在心跳速率的特定范围内，个人进行的许多体育锻炼项目，并且 特别的是跑或慢跑会显著地更加有效。所要求的心跳速率因具有不 同年龄和健康因素的个人而变化。而且，下降到特定低水平的个人 心跳速率会导致体育锻炼只会对他们有轻微的影响。此外，超过上 限水平的个人心跳速率会导致锻炼对他们有有害的影响。由此，开 始体育锻炼项目的人们应当根据他们的身体状况以适合于他们的量 来锻炼。
心跳(或脉搏率)分析装置被用作为锻炼量测量。它们以每分钟 心跳来测量进行锻炼的个人的心跳速率(或脉搏率)，并且将测量 的数量与标准表格进行比较，从而人们为自己测量体育锻炼是弱、 中等或者强。此外，可得到具有特定表格的运动文献，诸如用来燃 烧脂肪/减肥、增能锻炼、心血管训练或速度训练。根据一个人的体 重、高度、身体脂肪比例、年龄、性别(等)，一个人可以为既定 的目标找到理想的脉搏步调。
特别地，想要跟踪他们的提高并因此被推动继续保持的运动员找 到了进行推动和激励的心跳监视工具。
传统的心跳分析装置，比如PolarTM运动手表，已知在用户/运动 员的脉搏超过目标脉冲阈值(更高或更低)时给出一个音频反馈(例 如蜂鸣)。它由此来发信号通知用户调整运动强度，从而返回到适 当训练区域或水平。
但是，这种传统的心跳分析装置具有许多限制。例如，许多用户 发现蜂鸣很恼人，已知的最终结果是将蜂鸣完全关闭。此外，其它 运动员在运动过程期间使用便携式音乐播放装置，诸如MP3播放器， 并且不能听到蜂鸣。
此外，在进行体育锻炼的同时听音乐是十分流行的。但是，在锻 炼的同时听音乐的问题在于，音乐通常具有与人们锻炼时的步调不 同步的拍子。现代流行音乐通常受到清晰鼓声的支持，该清晰的鼓 声能够以体育锻炼的步调而被跟随。士兵按照歌曲的节拍行军，并 且以同样的方式，罗马奴隶按照鼓声来划他们的船。运动员喜欢随 着音乐播放的拍子来运动，因为这有助于他们保持恒定的步调。如 果运动员对音乐敏感的话，音乐是增加运动员成绩的有利工具。
由此，需要一种以无干扰、推动的方式能够使用音乐播放装置来 进行有效心跳分析和定步的装置。

本发明涉及一种用于音频定步装置的系统和方法，该音频定步装 置监视进行锻炼的用户的参数，比如心率，并且提供与个人的锻炼 项目或过程相关的音频信号以实现目标成绩水平。目标成绩水平可 暗指特定锻炼水平或强度的增加、降低或保持。
例如基于音频信号的每分钟节拍(BPM)值，将音频信号分类。 音频信号分类可由音频定步装置或者由例如PC的外部装置来进行并 接着被传送到音频定步装置。选择具有与用户参数(例如心率)的 目标成绩水平相对应的每分钟节拍(BPM)的音频信号。音频信号包 括通常包含音乐的MP3、WAV、AAC或WMA文件等等。
根据本发明的原理，所提供的音频定步装置包括感测单元，例如 心率监视单元，用来获得进行体育锻炼的用户的参数，例如脉搏； 存储器，用来存储多个具有预定的音乐节拍的音频信号，例如每分 钟节拍值；和处理单元，被配置为(1)通过抽样来自感测单元的用 户参数并将其与预定参考值作比较来确定用户参数的强度应当被增 加、降低还是保持，和(2)选择具有更高、更低或相等的节拍的音 频文件，使用户加速、减速或保持当前的锻炼水平或强度，这样将 分别导致用户参数的增加、降低或保持。
该音频定步装置还可包括动态调整所选择的音频信号的节拍达 一个预定量以便使用户参数能够到达目标值或等级的方法。如果最 大调整量不足以使用户实现目标等级，那么选择具有适当节拍的新 音频信号。
附图说明
结合下面标识的附图并参考随后优选实施例的详细描述，本发明 可被更加完全地理解。
图1是用于示出根据本发明的一个实施例的音频定步装置的视 图；
图2是用于示出图1的处理单元的内部结构的框图；和
图3是用于示出图1的音频定步装置的过程的流程图。

在以下的描述中，为了解释而不是限制的目的，特定细节被叙 述，诸如特定的体系结构、接口、技术等等，以便提供对本发明的 整体理解。但是，对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明可以 通过脱离这些特定细节的其它实施例来实施。在这里使用的术语“脉 搏”是指心跳速率，音频信号的“节拍”例如是以BPM，并且“步调 (pace)”是指锻炼节拍。
本申请是与联合未决的序列号为XX/XXXXXX、于2004年___、由 F.H.G.Ogg和D.P.L.Simons提交的美国专利申请“Audio Interval Training Device”一起提交的，并合并在此作为引用。
参考附图，尤其是图1，示出了一种根据本发明的音频定步装置， 通常由参考标记100来表示。
如图1所示，本发明包括处理单元102、感测单元104(此后为示 例的目的称为“心率监视器104”)、以及输入/输出端口106。处理 单元102执行功能：(1)接收并存储进行体育锻炼的用户的参数信 息(此后为示例的目的称为“心率”)，(2)存储BPM额定的音频 信号和(3)根据用户的锻炼项目来选择具有特定BPM的音频信号。 进行体育锻炼的用户的参数信息可包括任何与用户身体状态或条件 有关的量度，例如心率或步进率测量、速度测量(以m/s)，例如使 用运动自行车上的电子速度传感器、划船训练机或任何其它种类的 数字健身装备来测量，仰卧起坐速度，其来自装备有传感器用来对 仰卧起坐每分钟进行计数的仰卧起坐训练机，类似地，踝/腕/头/腰 等上的搭接带(用于有氧地面锻炼)上的传感器提供一个测定，以 及从汽车电子设备或GPS装置获得的其它量度，比如总体的行驶速度 (以m/s)，使人们可以通过跟随车内音响的音乐和从拍子传感器获 得的拍子速率，例如跟随鼓声/敲击来以某目标巡航速度行驶。处理 单元102还可数字化接收的广播信号并根据特定的编码方案(例如 MP3、WAV、AAC、MPEG-4等等)以及所接收的BPM速率的音频信号来 编码它们。可替换地，对于本领域技术人员也清楚的是，处理单元 102还可包括集成的心率监视器。
处理单元通过接收和分析进行体育锻炼的用户的心率信息来测 量用户的锻炼成果。例如，为按时间的心跳数量的变化率、基于心 跳数量的变化的适当锻炼过程、基于年龄、性别、身高、体重等的 目标心跳的建议(适当的锻炼量)、基于心跳数变化的锻炼提高程 度的指示、在锻炼期间(正在)消耗的卡路里的总量、从身体脂肪 得出的总消耗的卡路里量的百分比，等等来执行数据分析可知。
处理单元102可以任何传统设计或方式来制造，包括：(1)在人 的身体中在手腕上戴上具有心率监视器104的手表，(2)在用户的 运动衣的前面系上，(3)在用户的脖子周围用绳子挂上跑表，和(4) 集成在可穿戴的织物或衣物型装置中。尤其，使用以各种用作为导 痕、生物传感器、电极和其它可穿戴的电子装置的缝制或编织织物 所集成的电子和导电纤维是已知的。例如，在用于通常运动应用的 可穿戴心率监视器(WHRM)装置的情况下，电极可完全由织物构成， 并且可完全集成到外衣中，诸如慢跑上衣。虽然从电极收集数据并 将数据无线传输到手表或类似装置的电子设备被包含在分离的小单 元中，所述小单元以如此方式系在外衣上，使得其可以与电极有良 好的电接触。
心率监视器104以有线、无线或可穿戴织物的方式连接到处理单 元102，并且执行不断测量进行体育锻炼的用户的心跳速率和将测量 的值传送到处理单元102的功能。心率监视器可以是任何传统的单 元，比如Polar电子设备的PolarTM运动手表。这种心率监视器104可 戴在手腕上，比如手表。
输入/输出端口106连接到处理单元102和心率监控器以便交换数 据，并且包括将数字化的音乐文件传送到处理器102以及输出根据其 节拍(例如其BPM测定)所选择的音频信号的功能。
图2是根据本发明的实施例的图1的处理单元102的部件图。
如图2所示，根据本发明的处理单元具有控制单元202、输出单元 204、存储单元206、心率信号接收单元208和输入单元210。控制单 元202包括传统的微型计算机和数字信号处理器(DSP)(未示出)。 输出单元204包括音频输出单元并可包括指示单元(未示出)。参数 接收单元208(之后为示例的目的称为“心率信号接收单元208”) 接收来自心率监视器104的心率信息并将其传送到控制单元202。如 上所述，传统心率监视器还可被集成到处理单元中。
存储单元206包含一组BPM分类音频信号，例如MP3。此外，存储 单元206可包含编程的锻炼过程或目标锻炼水平，如下面将进一步所 述的，利用输入单元210来接收它们。
BPM分类是由处理单元或离线地执行的，并且下载到音频定步装 置。利用任何传统方式(例如从PC下载、无线传输等)，BPM分类音 频信号可被输入到存储单元206中。对音频文件进行自动(离线)BPM 分析以测量音乐节拍(以及下面讨论的动态(在线)节拍调整)的 传统工具是来自Visiosonic的PCDJ-Red产品(参看例如 http://www.pcdj.com/products/Red.asp和 http://www.curiousdjs.com/pcdj.html)。该工具将把歌曲的平均 BPM确定到0.01BPM的精度(比如86.56每分钟节拍)。一旦音频信号 是被节拍分析，BPM值与音频信号一起被存储，例如在音频信号的头 部。尤其在MP3文件的情况下，BPM值被存储在MP3文件中作为ID3v2 BPM标签，其可由其它应用随后读取。因此，例如MP3可被下载到对 其ID3v2BPM标签值而被搜索(例如互联网上)的音频定步装置上。 如果其没有可用的BPM值，那么使用音频定步装置中的BPM分析算法 来生成它。
控制单元202将抽样的心率(脉搏)存储到存储单元206中，分析 所接收的速率，将其与预定的比较值(脉搏目标)(例如目标水平 或编排的锻炼项目)作比较，并选择具有与适当水平相对应的节拍 (例如以BPM值来表示)的音频信号，以增加、降低或保持用户的心 率，以及利用输出单元204来输出所选择的音频信号。比较值可被预 先确定或是可变化的，其还可在运行时被重新调整(即用户可能想 减速，他就由此降低其目标心率)。
由用户或者以任何其它传统方式来预先确定适当水平，以增加或 降低用户心率。例如，作为参考值范围的心跳的目标数量可以评估 心跳与高强度锻炼、中等强度锻炼或低强度锻炼的对应程度。以同 样的方式，可设置心血管、有氧锻炼或无氧锻炼的范围。而且，可 使用在身体锻炼期间为心率确定的值，所述值用来因数化用户的年 龄、性别、身高、体重等等。此外，处理单元可利用上述用户的因 数来存储(在存储单元206中)编排的训练过程，其中确立了心率水 平。可以任何传统的方式将编排的训练过程输入到处理单元。例如， 可用训练区域(两个心跳值)来手动编程心跳传感器，比如PolarTM 运动手表。
由此，控制单元202从心率监视单元208接收用户(进行体育锻炼 的个人)的心率，将接收到的心率与预定目标心率作比较，并且确 定适当BPM音频信号以便输出，从而帮助实现期望的用户心率。当特 定音频信号或歌曲/音乐结束时，在用户进行锻炼项目的同时，可从 音频信号的存储组中选择具有类似BPM的另一音频信号。
使处理装置还能够在锻炼期间利用诸如按钮的输入单元210来接 收来自用户的输入，以表示支持锻炼或训练的特定音频信号或歌 曲。并且用户可使用输入单元210来表示最喜欢的音频信号。这转而 将增强在之后的锻炼部分期间选择该特定音频信号的概率。例如， 一旦表示了一个音频信号是最喜欢的，如果未来在所表示的音频信 号的BPM的预定范围(例如+/-10％)内需要音频信号，那么它会被 选择。
以类似的方式，用户可随所表示音频信号来存储锻炼类型的指 示，例如运动类型(例如跑、投、骑车等等)。因此，处理装置为 用户(如预设那样)记录每种运动或锻炼类型的最适当的音频信号。 这例如在开始锻炼期间缩短了选择匹配BPM音频信号的时间，其中用 户期望该装置播放最适合他锻炼的音乐/歌曲(音频信号)。在选择 初始歌曲之后，存储装置中的所有类似BPM歌曲都准备好使用。
控制单元202还执行所选择音频信号的动态(在线)节拍调整以 定步用户，从而保持一个期望的心率。例如，在体育锻炼期间，当 用户的心率(稍微)脱离期望的范围时，控制单元202调整音频信号 的节拍，以帮助将用户引导到适当的心率。优选地，音频信号的节 拍不会被调整到超过从基线的一个预定量附近(例如10％)。例如， 基线是音乐本身的自然节拍。在锻炼项目期间，基于心率的节拍调 整不断继续。如果在节拍被最大调整时，用户的心率仍然在期望的 范围之外，那么选择另一个带有适当BPM速率的音频信号，并将其再 现给用户。
按步长-速度(step-speed)的定步还可用于选择音频信号，例 如所选择的音频信号的动态节拍调整，这对用户/运动员的步长-节 拍(step-tempo)进行计时。传统步长-速度测量装置是已知的，并 且还可进一步被集成到处理装置102中。处理单元102选择音频信号 并接着调整其节拍以匹配用户精确的跑动节拍或者选择具有与步长 -速度匹配的节拍的另一音频信号。而且，音频定步装置可被配置为 切换模式，使得当所述装置已经发现了适合于锻炼(或跑步)的音 乐(音频信号)时，该装置开始定步用户以从那时开始保持当前锻 炼强度的水平。切换模式包括按步长-速度目标或按心率目标的定 步。
感测接收单元208以有线或无线的方式接收来自心率监视单元 104的心率数据。在有线的情况下，通过特定的电缆来接收数据，并 且在无线的情况下，通过使用诸如RF信号等的无线信号来执行接 收。
图3是说明心率音频定步的操作步骤的流程图。
如图3所示，过程开始于(开始300)用户(或自动地)在步骤302 通过用户使用输入/输出端口106来选择锻炼水平或项目。用户设置 一个脉搏目标。在步骤304，处理单元102接收来自心率监视器的心 率信息并将其存储在存储单元206中。在步骤306，控制单元202分析 接收的心率信息并将它与所选择的锻炼水平作比较，并且处理单元 102选择中等节拍(例如，具有存储装置上所有BPM值的平均值附近 的BPM值的MP3文件)音频信号，或最喜欢的音频信号。特别地，控 制单元确定用户的心跳速率(脉搏)以及用户在所选择的锻炼项目 中所处的阶段或水平，并且确定用户是需要增加、降低还是保持当 前的步调(锻炼强度)。在步骤308，控制单元202根据确定步骤306 选择来自存储单元206的音频信号，并将其提供给用户。
用户被期望按音乐的拍子移动。心率监视器不断地抽样用户的心 率。如果在过去了一小段时间(由锻炼的类型或预定时间确定)后， 用户的心率不在目标脉冲的一个小范围内，那么所述装置将要么通 过调整正被再现的音频信号的节拍要么选择不同的音频信号来将用 户朝期望的脉搏定步。
例如，如果用户的锻炼强度不足以让他的心率达到目标，那么将 增加音频信号的节拍。如上所述，这可以用两种方式完成。首先通 过增加当前音频信号的播放节拍。这优于第二种方式：选择不同的 音频信号，因为它不中断音乐流。但是从自然节拍的增加超过约10 ％将不再会不被用户注意了(这可能打扰用户)。因此，该装置将 首先尝试通过加速当前音频信号的节拍来定步用户。如果节拍是110 ％并且用户的心率还是在目标之下，那么该装置将选择另一个音频 信号。在该情况下，新选择的音频信号将具有比当前音频信号更高 的BPM值。(该装置将因此播放更高节拍的音乐。)
以同样的方式，该装置将监视上升超过目标心率的用户心率，并 且定步用户以减速。
跟随她的音乐节拍的用户/运动员将最终获得她的目标心率，并 因此在目标强度上进行她的锻炼。此时，音乐节拍可在理想节拍附 近振荡，这将不会被用户/收听者察觉。这个过程持续到停止或结束 312。
在步骤310，过程确定运动项目是已经结束(结束312)还是返回 到步骤304。
之前和之后的内容仅仅说明了本发明的原理。因此可以理解，本 领域技术人员能够设计各种装置，这些装置尽管没有在这里明确描 述或示出，但是却体现了本发明的原理并包括在其精神和范围之 内。例如，心率音频定步装置的便宜版本可包括不具有心率监视器 (或反馈传感器)的装置。该装置将具有两个按钮：更快和更慢。 当被按下时，它们调整步调(首先通过加速再上升到10％，接着通 过选择另一音频信号)。此外，还旨在这种等效物包括当前已知的 等效物以及将来发展的等效物，即任何执行相同功能的所开发的元 件，而无论结构如何。
图1和2所示的各种元件的功能可通过使用专门的硬件以及能够 执行与适当软件相关联的软件的硬件来提供。这些功能当由处理器 提供时可由单个专门的处理器、单个共享的处理器或多个单独的处 理器来提供，多个单独的处理器中的一些可被共享。而且，明确使 用术语“处理器”、“服务器”或“控制器”不能被理解为排他地指 能够执行软件的硬件，并且可不受限制地隐含包括数字信号处理器 (DSP)硬件、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机访问存储 器(RAM)和非易失性存储装置。还可包括其它硬件，传统的和/或 定制的。
在这里的权利要求中，表示为执行专门功能的装置的任何元件旨 在涵盖执行该功能的任何方式，例如包括a)执行该功能的电路元件 的合并或者b)以任何方式与用于执行软件以执行功能的适当电路相 结合的软件，例如包括可下载的或更新软件等。由这些权利要求限 定的本发明的事实在于，由各种所述装置提供的功能以权利要求中 要求的方式被组合和合并在一起。因此，申请人将能够提供那些功 能的任何装置认为是与这里所示的那些功能的等效物。