电视收视调查系统(television audience measurement system) 基于由观众成员携带的便携式设备，或基于设置在电视机附近的固定设 备。在上述两种应用中，该设备上的麦克风获取与电视节目相关的音频 信号。通常的目的是通过音频信号的分析来确定所观看的节目或频道。 例如，在一种方法中，该设备计算一个“标记”，用于随后与中心设备上 所记录的参考标记进行匹配。另选地，在第二种方法中，该设备提取已 被广播设备插入到音频流中的嵌入标识码，以识别该节目。
便携式设备所面临的问题之一是确定由麦克风获取的音频信号是否 源自邻近的电视机。这种设备中的麦克风非常灵敏，能够对隔壁房间中 发出的音频信号进行响应。这就需要忽略这种音频信号，而仅处理从该 设备的携带者所在的房间内发出的音频。对于固定设备，必需确定电视 机是打开的还是关闭的。

在一方面，本发明提供了一种电视机邻近传感器系统。该系统包括： 音频传感器、模数转换器、和数字信号处理器。该音频传感器位于电视 机的邻近区域内。当电视机打开时，该电视机发出音频信号，所述音频 传感器检测该音频信号，所述模数转换器将该音频信号转换为一组数字 音频抽样，并且所述数字信号处理器处理该组数字音频抽样，以使所述 处理器确定所述电视机是打开的。当该电视机关闭时，所述数字信号处 理器确定该电视机是关闭的。该系统还可以包括放大器。该放大器可以 放大所检测到的音频信号，并且将所放大的信号提供给模数转换器。
该组数字音频抽样的处理可以包括：在第一频率处测量音频信号的 第一功率电平；在第二频率处测量音频信号的第二功率电平；在第三频 率处测量音频信号的第三功率电平；计算第一功率电平与第一、第二和 第三功率电平的总和的比率；以及将所计算的比率与预定的第一阈值相 比较。当所计算的比率大于或者等于该第一阈值时，可以确定该电视机 是打开的。该数字信号处理器还可以连续地更新第一、第二和第三功率 电平的测量结果，并且将第一功率电平的最新测量结果与预定的第二阈 值相比较。当第一功率电平大于或者等于该第二阈值时，可以确定该电 视机是打开的。当所计算的比率小于该第一阈值并且第一功率电平小于 该第二阈值时，可以确定该电视机是关闭的。
数字信号处理器可以使用滑动(sliding)快速傅立叶变换算法在第 一频率处检测音频信号的存在。该预定的第一阈值可以大致等于0.9，或 者可以大致大于或者等于0.6。该第一频率可以与电视机使用的水平扫描 回扫变压器相关。该水平扫描回扫变压器可以与大致等于15.75kHz的频 率相关。第二和第三频率可以距离第一频率预定间隔。
在另一方面，本发明提供了一种装置，用于确定第一电视机是否打 开，同时区分第一电视机和诸如收音机或者第二电视机的其他设备。该 装置包括：接收装置，用于接收模拟音频信号；数字化装置，用于将所 接收的模拟音频信号转换为一组数字音频抽样；处理装置，用于处理该 组数字音频抽样；和确定装置，用于使用该处理的结果来确定第一电视 机是否打开。该装置还可以包括放大装置，用于放大所接收的模拟音频 信号。所述处理装置可以包括：第一测量装置，用于在第一频率处测量 音频信号的第一功率电平；第二测量装置，用于在第二频率处测量音频 信号的第二功率电平；第三测量装置，用于在第三频率处测量音频信号 的第三功率电平；计算装置，用于计算第一功率电平与第一、第二和第 三功率电平的总和的比率；和第一比较装置，用于将所计算的比率与预 定的第一阈值相比较。当所计算的比率大于或者等于该第一阈值时，所 述确定装置可以确定第一电视机是打开的。所述处理装置还可以包括： 更新装置，用于连续更新第一、第二和第三功率电平的测量结果；和第 二比较装置，用于将第一功率电平的最新测量结果与预定的第二阈值相 比较。当第一功率电平大于或者等于该第二阈值时，所述确定装置可以 确定第一电视机是打开的。当第一功率电平小于该第二阈值并且所计算 的比率小于该第一阈值时，所述确定装置可以确定第一电视机是关闭的。
所述处理装置还可以包括：转换装置，用于使用滑动快速傅立叶变 换算法在第一频率处检测音频信号的存在。所述预定的第一阈值可以大 致等于0.9，或者可以大致大于或者等于0.6。所述第一频率可以与第一 电视机所使用的水平扫描回扫变压器相关。该水平扫描回扫变压器可以 与大致等于15.75kHz的频率相关。第二和第三频率可以距离第一频率预 定间隔。
在另一方面，本发明提供了一种确定电视机是否打开并且在邻近区 域内的方法，该方法包括如下步骤：接收模拟音频信号；将所接收的模 拟音频信号转换为一组数字音频抽样；处理该组数字音频抽样；以及使 用该处理的结果来确定第一电视机是否打开并且在邻近区域内。该方法 还可以包括放大所接收的模拟音频信号的步骤。所述处理步骤可以包括： 在第一频率处测量音频信号的第一功率电平；在第二频率处测量音频信 号的第二功率电平；在第三频率处测量音频信号的第三功率电平；计算 第一功率电平与第一、第二、和第三功率电平的总和的比率；以及将所 计算的比率与预定第一阈值相比较。当所计算的比率大于或等于该第一 阈值时，可以确定该电视机是打开的并且在邻近区域内。
所述处理步骤还可以包括：连续地更新第一、第二和第三功率电平 的测量结果；和将第一功率电平的最新测量结果与预定的第二阈值相比 较。当第一功率电平大于或者等于该第二阈值时，确定电视机是打开的 并且在邻近区域内。当第一功率电平小于该第二阈值并且所计算的比率 小于该第一阈值时，确定电视机是关闭的或者不在邻近区域内。
所述处理步骤还可以包括使用滑动快速傅立叶变换算法在第一频率 处检测音频信号的存在的步骤。该预定的第一阈值可以大致等于0.9，或 者可以大致大于或者等于0.6。所述第一频率可以与电视机所使用的水平 扫描回扫变压器相关。该水平扫描回扫变压器可以与大致等于15.75kHz 的频率相关。第二和第三频率可以距离第一频率预定间隔。
在另一方面，本发明提供了一种检测第一电视机是否打开，同时区 分第一电视机与诸如收音机或者第二电视机的其它设备的方法。该方法 包括如下步骤：在第一频率处测量音频信号的第一功率电平；在第二频 率处测量音频信号的第二功率电平以及在第三频率处测量音频信号的第 三功率电平；计算第一功率电平与第一、第二和第三功率电平的总和的 比率；进行该比率与预定的比率阈值的第一比较；以及基于第一比较的 结果进行第一电视机是否打开的第一确定。所述第一频率与第一电视机 所使用的水平扫描回扫变压器相关。第二和第三频率距离第一频率预定 间隔。该方法还可以包括如下步骤：使用第一功率电平的测量值来设定 第一功率阈值；连续地更新第一、第二和第三功率电平的测量结果；以 及当进行了第一电视机没有打开的第一确定时，进行第一功率电平的最 新更新测量值与第一功率阈值的第二比较。基于该第二比较的结果进行 第一电视机是否打开的第二确定。
附图说明
图1是示出根据本发明的确定是否认为电视机是打开的并且在邻近 区域内的方法的流程图。
图2是示出根据本发明的用于确定是否认为电视机是打开的并且在 邻近区域内的系统的方框图。

本发明基于电视显示装置特性的检测，以确定该电视机是否打开。 例如所有具有阴极射线管(CRT)显示器的电视机都包含用于穿过显像管 扫描电子束的电路。产生进行扫描所需电压的变压器发出特征音频信号 (例如，变压器噪声)。该音频信号遍及电视机的邻近区域。变压器内的 铁心片的振动产生该音频。在以NTSC标准工作的电视系统中，该水平扫 描回扫变压器发出15.75kHz的声波。该特征频率的存在可以由通过麦克 风获取的音频信号来检测。该高频音对给定的电视机具有固定的强度。 通常它不能穿透墙壁，因此，只有与该电视机处于同一房间的麦克风能 够获取该特征频率。可以使用模拟锁相环或者数字快速傅立叶变换 (“FFT”)来检测该信号。当然，也可以使用从CRT、液晶显示器(LCD)、 或者其它显示设备发出的其它特征信号。
因此，如在本专利申请中所使用的，当应用于电视机和麦克风或者 其它合适的信号检测器时，“在邻近区域内”一词是指“在同一房间内， 并且在电视机和检测器之间没有物理障碍物，例如墙壁、地板、或者天 花板等”，而“不在邻近区域内”一词是指“不在同一房间内，并且在 电视机和检测器之间有物理障碍物，例如墙壁、地板、或者天花板等”。 因此，该麦克风能够检测到邻近区域内的电视机的特征音频信号，但是 该麦克风不能检测到不在邻近区域内的电视机的特征音频信号。当将麦 克风安装到由电视观众成员携带的便携式设备上时，确定电视机是否“在 邻近区域内”或者“不在邻近区域内”就变成为相当于确定携带该便携 式设备的该电视观众成员与打开的电视机是否在同一房间内。
如果使用FFT来检测该信号，优选地，这可以在这种收视调查系统 中实施，其中在节目信号中检测“有效(active)”嵌入代码。这些代码 的提取通常包括使用FFT对所检测的音频进行频谱分析。可以很容易地 对FFT分析进行扩展，以对电视机发出的特征频率周围邻域的频率进行 分析。基于频谱功率，可以将所感测的音频分类为源自电视机信号或其 它音频。
15.75kHz回扫频率的音频信号的存在可以非常容易地通过快速傅立 叶变换的“滑动”实施(下文中称为“SFFT”)来检测。这种实施可以连 续地监测所关注频率的周围邻域内的频谱功率，并计算15.75kHz信号的 相对功率和绝对功率。注意，在提取美国专利6,272,716(题目是 “Broadcast Encoding System and Method”(“广播编码系统和方法”)， 并在此引入作为参考)中所描述的那种嵌入的“有效”频谱音频代码时， 采用了SFFT算法。
参考图1，流程图100显示了根据本发明的一个实施例的确定电视 机是否打开并且在邻近区域内的方法。也参考图2，显示了根据本发明优 选实施例的电视机邻近传感器的硬件实现200。在步骤105中，由麦克风 205获取的音频信号通常由放大器210放大，并且由模数转换器215转换 成数字流。接着，在步骤110中，使用数字信号处理器220计算SFFT。 数字信号处理器220包括内部数据存储器225和内部程序存储器230。程 序存储器230存储SFFT算法和由处理器220使用的任何其它算法。数据 存储器225存储包括在步骤110执行STTF所得到的结果的数据。为了计 算傅立叶频谱，可以使用包括在48kHz采样速率下获取的Ns＝512个音频 抽样的缓冲器。0到255范围的多个频谱频率指数(“频率区间(bin)”) 表示0到24kHz范围内的频率。在相邻的频谱线之间的频率间隔优选为 93.75Hz。水平扫描频率(即15.75kHz)对应于指数为168的频率区间。 在典型的操作环境中，例如家中的一个房间，15kHz频带中的频谱能量非 常低，为-60dB的量级。为了获得所关注的频率的相对频谱大小，在步 骤115计算频率区间160、164和168中的功率。注意，其它特征信号的 检测涉及不同频率区间中的能量的测量。
与众所周知的计算音频的给定区段的整个频谱的快速傅立叶变换不 同，滑动FFT或者SFFT对于计算所选择频率区间中的功率并且在获得新 的音频抽样时持续更新该频谱更有用处。假设对于当前存储在缓冲器中 的音频缓冲的指数为J的频率，频谱幅值a0[J]和相位角0[J]已知，这些 值表示当前在缓冲器中的Ns个音频抽样的频谱值。如果将新的时域抽样 νNs-1插入到缓冲器中，以代替最早的抽样ν0，那么通过下列方程(方程1) 给出指数J的新的频谱幅值α1[J]和相位1[J]：


因此，在音频缓冲器中指数为J的任何频率的频谱幅值和相位值可 以仅通过根据方程1更新现有频谱来递归地计算。所更新的频谱功率为 PJ＝α1 2。即使将所有的频谱值(幅值和相位)都初始设定为0，当新的数 据进入缓冲器并且删除旧的数据时，这些频谱值会逐渐改变，直到它们 与缓冲器中的当前数据的实际傅立叶变换频谱值相对应。为了克服计算 过程中可能出现的某些不稳定性，可以使用输入音频抽样与通常设置为 0.999的稳定因子的乘积和所删除的抽样与因子0.999Ns-1的乘积。滑动FFT 算法提供了用于计算当前采样位置之前的Ns-1个抽样和当前抽样本身的 所关注的频谱成分的有效计算方法。
在步骤120，为了检测打开的电视机的存在，或者为了检测由麦克 风获取的音频信号是否与电视机相关，计算指数为n的音频的各区段的 比率 $R_n=\frac{P_{168}}{P_{160}+P_{164}+P_{168}}.$ 当电视机打开时，因为P168＞＞P160+P164，所以该比 率具有接近于1.0的值。当电视机处于关闭状态时，因为所有三个频率 区间都具有低功率值，所以该比率接近于0.333。在步骤125，随后可以 使用诸如Rth＝0.95的比率阈值来检测电视机的状态。在步骤135，当与“有 效”嵌入音频代码-解码算法结合使用时，可以使用在成功提取到嵌入代 码的瞬时的P168的绝对值来设定一个附加参考值Pth。条件Rn＞Pth和P168＞Pth 都可以用于确定电视机在给定瞬时的状态。如果这些不等式中的任一个 为真，那么在步骤130确定电视机是打开的并且在邻近区域内。如果两 个不等式都为假，那么在步骤140确定电视机是关闭的或者不在邻近区 域内。注意，该比率阈值Rth可以选择为0到1之间的任何适当的值；例 如Rth可以选择为0.6、0.75或者0.9。
如上在步骤125中描述的比率阈值的使用具有提供所关注的频率的 电视机音频频谱的自适应测量的效果。如上在步骤135中描述的频率区 间168的绝对功率电平的使用提供了一种方法，该方法减轻了音频功率 超过自动增益控制所允许的最大功率时可能发生的“削波”效应。例如， 如果由于电视节目产生噪声尖峰，则音频功率可能达到最大可能电平， 因此功率电平的测量将在最大电平处受限。在这种情况下，比率Rn可能 下降到0.95以下，因为P160和P164中的功率电平与噪声尖峰成正比例地上 升。尽管这样，阈值Pth的使用使得能够检测打开的电视机的存在。阈值Pth 也可以适用于特定的电视机，并且不限于频率区间168。相反，该阈值可 以应用于保持所关注的频率(通常为15.75kHz)的邻域的最大功率电平 的任何频率区间。
在实际应用中，对覆盖一个长时间间隔(通常为秒级)的Rn和P168值 的序列进行检查，以确定已打开的电视机的存在。在这种序列中，如果 多数项表示电视机是打开的，则可以判定存在正在使用的电视机。另选 地，还可以将在该序列中获得的比率和功率值的平均值用于进行判定。 一些偏离效应会偶尔产生15.75kHz的频谱能量，而对更长时间间隔上的 观测进行平均可以获得更高的可靠性。另一个要考虑的因素是自动增益 控制(AGC)放大器的存在，它可能引起P168的绝对值的变化。如果AGC 是软件控制的，那么用于比较的参考值Pth可以根据实际的瞬时增益设置 而变化。
检测电视机是否打开的另选方法涉及观测频谱中的瞬时效应，该瞬 时效应与从关闭状态到打开状态的实际转换有关。当电视机已处于关闭 状态并且现在打开时，一能量音频脉冲以“波纹”状的方式穿过频谱， 从0Hz一直到15.75kHz的稳定状态频率。因此，频率波纹的检测可用作 电视机已打开的指示。
上述技术也可以应用于使用不同于NTSC标准的标准进行工作的电 视系统，其中NTSC标准的水平扫描回扫变压器频率实际为15.734kHz。 例如，PAL标准具有15.635kHz的水平扫描回扫变压器频率。线路倍频器 (line doubler)可以与NTSC标准或者PAL标准一起使用。线路倍频器 具有使频率加倍的效果，在NTSC的情况下，使频率加倍到31.47kHz，而 在PAL的情况下，使频率加倍到31.25kHz。数字电视包括几种格式，这 些格式与下列频率相关：15.63kHz；26.97kHz；27.00kHz；28.13kHz； 31.25kHz；31.47kHz；33.72kHz；33.75kHz；44.96kHz；45.00kHz； 62.50kHz；67.43kHz；和67.50kHz。在每一种情况下，以至少为双倍 回扫频率的速率对音频进行采样。因此，例如，如果使用96kHz的采样 速率而不是上述48kHz的速率，那么与不超过48kHz的回扫频率相关 的任何格式都可以使用本发明的技术。在67.50kHz的格式的情况下， 采样速率至少为135kHz。
虽然根据目前认为是优选实施例的内容对本发明进行了描述，但是 应该理解本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在涵盖包括在 附加权利要求的精神和范围内的各种改进和等同配置。例如，应该理解 本发明可应用于与电视机实际打开确实相关的任何音频频率，例如录像 机(VCR)的电机转动、VCR的托盘弹出、数字视频光盘(DVD)播放器的 电机转动、与电视机相连的调制解调器、或者由电视机屏幕发出的静电。 作为另一个实例，虽然以上描述了Pth＝0.95的比率阈值，但是在不降低 检测可靠性的情况下，可以将比率阈值Pth设定为更低的值，例如0.8或 者0.75。以下权利要求的范围依照最宽的解释，以便包括所有这些改进 和等同的结构及功能。
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2001年8月22日提交的名称 为“电视机邻近传感器”的美国临时申请No.60/313,816的优先权，在 此引入其内容作为参考。