[发明专利]用于声学外耳表征的方法和设备

说明书

本发明涉及表征外耳的声学特性的方法，该方法包括步骤：向外耳发送第一声信号，从外耳接收第二声信号，并根据第二声信号来表征外耳的声学特性。本发明还涉及用于表征外耳的声学特性的设备和系统，所述设备和系统每个都包括：发射装置，设置成向外耳发送第一声信号；接收装置，设置成从外耳接收第二声信号；表征装置，设置成根据第二声信号来表征外耳的声学特性。 

在安全应用以及日常生活中，验证和识别人极为重要。许多人每天都要使用信用卡、ID卡、护照和徽章，但是这些物件经常会被盗和滥用。结果，就强烈驱使人们开发可靠的生物特征(biometrics)，所述生物特征可以以优选是非侵入且方便的方式获得。然而，比如指纹之类的某些生物特征有这样的缺点，即它们是人们无意识留下来的，结果，恶意方比如用胶粘的指头来成功地伪造指纹。 

寻求新的生物特征的动力导致将外耳的声学特性用来作为生物特征。美国专利5,787,187公开了一种系统，该系统用于通过将耳道的声学特性表征成生物特征来核实/辨认个体的身份。为此，源信号被发射入耳道，该源信号包括例如宽带噪音或者频率音调。然而，其外耳的声学特性被表征的个体感觉到这样的源信号是打扰的和/或令人不愉快的。 

根据本发明的第一方面，其目的在于提供一种声学外耳表征的方法，该方法能够使被表征的个体感到较少的打扰。 

该目的在开始段落提出的方法中实现，所述方法其特征还在于第一声信号包括下列元素中的至少一个：音乐和语音。 

使用音乐或者语音来表征外耳的优势在于，被表征的人会发现该表征过程会比面对(白)噪声或者音调序列时的打扰要小。本方法还有这样的优势，即可以在对话期间执行，或者在个人听消息和/或音乐时执行。该方法不引人注意，以至于可以在当事人没有意识到的情形下进行表征。 

当向人类外耳发送包括音乐和/或语音的第一声信号时，部分信号会被耳廓(外耳的可见部分)、耳道和耳膜反射。通过用麦克风来获取第二 声信号，该信号包括部分反射信号，而反射信号进而包括与外耳结构相关的信息。第二声信号被用来表征外耳的声学特性。 

在第一实施例中，在第二声信号中出现的谱分量的幅度被建立以表征声学特性。在一个替换实施例中，为了表征声学特性，根据信源表示和接收到的第二声信号两者的频域表示来建立传递函数。 

音乐和/或语音的使用允许使用低成本的消费电子扬声器和麦克风来进行表征。 

根据本发明的第二方面，表征外耳的声学特性的方法能够通过向在表征处理过程中使用的音乐和/或语音添加噪声来进一步加强。所添加的噪声可以包括白噪声或有色噪声。虽然音乐和/或语音允许表征，但是音乐和/或语音不能包括在声谱中的所有相关的频谱分量。 

可以通过添加至少包括相关的缺失的频谱分量的噪声来改进可靠性。此外，通过使用比音乐和/或语音的幅度相对较的低幅度的噪声信号，可以保持音乐和/或语音的较低的打扰特性。 

根据本发明的第三方面，表征外耳的声学特性的方法能够通过使用添加噪声的特别讲究的方法来进一步增强。人类听觉系统是特别敏感的系统，假设环境是安静的，它能够拾取微小的噪声量。然而，在音乐和/或语音存在的情况下，人类听觉系统的辨别能力被损害。 

通过利用被称为频谱和时间掩盖的技术，有可能将噪声添加到音频信号而不被人们注意。尤其是在乔治亚理工学院1995年8月11日出版的、Chris A.Lanciani所著的“(Auditory Perception and the MPEG AudioStandard)听觉和MPEG音频标准”中，可以发现更多的涉及知觉编码的信息，这篇文献在此引用作为参考。 

人类听觉系统的心理声学模型巧妙地用于有损数字音频压缩技术中。这些技术尤其是利用了在频谱接近的、带有大得多的幅度的频率分量存在时，人耳难于区分小幅度频率分量这样的事实。结果，有可能对较小的分量使用粗量化，或者完全丢弃较小的分量以便减小音频表示的大小。 

在上述例子中，“压缩的”信号是失真的；量化误差和/或丢弃的频率分量能够被认为是添加到原始信号中的噪声。本发明建议根据人类听觉系统的心理声学模型来添加噪声，以便利用时间和/或频谱掩盖效应，并且不压缩得到的信号而是添加听不见的噪声，以便对信号的频谱进行整形，以改进对外耳的表征。 

根据本发明的所有这些方面的方法都能够在用于使用外耳声学特性 作为生物特征的用户的生物特征验证或识别的系统中使用。通常，在用于生物特征验证和识别的系统中能够区分两个阶段； 

--登记阶段，在其间获得参考数据，以及