如何在手机上实现高精度及自适应多种场景的计步器算法

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前言

随着当前智能终端的普及，人们可做的事情变得越来越有趣，比如计步器。传统的计步器一般是一个单独的设备，戴在身体的某个位置，由于必须在用户身上增加一个设备，推广起来有一定阻力。其实，计步器只需要一个3-轴加速度传感器就能做到较高的记步精度，类似三星note3的计步器精度在95%以上。当前智能手机一般都含有加速度传感器，许多人开始在手机上做计步器。可惜目前Android市场上大多数计步器精度都不理想，经本人测试，目前最好的是三星的note3的健康伙伴，更关键的是三星使用了sensorhub的技术，在保持精度的同时，做到了超低功耗。
在手机上做计步器相较于传统的计步器最大的难点在于手机使用时位置不固定，计步器要能适应不同放置位置和不同走路场景，这就要求计步器算法有很好的动态调整能力。

计步器模型介绍

关于人走路的模型，前人[1]已经做了很多研究，不再累赘。总结来讲，人在走路时，加速度传感器会形成一个类似正弦波形图，因此可以根据检测波峰波谷记步。见下图：

算法

概述

1. 特征选取
2. 滤波
3. 基于动态阈值检测步数
4. 步数矫正

特征选取

考虑到手机在不同放置情况下传感器的每个轴会有不同表现，因此，取其强度特征可以避免该类问题，即取三轴平方和。

滤波

滤波是一种常见的数据预处理方法，特别是手机上加速度传感器数据存在一定的噪音，经过滤波后能得到较平滑的数据。滤波算法有许多中，常见的有数字滤波，也可以叫中值滤波、高斯滤波、快速傅里叶变换。本人试过几种滤波算法后，发现采用中值滤波即可满足需求，因为算法的瓶颈并不在此。另一个考虑是终端的计算资源有限，过多的计算将造成大量的耗电。

简单来讲，即取一个时间窗做平滑，假设以50HZ的频率采集加速度传感器数值，即在Android中注册Sensor频率为Fastest（不同手机可能会有差异）。我采用5个数据做一次平滑，即收到5个数据算一次平均值，当做当前值。当然，你可以增加时间窗长度，但是需要考虑用户体验，不能延迟太久。

动态阈值

通常，计步器有两种思路：一种是通过计算过零率来记步；另外一种是计算极大值和极小值，判断峰谷值来记步。两种算法的思想类似，都需要设置阈值。为了适应各种不同的位置和走路姿势，你不能简单设一个阈值来检测步数。第一种方法容易出现误记，需要结合其他方法排除在mean值附近抖动的数据。第二种方法容易出现漏检，同时如果误记，还会影响到后续的记步，因为在一次步伐中出现好几个峰谷是很正常的，如何去除这些数据的影响需要良好的设计。

本人采用的检测峰谷值得方法记步，但不是通过计算极大值和极小值，而是设置波峰的阈值和波谷的阈值，即当数据大于波峰阈值时，都记为未确认峰值，保存其中最大的一个，这样可以避免数据在上升途中偶尔出现的抖动。同理，作用于峰谷。
检测出峰谷之后，通过保存一个时间窗，通过里面的峰谷个数记步。这里更多的是工程上的设计。

步数矫正

基本思想是人类走路的特性，人的步伐速度在200-2000ms之间，通过记录记步的时间戳，矫正步数。步伐间隔<200ms和>2000ms，认为是无效步数。这部分也是目前终端计步器算法的核心，做的好的公司都有相应的矫正机制。

总结

计步器算法的基本思想大致如此，最终产品的表现还要不断打磨，针对异常场景进行优化。最后，终端设备上应用不可避免的是功耗问题，如果开了计步器，你的手机用半天就没电，估计没人愿意用。目前市场上许多低功耗计步器算法，大多以降低精度为代价。目前看来只有三星采用高通的sensorhub方案有较好的表现。

参考：

[1] 利用3轴数字加速度计实现功能全面的计步器设计

[2] Github上的一个计步器实现代码 改代码直接使用效果不好