Как умные часы считают шаги и видят пульс сквозь кожу
Часы знают, сколько вы прошли и как бьётся сердце, хотя всего лишь лежат на запястье. Откуда им это известно? Внутри — датчик движения и зелёные огоньки, светящие в кожу. Разберём, как толчки превращаются в шаги, а отражённый свет — в пульс, и почему на морозе он измеряется хуже.
Шаги часы считают по толчкам руки, а пульс измеряют, подсвечивая кожу и наблюдая, как кровь то пропускает, то поглощает свет.
Шагомер ловит характерные колебания акселерометра при ходьбе, а пульсометр светит в кожу светодиодом и считает удары по тому, как меняется количество отражённого света при каждом толчке крови.
Шаги: ритм вместо счёта ног
Часы не «видят» ваши ноги. Они чувствуют движение всего запястья через акселерометр — тот самый микродатчик ускорения, что разворачивает экран телефона. При ходьбе тело ритмично покачивается: каждый шаг даёт характерный толчок, и рука повторяет этот ритм.
Акселерометр записывает ускорение по трём осям, и получается волнистый график с регулярными всплесками. Программа ищет в нём повторяющиеся пики нужной формы и частоты: вот всплеск, вот ещё, вот ещё — значит, это шаги. Посчитала пики — узнала число шагов.
Как отличить шаг от взмаха
Главная сложность — не считать лишнего. Когда вы машете рукой, чистите зубы или едете в трясущемся автобусе, акселерометр тоже дрожит. Поэтому часы используют фильтры: настоящая ходьба ритмична, в определённом диапазоне частот (примерно один-два шага в секунду) и держится подолгу, а случайные движения нерегулярны и коротки.
Алгоритм отсеивает всё, что не похоже на устойчивый шаговый ритм. Поэтому короткое размахивание рукой обычно не накручивает шаги, а вот долгая тряска иногда обманывает счётчик — идеальной точности тут нет, погрешность в несколько процентов считается нормой.
ускорение: _/\__/\__/\__/\_ (ровные пики = шаги)
_/\/\_~~~~_/\_ (хаос = отфильтровать)Пульс: свет сквозь кожу
Самое любопытное — измерение пульса. Переверните часы: на тыльной стороне светятся зелёные (а иногда красные и инфракрасные) огоньки и рядом — крошечный фотодатчик. Метод называется фотоплетизмография (PPG), что буквально означает «запись наполнения светом».
Светодиод подсвечивает кожу. Свет проникает на пару миллиметров и частично отражается обратно, частично поглощается тканями и кровью. Кровь, особенно её гемоглобин, хорошо поглощает зелёный свет. А теперь главное: с каждым ударом сердца по сосудам прокатывается волна крови — её в коже становится то больше, то меньше.
Когда крови в этот момент больше, она поглощает больше света, и до фотодатчика возвращается меньше. Между ударами крови меньше — отражается больше. Датчик видит, как количество отражённого света пульсирует в такт сердцу. Считая эти колебания за минуту, часы вычисляют пульс.
| Момент | Крови в коже | Отражённого света |
| Удар сердца | Больше | Меньше |
| Между ударами | Меньше | Больше |
Почему именно зелёный
Зелёный свет выбран не случайно: он сильно поглощается кровью и слабо проникает вглубь, поэтому хорошо ловит пульсацию у поверхности и меньше путается от движений. Красный и инфракрасный проникают глубже — их используют для других задач, например для оценки насыщения крови кислородом, где сравнивают поглощение света двух разных цветов.
Враги точного измерения
PPG капризен. Точность падает, если:
- Часы болтаются. Между датчиком и кожей появляется зазор, в него попадает посторонний свет — сигнал зашумляется. Поэтому для тренировки часы советуют затянуть плотнее.
- Холодно. На морозе сосуды в коже сужаются, крови у поверхности меньше, пульсация света слабеет — пульс ловится хуже.
- Резкие движения. При беге рука дёргается, и колебания света от тряски мешают колебаниям от пульса. Часы борются с этим, сверяясь с акселерометром: зная, как трясётся рука, можно вычесть «движенческую» помеху из светового сигнала.
- Татуировки. Тёмные чернила поглощают свет сами по себе и сбивают датчик.
Два датчика помогают друг другу
Интересно, что акселерометр и пульсометр работают в связке. Датчик движения не только считает шаги, но и подсказывает пульсометру, как сейчас дёргается рука, чтобы тот отфильтровал помехи. А данные пульса вместе с движением позволяют прикинуть нагрузку, калории и фазы сна. По отдельности каждый датчик прост, но вместе они дают довольно полную картину активности.
Итог
Умные часы не делают ничего волшебного: шаги они вычисляют, распознавая ритмичные толчки акселерометра, а пульс — наблюдая, как пульсирующая кровь то крадёт, то отдаёт зелёный свет под кожей. Оба метода приблизительны и боятся тряски, холода и неплотной посадки, но дёшевы, не требуют проводов и работают прямо на запястье — поэтому здоровье и активность теперь измеряет почти каждый, даже не задумываясь, как именно.