CN101582257B

CN101582257B - 一种气息检测方法及装置

Info

Publication number: CN101582257B
Application number: CN 200910079313
Authority: CN
Inventors: 张晨; 冯宇红
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Vimicro Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: CN101582257A

Abstract

本发明公开了一种气息检测方法及装置，用以根据气息的强弱实现对气息的多种类型的划分。本发明提供的一种气息检测方法包括：通过气息采集设备采集用户气息信号，并确定每一帧用户气息信号的能量包络；通过将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号。

Description

一种气息检测方法及装置

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种气息检测方法及装置。

背景技术

目前，电子乐器逐渐兴起，最早是电子琴，后来逐渐出现了其它更多的电子乐器。由于电子乐器比传统乐器更容易掌握，并且可以演奏出各种不同的音色，因此受到广大用户的青睐。

对于吹奏类的电子乐器，是通过检测用户气息的有无来控制吹奏类的电子乐器的发出声音，即只有检测到有用户气息存在时，吹奏类的电子乐器才会发出声音，如果没有检测到用户气息，吹奏类的电子乐器是不会发出声音的，从而通过检测气息的有无来决定音长。

因此，现有技术对于用户气息的检测，只能检测到气息的有无，而不能像真实乐器一样，通过气息的强弱来控制吹奏类乐器发出高低八度的不同音色。因此，现有的吹奏类的电子乐器无法真正模拟真实的吹奏类乐器，不能成为专业人士的乐器，也不能作为学习乐器的工具。

综上所述，现有的气息检测技术只能检测到气息的有无，无法根据气息的强弱对气息的类型进行划分。

发明内容

本发明实施例提供了一种气息检测方法及装置，用以根据气息的强弱实现对气息的多种类型的划分。

本发明实施例提供的一种气息检测方法包括：

通过气息采集设备采集用户气息信号，并确定每一帧用户气息信号的能量包络；

计算每一帧用户气息信号的各个采样点的能量包络的平均值；

通过将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号。

本发明实施例提供的一种气息检测装置包括：

能量包络确定单元，用于确定每一帧用户气息信号的能量包络；计算每一帧用户气息信号的各个采样点的能量包络的平均值；

气息类型分类单元，用于通过将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号。

本发明实施例，通过气息采集设备采集用户气息信号，并确定每一帧用户气息信号的能量包络；通过将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号，从而实现了根据气息的强弱变化实现对气息的多种类型的划分。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种气息检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的用户气息信号的能量示意图；

图3为本发明实施例提供的能量包络判决结果示意图；

图4为本发明实施例提供的改进了高音保持的能量包络判决结果示意图；

图5为本发明实施例提供的采用过零率检测后的能量包络判决结果示意图；

图6为本发明实施例提供的一种气息检测装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种气息检测方法及装置，用以根据气息的强弱变化实现对气息的多种类型的划分。

本发明实施例预先为存在用户气息的情况下，将用户气息信号设置为两种类型，即高八度气息信号和低八度气息信号。本发明实施例首先判定当前帧是否存在用户气息，如果存在，则进一步判断当前帧的用户气息信号是高八度气息信号还是低八度气息信号。

下面结合附图对本发明实施例提供的技术方案进行说明。

参见图1，本发明实施例提供的一种气息检测方法包括步骤：

S101、通过气息采集设备采集用户气息信号，并确定每一帧用户气息信号的能量包络。

S102、通过将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号。

下面对步骤S101进行详细的解释说明。

气息采集设备采集用户气息信号需要经过去直流滤波器（DC Remove）进行去直流处理，即消除用户气息信号中的直流信号。因为，较大的直流偏置会对后续的能量包络检测和过零率检测造成较大影响，因此需要设计较好的去直流滤波器。本发明实施例中的去直流滤波器可以采用2阶无限冲击响应（IIR，Infinite Impulse Response）高通滤波器，截止频率可以为80Hz。

例如，采集到的用户气息信号的波形如图2所示，前一半波形表示用户气息较弱，可以判定为低八度气息信号，后一半波形表示用户气息较强，可以判定为高八度气息信号，中间波形表示无气息的状态。

然后，对用户气息信号分别进行能量包络检测：

计算用户气息信号的能量，采用的公式如下：

Eng(i)=sig(i)*sig(i),i=0---L-1

其中，Eng表示能量，sig表示信号，L表示一帧信号的长度，i表示采样点。

得到了示i采样点用户气息信号的能量Eng(i)之后，利用Eng(i)分别通过下列公式提取能量包络：

Tmp＝Tmp*α+Eng(i)*(1-α)

Eng_p(i)=Tmp

其中，Eng_p(i)表示i采样点用户气息信号的能量包络，α表示能量包络平滑因子，0≤α≤1。

本发明实施例考虑到用户气息的特点，对用户气息信号的能量包络的提取进行改进，预先为用户气息信号的上升（增强）过程和下降（减弱）过程分别设置不同的能量包络平滑因子。即：

如果Eng(i)＞Tmp，则：

Tmp＝Tmp*α+Eng(i)*(1-α)

如果Eng(i)≤Tmp，则：

Tmp＝Tmp*β+Eng(i)*(1-β)

本发明实施例为了加强用户气息的保持效果，可以采用快升慢降的原则，即设置α<β。

最后，本发明实施例将得到的每一帧中各个采样点的用户气息信号的能量包络取平均值，作为该帧用户气息信号的能量包络的值Eng_avg，即：

Eng_avg=(Eng_p(0)+…+Eng_p(L-1))/L

较佳地，步骤S102包括：

将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值小于第二阈值；

若每一帧用户气息信号的能量包络小于第一阈值，则确定该帧不存在用户气息；

若每一帧用户气息信号的能量包络大于第二阈值，则确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；

若每一帧用户气息信号的能量包络大于或等于第一阈值，并且小于或等于第二阈值，则确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

具体地，可以根据试验数据设定第一阈值和第二阈值，假设第一阈值用ThresholdL表示，第二阈值用ThresholdH表示，Eng_avg表示当前帧确定的用户气息信号的能量包络，则：

如果Eng_avg<ThresholdL，则判定当前帧为无用户气息输入，即用户没有对气息采集设备吹气；

如果Eng_avg>ThresholdH，则判定当前帧的用户气息信号为高八度气息信号；

如果ThresholdL≤Eng_avg≤ThresholdH，则判定当前帧的用户气息信号为低八度气息信号。

当不存在用户气息时，可以称用户气息处于无气息状态，可以用0表示；

当用户气息信号为低八度气息信号时，可以称用户气息处于低八度状态，可以用1表示；

当用户气息信号为高八度气息信号时，可以称用户气息处于高八度状态，可以用2表示。

例如，通过能量包络对图2所示的用户气息信号进行判断的结果如图3所示，从图3的判决结果可以看到，虽然可以准确区分用户气息的低八度状态和无气息状态，但是高八度状态中有很多采样点的用户气息被判定为了低八度状态，造成这种错误的原因是：用户气息信号的波形都是一个由低到高，再到低的渐变的过程，相当于正弦波的波形变化趋势，因此对于高八度状态的用户气息，虽然信号很强，但是在气息开始和结束的时候，能量都比较低，因此很容易误判为低八度状态的气息。

为了解决这个问题，本发明实施例提出了一种增加高音保持的算法，即如果当前已经将用户气息判定为高八度状态的气息，则后续气息的能量包络只要能超过较低的第一阈值，则继续将该气息判定为高八度状态的气息。

因此，较佳地，若当前帧的前一帧用户气息信号为高八度气息信号，并且当前帧用户气息信号的能量包络大于或等于第一阈值，则确定当前帧用户气息信号为高八度气息信号。也就是说，若当前帧的用户气息信号的能量包络大于或等于第一阈值，并且当前帧的前一帧用户气息信号为高八度气息信号，则即使当前帧的用户气息信号的能量包络小于或等于第二阈值，也判定当前帧用户气息信号为高八度气息信号。

采用了高音保持算法后的判决结果如图4所示，通过比较图3和图4可以看出，采用了高音保持算法后的判决结果更加准确了。然而，从图4可以看出，对于高八度气息的判决，在波形的中部和尾部都完全正确，但是在开始的一段时间内仍然将气息错判为低八度气息。因此，本发明实施例进一步采用另一个参数，即过零率来进行辅助判决。

所谓过零率，是指信号穿越0点的次数。如果气息越快，则信号越强，即能量包络越大，对应的过零率越高；反之越低。也就是说，高八度气息信号的过零率要高于低八度气息信号的过零率。

较佳地，采用过零率对用户气息信号的类型判决，只应用在检测到存在用户气息的前几帧进行判决，后续的判决可以通过上述能量包络的判决方法执行。

因此，本发明实施例中，对于初始的前若干帧（具体的帧数，可以根据实际需要进行设置）用户气息信号，检测能量包络大于或等于第一阈值的每一帧用户气息信号的过零率；如果该帧用户气息信号的过零率大于预先设置的过零率阈值时，则确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；否则，确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

例如，假设令过零率表示为ZTR，ZTR的值可以通过下列公式计算得到：

如果sig(i)*sig(i+1)<0,则ZTR=ZTR+1。

即如果连续两个采样点的用户气息信号相乘小于零，则表示用户气息信号对应的波形穿越了一次零点，因此需要对ZTR加1。

假设预先设置的过零率阈值为ThresholdZ，则：

如果ZTR>ThresholdZ，则将当前采样点的用户气息信号判定为高八度气息信号；

如果ZTR≤ThresholdZ，则将当前采样点的用户气息信号判定为低八度气息信号。

采用了过零率对用户气息信号的类型进行判决后的判决结果如图5所示，由图5可见，用户气息信号类型的判决结果非常准确。

参见图6，本发明实施例提供的一种气息检测装置包括：

能量包络确定单元11，用于确定每一帧用户气息信号的能量包络。

气息类型分类单元12，用于通过将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号。

较佳地，所述气息类型分类单元12包括：

比较单元121，用于将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，其中所述第一阈值小于所述第二阈值。

气息有无判定单元122，用于如果每一帧用户气息信号的能量包络小于所述第一阈值，则确定该帧不存在用户气息；否则，对于初始的前若干帧用户气息信号，触发高低八度初始判定单元123进行判定；对于后续用户气息信号，触发高低八度判定单元124进行判定。

高低八度初始判定单元123，用于在接收到气息有无判定单元122的触发后，对于初始的前若干帧用户气息信号，检测能量包络大于或等于所述第一阈值的每一帧用户气息信号的过零率；如果该帧用户气息信号的过零率大于预先设置的过零率阈值时，则确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；否则，确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

高低八度判定单元124，用于在接收到气息有无判定单元122的触发后，在每一帧用户气息信号的能量包络大于所述第二阈值时，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；在每一帧用户气息信号的能量包络大于或等于所述第一阈值，并且小于或等于所述第二阈值时，确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

较佳地，所述高低八度判定单元124，进一步在当前帧的前一帧用户气息信号为高八度气息信号，并且当前帧用户气息信号的能量包络大于或等于所述第一阈值，则确定当前帧用户气息信号为高八度气息信号。

较佳地，所述能量包络确定单元11确定的每一帧用户气息信号的能量包络的值为该帧各个采样点的能量包络的平均值。

综上所述，本发明实施例，通过气息采集设备采集用户气息信号，并确定每一帧用户气息信号的能量包络；通过将每一帧用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号，从而实现了根据气息的强弱变化实现对气息的多种类型的划分，使得吹奏类的电子乐器不但能用气息的有无来决定音长，而且还能控制声音的高低八度，可以仿真真实的吹奏类乐器。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种气息检测方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号的步骤包括：

将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，其中所述第一阈值小于所述第二阈值；

若每一帧用户气息信号的能量包络的平均值小于所述第一阈值，则确定该帧不存在用户气息；

若每一帧用户气息信号的能量包络的平均值大于所述第二阈值，则确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；

若每一帧用户气息信号的能量包络的平均值大于或等于所述第一阈值，并且小于或等于所述第二阈值，则确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若当前帧的前一帧用户气息信号为高八度气息信号，通过将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号的步骤包括：

将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的第一阈值进行比较；

当前帧用户气息信号的能量包络的平均值大于或等于所述第一阈值，则确定当前帧用户气息信号为高八度气息信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于初始的前若干帧用户气息信号，通过将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的阈值进行比较，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号或低八度气息信号的步骤包括：

检测能量包络的平均值大于或等于预先设定的第一阈值的每一帧用户气息信号的过零率；

如果该帧用户气息信号的过零率大于预先设定的过零率阈值时，则确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；否则，确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

5.一种气息检测装置，其特征在于，所述装置包括：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述气息类型分类单元包括：

比较单元，用于将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，其中所述第一阈值小于所述第二阈值；

气息有无判定单元，用于如果每一帧用户气息信号的能量包络的平均值小于所述第一阈值，则确定该帧不存在用户气息；否则，触发高低八度判定单元；

高低八度判定单元，用于接收到气息有无判定单元的触发后，在每一帧用户气息信号的能量包络的平均值大于所述第二阈值时，确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；在每一帧用户气息信号的能量包络的平均值大于或等于所述第一阈值，并且小于或等于所述第二阈值时，确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述高低八度判定单元，用于若当前帧的前一帧用户气息信号为高八度气息信号，将每一帧用户气息信号的能量包络的平均值与预先设定的第一阈值进行比较；并且当前帧用户气息信号的能量包络的平均值大于或等于所述第一阈值，则确定当前帧用户气息信号为高八度气息信号。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述气息类型分类单元还包括：

高低八度初始判定单元，用于对于初始的前若干帧用户气息信号，检测能量包络的平均值大于或等于预先设定的第一阈值的每一帧用户气息信号的过零率；如果该帧用户气息信号的过零率大于预先设定的过零率阈值时，则确定该帧用户气息信号为高八度气息信号；否则，确定该帧用户气息信号为低八度气息信号。