CN112585676A - 生物特征认证 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于认证电子设备的用户的方法。所述方法包括：响应于检测到指示与所述电子设备的用户交互的触发事件，生成音频探测信号以通过所述电子设备的音频换能器播放；接收第一音频信号，所述第一音频信号包括所述用户耳朵对所述音频探测信号的响应；接收第二音频信号，所述第二音频信号包括所述用户的语音；以及向所述第一音频信号应用人耳生物特征算法以及向所述第二音频信号应用语音生物特征算法，以将所述用户认证为授权用户。

Description

生物特征认证
技术领域
本公开的实施例涉及生物特征认证，并且具体地涉及用于基于人耳生物特征数据来认证用户的方法、装置和计算机可读介质。
背景技术
众所周知，用户耳朵(无论是外部部分(称为耳翼或耳廓)、耳道还是这两者)的声性质在个体之间存在很大差异，且因此可用作识别用户的生物特征。位于耳朵附近或耳朵内的一个或多个扬声器或类似换能器生成刺激，并且类似地位于耳朵附近或耳朵内的一个或多个麦克风检测耳朵对刺激的响应。可从响应信号中提取一个或多个特征，并使用该一个或多个特征来表征个体。
例如，耳道是谐振***，因此可从响应信号中所提取的一个特征是耳道的谐振频率。如果所测量的谐振频率(即，响应信号中的谐振频率)与用户的所存储谐振频率不同，则被耦合来接收和分析响应信号的生物特征算法可返回负结果。可类似地提取响应信号的其他特征，并使用这些特征来表征个体。例如，这些特征可包含一个或多个梅尔频率倒谱系数。更一般地，可确定刺激和所测量的响应信号之间的传递函数(或传递函数的特征)，并将其与作为用户特性的所存储传递函数(或传递函数的所存储特征)进行比较。
用户耳朵的其他声性质包括耳声发射，无论是自发的(即，由耳朵在无外部刺激的情况下生成)还是诱发的(即，由人耳响应于诸如一个或多个纯音、猝发音等刺激信号生成)。此类耳声发射也可能在个体之间存在差异，因此可用来区分个体或识别特定个体。
生物特征算法面临的一个问题是需要在两个方面实现可接受的性能。首先，算法应提供可接受的安全性，以便不会将未授权用户错误地识别为授权用户。算法将接受未授权用户的访问尝试的可能性称为错误接受率(FAR)，如果算法要提供合理的安全性，则应保持低的错误接受率。其次，算法应可靠地工作，以便不会将授权用户作为未授权用户错误地拒绝。算法将拒绝授权用户的访问尝试的可能性称为错误拒绝率(FRR)，并且如果算法不会让寻求认证的授权用户感到沮丧，则应保持低的错误拒绝率。
问题是这两个性能要求相互冲突。通过放宽用户实现认证的要求，可实现低的FRR。然而，这也将导致FAR增加。相反，通过使用户实现认证的要求更加严格，可实现低的FAR。然而，这将导致FRR增加。
一种降低FAR和FRR两者的方法是提高生物特征算法本身的有效性。然而，将算法设计为实现高性能是困难的。此外，有效性可能取决于设计师无法控制的因素。例如，算法的有效性可取决于生物特征数据的质量(例如，噪声水平等)，或生物特征本身的有差别的性质。
一种已知的用于提高认证有效性的技术是将多个认证过程组合(或“融合”)在一起，无论是否是生物特征的。例如，除了提供语音输入(例如，用于进行语音生物特征认证)之外，用户可能还被要求输入安全密码或pin号码。可使用分值值级融合或结果级融合来组合认证过程。在前一种情况下，针对每个认证过程获得单独的分值，指示用户是授权用户的可能性。然后将那些分值组合并与阈值进行比较，以确定用户是否应被认证为授权用户。在后一种情况下，针对每个认证过程获得单独的结果(例如，通过将每个分值与对应的阈值进行单独的比较)，然后进行组合。例如，只有在各个认证结果都是肯定的时，才可认证用户。通过以这种方式融合多个认证过程，组合的认证过程的FAR值和FRR值可远低于与各个认证过程相关联的FAR值和FRR值。
然而，提供多个输入作为认证过程的一部分可能既耗时又不方便。用户通常希望认证既可靠又安全，同时占用尽可能少的时间。优选地，认证过程甚至应该对用户不可见，使得他们在甚至没有意识到认证过程已发生的情况下得到认证。
发明内容
本公开的实施例试图解决这些和其他问题。
例如，在一个方面，本公开提供了一种用于认证电子设备的用户的方法。该方法包括：响应于检测到指示与电子设备的用户交互的触发事件，生成音频探测信号以通过电子设备的音频换能器播放；接收第一音频信号，该第一音频信号包括用户耳朵对音频探测信号的响应；接收第二音频信号，该第二音频信号包括用户的语音；以及向第一音频信号应用人耳生物特征算法以及向第二音频信号应用语音生物特征算法，以将用户认证为授权用户。
在一个实施例中，触发事件包括用户所说的预定关键字或关键词。在此实施例中，该方法还可包括另外向预定关键字或关键词(其也可包括在第二音频信号内)应用语音生物特征算法来将用户认证为授权用户。
本公开的另一方面提供了一种用于认证电子设备的用户的认证设备。该认证设备包括：音频信号生成模块，该音频信号生成模块用于响应于检测到指示与电子设备的用户交互的触发事件而生成音频探测信号以通过电子设备的音频换能器播放；一个或多个输入端，该一个或多个输入端用于接收第一音频信号和第二音频信号，该第一音频信号包括用户耳朵对音频探测信号的响应，该第二音频信号包括用户的语音；以及生物特征认证模块，该生物特征认证模块用于对第一音频信号利用人耳生物特征算法以及对第二音频信号利用语音生物特征算法来将用户认证为授权用户。
在一个实施例中，触发事件包括用户所说的预定关键字或关键词。在此实施例中，生物特征认证模块进一步用于对预定关键字或关键词利用语音生物特征算法来将用户认证为授权用户。
本公开的另一个方面提供了一种电子设备，该电子设备包括如上所述的认证设备。该电子设备可以是便携式的和/或电池供电的，诸如智能电话、音频播放器、移动或蜂窝电话或手持机。
附图说明
为了更好地理解本公开的示例，并且为了更清楚地示出示例如何生效，现在将仅以示例方式参考以下附图，附图中：
图1a示出了根据一种配置的个人音频设备；
图1b示出了根据另一种配置的个人音频设备；
图2是根据本公开的实施例的方法的流程图；
图3是根据本公开的另外的实施例的方法的流程图；并且
图4是根据本公开的实施例的生物特征认证***的示意图。
具体实施方式
如上面所指出的，可通过生成声刺激(其可为可听见的，也可为不可听见的，例如超声波)以及检测耳朵对声刺激的声响应来获取人耳生物特征数据。可从响应信号中提取一个或多个特征，并使用该一个或多个特征来表征个体。耳朵的声响应可能与耳朵的声传递函数和/或来自耳朵的耳声发射有关。替代地或另外，耳声发射可以是自发的，并且可在不需要任何声刺激的情况下被检测到。
可使用个人音频设备来获取人耳生物特征数据。如本文所用，术语“个人音频设备”是适合于或可配置为基本上仅向单个用户提供音频回放的任何电子设备。在图1a和图1b中示出合适的个人音频设备的一些示例。
图1a示出了电子设备装置100在用户耳朵上的应用，其中装置100包括个人音频设备150(在所示的实施例中，入耳式耳机或听筒、***式耳机或耳塞)和主机设备160(在所示的实施例中，智能电话)。在此实施例中，下面讨论的功能可仅仅在个人音频设备150中提供、仅仅在主机设备160中提供或者在这两个设备之间分割(即，每个设备执行不同的方面)。图1b示出了个人音频设备170(在所示的实施例中，智能电话)在用户耳朵上的应用。因此，在该示例中，不存在单独的主机设备，并且以下讨论的功能在个人音频设备本身中执行。
图1a示出了用户耳朵的示意图，用户耳朵包括(外部)耳翼或耳廓112a和(内部)耳道112b。电子设备装置100包括个人音频设备150和主机设备160。
如上面所指出的，在所示的实施例中，个人音频设备150包括入耳式耳机(或听筒)、***式耳机或耳塞。该耳机被配置为部分或全部***耳道112b内，并且可在耳道112b与外部环境之间提供相对紧密的密封(即，其可在声学上封闭或密封)。替代的个人音频设备包括：罩耳式耳机(例如，那些包括外壳的耳机，外壳基本上围绕或包封耳廓)、贴耳式耳机(例如，那些不围绕或包封用户耳朵，而是位于耳廓112a上的耳机)、耳内式耳机或听筒(例如，那些位于用户耳甲腔内的耳机)以及智能电话或移动电话等(参见图1b)。
个人音频设备150包括一个或多个扬声器152和一个或多个麦克风154。一个或多个扬声器152位于耳机的内表面上，并且布置成生成朝向用户耳朵尤其是耳道112b的声信号(例如，可听见的或不可听见的信号，诸如超声波)。一个或多个麦克风154(以下称为“耳麦克风”)也位于耳机的内表面上，并且布置成检测由耳机限定的内部体积(在所示的实施例中，耳道112b)内的声信号。
耳机可能能够执行有源噪声消除，以减少耳机用户所遭受的噪声量。有源噪声消除通过检测噪声(即，利用麦克风)并生成幅度与噪声信号相同但相位相反的信号(即，利用扬声器)来进行操作。因此，所生成的信号对噪声造成破坏性干扰，且因此减轻了用户所遭受的噪声。有源噪声消除可基于反馈信号、前馈信号或两者的组合来进行。前馈有源噪声消除利用耳机外表面上的一个或多个麦克风，该一个或多个麦克风可操作为在环境噪声到达用户耳朵之前检测环境噪声。快速处理检测到的噪声，并且生成消除信号，以便在传入噪声到达用户耳朵时与传入噪声匹配。反馈有源噪声消除利用位于耳机内表面上的一个或多个误差麦克风，该一个或多个误差麦克风可操作为检测噪声和由一个或多个扬声器生成的音频回放信号的组合。该组合在反馈回路中与音频回放信号的知识一起用于调整扬声器生成的消除信号，且因此降低噪声。因此，图1a中所示的耳麦克风154可构成有源噪声消除***的一部分，例如，作为误差麦克风。
个人音频设备150可包括另一个麦克风156，该麦克风定位成使得在使用中，麦克风156靠近用户的嘴，因此主要检测用户的语音。麦克风156在本文可被称为语音麦克风。在所示的实施例中，语音麦克风156被设置在到主机设备160的有线连接内。在其他实施例中，语音麦克风156可例如作为头戴式耳机的一部分设置在手臂的末端。
个人音频设备150和主机设备160可以可操作地耦合在一起，使得可在它们之间传递信号和/或数据。例如，麦克风154、156检测到的信号可从个人音频设备150传递到主机设备160；要回放给用户的音频信号可从主机设备160传递到个人音频设备。在一些实施例中，生物特征认证结果可在个人音频设备150和主机设备160之间传递。
在所示的实施例中，个人音频设备150经由有线连接耦合到主机设备160。当然，本领域技术人员将理解，可在两个设备之间提供任何可操作的连接，诸如无线连接(例如，蓝牙(RTM))。
图1b示出了替代的个人音频设备170，其为移动或蜂窝电话或手持机。手持机170包括：一个或多个扬声器172，该一个或多个扬声器用于向用户回放音频；一个或多个耳麦克风174，该一个或多个耳麦克风类似地定位以检测用户耳朵附近的声信号；以及一个或多个语音麦克风176，该一个或多个语音麦克风用于检测用户的语音。
在使用中，手持机170保持靠近用户耳朵，以便提供音频回放(例如，在通话期间)。虽然在手持机170和用户耳朵之间没有实现紧密的声密封，但手持机170通常保持足够近，使得经由一个或多个扬声器172施加到耳朵的声刺激生成来自耳朵的响应，该响应可被一个或多个耳麦克风174检测到。与其他设备一样，一个或多个扬声器172和一个或多个麦克风174可构成有源噪声消除***的一部分。
图2是用于将用户认证为电子设备的授权用户的方法的流程图。该方法可利用例如以上关于图1a和图1b所讨论的任何个人音频设备，并且可由仅布置在个人音频设备内、仅布置在耦合到该个人音频设备的主机设备内或分布在主机设备和个人音频设备之间的认证设备执行。
在步骤200中，认证设备监测触发认证过程的事件(以下称为“触发事件”)。根据本公开的实施例，各种事件被认为是触发事件。
在一个实施例中，触发事件指示与认证设备的用户交互。替代地或另外，触发事件可指示用户使用语音与个人音频设备进行交互的愿望。例如，触发事件可与虚拟助手(例如，Siri、Cortana、Alexa(所有RTM)等)的激活相关联。
触发事件可包括个人音频设备上的物理或虚拟按钮的致动。个人音频设备通常具有此类按钮，以便将控制信号发送到个人音频设备和/或主机设备。基于按钮致动的类型(例如，短按或长按)或基于多个按钮致动的序列(例如，按顺序的一连串的两个或三个按钮按下)，可生成不同的控制信号。按钮可响应于用户交互而物理地移动(例如，物理按钮)，或者包括电容式或超声传感器(例如，虚拟按钮)。在另一示例中，个人音频设备可经由麦克风(诸如耳麦克风154、174和/或语音麦克风156、176)检测手指敲击或与设备的其他用户交互。由麦克风检测到的音频脉冲可被确定为指示用户的手指在麦克风上的敲击。以这种方式，麦克风本身起到按钮的作用。致动了按钮的触发事件(或其功能等效物)消耗少量功率。
在另一示例中，用户交互可以是口头交互。例如，用户可说出关键字，即诸如“你好，Siri”、“好的，Google”等的预定字或词(“触发词”)，由认证设备中的触发词检测模块检测该关键字。
在另一实施例中，触发事件包括入耳(或贴耳)检测事件。例如，触发事件可包括确定个人音频设备(即，扬声器和麦克风，其构成个人音频设备的一部分)被置于用户耳朵中或用户耳朵上。在另一示例中，触发事件可包括确定用户正主动戴着个人音频设备(例如，耳塞或头戴式耳机被置于用户耳朵上或用户耳朵中)。各种机制都适合于此目的。例如，个人音频设备中的麦克风可检测音频信号(例如，对由个人音频设备传输的另一音频信号的响应信号)并分析该音频信号以确定其是否具有小音量(即，耳道内和/或耳机外壳内的音量)的特征。替代地或另外，个人音频设备中的光学机制可检测光的存在，且因此得出个人音频设备未应用于用户头部的结论。替代地或另外，个人音频设备中的加速度计可检测与用户头部的运动不一致的移动。替代地或另外，个人音频设备中的加速度计可检测与置于用户耳朵上或用户耳朵中的个人音频设备的一部分(例如，耳塞或头戴式耳机)一致的移动。
在步骤202中，确定是否已检测到触发事件。如果没有检测到触发事件，则该方法返回到步骤200，并且认证设备继续监测触发事件。如果检测到触发事件，则启动认证过程，并且该方法前进至步骤204。
在步骤204中，认证设备生成音频探测信号，以便通过用户耳朵附近的个人音频设备的音频转换器播放。例如，可通过扬声器152、172回放音频探测信号。
音频探测信号可以是可听见的，也可以是不可听见的。在音频探测信号不可听见的实施例中，该信号可以是超声的(例如，大于20kHz或在20kHz至50kHz的范围内)。在音频探测信号可听见并且触发事件与用户经由语音与认证设备进行交互的愿望相关联的实施例中，音频探测信号可包括提示用户讲话的提示。该提示可以是显式的(例如，来自虚拟助手的语音)，也可以是隐式的(例如，与语音输入相关联的通知音)。
在其中音频探测信号可听见并且触发事件包括入耳(或贴耳)检测事件的实施例中，则可在向用户应用个人音频设备时(例如，在耳塞或头戴式耳机被置于耳朵中或耳朵上时)，在回放由个人音频设备发出的入耳(或贴耳)音频信号的同时或期间播音频探测信号。入耳(或贴耳)音频信号可能比音频探测信号大(例如，以掩盖来自用户的探测信号的声音)。
音频探测信号可包括引起用户耳朵的声响应的任何合适的信号。例如，音频探测信号可包括一个或多个频率的信号啁啾、白噪声、声调、音乐、语音等。在一个实施例中，音频探测信号可被选择或调制为包含各频率的功率，这些频率刺激用户耳朵的声响应的频率，它们在不同用户之间是有区别的。在不同用户之间可能是有区别的频率包括约1kHz至约3kHz之间、约5kHz至约7kHz之间以及约10kHz至约12kHz之间的频带。例如，虚拟助手的语音输出可被修改为包含各频率的功率，这些频率刺激那些有区别的频率的声响应。可选择特定的音乐样本，或者可改编用户选择的音乐，以包含适当频率的功率。
在步骤206中，认证设备接收第一音频信号，该第一音频信号包括用户耳朵对音频探测信号回放的响应。如上面所指出的，该响应可包括如通过与用户耳朵相关联的传递函数所修改的音频探测信号。替代地或另外，该响应可包括来自用户耳朵的耳声发射。第一音频信号可由用户耳朵附近的麦克风(诸如耳麦克风154、174)生成。
在步骤208中，认证设备进一步接收包括用户语音的第二音频信号。该语音可包括一个或多个命令或命令词，例如，将由个人音频设备和/或主机设备执行的指令。第二音频信号可由诸如麦克风156、176的语音麦克风生成。
在音频探测信号包括提示用户讲话的提示的实施例中，可响应于该提示而接收第二音频信号。
为了节省功率，认证设备可仅在有限的时间窗口中监测语音。该时间窗口可例如在音频探测信号结束时开始，并且持续预定的时间段。替代地，时间窗口可与音频探测信号的传输重叠。例如，如果探测信号是不可听见的，则用户将不会意识到它，因此可在音频探测信号之前或期间提供语音(例如，命令语音)。即使探测信号是可听见的，用户也可能不等待音频探测信号就讲话。因此，时间窗口可被限定为与音频探测信号的传输重叠(例如，在音频探测信号的传输之前或期间开始)，以增加获取所有语音的可能性。
替代地或另外，可基于在第一音频信号中检测到的语音来限定时间窗口。就这一点而言，应当指出的是，由于耳麦克风的位置靠近用户耳朵或位于用户耳朵内，因此在第一音频信号中检测到的语音很可能对应于来自用户而不是另一人的语音。也就是说，由耳麦克风检测到的来自用户的语音可能主要通过用户的颅骨和/或颌骨传导，并且幅度相对较高，而来自其他用户的语音则可能会被衰减(例如，由于围绕耳道112b的声耦合相对紧密)。
因此，可基于第一音频信号与第二音频信号基本上相关的那些时间来限定时间窗口。替代地或另外，可基于在第一音频信号中检测到语音输入的那些时间来限定时间窗口。
在步骤210中，认证设备对第一音频信号执行人耳生物特征算法以及对第二音频信号执行语音生物特征算法，以将用户认证为授权用户。
每种生物特征算法均可包括从音频信号中提取一个或多个特征，并将这些提取的特征与针对授权用户的所存储模板中的对应特征进行比较。例如，用户通常将经历称为注册的过程，在该过程中，在安全环境中获得生物特征数据(例如，一旦用户已经由替代机制进行认证，或被视为经认证)，并且从该生物特征数据中提取特征并将它们存储在针对该用户的模板中。用户可能被要求提供多个生物特征输入，以增加出于模板目的而提取的特征的可靠性。例如，可获取人耳生物特征数据的几个样本，或者用户可能被要求提供多个所说的输入作为语音生物特征数据。
在步骤210中，从第一音频信号和第二音频信号中提取相关特征，并将其与那些存储的模板中的特征进行比较。因此，从第一音频信号中提取一个或多个特征，并将其与针对授权用户的人耳生物特征模板的对应特征进行比较。类似地，从第二音频信号中提取一个或多个特征，并将其与针对授权用户的语音生物特征模板的对应特征进行比较。
可生成一个或多个生物特征分值，该一个或多个生物特征分值指示用户(即，提供生物特征输入的用户)是授权用户的可能性。例如，分值可基于所获得的特征与所存储的特征之间的数学距离(例如，余弦向量相似度或任何其他合适的比较算法)。然后，可将一个或多个生物特征分值与一个或多个阈值进行比较，以便确定用户是否应被认证为授权用户。
可将语音生物特征算法和人耳生物特征算法的输出组合或融合，以认证用户。各种生物特征融合方法在本领域中是已知的，并且本公开不限于该方面。例如，可针对人耳生物特征算法和语音生物特征算法生成单独的生物特征分值，并且将这些生物特征分值与单独的阈值进行比较，以便生成单独的生物特征结果。然后，可将这些结果融合以生成总体认证决策或结果(结果级融合)。例如，只有在人耳生物特征结果和语音生物特征结果均为肯定的时，才可将用户认证为授权用户。替代地，可将单独的生物特征分值组合以生成总分值，然后将该总分值与阈值进行比较(分值级融合)。
在其中触发事件包括用户说出的触发词(即，关键字或关键词)(例如，诸如“你好，Siri”、“好的，Google”等的预定词或字)的实施例中，可另外对从该触发词中所提取的特征执行语音生物特征算法，并且另外基于该语音生物特征算法得到总体认证决策或结果。
例如，可对预定词执行语音生物特征算法以获得第一语音生物特征分值，并且还可对命令语音(例如，来自第二音频信号)执行语音生物特征算法以获得第二语音生物特征分值。可将第一语音生物特征分值和第二语音生物特征分值与人耳生物特征分值融合以获得总体生物特征分值，可将该总体生物特征分值与一个或多个阈值进行比较以获得总体生物特征结果。替代地，如上面所指出的，可针对每个生物特征过程获得单独的生物特征结果(例如，基于第一语音生物特征分值和第二语音生物特征分值以及人耳生物特征分值)，并且将这些结果融合以获得总体生物特征结果。
在步骤212中，基于在步骤210中执行的人耳生物特征算法和语音生物特征算法，将用户认证为授权用户或拒绝认证。
图3是根据本公开的另外的实施例的方法的流程图。同样，该方法可由仅布置在个人音频设备内、仅布置在耦合到该个人音频设备的主机设备内或者分布在主机设备和个人音频设备之间的认证设备执行。
在步骤300中，认证设备监测触发认证过程的事件(以下称为“触发事件”)。根据本公开的实施例，各种事件被认为是触发事件。
在一个实施例中，触发事件指示与认证设备的物理交互。替代地或另外，触发事件可指示用户使用语音与个人音频设备进行交互的愿望。例如，触发事件可与虚拟助手(例如，Siri、Cortana、Alexa(所有RTM)等)的激活相关联。
触发事件可包括个人音频设备上的物理或虚拟按钮的致动。个人音频设备通常具有此类按钮，以便将控制信号发送到个人音频设备和/或主机设备。基于按钮致动的类型(例如，短按或长按)或基于多个按钮致动的序列(例如，按顺序的一连串的两个或三个按钮按下)，可生成不同的控制信号。按钮可响应于用户交互而物理地移动(例如，物理按钮)，或者包括电容式或超声传感器(例如，虚拟按钮)。
在另一示例中，个人音频设备可经由麦克风(诸如耳麦克风154、174和/或语音麦克风156、176)检测手指敲击或与设备的其他用户交互。由麦克风检测到的音频脉冲可被确定为指示用户的手指在麦克风上的敲击。以这种方式，麦克风本身起到按钮的作用。致动了按钮的触发事件(或其功能等效物)消耗少量功率。
在步骤302中，确定是否已检测到触发事件。如果没有检测到触发事件，则该方法返回到步骤300，并且认证设备继续监测触发事件。如果检测到触发事件，则启动认证过程，并且该方法前进至步骤304。
在步骤304中，认证设备生成音频探测信号，以便通过用户耳朵附近的个人音频设备的音频转换器播放。例如，可通过扬声器152、172回放音频探测信号。
音频探测信号是可听见的，并且可包括提示用户讲话的提示。该提示可以是显式的(例如，来自虚拟助手的语音)，也可以是隐式的(例如，与语音输入相关联的通知音)。
音频探测信号可包括引起用户耳朵的声响应的任何合适的信号。例如，音频探测信号可包括一个或多个频率的信号啁啾、白噪声、声调、音乐、语音等。在一个实施例中，音频探测信号可被选择或调制为包含各频率的功率，这些频率刺激用户耳朵的声响应的频率，它们在不同用户之间是有区别的。在不同用户之间可能是有区别的频率包括约1kHz至约3kHz之间、约5kHz至约7kHz之间以及约10kHz至约12kHz之间的频带。例如，虚拟助手的语音输出可被修改为包含各频率的功率，这些频率刺激那些有区别的频率的声响应。可选择特定的音乐样本，或者可改编用户选择的音乐，以包含适当频率的功率。
在步骤306中，认证设备接收第一音频信号，该第一音频信号包括用户耳朵对音频探测信号回放的响应。如上面所指出的，该响应可包括如通过与用户耳朵相关联的传递函数所修改的音频探测信号。替代地或另外，该响应可包括来自用户耳朵的耳声发射。第一音频信号可由用户耳朵附近的麦克风(诸如耳麦克风154、174)生成。
在步骤308中，认证设备对第一音频信号执行人耳生物特征算法。因此，从第一音频信号中提取一个或多个特征，并将其与针对授权用户的耳朵生物特征模板(或针对多个授权用户的模板，如果存在的话)的对应特征进行比较。基于人耳生物特征算法，生成人耳生物特征分值，该人耳生物特征分值指示用户(即，提供人耳生物特征输入的用户)是授权用户的可能性。例如，分值可基于所获得的特征与所存储的特征之间的数学距离(例如，余弦向量相似度或任何其他合适的比较算法)。
在步骤310中，并且与所示实施例中的步骤306和308并行，认证设备进一步响应于包含在音频探测信号中的提示，接收包括用户语音的第二音频信号。该语音可包括一个或多个命令或命令词，例如，将由个人音频设备和/或主机设备执行的指令。第二音频信号可由诸如麦克风156、176的语音麦克风生成。
为了节省功率，认证设备可仅在有限的时间窗口中监测语音。该时间窗口可例如在音频探测信号结束时开始，并且持续预定的时间段。
替代地或另外，可基于在第一音频信号中检测到的语音来限定时间窗口。就这一点而言，应当指出的是，由于耳麦克风的位置靠近用户耳朵或位于用户耳朵内，因此在第一音频信号中检测到的语音很可能对应于来自用户而不是另一人的语音。也就是说，由耳麦克风检测到的来自用户的语音可能主要通过用户的颅骨和/或颌骨传导，并且幅度相对较高，而来自其他用户的语音则可能会被衰减。因此，可基于第一音频信号与第二音频信号基本上相关的那些时间来限定时间窗口。替代地或另外，可基于在第一音频信号中检测到语音输入的那些时间来限定时间窗口。
在步骤312中，认证设备对第二音频信号执行语音生物特征算法。因此，从第二音频信号中提取一个或多个特征，并将其与针对授权用户的语音生物特征模板(或针对多个授权用户的多个语音生物特征模板，如果存在的话)的对应特征进行比较。
在步骤314中，将语音生物特征算法和人耳生物特征算法的输出的输出组合或融合，以认证用户。在所示的实施例中，利用结果级融合来将人耳生物特征算法和语音生物特征算法的结果融合，即，将人耳生物特征分值和语音生物特征分值与单独的阈值进行比较以生成对应的结果，并将这些结果组合。替代地，可将单独的生物特征分值组合以生成总分值，然后将该总分值与阈值进行比较(分值级融合)。
在步骤316中，确定用户是否由于语音生物特征算法和人耳生物特征算法的组合而经过认证。如果认证是肯定的，则该方法前进至步骤318，在该步骤中，执行用户在第二音频信号中所说的命令。如果认证是否定的，则该方法前进至步骤320，在该步骤中，拒绝或不执行用户所说的命令。就这一点而言，可对第二音频信号(例如，第二音频信号的选通部分)执行语音识别，以便确定命令语音的语义。语音识别可在本地执行(例如，在主机设备或个人音频设备中执行，如果主机设备或个人音频设备具有足够的处理能力)，或者在语音识别服务中远程执行。在后一种情况下，第二音频信号可被传输到语音识别服务以进行处理。
图4示出了根据本公开的实施例的认证***400的示意图。认证***400包括认证设备402或处理电路(其可在一个或多个集成电路上实现)、存储器404以及下文描述的一个或多个输入设备和输出设备。如上面所指出的，认证设备402可仅设置在个人音频设备内、仅设置在耦合到个人音频设备的主机设备内或者分布在个人音频设备和主机设备之间。存储器404可类似地设置在个人音频设备内、设置在主机设备内或者分布在个人音频设备和主机设备之间。
***400包括扬声器406，该扬声器可为微型扬声器。扬声器406可布置在个人音频设备内，使得其在使用期间位于用户耳朵旁边。例如，扬声器406可对应于以上关于图1a和图1b所描述的扬声器152、172中的任一个。
***400还包括耳麦克风408。耳麦克风408可布置在个人音频设备内，使得其在使用期间位于用户耳朵旁边。例如，耳麦克风408可对应于以上关于图1a和图1b所描述的麦克风154、174中的任一个。
***400还包括语音麦克风410。语音麦克风410可布置在个人音频设备内，使得其在使用期间位于用户的嘴边。例如，语音麦克风410可对应于以上关于图1a和图1b所描述的麦克风156、176中的任一个。
设备402包括控制模块412，该控制模块可操作为接收或检测触发事件，例如，如以上关于步骤200和/或300所描述。响应于检测到触发事件，控制模块412生成音频探测信号，以经由扬声器406回放给用户。
音频探测信号可以是可听见的，也可以是不可听见的。在音频探测信号不可听见的实施例中，该信号可以是超声的(例如，大于20kHz或在20kHz至50kHz的范围内)。在音频探测信号可听见并且触发事件与用户经由语音与认证设备进行交互的愿望相关联的实施例中，音频探测信号可包括提示用户讲话的提示。该提示可以是显式的(例如，来自虚拟助手的语音)，也可以是隐式的(例如，与语音输入相关联的通知音)。
音频探测信号可包括引起用户耳朵的声响应的任何合适的信号。例如，音频探测信号可包括一个或多个频率的信号啁啾、白噪声、声调、音乐、语音等。在一个实施例中，音频探测信号可被选择或调制为包含各频率的功率，这些频率刺激用户耳朵的声响应的频率，它们在不同用户之间是有区别的。在不同用户之间可能是有区别的频率包括约1kHz至约3kHz之间、约5kHz至约7kHz之间以及约10kHz至约12kHz之间的频带。例如，虚拟助手的语音输出可被修改为包含各频率的功率，这些频率刺激那些有区别的频率的声响应。可选择特定的音乐样本，或者可改编用户选择的音乐，以包含适当频率的功率。
耳麦克风408检测用户耳朵的声响应，并生成第一音频信号。麦克风408在时域中检测到第一音频信号。然而，出于生物特征过程的目的而提取的特征可处于频域中(因为这是用户耳朵的频率响应，该特征是特有的)。因此，设备402包括傅立叶变换模块414，该傅立叶变换模块将第一音频信号转换为频域。例如，傅立叶变换模块414可实现快速傅立叶变换(FFT)。在一些示例中，生物特征过程可能不处于频域中，因此可省略傅立叶变换模块。
傅里叶变换模块414的输出被提供给生物特征认证模块416，该生物特征认证模块被配置为对信号执行人耳生物特征算法，例如，如以上关于步骤210和308所描述。因此，生物特征认证模块416从第一音频信号中提取一个或多个特征并将那些特征与针对授权用户的所存储耳朵模板420(例如，“耳纹”)进行比较，该耳朵模板例如存储在存储器404中。
在一些实施例中，生物特征认证模块416可被设计成在预先知道音频探测信号的性质(例如，知道音频探测信号的频谱)的情况下提取特征，以便适当地对响应或传递函数进行归一化。在其他实施例中，傅立叶变换模块414可包括第二输入端，以监测音频探测信号(例如，回放音乐)，并因此向生物特征认证模块416提供关于音频探测信号或其频谱的信息，使得生物特征认证模块可计算从音频探测信号到所接收的声波波形的传递函数，从中可得出期望的特征参数。
语音麦克风410生成第二音频信号，该第二音频信号包括用户的语音(例如，响应于音频探测信号中的提示)。第二音频信号也被提供给生物特征认证模块416，该生物特征认证模块被配置为对信号执行语音生物特征算法，例如，如以上关于步骤210和312所描述。因此，生物特征认证模块416从第二音频信号中提取一个或多个特征，并将那些特征与针对授权用户的所存储语音模板422(例如，“声纹”)进行比较，该语音模板例如存储在存储器404中。如上面所指出的，生物特征认证模块416可另外对用户说出的触发词或触发字执行语音生物特征算法(例如，并且检测为触发事件以开始认证)。
如上面所指出的，在一些实施例中，第二音频信号是选通的，且因此在所示的实施例中，认证设备402还包括选通模块418，该选通模块可操作为从语音麦克风410接收第二音频信号并向生物特征认证模块416提供选通信号。选通可使得在有限的时间窗口中仅对第二音频信号执行生物特征算法。该时间窗口可例如在音频探测信号结束时开始，并且持续预定的时间段。在此类实施例中，控制模块412可向选通模块418提供选通信号，其指示音频探测信号何时结束。
替代地或另外，可基于在第一音频信号中检测到的语音来限定时间窗口。因此，在所示的实施例中，第一音频信号也被提供给选通模块418。因此，可基于第一音频信号与第二音频信号基本上相关的那些时间来限定时间窗口。替代地或另外，可基于例如使用语音活动检测器(未示出)在第一音频信号中检测到语音输入的那些时间来限定时间窗口。
生物特征认证模块416可操作为基于人耳生物特征算法和语音生物特征算法来将用户认证为授权用户。总体生物特征认证结果可从生物特征认证模块416输出到例如控制模块412，以进行进一步处理(例如，执行或拒绝所请求的任务)。
因此，本公开的实施例提供了用于基于人耳生物特征和语音生物特征来将用户认证为授权用户的便利机制。
上面描述的实施例集中于其中对在单只耳朵中检测到的信号执行人耳生物特征的实现方式。本领域技术人员将认识到，可将实施例直接修改为考虑从用户双耳获得的生物特征数据。因此，在以上描述公开了从耳朵获取数据的情况下，可类似地从双耳获取数据。可类似地对来自双耳的数据执行生物特征算法，并且这可如上所述进行组合，即，将单独的生物特征认证分值组合以形成确定总体决策的组合分值，或者将单独的生物特征认证决策组合以确定总体决策。
实施例可在诸如智能电话、音频播放器、移动或蜂窝电话或手持机的电子的、便携式的和/或电池供电的主机设备中实现。实施例可在设置在此类主机设备内的一个或多个集成电路上实现。实施例可在可配置为向单个人提供音频回放的个人音频设备中实现，诸如智能电话、移动或蜂窝电话、头戴式耳机、耳机、听筒。同样，实施例可在设置在此类个人音频设备内的一个或多个集成电路上实现。在另外的替代方案中，实施例可在主机设备和个人音频设备的组合中实现。例如，实施例可在设置在个人音频设备内的一个或多个集成电路以及设置在主机设备内的一个或多个集成电路中实现。
应当理解(尤其是受益于本公开的本领域普通技术人员)，本文所述的各种操作，尤其是结合附图进行的描述可通过其他电路或其他硬件部件来实现。可改变执行给定方法的每个操作的顺序，并且可添加、重新排序、组合、省略、修改本文所示的***的各种要素等。意图是，本公开包含所有此类修改和改变，并且相应地，上述描述应当被视为说明性的而不是限制性的。
类似地，尽管本公开参考了特定实施例，但可在不脱离本公开的范围和覆盖范围的情况下对那些实施例进行某些修改和改变。此外，本文关于特定实施例描述的问题的任何益处、优点或解决方案不打算被解释为关键的、必需的或基本的特征或要素。
同样地，受益于本公开的另外的实施例对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且此类实施例应被认为包含在本文中。

Claims (21)

1.一种用于认证电子设备的用户的方法，所述方法包括：
响应于检测到指示与所述电子设备的用户交互的触发事件，生成音频探测信号以通过所述电子设备的音频换能器播放；
接收第一音频信号，所述第一音频信号包括所述用户耳朵对所述音频探测信号的响应；
接收第二音频信号，所述第二音频信号包括所述用户的语音；以及
向所述第一音频信号应用人耳生物特征算法以及向所述第二音频信号应用语音生物特征算法，以将所述用户认证为授权用户。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述音频探测信号包括提示所述用户讲话的提示，并且其中响应于所述提示而接收所述第二音频信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述人耳生物特征算法包括基于所述比较生成人耳生物特征分值，并且语音生物特征算法包括基于所述比较生成语音生物特征分值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中将所述人耳生物特征分值和所述语音生物特征分值融合以生成组合的生物特征分值，并且其中将所述组合的生物特征分值与一个或多个阈值进行比较以生成组合的生物特征结果。
5.根据权利要求3所述的方法，其中将所述人耳生物特征分值与第一阈值进行比较以生成人耳生物特征结果，其中将所述语音生物特征分值与第二阈值进行比较以生成语音生物特征结果，并且其中将所述人耳生物特征结果与语音生物特征结果组合以生成组合的生物特征结果。
6.一种用于认证电子设备的用户的认证设备，所述认证设备包括：
音频信号生成模块，所述音频信号生成模块用于响应于检测到指示与所述电子设备的用户交互的触发事件而生成音频探测信号以通过所述电子设备的音频换能器播放；
一个或多个输入端，所述一个或多个输入端用于接收第一音频信号和第二音频信号，所述第一音频信号包括所述用户耳朵对所述音频探测信号的响应，所述第二音频信号包括所述用户的语音；以及
生物特征认证模块，所述生物特征认证模块用于对所述第一音频信号利用人耳生物特征算法以及对所述第二音频信号利用语音生物特征算法来将所述用户认证为授权用户。
7.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述音频探测信号包括提示所述用户讲话的提示，并且其中响应于所述提示而接收所述第二音频信号。
8.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述人耳生物特征算法包括基于所述比较生成人耳生物特征分值，并且所述语音生物特征算法包括基于所述比较生成语音生物特征分值。
9.根据权利要求8所述的认证设备，其中所述人耳生物特征分值和所述语音生物特征分值融合以生成组合的生物特征分值，并且其中所述组合的生物特征分值与一个或多个阈值进行比较以生成组合的生物特征结果。
10.根据权利要求8所述的认证设备，其中所述人耳生物特征分值与第一阈值进行比较以生成人耳生物特征结果，其中所述语音生物特征分值与第二阈值进行比较以生成语音生物特征结果，并且其中所述人耳生物特征结果与语音生物特征结果组合以生成组合的生物特征结果。
11.根据权利要求8所述的认证设备，其中所述人耳生物特征分值是基于从所述第一音频信号所提取的一个或多个特征与针对所述授权用户的人耳生物特征模板的对应特征之间的比较来生成。
12.根据权利要求8所述的认证设备，其中所述语音生物特征分值是基于从所述第二音频信号所提取的一个或多个特征与针对所述授权用户的语音生物特征模板的对应特征之间的比较来生成。
13.根据权利要求6所述的认证设备，其还包括选通模块，所述选通模块被配置为在时间窗口中针对所述用户的所述语音监测所述第二音频信号。
14.根据权利要求13所述的认证设备，其中所述时间窗口是依据与在所述第一音频信号中检测到骨传导语音相对应的选通信号来限定的。
15.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述音频探测信号被调制为以一个或多个频率刺激所述用户耳朵的所述响应，所述一个或多个频率在不同用户之间是有区别的。
16.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述用户耳朵的所述响应包括以下一项或多项：所述用户的耳道的频率响应；以及所述用户耳朵的耳声发射。
17.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述触发事件包括所述用户所说的预定关键字或关键词。
18.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述触发事件包括所述用户与所述电子设备的物理交互。
19.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述触发事件包括入耳或贴耳检测事件。
20.根据权利要求6所述的认证设备，其中所述用户响应于所述提示的所述语音包括用于由所述电子设备执行的命令。
21.一种电子设备，其包括根据权利要求6所述的认证设备。
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