用于再现人体感知信号的电子设备和方法

专利名称：用于再现人体感知信号的电子设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于再现人体感知信号(human perceptual signal )的电子设备，比如音乐播放器。本发明更进一步地涉及一种再现人体感知信号的方法。本发明还涉及一种启动可编程设备执行再现人体感知信号的方法 的软件。
背景技术：
从W02004/072767已知一种用于再现人体感知信号的电子设备。 W02004/072767描述一种音频再现设备，该设备修改音频信号的节奏 (tempo),使得修改后的音频信号的节奏与选定节奏之间的偏差处于预 定义的可接受范围之内。所选节奏可以基于人的心率、步速(pace) 和/或用户指定的节奏。这种音频再现设备的缺点在于它没有唤起人的 最佳表现(performance)，最佳表现是最有利于人体健康的表现。发明内容本发明的第一目的是提供开篇段落所述的那种电子设备，该电子 设备能够唤起人的更有益的表现。本发明的第二目的是提供开篇段落所述的那种方法，该方法能够 唤起人的更有益的表现。根据本发明的笫一目的通过电子设备来实现，这种电子设备包括 电子电路，该电子电路有效地(operative)根据人的步速来选择人体 感知信号，根据人的身体状态(physical state)修改人体感知信号， 这种修改被限制为某个最大值，并且再现该人体感知信号。测试已经 表明，简单地使音频信号与目标步速或者目标身体状态同步并不能激 励或者使用户放松以达到那个目标。为了使人改变其步速(从而改变 其身体状态)，选择几乎与人的步速同步的音频信号是至关重要的。 是否需要修改音频信号取决于人是否需要改变其步速。是否需要修改 其步速取决于是否达到了身体状态目标(例如心率目标)。达到并保 持身体目标对人体的健康是有益的。
人体感知信号可包含，比如，音频、视频、光线和/或触觉反馈。 电子设备可以是静止设备或便携设备。比如，电子设备可用于健身俱 乐部、家庭和/或户外。选择人体感知信号的步骤可以包含选择新内容 项或修改已播放的内容项的人体感知信号。优选地，当新内容项是音 乐项目时，根据其节奏选择新内容项。优选地，当新内容项是音频信 号时，修改人体感知信号的节奏。比如，当骑自行车时人的步速可以是每分钟的转数，而当跑步时人的步速是每分钟的步数(steps)。比 如，可以通过测量人的心率来判断人的身体状态。如果身体状态匹配 目标状态，则不需要修改人体感知信号。在本发明的电子设备实施例中，如果人的身体状态不满足某个标 准，那么通过增加人体感知信号的节奏，由电子电路有效地修改人体 感知信号。这个实施例可用于激励人满足其身体状态目标(例如，如 果人的步速太慢就无法达到其心率目标)。电子设备可以进一步地包含用于暂停当前锻炼的用户控制器以及 可配置成在当前锻炼暂停时不会增加人体感知信号节奏。这样防止电 子设备在人并不真正想被激励时去试着激励人。当当前锻炼暂停时， 可以选择特定的人体感知信号。如果当前锻炼目标包括锻炼的目标长 度，那么也可以暂停已经过的时间。如果人的身体状态超过某个标准，则电子电路可以通过减少身体 状态信号的节奏，来有效地修改人体感知信号。这可以用来使人放松 ，以满足其身体状态目标(例如，如果其心率过快)。电子电路根据人的步速可以有效地选择人体感知信号，并且如果 人的身体状态满足某个标准并且不超过该标准，那么电子电路可配置 成不修改人体感知信号。如果满足人的身体状态目标，这种方式则可 用于使人保持其当前步速。根据预测的未来数秒内人的步速和/或身体状态，电子设备可以有 效地选择待再现的新内容项。这样避免了必须太频繁地选择新内容项 ，而且避免了必须太频繁地对音频信号进行大量修改。根据目标步速 和/或身体状态，或者根据人的步速和/或身体状态的历史，可以预测 步速和/或身体状态。电子设备可以进一步地包含用于跳到下一项身体锻炼的用户控制 器，下一项身体锻炼与下一项标准相关。每种锻炼都可以具有其自身
的身体状态(例如心率)目标。如果人希望提前结束锻炼，那么这个 用户控制器确保电子设备不会错误地激励人或者使人放松。根据本发明的第二目的是实现一种方法，该方法包括步骤根据 人的步速选择人体感知信号，根据人的身体状态修改人体感知信号， 修改限制于某个最大值，以及再现人体感知信号。


参考这些附图，本发明的电子设备和方法的这些方面及其他方面 将得到更进一步地阐释和说明，其中图l显示用于本发明的方法的实施例的健身方案(workout scheme)实例；图2是本发明的方法实施例的流程图；以及图3是本发明的电子设备的框图。附图中对应的元件由相同的附图标记来标识。
具体实施方式
使用音乐会引起体育锻炼的兴趣，尤其会引起对单独的、重复的 和耐久性运动的兴趣。在锻炼之前或锻炼期间听音乐被认为通过神志 分离、激励以及通过改善情绪状态来提高运动输出量，并被认为提供 了改善的控制和学习电机控制的技能。因此，音乐可以是对跟上体力 锻炼(physical exertion)的极好的指导，当这种体力锻炼是单调 的、重复的和厌烦的情况时尤其如此。跑步者戴着耳机听音乐已经成 为每天出现在街上的情形。许多消遣型锻炼者和持久型运动员/运动爱好者与针对他们的健 康和运动经历的个人训练程序一起运作。这些训练程序基本上定义了 需要进行的锻炼顺序，以及每个个人锻炼的持续时间和强度.它们适 合于一个完整的计划并且随着时间推移而进行修改，要么努力达到最 佳表现、体重控制，要么伤势康复。本发明的方法优选地在用于体育锻炼的个性化音乐系统中使用， 该个性化音乐系统实现了体育训练程序、音乐选择和音乐重放( playback)的集成。它将使体育锻炼更令人愉快，并将帮助用户跟上 训练程序中设定的预期目标。简而言之，在健身(work out)之前， 该系统支持用户预先选择适合于训练程序中体力锻炼的优选的音乐。 在健身期间，选择歌曲重放，并且修改音乐重放的性质，特别是音乐
的节奏，从而反映或者指导以心率和运动频率所表示的当前用户表现 。在健身之后，为了目测检查、为了训练程序修改以及为了通过学习 来精选未来的音乐，收集表现数据和回放数据。即使当这些体力锻炼引起单调、厌倦、疼痛、疲劳和精疲力尽的 感觉而没有提供即时奖励时，许多单独的耐力运动练习需要激励使人 坚持下来。在运动和锻炼心理学领域，假定锻炼者使用多种联合的/内部的 (associative/internal ) 和分离的/夕卜部的 ( dissociative/external)策略来应付因运动消耗(sport exertion) 而产生的身体强度和所需的耐力的实际需求。在低于适度的体力负荷 的情况下，锻炼者能自动转移(即，"分离")对来自肌肉、关节、 心血管和肺部系统的内部感觉的注意力。所用的分离策略是意象创造(imagery product ion )、积极心情发展(pos i t ive mood development )(例如，通过回想一生中美好的事情)、考虑工作、事业或社会关 系、创建自我效能(self-efficacy)、自尊和自信、或者进行诸如心 算之类的问题解决(problem solving)。显然，在大约70%的最大心 率储备(maximal heart rate reserve (M磁))时，锻炼者被迫开 始将他们的注意力从外部提示转回到身体不适的内部感觉上。在感觉 到极端疲劳或者精疲力尽的体力负荷程度时(例如，处于90% V(hMAX )，锻炼者不能再将他们自己与即将来临的痛苦感觉相"分离"。取 而代之，锻炼者必须直接与痛苦进行"战斗"，从而坚持他们的锻炼 ，这需要高水平的激励和锻炼忍受力(exertion tolerance)。除使得体力锻炼更令人愉快之外，音乐还可以帮助锻炼者脱离费 力的感觉，甚或成为持续努力的激励因素。研究已经表明快速音乐( up-tempo)可以提高表现，不过仅对低且适度水平的锻炼的体力任务(即，具有次最大努力)有效。在明显的70WMHRR临界水平时加倍音乐 步速使锻炼者能够推迟他们的疲劳时间；看起来音乐节奏的改变似乎 帮助他们延长使用"分离"应付策略的周期。如果锻炼者被明确指示 要与播放的音乐同步，那么表现将得到提高。特别地，当踏蹬速度与 音乐同步时，耐力在静止的、恒定步速自行车任务中得到提高。与没 有音乐的效果相反，与踏蹬不协调的背景音乐不能显示出相同的效果 。在高强度锻炼(例如，90% V02MAX)时，费力的感觉变得势不可挡 并且毫无差别，然后达到极端疲劳和精疲力竭的程度。如已提及的那
样，在那种费力的程度下，锻炼者不能再主动地将他们的注意力转移 到外界刺激上。因此，虽然音乐仍比没有音乐的情况能为任务带来更 大的享受，但音乐不会帮助他们改善以维持他们的努力。单人耐力运动和音乐回放的恰当结合已经产生出消费品。电子设备公司Philips和运动装制造商Nike的商业合作创造出一种组合设备 ，称为MP3Run (PSA260 )，该设备用作便携式音乐播放器和表现/训练 显示及记录系统。该播放器是256MB的闪存设备，用于播放约4到8个小 时MP3或WMA格式编码的音乐，并且该播放器包含FM收音机。可以通过 下载来更新音乐。对于表现记录，该设备带有向该设备无线传送(使 用Bluetooth )速度和距离数据的计步器，用于显示和按需(on-demand )音频反馈。表现数据可以上传到个人计算机以便检查。然而，音乐 回放或更新与表现并没有结合。训练程序规定在单项训练中日程安排的身体锻炼的顺序。锻炼的 定义可以包括(参见图l):锻炼类型，它指的是在类似跑步、骑脚踏车、划船、有氧运动和 健身之类的运动中的锻炼；锻炼持续时间，其指定进行所述锻炼的时间段，它可能处于规定 的强度级别；锻炼强度，其指定所述锻炼应该在什么劳累级别进行.它可以按 照最高心率储备(MHRR)的百分比进行表示，它可以指定想要的心率 范围。例如，用于提高耐力和最佳心血管训练的有氧心率范闺是70-80% 的MHRR;锻炼严格度(exercise stringency)，其告知所述锻炼在 持续时间和强度方面应多么严格或者多么宽松。对于特定的锻炼类型，参数是不相关的或是不能预测的。例如， 热身或拉伸锻炼期间的心率是非常小相关的，并且假定处于休息状态 。事先还无法得知从劳累状态恢复到心率处于平静状态需要花费多长 时间。注意，对于那些宁愿"轻松跑着穿过公园"而不愿专心致志于训 练程序的人而言，训练程序也可以包含诸如跑步一'J、时之类的单项锻 炼。典型地，训练程序是一个完整和个性化的培训计划的一部分，完 整和个性化的培训计划用于实现定义明确的长期目标，比如努力在体 育赛事中达到最佳表现、延长耐力、增强实力(strength and power)、减肥、变得更健康、保持健康、或使身体康复。这些计划和这些 训练程序一起由运动生理学家、教练、训练员、运动和健康咨询公司 或由人们自己创制，它们也可能借助于现代计算机技术的帮助。在如图2所示的本发明实施例中，在4个使用阶段利用喜好的音乐 帮助用户跟上设置在训练程序中的期望目标。4个阶段是安装阶段(未 显示)、准备阶段l、锻炼阶段2、和反馈阶段4。安装阶段、准备阶段 1、和反馈阶段4是离线的。换言之，在体力锻炼前后在家中使用个人计算机执行涉及这些阶段的任务。反之，当用户进行身体锻炼时，锻 炼阶段2是在线的。安装阶段第一次使用该系统需要安装阶段(未显示)以个性化该系统。在 一个对话中，该系统向用户请求相关的个人数据(例如，姓名、性别 、年龄)、锻炼和生理数据(例如，体重、含脂率、安静时心率、最 大或峰值心率、步频、步长)、以及运动经验水平(即，初学者、中 等的、有经验的)。另外，可以改变或增加锻炼的定义和对音乐的好 恶。该系统可由多个用户使用，不过他们全都有其个人资料。用户总 是可以回到这个安装阶段以复位他们的数据。准备阶段l准备阶段l与离线训练程序创建和音乐预选相关。准备好的训练计 划可以提供使用、修改，或者可以从头开始创建，接着，从适合该训 练程序的更大的音乐集合中选出喜好的音乐，在实际训练开始之前进 行音乐预选，从而确保轻松自在(hassle-free)的运动和音乐体验。 另外，它克服在当前基于闪存的便携式播放器上的存储限制。不同的 训练锻炼在运动、步速、强度和持续时间方面具有相当不同的特点。 例如，热身不同于间隙式训练练习，因为它不考虑锻炼强度或用户表 现。相反，热身需要锻炼者的全部注意力。这些不同的锻炼特点需要 选择不同的喜好音乐。音乐和训练程序都下载到可携带的便携式播放 器中。在系统的音乐预选策略中设计以下要求在训练程序中考虑与锻炼相关的个人音乐偏好，该个人音乐 偏好涉及对歌曲的好恶、音乐流派、艺术家等。选中的音乐数量整体来看与各个锻炼的持续时间成比例并且 与训练程序的持续时间成比例。
音乐根据锻炼强度来选择。特别地，锻炼强度被转换为音乐 节奏特性。采用用户表现指示器来学习需要在未来的预选中包括或排除 什么歌曲。为了使音乐预选处理定形，我们将歌曲定义为一个具有iT个属性值 的有限矢量"(v'，…v》。这些属性反映目录数据或音乐的内在特征的标签，音乐内在特征比如是唯一标识符、标题信息、艺术家姓名、流派 、持续时间、音乐节奏和拍子记号。用于这些标签的值可以容易地由来自第三方的在线服务或者音乐信号处理算法来提供。对于每个第ir个 属性的全部可能值都集中在由A表示的属性域中。01首歌曲的有限集#= 表示用户的音乐集合。通过产生一个播放集合来实现音乐预选，该播放集合被定义为/7首歌曲的(无序)集合/7=("，...，,)，其中对于/' =1,...，/2而言仄^。我们使用 /7"表示播放集合中第/首歌曲的第i个属性值。为了注解方便，我们考 虑将待获知的播放集合/7的大小。实际上，使播放集合的大小是可变的对于每项单独的锻炼，通过可以产生播放集合的用户或系统来定义一组约束(constraint) (7。另外，约束被定义成将适用于整个训练 程序，例如，以便保证为这些锻炼选择不同的歌曲，并且约束被定义 成全部音乐都适合于便携式播放器。全部播放集合都合并成将在锻炼 阶段中使用的一个预选音乐集合。约束是在声明项中告知什么歌曲应 该在播放集合中什么歌曲不应在播放集合中的限制。约束可以反映一 项锻炼中用户的音乐偏好或对适合体力锻炼的音乐属性的限制。如果 播放集合满足由约束条件定义的限制，那么认为播放集合满足一个约 束。否则，认为它违反约束。如果用户在做特定锻炼时不,欢带有特定属性(例如，艺术家或 流派)的音乐，她可以通过用户界面向该系统通知这个事实以防止选 择这类音乐。然后，该系统用具体例子例示说明一个#餘约束(exclude constraint)。形式上，#/^约束由四维数(i, H给出，其中p是播放集合， /7是;7的大小，i是属性号码，uhiT, r是一组属性值，r^A，表示对于全部i"、/ ，它必须保持/ "gr。另一方面，如果用户,欢带有特定属性的音乐，那么该系统用具体例子例示说明一个^嶔(counting)约束，该^炎约束在播放集合 中限制和强制特别属性值的出现次数。形式上，^炎约束由六维数(ir, & a, 6)给出，其中;7是播放集合，/2是/7的大小，f是属性号码，"i^iT， K是一组属性值，7￡Z>*， a和6分别是下限和上限，表示它必须保持"l {1"、/2|/7" e「 } |"。如果锻炼具有限制的持续时间，那么需要选择一组具有相似的总 计持续时间的歌曲，对其可使用挣禁^/>7 (duration)约束。形式上 ，摔饔^/V约束由五维数(A",i,a, 6)给出，其中/7是播放集合， "是j 的大小， f是属性号码，"hf，a和6分别是下限和上限， 表示它必须保持"力/7""。('=1一项锻炼通过其强度和严格程度，限制在需要包含的音乐节奏范 围上的播放集合生成。如果我们假定运动频率将与音乐同步(或反之 亦然)，仅仅需要带有特定音乐节奏范围的音乐，对其可以提供范围 约束。对于每个特定用户需要学习与锻炼相关的在音乐节奏上的精确 限制。形式上，范围约束由五维数(A",i, K『)给出，其中P是播放集合，/2是P的大小，ir是属性号码，Uh/， r和『分别是下限和上限，其中K w^e A表示对于全部1《""，它必须保持F^/7,^w。同样地，好象从统计分布(例如，正态分布)得到第i:个属性值一样，可以为播放集合产生 歌曲。注意，限定歌曲顺序的约束并未建模，因为播放集合被认为是无 顺序的集合。1)通过局部搜索得以实现满足一组约束是一个NP-hard组合难 题。因此不太可能存在计算满足任何给定约束集合的播放集合的多项 式算法。如果约束冲突，则甚至存在没有可行解的情况。因此，不是 寻求精确解，而是通过使用局部搜索计算近似解。在这个局部搜索方 法中，每个播放集合上的约束都被转换为标准化的、智能拼接线性惩 罚函数(piece—wisely linear penalty functions)。 如果满足约 束，则每个惩罚函数被定义为零，如果不满足约束，则每个惩罚函数 被定义为大于零，并且随着违反约束的数值增加而增加。举例来说， 用于#凝^>7约束的惩罚函数定义为<formula>formula see original document page 11</formula>
其中o"-^ / "并且5=迈ax(a 一 /min "" n max A一W。如果全部第A个属性值的总和(例如，总持续时间)处于范围[a, 6]之内， 那么处罚是零。否则，处罚是总和与最接近的下限或者上限之间的标 准化差值(normalized difference)。总处罚定义为涉及的全部惩罚函数的加权凸组合(weighted convex combination),权重表示如果还没有满足约束，那么不满足 的情况有多严重。 一些约束很严格，而其他的约束表示可以部分地违 反。相对于选择多于可以适合于一项锻炼的音乐而言，选择太少所喜 好的艺术家的歌曲可能更严格。为了找到最小化总处罚的播放集合，局部搜索考虑完全解或者播 放集合。通过在每次迭代中应用随机的、小的改变而逐解步进。这种 可以允许的改变是(i)增加歌曲，(ii)删除歌曲，以及(iii) 用一首新歌代替一首歌。因为在此并未提及序列顺序上的约束，所以 改变歌曲顺序没多大关系。如果新产生的音乐选择优于原始的音乐选 择，那么接受新的音乐选择，并且进入局部搜索的下一个循环。如果
新的解更差，则可按照某一概率接受该解，该概率随着劣化(deterioration)量而减少，而且也在算法的过程中减少。换言之，搜 索过程"冷却下来"，这称为模拟退火，从而避免陷入局部极小值。 模拟退火需要用于温度控制的预定义的冷却计划表(schedule);标 准线性冷却计划表被采用。对上述方法的小的修改不会将全部约束转换为惩罚函数，但通过 预处理(即，使用约束传播原理(constraint propagation principles ))处理了一些容易的约束。例如，如果用户想要全部歌曲都是摇滚 歌曲，那么人们通过仅使用来自于音乐集中的摇滚歌曲而不考虑其余 全部歌曲即可轻易实现。 锻炼阶段2参见图2，锻炼阶段2是在线阶段，其中当用户锻炼时回放预选音 乐。在训练程序中的锻炼指令将回放什么音乐。系统(目前是便携式 播放器)利用与心率传感器的无线连接监视和记录诸如心率之类的用 户表现数据，利用与计步器的无线连接监视和记录运动频率(即，跑 步者的步频)和奔跑速度。根据所需的激励模式，音乐回放适合于当 前用户表现或者当前训练目标。除标准的线性回放之外，已经实现了下列高级音乐回放模式恒定节奏(constant tempo):以恒定节奏回放音乐，从而激励锻炼者将其步速与用于增强耐力的音乐同步。其目标在于帮助锻炼者在 一段距离上平均分配其体力，并且减少由于短暂的高强度运动造成的恢复费用。步速匹配(pace matching):音乐节奏连续适应于锻炼者的当前 步频，从而支持以不同的步频进行奔跑，而无需全神贯注于持续的时 间。步速影响(pace influencing):通过使锻炼者的步伐与音乐同步 ，加速/减速音乐节奏以激励锻炼者按同样方式加速/减速。在这种情 况下，目的在于达到训练程序中定义的一个表现级别。在步速影响模式下执行的方法包括步骤7，根据人员3的步速选 择人体感知信号；步骤8，根据人的身体状态修改人体感知信号，修改 限于某一最大值；以及步骤9，再现人体感知信号。不同的回放模式与不同的锻炼方式相关，不同的锻炼方式可以有
不同的运动类型(例如，跑步、骑脚踏车、间隙休息(interval)、 慢跑)、步速、强度、和持续时间。假定在锻炼时测量用户的表现。 用户表现可以表示为使用计步器测量步频中的跑动步速，表示为使用 转器测量绕转频率中的骑车步速，或者表示为使用心力计( cardiometer )测量每分钟心跳的心率。对于跑步而言，步频可取为表 现的单位。对于骑脚踏车而言，蹬车频率的一半可取为表现的单位。 对于划船而言，整个划桨周期的一半可取为表现的单位。对于心率而 言，单次心跳可取为表现的单元。可以为不同的运动定义不同的表现 单位。然后根据当前用户表现和当前所选的回放模式来修改音乐回放 的特性(例如，节奏、音量、声音位置、均衡)。例如，如果需要的 话，音乐回放的节奏可以通过音乐转换技术(例如，时间拉伸)来进 行控制。回放的模式被扩展到多首歌曲，暗示根据回放模式和当前用 户表现来选择新的歌曲。显然，用户对回放进行控制；利用播放器上的交互控件可以跳过 或者延长歌曲及锻炼。此外，可以选择不同的回放模式。最后，监视 当前锻炼的持续时间和强度，用于向用户发出进行下一项锻炼的信号 。根据当前用户表现、当前锻炼目的、音乐回放模式和已播放歌曲历 史来选择歌曲。不同的音乐回放模式需要不同的控制和音乐选择策略。无需对标 准的线性回放进行进一步的详细描述。该系统是带有便携式音乐播放 器、心率监视器(通常包括带有无线发射器的胸带(chest belt),以 及连接到播放器的接收器)和步频监视器(使用连接到播放器的计步 器)的结构(set-up),所用的胸带传输每次心搏的脉冲。该系统使 用输入脉冲时间间隔的5点移动平均数作为当前心率。对于步频而言， 也使用5点移动平均数。A)恒定节奏如果歌曲的原始节奏不满足想要的节奏，那么恒定 节奏的音乐回放通过时间拉伸来改变给定歌曲的节奏。简而言之，时 间拉伸是在不修改音调(pitch)的情况下，根据比例因数缩短或延长音 频数据文件。显然，对于在线拉伸和回放而言，这需要进行得比实时 更快；采用基于同步叠加(synchronous overlap-and-add ) (SOLA )的标准的时间域技术。比例因数表示歌曲的想要的节奏和原始节奏 之间的比率。因为修改太多(例如，超过125%)的音乐听起来相当难
听，所以对极大的比例因数(extreme scale factors)不能无妨i也 进行时间拉伸。因此，用于回放的(下一首)歌曲被定义为原始节奏 最接近于想要的节奏并且最近还未被回放的歌曲。如果想要，则不连 续地播放同一位艺术家的歌曲。B)步速匹配锻炼者受到与其运动同步的音乐的激励。步速匹配 使音乐与用户的步频同步。步频，或者步速，是用户的脚在一分钟过 程中落地的次数，并且以每分钟的步数表示(spm)。音乐节奏以每分 钟的拍子表示(bpm)，其中在4/4节拍中的一个音乐小节包含4拍。为 了使音乐节奏匹配步频，需要使用时间拉伸来更快或更慢地播放音乐 。涉及时间拉伸的比例因子的典型极大值是-15%到+25%。对于具有 100bpm节奏的歌曲而言，这导致拉伸范围是[85， 125]。因为脚冲击地面的时刻仍可以与一个音乐拍相合，所以当步频是 150spm时还可以认为以75bpm节奏播放音乐是匹配的。注意，我们假定 音乐节奏和用户的步幅是同相的。通常认为步频的倍数(2倍、4倍、8倍.......))或整分数(integral division) (1/2,1/4,1/8，……)与音乐节奏匹配。例如，如果当前歌曲的节奏是100bpm (意味着歌曲拉伸范围是 [85, 125])，并且步频是210spm，那么系统会将音乐播出节奏改变为 105bpm。如果步频是130spm，则不能在歌曲拉伸范围内找到有效的匹 配。在这种情况下，通过时间拉伸歌曲，音乐播出节奏转变为最接近 于步频的拉伸边界。然后，在当前歌曲已经播放足够长时间的情况下 (比方说30秒，以便随着时间减少重复的歌曲变化)，选中一首新歌 。为了使得转变没有突兀的节奏变化，这首新歌要求具有包括当前播 出节奏以及当前步频的拉伸范围。以一种平稳的方式改变播出节奏。当立即改变节奏时，音乐回放 中的间断(hick-up)是很明显的。另一方面，当改变需要很长时间时 ，系统响应太慢(即，超过10秒)，无法精确地匹配用户步频。在步 速匹配模式中指定系统响应时间的参数是L，它指定了由歌曲拉伸范围 所定义的播出节奏中最大变化将花费的时间。采用一个线性函数计算 从给定播出节奏转变到新的播出节奏的实际时间。这个函数以"表示， 它具有两个点，u(0)-0和"(=T ，其中Am表示播出节奏中的 最大变化。假定呈线性关系，但是作为未来的扩展，可采用平方根关
系与较大变化相比相对较快地传播小变化。当考虑上述带有假定Tm-1000亳秒的实例时，从100bpm到105bpm的变化将需要"(A!,n + 。5)J:—= 125毫秒。|85-125|c)步速影响为了激励锻炼者在某个心率范围之内达到和保持其 心率，该系统采用一个具有4个步骤的方法。1) 匹配音乐播出节奏和用户步频，从而确保它们之间的联系；2) 确定心率目标，并且从心率目标确定步频和音乐播出节奏子目标；3) 从当前播出节奏向由已确定子目标所想要的播出节奏传播音乐 播出节奏的变化。4) 等待心率稳定。这些步骤在一个连续循环中重复，直到已经达到锻炼目标。通过在步骤l中假定音乐播出节奏匹配步频，在步骤3中的播出节 奏变化将对用户步频产生同步效果。换言之，锻炼者将自动保持其运 动在时间上与以后的音乐播出节奏变化合拍。使用前述步速匹配模式 来匹配播出节奏和步频。 一旦匹配了步频，该系统就前进到下一步。在第二步中，比较用户的当前心率与当前锻炼的心率目标，并确 定差异百分比。通过直接将心率差异百分比应用于当前步频来预计所 需要的步频。根据运动生理学，我们知道心率将随着锻炼强度变化而 发生线性变化。换言之，心率增加10%则意味着步频增加10%。然后所需的步频被转换为所需的音乐播出节奏；所需的播出节奏可以是所需步频的倍数或者整分数.如步速匹配模式那样，当当前歌曲不能更进一步地拉伸以适应音 乐播出节奏变化时，该系统将播出节奏改变为最接近的可能值(即， 或者最大歌曲拉伸边界或者最小歌曲拉伸边界)。随后，选择一首具 有包括已达到的和所需的音乐播出节奏的拉伸范围的新歌。该系统保持心率测量的历史。由此，可以预测在接下来30秒中心率(由此所需的播出节奏)将如何进展。如果为了回放而需要改变歌 曲，该预测则对下一步最好选择什么歌曲提供了有价值的信息。这样 有效地使需要歌曲改变的数目最小化。因为由于忽略或者疲劳，突然改变播出节奏将导致用户无法跟上
这种变化，所以音乐播出节奏的变化不是立即进行的。取而代之，系 统考虑一段传播时间。如步速匹配模式中那样，采用一个线性函数计 算从给定播出节奏转变到新的播出节奏的实际时间。这个函数以ti表示，具有两个点，ti(0)-0和ti ( Am) =T ，其中A附表示播出节奏的最 大变化。最后，当已经传播了变化时，在进行附加变化之前，系统等待用 户心率达到稳定。根据经验，当测试时，用户的心血管系统需要一段 时间来适应额外的努力。系统不是在每次改变之后指定固定的等待时 间，而是寻找具有小的导数(derivative)值的连续心率中的差异减 少的趋势。另外，为了鼓励用户更强烈地运动，可以将音乐放得更大声，可 以加强低频，和/或可以回放音乐，彷佛音乐在听众面前一样。可以选 择具有对应于略高于当前用户表现的表现水平的节奏的新歌。另外， 为了鼓励用户不那么强烈地运动，可以将音乐放得更小声，可以减弱 低频，和/或可以回放音乐，彷佛音乐在听众身后一样.可以选择具有 对应于略低于当前用户表现的表现水平的节奏的新歌。 反馈阶段4反馈阶段4与离线表现存储和反馈有关。为了用户检查和系统学习 目的，存储了表现数据、实际执行的训练程序、以及实际回放的歌曲 列表。为了检查、自尊、激励以及为了向修改当前训练方法提供建议 ，可以采用图形方式显示表现数据。系统获取用于学习什么音乐最适 合于什么锻炼类型的数据。 找到适合于训练程序的音乐在特定锻炼中使用的音乐数据库中确定歌曲的适合性的最重要特 征是其节奏。其他特征包括例如，敲击次数(percussiveness)(歌曲中的拍的数量)、节拍、音调、录音中使用的乐器等等。因为存 储空间的数量常常有限，考虑到诸如"在一次训练程序期间不播放相 同的歌曲两遍，，或者"不连续播放相同艺术家的歌曲"之类的用户偏 好，必须找到一种确保正确的音乐处于便携式设备之上的方法，以便 总能够找到适合的歌曲。通过对每个锻炼产生节奏概率图，然后将这 些图合并为用于整个训练程序的整体节奏概率图，即可实现这个目的
在本发明方法的实施例中，确定匹配锻炼心率范围的步速，以便 找到适合于训练程序的音乐。令人遗憾的是，这种关系不是简单直接 的关系。由于诸如其中耐力(已经跑步多长时间)、疲劳、跑步者的 健康、天气情况和一天中的时间之类的因素，以某种步速奔跑而引起 的心率因用户的不同以及随时间的变化而不同。然而，可以假定某种平均节奏，其结果如下表HR性别年龄步速50%男30以下90. 250%男30-4088. 660%男30以下110. 170%男30以下116. 570%女30以下112. 970%女30-40110. 780%男30以下125. 0为锻炼确定平均节奏的另一个重要方面是锻炼在训练程序内部所处的位置。例如，当开始锻炼时需要达到心率110的步速可能是90，而 在30分钟之后，步速80就足以达到该心率。因此，可以根据性别和年 龄假定用户的疲劳曲线，其中记录了时间对需要达到某一心率级别的 步速的影响。这些粗略的表格和疲劳曲线以根据性别和年龄群体的用 户分类为基础。这种信息可由用户容易地输入，并且不需要许多时间 来进行系统校准。已经建立了对于训练程序中每种锻炼的步速的预测值，从这些平 均步速中可以假定呈高斯分布，估计锻炼中的特定节奏与典型心率范 围的相似性这个简单高斯函数中的平均数P是对于一个锻炼的平均估计步速，其中标准偏差C7表示结果图的宽度。考虑到先前锻炼(因为这个节奏很可能是当前锻炼将开始时的节奏)的估计节奏和下一项锻炼(基于 类似理由)的估计节奏，可以确定标准偏差。以上的全部都考虑了关 于用户类别(年龄和性别群体)表现的统计信息。此外，利用了来自训练程序的信息。然而，在锻炼期间，记录(logged)下用户的表现
数据并且在锻炼之后在反馈阶段收集用户的表现数据。这种数据可用 于使分配更加个性化。首先，可以对某种锻炼类型确定平均偏差，并且该平均偏差可以 与已经可提供的找到此类锻炼的更好标准偏差cr的统计信息结合使用 。此外，当考虑到用户的表现时，可以更加精确得多地确定函数中的平均节奏/z。进行这种结合的有效方法将是从用户表现中产生真实曲线 ，并且利用以前已经创建的一条曲线来平均这条曲线。相同的处理可 以用于用户疲劳曲线。这样，节奏的预测对于用户完成了的每项新锻 炼越来越精确。已经对每项单独锻炼创建了或多或少的精确的分布，所有这些曲线可以被概括为(summed up to)用于整个训练程序的整体分布。可 以考虑锻炼的相对权重。通过考察这些锻炼相对于整个训练程序的长 度的持续时间来确定这个权重。产生的问题之一是可以用千米或者目 标心率代替时间来表示一些锻炼持续时间。对于距离持续锻炼，考虑到用户疲劳曲线，该距离可以乘以平均跑速。对于目标心率，也可以 考虑到用户疲劳曲线。当已经建立起用于整个训练程序的整体分布时，这种分别可以映 射到在音乐(播放器)存储器上可提供的总播放时间。优选地，总播 放时间取决于存储器上的空间大小以及对每首歌曲的平均压缩水平。 参见图2，可以使此图匹配在准备阶段l中歌曲需要满足的约束之一。 用户界面在该系统的实施例中，系统允许用户停止、跳过、暂停或者重新 开始训练程序中的锻炼、播放列表中当前播放的歌曲、以及音乐回放 模式。音乐播放器通过仅播放预先为各个锻炼选择的音乐以及通过考 虑到这些锻炼的持续时间或者达到预定义的表现级别所花费的时间来 使音乐播放器本身严格遵守训练程序。音乐回放的用户控制通过包括 设置了访问交互控制的用户界面系统的本发明来实现。该系统开始于播放已经为笫一项锻炼预选的音乐。通过语音合成 和/或文本/显示提示将锻炼类型传送给用户。此外，例如通过显示和/ 或语音合成将歌曲信息传送给用户。锻炼可以具有预定义的固定持续 时间或者可以具有可变的持续时间。在后者情况下，锻炼将延长，直 到已经达到预定义的用户表现级别或者只要保持预定义的用户表现级
别为止(参见图l)。当锻炼和听音乐时，例如，当对于其他任务(诸如穿过道路或者 与路人交谈)需要全部注意力时，用户可以暂停音乐回放和锻炼。然 后可以重新开始播放音乐并重新开始锻炼。如果锻炼涉及达到或者保 持特定的表现级别，那么重新开始意味着再次开始锻炼。通过显示和/ 或语音合成向用户报告锻炼状态。如果不喜欢回放的特定歌曲，那么用户可以跳过当前播放的歌曲 。然后回放下一首预选歌曲。这首新歌的选择可以取决于回放模式。 关于这首新歌的信息被传送给用户。可以反复跳过歌曲，直到找到喜 欢的歌曲为止。新歌曲的选择是循环的，允许用户错误恢复并且完全 导航对于一项锻炼预选的全部歌曲。当可以结束锻炼时，用户得到通知。结束锻炼意味着已经预定义 的持续时间已经到期了 ，或者用户成功地达到了或者保持了特定的表现级别。可以通过听觉提示、振动提示、文本/显示提示、LED光线提 示，或者通过改变音乐回放特性(例如，放慢速度、更轻柔)来传输 这个信息。然后用户决定跳过当前锻炼进入到下一项锻炼。用户还可 以决定继续做当前锻炼；在一段短周期之后，设备将再次开始当前的 锻炼。即使该锻炼尚未结束，用户总是可以决定跳过当前锻炼。进入 到下一项锻炼是循环的。如果是训练程序中的最后一项锻炼，那么下 一项锻炼将是该程序中的第一项锻炼。这种循环特点允许用户错误恢 复并全面导航。系统的其他实施例可以仅具有上述特征的一部分。参见图3，本发明的电子设备21包括电子电路23。电子电路23有效 地根据人员步速选择人体感知信号，根据人的身体状态修改人体感知 信号，以及再现人体感知信号，而修改限制在某个最大值。电子设备 21可以是固定设备或者便携式设备。例如，电子设备21可以是一种当 人员进行体力锻炼时用于再现人体感知信号的内容再现设备。电子设 备21可以包含用于接收内容项目的输入25，例如，USB端口或者网络接 线。电子设备21可以包含用于在另 一个设备上再现人体感知信号的输 出25，例如，USB端口，网络接线，或者耳机插孔。电子设备21可以 含(固定的或者可移动的)存储装置31 (例如硬盘、固态存储器和/或 光盘读取器)。例如，存储装置31可以存储内容项。电子设备21可以 包含用于再现人体感知信号的再现装置29，例如，扬声器、触觉反馈
发生器、显示器或灯。电子电路23可以例如是多用途处理器或者专门 应用处理器。软件可用于有效地使电子电路23执行本发明的方法。尽管已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解，对 于本领域技术人员而言，在上述概括的原则范围内对其进行修改是显 而易见的，因此本发明不限于优选实施例，而且还包含了这种修改。 本发明在于每个新颖特征和每个特征的组合。权利要求中的附图标记 并不限制它们的保护范围。使用动词"包含"及其变化形式并不排除 存在除权利要求中所述那些元件之外的元件。在元件前使用量词"一 "或者"一个"并不排除存在多个这种元件。无论"装置"具有单一功能还是其他功能，无论"装置"是单独 工作还是与其他元件协同工作，对于本领域技术人员而言，"装置" 很明显意味着包括任何执行操作或者设计成执行指定功能的硬件(诸 如分离的或者集成的电路或电子元件)或者软件(诸如程序或者程序 的一部分)。可通过包括一些不同元件的硬件来实现本发明，也可通 过适当的程控计算机来实现本发明。"软件"应当理解成意味着任何 存储在诸如软盘之类的计算机可读介质上的软件产品、经由诸如因特 网之类的网络下载的软件产品，或者可以任何方式销售的软件产品。
权利要求
1.一种电子设备(21)，包括电子电路(23)，所述电子电路(23)用于根据人的步速选择(7)人体感知信号；根据人的身体状态修改(8)所述人体感知信号，修改限于某一最大量；以及再现(9)所述人体感知信号。
2. 如权利要求1中所要求的电子设备(21)，其中如果人的所述身 体状态不满足某个标准，那么所述电子电路(23)用于通过增加其节 奏来修改(8)所述人体感知信号。
3. 如权利要求2中所要求的电子设备(21)，进一步地包括用于暂 停当前锻炼的用户控制器，并且其中当所述当前锻炼暂停时，所述电 子电路(23)不增加所述人体感知信号的节奏。
4. 如权利要求1中所要求的电子设备(21)，其中如果人的所述身 体状态超过某个标准，那么所述电子电路(23)通过降低其节奏来修 改(8)所述人体感知信号。
5. 如权利要求1中所要求的电子设备(21)，其中所述电子电路( 23)用于根据人的步速选择(7)人体感知信号，并且如果人的所述身 体状态满足某个标准并且不超过所述某个标准，那么所述电子电路不 修改(8)所述人体感知信号。
6. 如权利要求1中所要求的电子设备(21),其中所述电子设备( 23)用于根据在接下来的数秒中预测的人的步速和/或预测的人的身体 状态，选择待再现的新内容项。
7. 如权利要求1中所要求的电子设备(21)，进一步地包括用于跳到下一项身体锻炼的用户控制器，所述下一项身体锻炼与下一项标准 相关联。
8. —种用于再现人体感知信号的方法，包括下列步骤 根据人的步速选择(7 )人体感知信号；根据人(3)的身体状态修改(8)所述人体感知信号，修改限于某个最大量；以及再现(9)所述人体感知信号。
9. 一种软件，用于启动可编程设备来执行权利要求8的方法。
全文摘要
用于再现人体感知信号的方法，包括步骤根据人(3)的步速选择(7)人体感知信号；根据人(3)的身体状态修改(8)所述人体感知信号；以及再现(9)所述人体感知信号。所述人体感知信号的修改限于某个最大量。本发明的电子设备包括用于执行本发明方法的电子电路。本发明的软件启动可编程设备以执行本发明的方法。
文档编号G06F19/00GK101119773SQ200680004840
公开日2008年2月6日 申请日期2006年1月30日 优先权日2005年2月14日
发明者F·维格诺利, G·L·维纳尔达, S·C·波维斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司