实施方案，但是在不偏离此公开内容的范围和覆盖范围的情况下，可以对那些实施方案进行某些修改和改变。此外，本文中针对特定实施方案所描述的任何益处、优点或对问题的解决方案均不旨在被解释为关键、必需或必要的特征或元素。
同样地，受益于此公开内容，其他实施方案和实施方式对于本领域普通技术人员而言将是明显的，且这样的实施方案应被视为涵盖在本文中。此外，本领域普通技术人员将认识到，可以代替所讨论的实施方案或与所讨论的实施方案相结合来应用多种等同技术，且所有这些等同技术应被视为被本公开内容所涵盖。
本领域普通技术人员将认识到，上文所描述的装置和方法的一些方面(例如，发现方法和配置方法)可以具体化为例如位于非易失性载体介质(诸如，磁盘、CD-ROM或DVD-ROM、程序化存储器诸如只读存储器(固件))上或位于数据载体(诸如，光学信号载体或电信号载体)上的处理器控制代码。对于许多应用，本发明的实施方案将被实施在DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)上。因此，代码可以包括常规程序代码或微代码或例如用于设立或控制ASIC或FPGA的代码。代码还可以包括用于动态地配置可重新配置的装置(诸如，可重新编程逻辑门阵列)的代码。类似地，代码可以包括用于硬件描述语言(诸如，VerilogTM或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言))的代码。如本领域普通技术人员将理解，代码可以被分布在彼此通信的多个经耦合的部件之间。在适当的情况下，还可以使用在现场可(重新)编程模拟阵列或类似的设备上运行以配置模拟硬件的代码来实施所述实施方案。
注意，如本文中所使用的，术语模块应被用于指代可以至少部分地由专用硬件部件(诸如，自定义电路)实施的功能单元或功能块，和/或至少部分地由一个或多个软件处理器或在合适的通用处理器等上运行的适当的代码实施的功能单元或功能块。模块本身可以包括其他模块或功能单元。模块可以由不需要被协同定位且可以被设置在不同的集成电路上和/或在不同的处理器上运行的多个部件或子模块来提供。
应注意，上文所提及的实施方案例示而非限制本发明，且在不偏离随附权利要求或实施方案的范围的情况下，本领域普通技术人员将能够设计许多替代实施方案。词语“包括”不排除除了在权利要求或实施方案中所列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，且单个特征或其他单元可以实现权利要求或实施方案中所记载的若干单元的功能。权利要求或实施方案中的任何参考数字或参考标注不应被解释为对所述权利要求或实施方案的范围的限制。

Claims (24)

1.一种用于检测耳朵在音频设备的附近的存在的系统，该系统包括：
输入，所述输入用于从所述音频设备的环境获得数据信号；以及
耳朵生物测定认证模块，被配置成：
将从所述数据信号所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与一个耳朵生物测定模板进行比较；以及
基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板的比较来生成第一输出，所述第一输出指示在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述耳朵生物测定认证模块被配置为：
基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板之间的比较来生成一个得分，所述得分指示所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板之间的距离；以及
其中所述第一输出是基于所述得分生成的。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述耳朵生物测定认证模块被配置为将所述得分与第一阈值进行比较，以生成所述第一输出。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述耳朵生物测定模板用于所述音频设备的已授权用户，且其中所述耳朵生物测定认证模块还被配置为基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板之间的比较来生成第二输出，所述第二输出指示在所述音频设备的附近是否存在所述已授权用户的耳朵。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述耳朵生物测定认证模块被配置为响应于确定任何耳朵位于所述音频设备的附近而生成所述第二输出。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其中所述耳朵生物测定认证模块被配置为：
基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板之间的比较来生成一个得分，所述得分指示所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与所述耳朵生物测定模板之间的距离；
将所述得分与第一阈值进行比较，以生成所述第一输出；以及
将所述得分与第二阈值进行比较，以生成所述第二输出，其中所述第二阈值不同于所述第一阈值。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述数据信号包括多个数据帧，每一数据帧包括多个数据样本。
8.根据权利要求7所述的系统，其中在多个数据帧上对所述一个或多个耳朵生物测定特征取平均值。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中所述第一输出基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征，所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征从第一数目的数据帧计算出，其中所述耳朵生物测定模板用于所述音频设备的已授权用户，其中所述耳朵生物测定认证模块还被配置为基于从第二数目的数据帧所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板的比较来生成第二输出，所述第二输出指示在所述音频设备的附近存在所述已授权用户的耳朵，所述第二数目大于所述第一数目。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述一个或多个耳朵生物测定特征包括以下中的一个或多个：一个或多个共振频率；一个或多个反共振频率；耳声发射；心率变异性；骨传导的语音信号。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所提取的耳朵生物测定特征包括多个不同类型的耳朵生物测定特征，且其中所述耳朵生物测定认证模块能操作以应用生物测定融合技术，从而生成所述第一输出。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述数据信号是音频信号。
13.一种电子设备，包括：
如前述权利要求中的任一项所述的系统。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述电子设备是音频设备。
15.根据权利要求13或14所述的电子设备，其中所述电子设备是被耦合至所述音频设备的主机设备。
16.一种检测耳朵在音频设备的附近的存在的方法，该方法包括：
从所述音频设备的环境获得数据信号；
从所述数据信号提取一个或多个耳朵生物测定特征；
将所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述音频设备的已授权用户的耳朵生物测定模板进行比较；以及
基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板的比较来生成第一输出，所述第一输出指示在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板之间的比较来生成一个得分，所述得分指示所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板之间的距离；以及
其中所述第一输出是基于所述得分生成的。
18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述得分与第一阈值进行比较，以生成所述第一输出。
19.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，还包括基于所提取的所述一个或多个耳朵生物测定特征与用于所述已授权用户的耳朵生物测定模板的比较来生成第二输出，所述第二输出指示在所述音频设备的附近存在所述已授权用户的耳朵。
20.根据权利要求19所述的方法，其中响应于确定任何耳朵位于所述音频设备的附近而生成所述第二输出。
21.一种用于检测耳朵在音频设备的附近的存在的系统，所述系统包括：
输入，所述输入用于从所述音频设备的环境获得数据信号；以及
耳朵生物测定认证模块，被配置成:
从所述数据信号的第一数目的数据帧提取一个或多个第一耳朵生物测定特征；
计算第一得分，所述第一得分指示所提取的一个或多个耳朵生物测定特征与已授权用户的耳朵生物测定模板之间的距离；
将所述第一得分与第一阈值进行比较，以确定在所述音频设备的附近是否存在任何耳朵；
响应于确定在所述音频设备的附近存在任何耳朵，从所述数据信号的第二数目的数据帧提取一个或多个第二耳朵生物测定特征，数据帧的所述第二数目大于数据帧的所述第一数目；
计算第二得分，所述第二得分指示所提取的一个或多个第二耳朵生物测定特征与所述已授权用户的耳朵生物测定模板之间的距离；以及
将所述第二得分与第二阈值进行比较，以确定在所述音频设备的附近是否存在所述已授权用户的耳朵，所述第二阈值不同于所述第一阈值。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述第二数目的数据帧包括所述第一数目的数据帧以及一个或多个附加数据帧。
23.根据权利要求22所述的系统，其中在确定所述音频设备的附近存在任何耳朵之后，获得所述一个或多个附加数据帧。
24.根据权利要求21至23中的任一项所述的系统，其中所提取的所述一个或多个第二耳朵生物测定特征包括所提取的所述一个或多个第一耳朵生物测定特征。
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