一种基于声信号的跳绳计数方法及计数器

技术领域

本发明涉及声学、信号处理、智能健身运动技术领域，具体为一种基于声信号的跳绳计数方法及计数器。

背景技术

当前比赛用跳绳计数器普遍为光电计数器和齿轮计数器。现有计数器虽然性能方面已经相对稳定，然而在实际使用中，仍存在着一些问题。

光电计数的过程实际上是获取脉冲源的过程。首先，遮挡物遮挡光电传感器，产生一个下降沿，遮挡物移开后，产生一个上升沿，使计数器得到一个脉冲进行计数。光电跳绳计数器体积相对比较庞大，在使用过程中，需要在参赛者两侧分别摆放发射和接收装置，因而这种计数装置在实际使用中占地面积相对较大。除此以外，由于发射和接收装置分别位于跳绳参赛者两侧，然而在跳绳过程中，跳绳参赛者的位置难免会有一定变化，若跳绳参赛者本身恰好位于发射和接收装置的中间位置，就可能使计数器在较长一段时间内不再进行计数，在计数过程中就会产生较大的误差；若跳绳参赛者的角度产生变化，即跳绳参赛者不再面向其正前方而转向两侧，则可能在跳过一次的过程中，跳绳对光脉冲产生两次遮挡，进而导致计数过程中产生多计数的情况，除此以外还可能有其它情况导致计数的不准确，如跳绳参赛者在跳绳过程中中断跳绳，在调整自己的位置的过程中，跳绳的摆动可能会引起计数器所计数目的变化。以上情况对于光电跳绳计数装置而言较难避免。

齿轮跳绳计数器则通过齿轮传动原理进行计数。齿轮式跳绳计数器由绳结柱、外轮、初级轮、数字轮和转轴构成。外轮与初级轮紧密安装在转轴之上，初级轮会跟随外轮同步转动；数字轮的孔径稍大于转轴直径，可以在转轴上自由转动。随着跳绳参赛者的跳动，跳绳的绳结柱每转动一周，便会带动外轮转动一周，此时初级轮跟随外轮同步转动。初级轮每转动一周，便会带动一级方轴齿轮转动90°，进而带动个位数轮转动36°，由此使得个位数字得以进行转动。采用相同的原理，个位数轮的转动会带动十位数轮进行转动，进而带动百位数轮转动。这种机械计数装置结构简单，成本低廉，便于大规模生产，然而在实际使用过程中稳定性相对较差。经常会出现齿轮咬合不紧密导致的不计数等现象，同时由于其结构过于简单，亦经常出现计数器无法归零的情况。

对于利用声信号的跳绳计数器而言，则不会产生以上现象。跳绳过程中，基于声信号的计数器对于参赛者进行计数仅需要一个麦克风，以及其相应的后处理装置，因而体积相比光电计数装置要小得多，相对于光电计数装置，有着更强的便携性。同时，在跳绳过程中，跳绳参赛者跳过一次，双脚或者单脚会着地一次，我们仅需要对这个声音进行分辨并计数，即可得到正确的跳绳数，不会发生多计数或少计数的现象。

目前已经有基于声音信息的发明专利——“一种基于声音信息的跳绳计数方法”，以下简称“已有专利”。但是我们分析了它所提出的方法，并通过实际验证，发现存在四个问题：一、设置上下幅值的阈值对音频波形图进行去噪，对阈值没有详细定义；二、实际跳绳过程中所采集到的声音信号有四类，跳绳者脚踩踏地面的声音、绳子划过空中与空气摩擦的声音、跳绳打地面的声音和背景随机噪声，这四类声信号都有脉冲，而且每类声信号存在无效脉冲，已有专利没有对相似无效脉冲进行剔除，导致在实际使用时，难以分辨采集到的声音信号；三、判断失败次数时利用所有脉冲计算得到的平均时间间隔将失败那次的时间也考虑进去了，增大了有效峰值的实际时间间隔；四、实际跳绳比赛中，个人项目往往是多人同时比赛，已有专利未考虑多人跳绳时，其他跳绳者对正在计数跳绳者的影响。

发明内容

为了更加方便且有效地对跳绳数量进行计数，本发明提出一种基于声信号的跳绳计数方法及计数器。

本发明的技术方案为：

一种基于声信号的跳绳计数方法，包括以下步骤：

步骤1：采集跳绳过程中的声信号，并对声信号进行去噪处理；

步骤2：寻找去噪后的声信号中的最大峰值f

步骤3：在去噪后的声信号中，寻找幅度在[k*f

步骤4：设定最小时间间隔T

步骤5：计数找到的所有有效峰值的个数，即为此次跳绳的计数结果N。

进一步的，本发明还可以自动统计失败次数，具体还包括以下步骤：设定第二时间间隔T

进一步的，通过统计分析，系数k取0.9时，能够有效过滤声信号中的跳绳划过空中与空气摩擦的声音以及跳绳打地面的声音。

进一步的，对于我们常规的跳绳场景，最小时间间隔可以根据相应跳绳比赛项目的吉尼斯纪录数N

进一步的，所述第二时间间隔T

本发明还提出一种跳绳计数器，包括声信号接收装置，信号处理装置和显示装置，信号处理装置接收声信号接收装置传递的信号，并进行处理，得到结果显示在显示装置上；其中信号处理装置采用上述跳绳计数方法进行处理。

本发明还提出一种跳绳计数器在多人同时跳绳场景中的应用，其特征在于：所述跳绳计数器置于地面，且跳绳计数器放置位置与作为计数对象的跳绳者之间的最远允许距离r

确定，其中r

在多人同时跳绳场景中，当相邻跳绳者之间的距离不小于3m时，跳绳计数器放置位置与作为计数对象的跳绳者之间的距离不大于0.95m。

有益效果

本发明以跳绳时的声信号作为识别特征，并且分析了实际比赛过程中三种主要声音信号对计数的影响；通过设置合适的时间间隔，剔除了无效峰值并能够自动统计失败次数；此外，本发明还进一步分析了在多人同时比赛时，计数器安放位置的具体要求。

本发明抗干扰能力强，适用于多种场合(如：体育场馆内、操场和公园等场所)，具有较高计数的准确性。同时，该发明体积小、便于用户随身携带，适合于各类跳绳比赛。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：硬件组件工作流程；

图2：体育馆单人单摇30s跳绳声信号；

图3：声源传播示意图；

图4：体育馆中双人间距3m时单摇的跳绳声信号；

图5：体育馆双人间距3米时40s跳绳手柄计数结果；

图6：体育馆双人间距3米时40s本发明计数结果。

具体实施方式

为了更加方便且有效地对跳绳数量进行计数，尤其是在比赛中准确的进行计数，本实施例设计了一种基于声信号的便携式智能跳绳计数器。

本实施例中主要包含了两个主要内容：一是硬件部分，二是声信号数据处理的软件方法部分。

硬件部分包含了接受信号的麦克风、AD/DA转换器、BCM2711型号CPU以及二进制数码管，各硬件结构工作流程见附图1。其中，首先麦克风会采集到跳绳过程中产生的声信号；然后，借助AD/DA转换器对于接收到的模拟声信号进行AD转换得到数字声信号，以便将数据交予BCM2711型号CPU按照相应的方法进行运算；最后，通过二进制数码管显示跳绳计数的结果。

软件部分，即本本实施例的方法部分。

首先，以体育馆所采集的单人单摇声信号为例，分析跳绳声信号的特征，附图2为体育馆单人单摇30s声信号的时域图，横坐标是时间，纵坐标是归一化幅值。由附图2可以看出：跳绳过程中，由跳绳产生的声音主要有跳绳参赛者踩踏地面的声音和跳绳划过空中的声音，跳绳打地面的声音根据跳绳者习惯的不同而选择性存在；这三类声音相比于其它背景随机噪声信号，在时间域上具有峰值出现的时间规律性强、峰值大小起伏小的特点；另外，由于该便携式智能跳绳计数器采集信号时是置于地面的，因此，所采集的跳绳的三类声信号中，跳绳者踩踏地面的声音幅值最大，所以，为减小计数误差，本发明通过分析跳绳过程中跳绳者踩踏地面的声音进行计数。

方法的基本思想是通过统计跳绳者踩踏地面所产生的声信号的峰值出现的个数来实现计数，具体实施过程为：

1)先采用滤波器，对采集到的跳绳声信号进行去噪处理，消除人说话声、风声等背景噪声，这类背景噪声是随机信号，没有规律性；

2)寻找去噪后的声信号中的最大峰值f

3)从开始跳绳t＝0s开始，到30s结束，寻找幅度在[k*f

4)利用时间间隔剔除步骤3)中的无效峰值，比如30s单摇比赛，我们可以设定一个最小时间间隔T

5)计数找到的所有有效峰值的个数，即为此次跳绳的计数结果N。

6)考虑到比赛过程中还统计失败次数，为了能够自动统计失败次数，我们这里定义一个时间间隔T

7)如果有多人同时跳绳，由于本发明是一种便携式的跳绳计数器，在跳绳参赛者近距离使用，根据点声源声信号随距离的衰减性和全国跳绳比赛中个人项目运动员之间的距离至少3m的特点，我们需要确定出一个计数器放置位置与作为计数对象的跳绳参赛者之间的最远允许距离。

以两位参赛者为例，分析如下，结果同样适用于有多位参赛者的情况。

建立声传播示意图如附图3所示，参赛者1的声源声压级大小是L

同样，参赛者2的声源声压级大小是L

那么，本发明接收到的两个声源的声压级差ΔL

假设两个参赛者跳绳力度相当，那么L

当两个声源的声压级大小大于10dB时，声压级小的声源的影响可以忽略，因此，只要ΔL

因此，在通过上述过程求得的使用位置范围内，其他跳绳参赛者的跳绳声信号相比于正在计数的跳绳参赛者的跳绳声信号小至少10dB，计数时，在步骤3)会直接剔除掉其他跳绳参赛者的干扰；

8)因为跳绳比赛项目有很多种，本实施例主要体现的是个人速度赛，而个人速度赛又分30s单摇、30s双摇、3mins单摇等。上述方法部分给出的是30s单摇的情况，对于别的个人比赛项目，只需要更改最小时间间隔即可，例如：30s双摇，可以取吉尼斯纪录30s双摇数N

接下来为了验证本发明的效果，收集了比赛常用场地——体育馆中30s单人单摇和双人不同距离下同时单摇的跳绳声音样本，并对其进行了分析。

附图4给出了双人间距3m时单摇的跳绳声信号。此时本发明置于其中一位跳绳者前方0.5m的地面上，即公式(4)中的r

以双人间距3m单摇为例，跳绳声信号中有一系列幅值相近、出现时间规律的峰值，这就是与计数器近距离的跳绳参赛者踩踏地面的声音。通过本发明计数，得到f

同时，跳绳过程中，通过人工计数，结果也是69个、失败1次。由于速度不快，所以通过本发明计数和人工计数的结果没有差别，这也同时验证了本发明的可靠性。

同样，跳绳过程中，使用的是机械式齿轮手柄计数器的跳绳，在使用过程中，发现齿轮计数器稳定性差，经常出现数字乱窜的现象，而且使用前必须归零，如果忘记归零，那么计数就无效。计数结果也不准确，附图5、附图6分别给出了体育馆双人间距3米40s跳绳手柄计数和利用本发明计数的结果，分别为95下和93下，手柄计数误差2个，同时手柄计数器未显示失败次数，而本发明则同时给出失败次数为2次。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。