DE202006000757U1

DE202006000757U1 - Gerät zur bewegungsgesteuerten Wiedergabe von gespeicherter Musik im Audioformat zur Unterstützung von körperlichen Training

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Publication number: DE202006000757U1
Application number: DE200620000757
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2016-01-12

Abstract

Gerät zur bewegungsgesteuerten Musikwiedergabe bei körperlichen Training, welches den Musikspeicher (1), die Leseeinheit (2) und den Sonifikator (3) enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klangmodifikator (4) in den Signalweg zwischen der Leseeinheit (2) und dem Sonifikator (3) eingefügt ist,
dass der Klangmodifikator (4) an seinem Eingang aufeinanderfolgende Segmente des Datenstroms erhält, die aneinander gereiht lückenlos, den Musiktitel repräsentieren,
dass der Klangmodifikator (4) über einen Steuereingang C verfügt, der mit dem Ausgang der Zeitmesseinheit (7) verbunden ist,
dass der Klangmodifikator (4) die Baugruppen zur unmittelbaren Veränderung der Wiedergabedauer von Datensegmenten ohne Veränderung der wesentlichen spektralen Eigenschaften enthält und das Ausmaß der Dauerveränderung dem jeweiligen Wert an seinem Steuereingang C unter Beachtung des Vorzeichens entspricht,
dass die Leseeinheit (2) zwei Ausgänge aufweist, die den voneinander unabhängigen Leseprozessen A und B zugeordnet sind,
dass die Leseeinheit (2) einen Steuereingang für den Leseprozess B aufweist, welcher die Zeitpunkte...

Description

Üblicher Weise reproduzieren Musikwiedergabegeräte aufgezeichnete Musik möglichst originalgetreu. Im einfachsten Falle bestehen sie im Wesentlichen aus dem Speicher (1) für Musiktitel in gewissen Datenformaten, der Leseeinheit (2), welche die gespeicherte Musik in elektronische Signale umsetzt, und dem Sonifikator (3), welche die elektronischen Signale in Schallwellen umwandelt und dem Hörer wahrnehmbar macht. Heutige Musikwiedergabegeräte, d.h. CD-Player, Walkmans etc., bevorzugen unter anderem als Datenformate das mp3-Format, das digitale Audioformat auf der Audiocompactdisc und das midi-Format (musical instrument digital interface).
Musikwiedergabegeräte werden u.a. zur Unterstützung von körperlichen Training in Rehabilitationskliniken, Fitness-Studios und zu Hause eingesetzt. Dabei dient das Training dem Wiedererlangen alltäglicher Bewegungsfähigkeit nach Erkrankung oder operativen Eingriff, der Erhaltung allgemeiner Gesundheit (Fitness) oder zur Erhöhung sportlicher Leistungsfähigkeit. Stand des Wissens ist, dass die Wirkung der Musik auf das Training erhöht wird, wenn sich Bewegung und musikalischer Rhythmus in Übereinklang befinden (siehe Schauer M, Mauritz KH.: „Musical motor feedback (MMF) in walking hemiparetic stroke patients; randomized trials of gait improvement", Clin Rehabil. 2003 Nov; 17(7):713-22''). Für gesunde Personen und Bewegungen ohne Hilfs- oder Trainingsgerät stellt das Erzielen eines solchen Übereinklangs kein Problem dar, wie das Tanzen oder das Gehen nach Marschmusik belegt. Für beeinträchtigte Personen, z.B. nach Schlaganfall, und Übungen an Geräten oder mit größeren Gewichten stellt das Herstellen des Übereinklanges zwischen Musik und Bewegung eine zusätzliche und u.U. schwer zu bewältigende Aufgabe dar. Eine solche zusätzliche Aufgabe mindert den unterstützenden Effekt der Musik beim Training. Das Fehlen einer Vorrichtung zur bewegungsgesteuerten Wiedergabe von Musik behindert den umfassenden Einsatz bewährter Trainingsmethoden.
Dem Stand der Technik entspricht die Wiedergabe von Musik mit manipulierter Wiedergabegeschwindigkeit zu folgenden zwei Zwecken:

(a) dem Erlernen von Instrumentenspiel wie u. a. das Produkt CD-GT1 MKII „CD-Spieler als Gitarrentrainer" der TEAC GmbH oder die Software "slowdown" der Firma „Rony Music" zeigt;
(b) zum Aufrechterhalten der Zahl von Beats pro Minute beim Übergang von einem Musiktitel zum anderen während der Zusammenstellung von Disko-Musik (siehe DE 10164686A1 (IPC G10 H 7/00).

Weiterhin entspricht dem Stand der Technik das Erzeugen von Geräuschen bei. sportlichen Bewegungen zum Zweck der Rückmeldung über die Qualität der Bewegung (siehe Engelke, K. et al.: Akustisches Feedback Therapiekonzept nach Fußrekonstruktionen Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin 45, 1994, Sonderheft, S. 60–63). Insbesondere liegen mehrere Erfindungen zur Unterstützung des Gehens durch assoziierte Geräusche vor, z.B. DE 197 15 456 (IPC A43B 3/30) und DE 202 00 4007790 (IPC A43B 3/00). Die Patentschriften DE 195 22 958 (IPC A63B22/00) und EP 748640 beschreiben das kontrollierte Abspielen von Musik für das Training des Gehens bei zentralen Kontrollstörungen des Menschen. Dabei ist die Musik in einem Ereignis orientierten Format abgespeichert, d.h. im Stil des "musical instrument digital interface" bzw. MIDI – Formats.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Wiedergabegerät für gespeicherte Musik vorzugsweise im Audioformat auf Compactdisc zu schaffen welches das Metrum der wiedergegebenen Musik. an den Rhythmus der Bewegung des Zuhörers anpasst. Dadurch wird es möglich, Musikstücke auf handelsübliche Tonträgern, wie etwa Compactdiscs, für das Bewegungstraining in der Rehabilitation und im Leistungssport zu verwenden.
Dieses Problem wird mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass sich die Wiedergabe von Musik, die auf handelsüblichen Compactdiscs gespeichert ist, in ähnlicher Weise an die trainierende Person anpasst, wie ein Orchester es tut, wenn es sich beim Abspielen der vorliegenden Noten nach seinem Dirigenten richtet. Zu diesem Zweck wird das Metrum des Musikstückes während seiner Wiedergabe zeitlich unmittelbar an markante Punkte der periodischen Trainingsbewegung angepasst. Bei nichtregulärer Bewegung verändert sich. das Metrum der Musik unmittelbar, so daß ein Anreiz für die trainierende Person entsteht, zur regulären Bewegung zurückzukehren.
Einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 – 11 dargestellt. Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der 1 erläutert. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der Baugruppen Musikspeicher (1), Leseeinheit (2), Sonifikator (3), Klangmodifikator (4), Musikanalysator (5), Bewegungssensor (6), Zeitmesseinheit (7), die trainierende Person (8) sowie das Trainingsgerät (9).
Der Musikspeicher (1) besteht entsprechend dem Stand der Technik aus der Compactdisc oder einem Bereich im wiederbeschreibbaren Speicher der Datenverarbeitungseinheit. Letztere kann ein Personalcomputer, ein „embedded computer" oder ein digitaler Signalprozessor sein.
Die Leseeinheit (2) sorgt für ein sequentielles Auslesen der Musik-Daten aus dem Musikspeicher. Die Leseeinheit (2) beherbergt die zwei Leseprozesse A und B. Der Leseprozess A stellt die Musikdaten dem Musikanalysator (5) kontinuierlich zur Verfügung.
Dabei bestimmt die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Musikanalysators (5) den Leseprozess A. Der Leseprozess B wird durch die Zeitwerte am Steuereingang C der Leseeinheit (2) kontrolliert. Die Zeitwerte stellen jeweils Beginn und Ende eines Musiksegments dar, welches aktuell gelesen und dem Klangmodifikator (4) zugeführt wird. Das Format der Daten ist von untergeordneter Bedeutung und verlangt marginale Anpassungen des Musikanalysators und des Klangmodifikators entsprechend dem Stand der Technik. Dem gemäß sind Musikdaten im mp3-Format, im MIDI -Format und im digitalen Audioformat (d.h. als digitalisierte Abtastwerte des Audiosignals) verarbeitbar.
Der Sonifikator (3) sorgt für die Umwandlung des Datenstromes in Schalldruckwellen, die zumindest von der trainierenden Person als hörbare Musik wahrgenommen werden. Er besteht gemäß dem Stand der Technik aus dem Digital-Analog-Wandler, dem Verstärker und dem. Lautsprecher. Er kann alternativ eine drahtlose Signalübertragung zur trainierenden Person enthalten, z.B. entsprechend dem Bluetooth- oder ZigBee- Standard, und einen Ohrhörer.
Der Klangmodifikator (4) enthält Elemente, die gemäß dem Stand der Technik die Abspieldauer von Segmenten des Musikstückes ohne wesentliche Änderungen der spektralen Zusammensetzung, d.h. ohne Tonhöhenveränderung, verlängern oder verkürzen. Üblicher Weise wird dazu ein Phase Vocoder (siehe Amalia de Götzen et al. in Proceedings of the COST G-6 Conference on Digital Audio Effects, Verona, Italy, December 7–9, 2000), das TDHS – Verfahren (Time Domain Harmonic Scaling) oder die "Multiple Component Feature Extraction" verwendet, zum Stand der Technik siehe auch die Veröffentlichung DE 4101022A1. Entsprechende Produkte sind auf dem Markt, u.a. der Fa. Prosoniq Products Software GmbH in Karlsruhe und NativeInstruments in Berlin, Anmelder von DE 10164686A1 .
Der Musikanalysator (5) ist gemäß dem Stand der Technik aufgebaut und extrahiert aus dem Datenstrom des Leseprozesses A in der Leseeinheit (2) die exakten Zeitpunkte des musikalischen Metrums; d.h. der Zählzeiten. Der Aufbau des Musikanalysator (5) entspricht dem sogenannter "audio-based beat tracker" und wurde von verschiedenen Autoren beschrieben, u.a. E.D. Scheierer et al. („Tempo and beat analysis of acoustic musical signals", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 103, No. 1, January 1998), M. Goto („Real-time beat tracking for drumless audio signals: Chord change detection for musical decisions", Speech Communication 27 (1999) pp. 311 – 335 ), In der Publikation DE 10123366C1 (G10L 11/04) wird die automatische Erkennung des Metrums, d.h. der Zählzeiten oder „Beats" von Musikstücken, beschrieben. Im Ausführungsbeispiel werden Beginn und Ende des Leseprozesses B in der Leseeinheit (2) durch die Zeitpunkte des Metrum bzw. die Zählzeiten bestimmt. Diese Zeitpunkte bestimmen demzufolge Beginn und Ende aufeinanderfolgender Musiksegmente. Vorzugsweise ist die Anzahl der Zählzeiten eines Musiksegments einstellbar ausgeführt, so daß sich das Ausmaß der notwendigen Verlängerung oder Verkürzung ihrer Abspieldauer in Relation zur Bewegungsperiode in gewissen. Grenzen hält (50% bis 200%).
Der Bewegungssensor (6) besteht gemäß dem Stand der Technik aus Weg- oder Kraftsensoren, deren Ausgangssignale mittels Grenzwertschalter in Impulse umgewandelt werden. Die Weg- oder Kraftsensoren sind mit der trainierenden Person (8) direkt oder dem über das Trainingsgerät (9) indirekt verbunden. Beispielhaft ist in 1 als Trainingsgerät (9) ein schematisierter Rudertrainer dargestellt. Die Weg- oder Kraftsensoren registrieren markante Momente der Bewegung der trainierenden Person (8). Markante Momente sind dadurch gekennzeichnet, daß sie sich bei periodischen Bewegungen zum Zählen der Perioden eignen und relativ invariant sind. Beispiele für solche periodischen Bewegungen sind das Gehen und das Armkreisen. Beim Gehen ist der Moment des Kontaktes zwischen Ferse und Boden zum Zählen der Schritte geeignet. Ein Kraft- oder Abstandssensor mit Grenzwertschalter kann den Moment des Bodenkontakts ermitteln. Beim Armkreisen ist ein markanter Moment durch den höchsten Punkt der Hand gegeben. Ein Abstandssensor kann den Moment des höchsten Punktes während der Bewegung ermitteln. Anhand der Beispiele wird die typische Ausgestaltung des Bewegungssensors (6) klar. Die Verbindung der Weg- oder Kraftsensoren mit der trainierenden Person (8) erfolgt bei Existenz des Trainingsgerätes (9) vorzugsweise durch Montage von Lichtschranken oder Näherungsschaltern in der Bahn bewegter Teile des Trainingsgerätes (9). Damit wird das Anbringen von Sensoren an der trainierenden Person (8) vermieden.
Die Zeitmesseinheit (7) besteht gemäß dem Stand der Technik aus elektronischen Bauelementen, die geeignet sind, den zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen des Bewegungssensors mit der originalen Dauer der Musiksegmente zu vergleichen, die durch den Musikanalysator (5) geliefert wird, und daraus eine Steuergröße zu bilden, die dem Klangmodifikator (4) zugeführt wird. Die Steuergröße wird aus der Differenz zwischen Impulsabstand des Bewegungssensors (6) und originaler Musiksegmentdauer aus Musikanalysator (5) bestimmt. Die Dimensionierung der Bauelemente gewährleistet, daß im Falle einer positiven Differenz der Klangmodifikator die Abspieldauer des Musiksegments verlängert und im Falle einer negativen Differenz verkürzt wird. Die Zeitmesseinheit (7) und der Klangmodifikator (4) sind so auf einander abgestimmt, daß die Abspieldauer letztendlich dem Impulsabstand am Bewegungssensor (6) entspricht. Der gesamte Prozess wiederholt sich pausenlos für jedes Musiksegment. Für die trainierende Person entsteht der Eindruck, daß sich die Abspielgeschwindigkeit der Musik nach den eigenen Bewegungen richtet. Nacheinander wird Segment für Segment des Musikstückes angefordert, an die aktuelle Dauer des Impulsabstandes des Bewegungssensors (6) durch zeitliches Dehnen oder Schrumpfen angepasst und dann unmittelbar abgespielt. Das Abspielen der Musik wird beendet, wenn keine Impulse von Bewegungssensor (6) eingehen oder ihr zeitlicher Abstand einen. Wert über- oder unterschreitet, an den die Dauer des Musiksegments nicht mehr angepasst werden kann. Die weitere Ausgestaltung der Zeitmesseinheit (7) erlaubt das Einstellen von Verknüpfungen zwischen zwei Sensorkanälen, so daß z. B. ausschließlich Impulse berücksichtigt werden, welche alternierend in beiden Kanälen auftreten. Andere Ausgestaltungen der Zeitmesseinheit (7) erlauben das Ausblenden von jedem zweiten Impuls des Bewegungssensors (6), so daß auch. langsamere Musikstücke unter der Kontrolle schnellerer Bewegungen wiedergegeben werden können. Weiterhin erlaubt das Ausblenden von Impulsen das Anpassen der Musikwiedergabe an rhythmisch oder synkopisch auftretende Impulse aus dem Bewegungssensor (6), wie sie während des Gehens mit einem gelähmten Bein auftreten.

Claims

Gerät zur bewegungsgesteuerten Musikwiedergabe bei körperlichen Training, welches den Musikspeicher (1), die Leseeinheit (2) und den Sonifikator (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Klangmodifikator (4) in den Signalweg zwischen der Leseeinheit (2) und dem Sonifikator (3) eingefügt ist, dass der Klangmodifikator (4) an seinem Eingang aufeinanderfolgende Segmente des Datenstroms erhält, die aneinander gereiht lückenlos, den Musiktitel repräsentieren, dass der Klangmodifikator (4) über einen Steuereingang C verfügt, der mit dem Ausgang der Zeitmesseinheit (7) verbunden ist, dass der Klangmodifikator (4) die Baugruppen zur unmittelbaren Veränderung der Wiedergabedauer von Datensegmenten ohne Veränderung der wesentlichen spektralen Eigenschaften enthält und das Ausmaß der Dauerveränderung dem jeweiligen Wert an seinem Steuereingang C unter Beachtung des Vorzeichens entspricht, dass die Leseeinheit (2) zwei Ausgänge aufweist, die den voneinander unabhängigen Leseprozessen A und B zugeordnet sind, dass die Leseeinheit (2) einen Steuereingang für den Leseprozess B aufweist, welcher die Zeitpunkte für Beginn und Ende der Musiksegmente empfängt, die nacheinander gelesen und am zugeordneten Ausgang bereitgestellt werden, dass der Musikanalysator (5) mit äquidistanten Abtastwerten des Audiosignals aus dem Leseprozess A der Leseeinheit (2) entsprechend seiner Arbeitsgeschwindigkeit versorgt wird, dass der Musikanalysator (5) die Baugruppen enthält, die zur unmittelbaren Extraktion der musikalischen Zählzeiten aus den Abtastwerten des Audiosignals notwendig sind, dass der Musikanalysator (5) die Zeitwerte der Zählzeiten an seinem Ausgang bereitstellt, dass der Ausgang des Musikanalysators (5) mit dem Steuereingang der Leseeinheit (2) und dem Eingang B der Zeitmesseinheit (7) verbunden ist, dass die Zeitmesseinheit (7) die Eingänge A und B aufweist, dass die Zeitmesseinheit (7) die Baugruppen enthält, die zur Messung des zeitlichen Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen an seinem Eingang A und zur Umwandlung in eine stetige Abstandsgröße notwendig sind, dass die Zeitmesseinheit (7) die Baugruppen enthält, die zur Messung des zeitlichen Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden Zeitwerten an seinem Eingang B und zur Umwandlung in eine stetige Abstandsgröße notwendig sind, dass die Zeitmesseinheit (7) die Baugruppen enthält, die aus der Differenz zwischen den Abstandswerten von Eingang A und Eingang B eine Steuergöße an ihrem Ausgang bilden, dass der Bewegungssensor (6) einen Ausgang aufweist, der mit dem Eingang A der Zeitmesseinheit (7) verbunden ist, dass der Bewegungssensor (6) eine Schaltercharakteristik für ein oder mehrere Kanäle aufweist, deren ansprechwert durch den Benutzer eingestellt werden kann und die zeitlich unmittelbar Impulse an seinem Ausgang erzeugt, dass der Bewegungssensor (6) mit der trainierenden Person (8) direkt oder indirekt über das Trainingsgerät (9) verbunden ist und markante Momente ihrer Bewegung auf ihn übertragen werden, und dass der Sonifikator (3) die Baugruppen enthält, dass zumindest die trainierende Person die Musik aus dem Klangmodifikator (4) wahrnimmt.
Baugruppe Klangmodifikator (4) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie Untereinheiten zur Modifikation der Wiedergabedauer von Musiksegmenten enthält, die im Format des "Musical Interface for Digital Instruments" (MIDI) vorliegen.
Baugruppe Klangmodifikator (4) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie Untereinheiten zur Modifikation der Wiedergabedauer von Musiksegmenten enthält, die im mp3-Format vorliegen.
Baugruppe Musikanalysator (5) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie Untereinheiten zur unmittelbaren Extraktion der musikalischen Zählzeiten aus den Midi-Daten des Musiksegments enthält.
Baugruppe Musikanalysator (5) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie Untereinheiten zur unmittelbaren Extraktion der musikalischen Zählzeiten aus dem mp3-Daten des Musiksegments enthält.
Baugruppe Zeitmesseinheit (7) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie vorzugsweise eine programmierbare Logik enthält, welche die Zuordnung zwischen mehreren Kanälen des Bewegungssensors an ihrem Eingang A und den Ereignissen an ihrem Eingang B festlegt.
Baugruppe Bewegungssensor (6) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie aus den räumlich getrennten Bestandteilen Empfänger für die drahtlose Übertragung der Sensorsignale, Sender für die drahtlose Übertragung der Sensorsignale und eigentlichen Bewegungssensor besteht, und dass der Empfänger für die drahtlose Übertragung der Sensorsignale an den Eingang der Zeitmesseinheit (7) angeschlossen ist und der räumlich entfernte Sender mit dem eigentlichen Bewegungssensor verbunden ist.
Baugruppe Bewegungssensor (6) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie vorzugsweise aus Lichtschranken besteht, die am Trainingsgerät (9) montiert sind.
Baugruppe Bewegungssensor (6) entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie vorzugsweise aus induktiven Näherungsschaltern besteht, die an Trainingsgerät (9) montiert sind.
Baugruppe Bewegungssensor (6) entsprechend Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einlegesohle für Schuhe enthält, die aus zwei elektrisch leitfähige Schichten besteht, welche durch eine gelochte, elastische sowie elektrisch isolierende Schicht getrennt sind und dass die Elastizität der isolierenden Trennschicht auf das Gewicht des Trägers der Schuhe in der Weise abgestimmt ist, daß einbeiniges Stehen die elastische Trennschicht soweit zusammenpresst, daß die beiden elektrisch leitenden Schichten verbunden werden.
Baugruppe Bewegungssensor (6) entsprechend Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegesohle für Schuhe einen Radiofrequenzidentifkatortag (RFID-Tag) enthält, welcher den Zeitpunkt der Verbindung zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten der Einlegesohle bei Abfrage übermittelt.