CN103442773A - 虚拟高尔夫模拟装置及其使用的感测装置与感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种虚拟高尔夫模拟装置，其使用的感测装置与感测方法，其中虚拟高尔夫模拟装置可呈现高尔夫球的模拟轨迹的影像，从而使用虚拟高尔夫模拟，通过获得高尔夫击球的影像并抽取该影像中找寻的高尔夫球的移动轨迹，感测由使用者使用高尔夫球杆敲击的高尔夫球，尤其是，分析在照像机所获得的影像中被决定成高尔夫球的高尔夫球候选者的二维轨迹，并因此精确并快速计算快速移动高尔夫球的物理特性，即使是使用慢的低分辨率照像机。

Description

虚拟高尔夫模拟装置及其使用的感测装置与感测方法
技术领域
本发明涉及一种虚拟高尔夫模拟装置及其使用的感测装置与感测方法，尤其是一种其中虚拟高尔夫球场被成像并模拟且使用者所敲击的高尔夫球的轨迹被感测装置感测并在虚拟高尔夫球场上模拟的虚拟高尔夫模拟装置，以及其使用的感测装置与感测方法。
背景技术
近年来，已开发出许多装置，在室内或在特定地方经由模拟而以互动运动游戏的形式，让使用者享受到受欢迎的运动游戏，比如棒球、足球、篮球及高尔夫。
尤其是近年来，已经开发出所谓的屏幕高尔夫系统，其中当使用者挥动高尔夫球杆以敲击安置于击球垫上的高尔夫球时，感测装置感测被敲击的高尔夫球以抽取出移动的高尔夫球上的物理信息，使得高尔夫球的轨迹能在虚拟高尔夫球场上被模拟，藉以让使用者能享受到虚拟实境中的高尔夫。
为了在这类互动运动游戏中模拟使用比如高尔夫球的球类的运动，许多研究已经被导入到许多感测系统，用于精确感测移动的高尔夫球上的物理信息，亦即高尔夫球的移动。
例如，许多感测装置，比如使用红外线传感器的感测装置、使用激光传感器的感测装置、使用声波传感器的感测装置以及使用照相传感器的感测装置，都已经推出到市场上。许多研究已经被导入照相传感器型的感测装置，用于获得并分析移动高尔夫球的影像，藉以精确感测移动高尔夫球的状态。
然而，在照相感测型的感测装置中，具有高分辨率的超高速照相机用于精确感测，这大幅增加感测装置成本。另一方面，如果使用具有非常低分辨率及非常低速的照相机，照相机所获得的影像质量会很低，其结果是很难精确抽取并分析高尔夫球。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种虚拟高尔夫模拟装置，其中使用虚拟高尔夫模拟，获得使用者挥动高尔夫球杆敲击高尔夫球所敲击的高尔夫球的影像，并从所获得的影像找寻高尔夫球，计算高尔夫球的移动轨迹，藉以实现高尔夫球轨迹的模拟影像，尤其是其中分析在照相机所获的影像中被辨识为高尔夫球的高尔夫球候选的二维轨迹，精确并快速抽取高尔夫球，藉以精确及快速计算移动高尔夫球物理特性信息，即使是使用具有低分辨率及低速的照相机；以及其使用的感测装置与感测方法。
技术方案
依据本发明的一方面，上述及其它目的可藉提供一种用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置而完成，该感测装置包括：一照相单元，用于获得使用者挥动高尔夫球杆敲击高尔夫球所敲击的高尔夫球的多个画面影像；以及一感测处理单元，用于从所获得的所述画面影像抽取多个高尔夫球候选者，转换每个高尔夫球候选者的三维坐标成二维坐标，并分析每个高尔夫球候选者的二维轨迹，以抽取高尔夫球轨迹，藉以计算移动高尔夫球的物理特性信息。
依据本发明的另一方面，提供一种虚拟高尔夫模拟装置，包括一感测装置，该感测装置包括：一照相单元，用于获得使用者挥动高尔夫球杆敲击高尔夫球所敲击的高尔夫球的多个画面影像、以及一感测处理单元，包括一高尔夫球轨迹列表装置及一高尔夫球轨迹决定装置，该高尔夫球轨迹列表装置用于从各画面相对于所获得的所述影像抽取高尔夫球候选者，并用于产生一高尔夫球轨迹列表，相对于连续的所述影像连结各高尔夫球候选者，而该高尔夫球轨迹决定装置用于相对于所产生的高尔夫球轨迹列表进行二次多项式回归分析，以产生多个高尔夫球轨迹候选者，并用于依据一预设条件从所述高尔夫球轨迹候选者抽取高尔夫球轨迹；以及一影像实现单元，用于依据该感测处理单元所抽取的信息，实现该高尔夫球的轨迹的模拟影像。
依据本发明的又一方面，提供一种用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，包括：获得使用者对击高尔夫球挥动高尔夫球杆所敲击的高尔夫球的多个画面影像；从所获得的所述画面影像抽取多个高尔夫球候选者；将每个高尔夫球候选者的三维坐标转换为二维坐标，以抽取每个高尔夫球候选者的二维轨迹；以及分析每个高尔夫球候选者的二维轨迹以抽取高尔夫球的轨迹，藉以计算移动的高尔夫球的物理特性信息。
有利效果
根据本发明的虚拟高尔夫模拟装置以及其使用的感测装置与方法具有以下效果：使用虚拟高尔夫模拟，获得使用者挥动高尔夫球杆敲击高尔夫球所敲击的高尔夫球的影像，并从所获得的影像找寻高尔夫球，计算高尔夫球的移动轨迹，藉以实现高尔夫球轨迹的模拟影像，尤其是，其中分析在照相机所获得的影像中被决定为高尔夫球的高尔夫球候选者的二维轨迹，以精确并快速计算移动高尔夫球的物理特性信息，即使是使用低分辨率且低速的照相机。
附图说明
图1是显示依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置所应用的屏幕高尔夫系统的实例的示意图；
图2是显示依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置的结构的方块图；
图3是显示图2所示的感测装置的详细结构及构成感测装置的元件的功能的示意图；
图4的(a)显示照相单元所获得影像的示意图，以及图4的(b)显示藉从图4的(a)所示的影像分离对应于预设区段的区域所获得的源影像的示意图；
图5的(a)是显示源影像的示意图，图5的(b)是显示静止背景影像的示意图，以及图5的(c)显示藉从源影像移除背景影像所获得的影像的示意图；
图6的(a)是显示藉结合多个画面所获得的影像上多个画面的高尔夫球候选者，其等如图4及图5所示的处理以抽取高尔夫球候选者，以及图6的(b)是显示预设并储存作为高尔夫球的参考影像的高尔夫球样板T的示意图；
图7是显示各画面中最终选取的高尔夫球候选者的示意图；
图8是显示结合图7所示的各画面中高尔夫球候选者以产生高尔夫球轨迹列表的实例的示意图；
图9是显示依据本发明实施例用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置的坐标系统的示意图；
图10是显示藉在yz平面上描绘图8所示的高尔夫球轨迹列表所获得的高尔夫球轨迹候选者的示意图；
图11是显示移动高尔夫球的物理特性的示意图；以及
图12是显示依据本发明实施例用于虚拟高尔夫模拟装置的感测方法的流程图。
具体实施方式
现在，将参考所附图式详细说明依据本发明的虚拟高尔夫模拟装置以及其使用的感测装置与感测方法的示范性实施例。
首先，将参考图1及图2说明依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置以及其使用的感测装置。
图1是显示依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置所应用的屏幕高尔夫系统实例的示意图，而图2是显示图1中屏幕高尔夫系统所应用的虚拟高尔夫模拟装置的结构的方块图。
如图1及图2所示，依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置包括用于感测使用者所敲击的高尔夫球B的感测装置S、以及用于实现虚拟高尔夫球场的影像并依据感测装置S的感测结果在虚拟高尔夫球场上提供高尔夫球B的轨迹的模拟影像的模拟器1，以使得虚拟高尔夫模拟能进行。
如图1所示，依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置所应用的屏幕高尔夫系统可配置成具有一种结构，其中击球台110设置在提供预设大小的空间的高尔夫室2的地面上，而使用者是在击球台110上敲击高尔夫球B，击球垫120设置在击球台110的一侧，而高尔夫球B安置在击球垫120上使得使用者能在击球台110上敲击高尔夫球B，以及屏幕3设置在高尔夫室2的前方，从影像输出装置(图2中所示的影像输出部30，比如光束投影机)输出的虚拟高尔夫模拟的影像被投影到屏幕3上，而影像信息从模拟器1传送至影像输出装置。
击球台110及击球垫120设置在图1所示的击球板100上。另一方式是，击球台110及击球垫120可设置在高尔夫室2的地面上。
可设置击球板100使得击球板100能在向前及向后的方向上以及在左边及右边方向上倾斜预设角度。而且，击球板100可连结至模拟器1，使得击球板100可对应于目前实现的虚拟高尔夫球场的地形而倾斜。
同时，如图1所示，感测装置S设置在高尔夫室2内，以感测使用者所敲击的高尔夫球B。
亦即，如图2所示，感测装置S包括照相单元50以及感测处理单元60，而照相单元50包含有多个照相机51及52，且感测处理单元60用于处理照相单元50所获得的影像，藉以抽取移动高尔夫球的物理特性。
照相单元50可由用于影像感测的单一照相机或两个或更多个照相机来构成。为了获得移动高尔夫球B的影像并抽取高尔夫球在三维空间的坐标，较佳的是配置使用二个或更多个相互协同连结的照相机51及52的立体型照相单元，如图1所示。
移动高尔夫球的物理特性可包括高尔夫球的速度、高尔夫球的移动方向(高尔夫球在水平方向的移动角度)、高尔夫球的高度(高尔夫球在垂直方向的移动角度)以及高尔夫球的旋转。
感测处理单元60可包括抓取器71、击球侦测器72、高尔夫球影像处理装置80以及高尔夫球杆影像处理装置90，其中抓取器71以每个画面为基础依序收集照相单元50所获得的影像，击球侦测器72用于接收并处理抓取器71所收集的影像，藉以感测击球准备是否已经完成且击球是否已经由使用者进行，高尔夫球影像处理装置80用于在击球侦测器72感测到高尔夫球已经被使用者敲击时，处理从击球侦测器72接收的被击打的高尔夫球的影像，藉以抽取移动高尔夫球的物理特性信息，而高尔夫球杆影像处理装置90用于从击球侦测器72接收的影像，分析高尔夫球杆的移动轨迹，藉以抽取高尔夫球旋转的信息
而且，感测处理单元60进一步包括转换装置73，用于匹配照相机51及52所获得的影像，藉以转换每个照相机影像的二维信息(从每个照相机抽取的信息是二维信息)为三维信息，或相反地，将匹配多个照相机影像所抽取的的三维信息转换为二维信息。
同时，构成依据本发明实施例的虚拟高尔夫模拟装置的模拟器1较佳地包括控制器M、数据库10、数据处理部20以及影像输出部30。
数据库10储存虚拟高尔夫模拟必要的所有数据。例如，数据库10储存驱动系统所必要的数据、实现虚拟高尔夫球场的影像所必要的数据、以及实现高尔夫球轨迹的模拟影像所必要的数据。
数据处理部20是进行预设影像处理以实现虚拟高尔夫球场的影像或虚拟高尔夫球场上高尔夫球轨迹的模拟影像的部件。
影像输出部30输出从数据处理部20接收的影像信息到屏幕，使得使用者能看到影像。
控制器M依据感测装置S的感测结果接收信息，以控制所有元件的操作，比如模拟器1的数据库10、数据处理部20以及影像输出部30。亦即，控制器M、数据库10以及数据处理部20的功能如同影像实现单元，用于依据感测装置S的感测结果实现高尔夫球轨迹的模拟影像。
以下，将参考图3说明图2所示的感测装置S的更加详细结构以及构成该感测装置的各元件的功能。
如图3所示，依据本发明的感测装置中信息的传送是以照相单元50→抓取器71→击球侦测器72→高尔夫球影像处理装置80→高尔夫球杆影像处理装置90→模拟器1的次序来进行。
照相单元50拍摄预设范围，包括设置有击球台及击球垫的部分，以获得每秒数百画面影像。
所获得画面影像传送至抓取器71。抓取器71储存从照相单元50接收的影像，并同时传送影像至击球侦测器72，以进行影像处理。
较佳地，击球侦测器80从抓取器接收的影像找寻高尔夫球，并决定高尔夫球是否满足预设条件，以感测击球准备是否已经完成。而且击球侦测器72决定高球是否从击球准备已经完成的位置上移动，藉以感测击球是否已经由使用者进行。
感测击球准备是否已经完成以及感测击球是否已经进行的击球侦测器72的方法并不是本发明的核心，因而详细说明将省略。
在感测到使用者已经敲击高尔夫球时，击球侦测器72会储存高尔夫球已经被敲击时的影像、以及之后的多个画面影像。这些影像被实时传送至高尔夫球影像处理装置80，使得所述影像能被高尔夫球影像处理装置80处理。
此外，在感测到使用者已经敲击高尔夫球时，击球侦测器72也会储存高尔夫球已经被敲击的前的多个画面影像，并传送所储存的所述画面影像至高尔夫球杆影像处理装置90。高尔夫球杆影像处理装置90从击球侦测器72接收的影像以及高尔夫球影像处理装置80所处理的影像，抽取高尔夫球杆的影像，以驱动高尔夫球杆头的移动轨迹，藉以估计高球的旋转。
高尔夫球影像处理装置80以及高尔夫球杆影像处理装置90所抽取的高尔夫球的物理特性信息被传送至模拟器1。模拟器1输出模拟影像，其中高尔夫球依据所接收的信息而在虚拟高尔夫球场上移动，使得虚拟高尔夫模拟可进行。
高尔夫球影像处理装置80基本上抽取多个高尔夫球候选者，从照相单元50所获得的各画面中的所述影像，将每个高尔夫球候选者的三维坐标转换为二维坐标，并分析每个高尔夫球候选者的二维轨迹，以抽取高尔夫球的最终轨迹，藉以计算移动高尔夫球的物理特性信息。
具体而言，高尔夫球影像处理装置80较佳地包括高尔夫球轨迹列表装置81以及高尔夫球轨迹决定装置82，其中高尔夫球轨迹列表装置81用于从各画面相对于照相单元50所获得的影像抽取高尔夫球候选者，并用于产生高尔夫球轨迹列表，相对于连续的画面连结各高尔夫球候选者，而高尔夫球轨迹决定装置82用于相对于所产生的高尔夫球轨迹列表进行二次多项式回归分析，以产生多个高尔夫球轨迹候选者，并用于依据预设条件，从所述高尔夫球轨迹候选者抽取高尔夫球的轨迹。
高尔夫球轨迹列表装置81较佳地包括高尔夫球候选者抽取装置81a以及列表产生装置81b，其中高尔夫球候选者抽取装置81a用于处理各画面影像，以从各画面中抽取高尔夫球候选者，而列表产生装置81b用于结合各画面中高尔夫球候选者，以产生高尔夫球轨迹列表。
高尔夫球轨迹决定装置82较佳地包括高尔夫球轨迹抽取装置82a、回归分析装置82b以及高尔夫球轨迹检查装置82c，其中高尔夫球轨迹抽取装置82a用于在三维坐标系统的平面上描绘列表产生装置81b所产生的高尔夫球轨迹列表的各高尔夫球候选者的坐标，亦即在平面上将各高尔夫球候选者的三维坐标描绘为二维坐标，藉以产生二维轨迹，亦即多个高尔夫球轨迹候选者，藉以进行二次多项式回归分析，回归分析装置82b用于检查每个高尔夫球轨迹候选者的二次函数，藉以抽取满足该预设条件的高尔夫球轨迹候选者，而高尔夫球轨迹检查装置82c用于检查藉回归分析装置所抽取的高尔夫球轨迹候选者，依据移动高尔夫球的物理特性，是否满足一预设数值，以选取高尔夫球的最终轨迹。
由于每个照相机所获得的影像包含许多种具有类似高尔夫球形状及高尔夫球影像的噪声(例如，高尔夫球附近地形的特定部分、使用者身体的一部分以及高尔夫球杆的头部)，所以必需从影像精确抽取高尔夫球。为此，将三维坐标描绘为二维坐标以获得二维轨迹，并且分析二维轨迹以移除可被视为高尔夫球轨迹的二维轨迹，以抽取可在物理上被视为高尔夫球的移动轨迹的二维轨迹，选取高尔夫球的最终轨迹，并获得所选高尔夫球的轨迹上高尔夫球的坐标，藉以计算高尔夫球的最终物理特性。
以下，将参考图3至图8说明通过由高尔夫球轨迹列表装置所进行的高尔夫球候选者的抽取以及所抽取高尔夫球候选者的结合的列表的产生。
首先，高尔夫球轨迹列表装置81的高尔夫球候选者抽取装置81a从图4的(a)所示的由照相机获得的影像200分离图4的(b)所示的源影像220。
由于照相机获得的影像200包含宽拍摄范围的整个影像，所以要花费很多时间处理影像200。为此，抽取必要的部分，并且只处理所抽取的影像，藉以降低影像处理时间。
图4的(b)所示的源影像220定义为从图4的(a)所示的影像中已经进行击球的点P1到点P2范围的区段的影像，而点P2是向前离点P2一段预设距离。
亦即，当高尔夫球被敲击时，高尔夫球飞向屏幕3(见图1)。结果，分析高尔夫球从已经进行击球的一点到离已经进行击球的该点向前相距一段预设距离的移动，藉以足够计算信息，比如高尔夫球的速度、方向及高度角。
图4的(a)所示的点P2可为对应于屏幕3(见图1)的位置或离屏幕向前一段预设距离的位置。
点P1及点P2从照相机所获得的影像来指定，且对应于点P1及点P2之间区段的影像从照相机所获得的影像分离，以获得图4的(b)所示的源影像。
同时，背景影像经由差异操作从上述所获得的源影像移除，如图5所示，藉以只获得高尔夫球候选者。例如，图5的(b)所示的背景影像230可经由差异操作从图5的(a)所示的源影像220获得图5的(c)所示的只具有移动部分的影像。
经差异操作所抽取的影像240的移动部分不被视为高尔夫球。某些移动部分会是噪声，比如高尔夫球杆头的一部分或使用者身体的一部分。
结果，高尔夫球候选者抽取装置81a指定依据高尔夫球的几何特性，经差异操作所获得影像240中被视为高尔夫球的部分以作为高尔夫球候选者。例如，大的宽度高度比的部分是不被视为高尔夫球，并因而排除这类的部分。而且，具有一个或二个像素大小的部分是很小，不被视为高尔夫球，并因而排除这类的部分。
上述依据高尔夫球几何特性所获得影像的剩余部分被指定为主要高尔夫球候选者。该主要高尔夫球候选者与高尔夫球样板作比较。类似于高尔夫球样板的程度使得相似程度等于或大于预设数值的主要高尔夫球候选者，被视为次要高尔夫球候选者。
高尔夫球样板是预设并储存作为高尔夫球的参考影像的影像。数值上类似于高尔夫球样板一预设程度的主要高尔夫球候选者被指定为次要高尔夫球候选者。
高尔夫球候选者抽取装置81a较佳地包括样板匹配装置，用于匹配主要高尔夫球候选者以及高尔夫球样板，抽取其间的相似程度，藉以抽取次要高尔夫球候选者。
然而，很不容易如上所述比较高尔夫球候选者以及高尔夫球样板，以精确找寻高尔夫球。理由是，高尔夫球的大小在不同画面中会不相同。亦即，照相机的拍摄区域为固定，且照相机以及高尔夫球之间的距离依据高尔夫球的移动而在拍摄区域内改变，其结果是，画面中移动高尔夫球影像的大小会彼此不同。结果，高尔夫球的大小在不同画面中会不相同，且高尔夫球样板的大小为固定，其结果是，很难精确决定高尔夫球候选者对高尔夫球样板是如何相似。
为此，样板匹配装置估计高尔夫球候选者的大小，并依据所估计的高尔夫球候选者的大小，变动匹配高尔夫球候选者以及高尔夫球样板，以抽取其间的相似程度，因而可高精确性的找寻高尔夫球。
图6的(a)是显示影像上多个画面的高尔夫球候选者(主要是抽取的高尔夫球候选者)的示意图，以解释样板匹配装置变动匹配高尔夫球候选者以及高尔夫球样板，而图6的(b)是显示高尔夫球样板T的示意图。
在图6的(a)中，C1-1及C1-2表示从源影像的第一画面抽取的高尔夫球候选者，C2-1表示从第二画面抽取的高尔夫球候选者，C3-1表示从第三画面抽取的高尔夫球候选者，C4-1表示从第四画面抽取的高尔夫球候选者。可以看出来的是，各画面中高尔夫球候选者的大小是彼此不相同。
首先，样板匹配装置估计高尔夫球候选者C1-1至C4-1的大小，用于变动匹配高尔夫球样板。亦即，当高尔夫球候选者同时被多个照相机拍摄时，可获得高尔夫球候选者在三维空间的坐标(每个照相机所获得的影像的二维信息会由转换装置73(见图2及图3)转换为三维信息，且三维信息会被抽取)。而且，可从高尔夫球候选者的坐标获得信息，比如在高尔夫球候选者以及其中相对应的照相机之间的距离，藉以估计高尔夫球候选者的大小。
此外，改变上述所估计的每个高尔夫球候选者的大小使得每个高尔夫球候选者的大小是等同于高尔夫球样板的大小，或改变高尔夫球样板的大小使得高尔夫球样板的大小等同于每个高尔夫球候选者的大小，且各高尔夫球候选者与高尔夫球样板比较而决定高尔夫球候选者如何相似于高尔夫球样板，藉以轻易找寻其中相似于真实高尔夫球的高尔夫球候选者。
亦即，考虑到估计的每个高尔夫球候选者的大小，每个高尔夫球候选者被正规化使得每个高尔夫球候选者的大小等同于高尔夫球样板T的大小，或高尔夫球样板T被正规化使得高尔夫球样板T的大小等同于每个高尔夫球候选者的大小，然后所述高尔夫球候选者与高尔夫球样板T比较。
高尔夫球候选者的正规化改变高尔夫球候选者影像的处理，使得高尔夫球候选者的大小等同于高尔夫球样板T的大小，而保持高尔夫球候选者影像的形状及像素比，藉以达成轻易比较高尔夫球候选者以及高尔夫球样板。另一方面，高尔夫球样板T的正规化改变高尔夫球样板影像的处理，使得高尔夫球样板T的大小等同于相对应高尔夫球候选者的大小，而保持高尔夫球样板影像的形状及像素比，藉以达成轻易比较高尔夫球样板以及高尔夫球候选者。
在完成上述高尔夫球候选者的正规化或高尔夫球样板的正规化时，高尔夫球候选者与高尔夫球样板比较，以抽取其间的相似程度，藉以选取具有相似程度等于或大于预设数值的高尔夫球候选者，作为次要高尔夫球候选者。
相似程度依据许多决定准则所决定被转换为数值，比如整体形状、像素比及像素值分布。
同时，上述由高尔夫球候选者抽取装置81a从各画面影像所抽取的高尔夫球候选者的实例显示于图7中。
可由图7中看出，高尔夫球候选者1_1及1_2是最后从第1画面(frame1)抽取，高尔夫球候选者2_1及2_2是最后从第2画面抽取，而高尔夫球候选者3_1及3_2是最后从第3画面抽取。当然，上述的高尔夫球候选者可从数十个或数百个画面中抽取。
高尔夫球轨迹列表装置81的列表产生装置81b依据状况数目结合图7所示的高尔夫球候选者，以产生高尔夫球轨迹列表。
亦即，如图8所示，高尔夫球候选者针对每个画面依据状况数目而结合，以产生高尔夫球轨迹列表。图8只显示第1号轨道(track1)至第5号轨道(track5)，作为相对于三个画面的高尔夫球轨迹列表。当然，许多高尔夫球候选者可相对于数十个或数百个画面而结合，以产生轨道。
同时，当高尔夫球轨迹如上所述由高尔夫球轨迹列表装置81产生时，高尔夫球轨迹决定装置82(见图3)使用高尔夫球轨迹列表抽取真实高尔夫球的轨迹，以计算移动高尔夫球的物理特性信息。
高尔夫球轨迹决定装置82的回归分析装置82a抽取列表产生装置81b所产生的高尔夫球轨迹列表(见图8)的各轨道上高尔夫球候选者的三维坐标数值(各照相机影像可藉转换装置73(见图2及图3)来匹配，藉以抽取三维信息)，并在二维坐标平面上描绘高尔夫球候选者的三维坐标数值。
亦即，坐标系统是定义为，假设击球台110及击球垫120所在的宽度方向是x轴，屏幕3所在的长度方向是y轴，且垂直方向是z轴，如图9所示。
在x轴、y轴及z轴的坐标系统中，高尔夫球轨迹抽取装置82a将在高尔夫球轨迹列表的各轨道上高尔夫球候选者的坐标描绘于yz平面上。此时，转换装置73(见图2及图3)可将列表上高尔夫球候选者的三维坐标信息转换为yz平面上的二维坐标信息。
图10是显示在yz平面上由高尔夫球轨迹抽取装置82a所描绘高尔夫球轨迹列表的高尔夫球轨迹候选者的实例的示意图。
如图10所示，二维轨迹曲线，曲线1至曲线3，亦即高尔夫球轨迹候选者可从yz平面上高尔夫球轨迹候选者1_1至4_2，依据高尔夫球轨迹列表上的结合而推导。
每个高尔夫球轨迹候选者的二次函数，亦即每个二维轨迹，会以z=A+By+Cy2的形式来计算,其中A、B及C是常数。而且，B是第一阶系数，而C是二次系数。如果C>0，则二维轨迹是向下凹。另一方面，如果C<0，则二维轨迹是向上凸。
高尔夫球轨迹决定装置82的回归分析装置82b检查每个高尔夫球轨迹候选者的二次函数的二次系数，以抽取主要近似高尔夫球轨迹的高尔夫球轨迹候选者。
亦即，可看出图10所示的二维轨迹的曲线2及曲线3是过分向下凹，而穿过地面。
如果高尔夫球是被精确敲击，则高尔夫球飞过地面，而不会穿透地面。为此，曲线2及曲线3在地面底下向下凹是不正确的轨迹，或是包含高尔夫球杆轨迹的轨迹。
结果，在地面底下过分向下凹的轨迹，亦即曲线2及曲线3，会被排除。
亦即，不正确的轨迹或高尔夫球杆的轨迹可藉检查每个二次函数的二次系数而确认。如果轨迹的二次系数是小于预设数值，则决定该轨迹是不正确的轨迹或高尔夫球杆的轨迹，因而该轨迹可被排除。这种预设数值可经由实验而被适当的预设。
如果回归分析装置82b所抽取的高尔夫球轨迹候选者的数目是1，如上所述，则高尔夫球轨迹候选者可被决定为高尔夫球的轨迹。另一方面，如果回归分析装置82b所抽取的高尔夫球轨迹候选者的数目大于1，则不正确的轨迹依据另一特定准则来移除，藉以获得高尔夫球的最终轨迹。
如果回归分析装置82b所抽取的高尔夫球轨迹候选者的数目大于1，则高尔夫球轨迹决定装置82的高尔夫球轨迹检查装置82c检查各高尔夫球轨迹候选者的轨迹上的各高尔夫球候选者的坐标移动是否满足预设条件，并选取满足预设条件的高尔夫球轨迹候选者，作为高尔夫球的最终轨迹。
应用于高尔夫球轨迹检查装置82c的预设条件可从移动高尔夫球的物理特性来设定，如图11所示。
如图11所示，高尔夫球的水平速度可定义为V0cosθ，而高尔夫球的水平速度可定义为V0sinθ，并假设高尔夫球是以初速V0及高度角θ来移动。
随着高尔夫球移动，高尔夫球的水平速度Vy保持V0cosθ而没有改变，而且高尔夫球的水平速度Vz由于重力加速度gt变成V0sinθ–gt(其中t是表示高尔夫球的移动时间)。
亦即，理论上，当高尔夫球如图11所示而移动时，高尔夫球的坐标以均一速度在y轴方向上移动，而高尔夫球的坐标以均一加速度在z轴方向上移动。
然而，实际上，当高尔夫球移动时，依据许多实验，存在许多变量，比如空气阻力。结果，高尔夫球并未如图11所示来移动。然而，如果高尔夫球是在非常短的区段内移动，许多变量所引起的效应可被忽略，因而，图11所示的理论特性被精确地应用到某种程度。
亦即，如果从击球垫120到屏幕3的高尔夫球的移动被图1所示屏幕高尔夫系统的感测装置感测到，则屏幕的长度很短，例如约5m至7m。结果，可认为高尔夫球依据图11所示的理论特性来移动。
结果，高尔夫球轨迹检查装置82c检查高尔夫球候选者上各高尔夫球轨迹候选者的坐标移动，抽取在y轴方向上以均一速度且在z轴方向上以均一加速度移动的高尔夫球轨迹候选者，并决定所抽取的高尔夫球轨迹候选者是高尔夫球的最终轨迹。
如上所述，在被抽取作为高尔夫球的最终轨迹的轨迹上，每个高尔夫球的移动被转换为三维坐标(二维坐标可藉转换装置73(见图2及图3)转换为三维坐标)，并且分析三维空间中每个高尔夫球的移动，以计算移动高尔夫球的物理特性信息。
以下，将参考图12说明依据本发明实施例用于虚拟高尔夫模拟的感测方法。
首先，当虚拟高尔夫模拟开始时，使用者安置高尔夫球于击球垫上，使得使用者能敲击高尔夫球。此时，感测装置获得安置于击球垫上的高尔夫球的影像，并从所获得的影像找寻高尔夫球(S10)。这种高尔夫球找寻处理藉由击球侦测器来进行。
从所获得的影像找寻高尔夫球，并且确认高尔夫球所在的坐标上的信息。如果预设条件被满足，则击球准备完成(S11)。
在完成击球准备时，击球侦测器开始感测击球是否已经由使用者进行(S12)。在感测到击球已经进行时(S20)，击球侦测器确认何时击球已经进行，收集击球已经完成时的画面影像以及之后的多个画面影像(S31)，并传送所收集的画面影像至高尔夫球影像处理装置。另一方面，在感测到击球还未进行时，处理程序回到击球感测步骤(S12)。
如果击球侦测器收集多个画面影像，并在感测到击球已经进行之后实时传送所收集的所述画面影像至高尔夫球影像处理装置，则高尔夫球影像处理装置从所接收的影像分离预设区域，以抽取源影像(S32)。
接着，高尔夫球影像处理装置从所抽取的源影像移除背景影像(S33)，以抽取多个高尔夫球候选者(S34)。高尔夫球候选者的抽取在先前已经详细说明，因而省略进一步的说明。
在高尔夫球候选者从每个画面抽取后，连续画面的高尔夫球候选者结合以产生高尔夫球轨迹列表(S40)。
高尔夫球轨迹列表是在yz平面上多项式经回归分析，以抽取二维轨迹，亦即高尔夫球轨迹候选者(S51)。
由于各高尔夫球轨迹候选者是二维轨迹，所以各高尔夫球轨迹候选者的二次函数被计算(S52)，且每个计算的二次函数的二次系数与预设数值比较，藉以只抽取具有二次系数等于或大于该预设数值的高尔夫球轨迹候选者(S53)。
所抽取高尔夫球轨迹候选者中的高尔夫球轨迹候选者，其高尔夫球候选者的坐标移动满足预设条件(如图11所示在水平方向上均一速度移动条件以及在垂直方向上均一加速度移动条件)，是被决定成高尔夫球的最终轨迹(S61)。
接着，所决定高尔夫球的轨迹上高尔夫球的坐标被转换为三维坐标(S62)，而从坐标数值计算移动高尔夫球的物理特性信息(S63)。
所计算的移动高尔夫球的物理特性信息传送至模拟器，而且模拟器依据所接收的移动高尔夫球的物理特性信息，实现高尔夫球轨迹的模拟影像(S70)。
本发明的形式
本发明的各种实施例已经以最佳形式来说明。
工业应用
依据本发明的虚拟高尔夫模拟装置及其使用的感测方法与感测装置能用于高尔夫游戏或所谓的屏幕高尔夫使使用者能够依据虚拟实境通过高尔夫模拟进行虚拟高尔夫回合的相关产业。

Claims (17)

1.一种用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，包括：
一照相单元，用于获得使用者挥动高尔夫球杆敲击高尔夫球所敲击的高尔夫球的多个画面影像；以及
一感测处理单元，用于从所获得的画面影像抽取多个高尔夫球候选者，转换每个高尔夫球候选者的三维坐标为二维坐标，并分析每个高尔夫球候选者的二维轨迹，以抽取高尔夫球轨迹，藉以计算移动高尔夫球的物理特性上的信息。
2.如权利要求1所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该感测处理单元包括：
一高尔夫球轨迹列表装置，用于从各画面相对于所获得的影像抽取多高尔夫球候选者，并用于产生一高尔夫球轨迹列表，相对于连续的影像连结各高尔夫球候选者；以及
一高尔夫球轨迹决定装置，用于相对于所产生的高尔夫球轨迹列表进行二次多项式回归分析，以产生多个高尔夫球轨迹候选者，并用于依据一预设条件从所述高尔夫球轨迹候选者抽取高尔夫球的轨迹。
3.如权利要求2所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该高尔夫球轨迹列表装置包括：
一高尔夫球候选者抽取装置，用于处理各画面影像，以抽取高尔夫球候选者；以及
一列表产生装置，用于结合各画面中所述高尔夫球候选者，以产生一高尔夫球轨迹列表。
4.如权利要求3所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该高尔夫球候选者抽取装置包括一样板匹配装置，用于预设并储存一高尔夫球样板，作为高尔夫球的一参考影像，并用于从所获得的影像，抽取与该高尔夫球样板相匹配的高尔夫球候选者。
5.如权利要求2所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该高尔夫球轨迹决定装置包括：
一高尔夫球轨迹抽取装置，用于在一三维坐标系统上描绘所产生的该高尔夫球轨迹列表的坐标，藉以产生多个高尔夫球轨迹候选者，进行二次多项式回归分析；以及
一回归分析装置，用于检查每个高尔夫球轨迹候选者的一二次函数，藉以抽取满足预设条件的高尔夫球轨迹候选者。
6.如权利要求5所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该回归分析装置配置以抽取具有等于或大于一预设数值的二次函数的二次系数的高尔夫球轨迹候选者。
7.如权利要求5所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该高尔夫球轨迹决定装置进一步包括一高尔夫球轨迹检查装置，用于依据移动高尔夫球的物理特性检查由回归分析装置所抽取的高尔夫球轨迹候选者是否满足一预设条件，以选取高尔夫球的最终轨迹。
8.如权利要求7所述的用于虚拟高尔夫模拟装置的感测装置，其特征在于，该高尔夫球轨迹检查装置配置以检查由该回归分析装置所抽取的高尔夫球轨迹候选者的轨迹上的各高尔夫球候选者的坐标移动是否满足一预设条件，并配置以选取满足该预设条件的高尔夫球轨迹候选者作为高尔夫球的最终轨迹。
9.一种虚拟高尔夫模拟装置，其特征在于，包括：
一感测装置，包括一照相单元以及一感测处理单元，该照相单元用于获得使用者对高尔夫球挥动高尔夫球杆所敲击的高尔夫球的多个画面影像，而该感测处理单元包括一高尔夫球轨迹列表装置及一高尔夫球轨迹决定装置，该高尔夫球轨迹列表装置用于从各画面相对于所获得的影像抽取多个高尔夫球候选者，并用于产生一高尔夫球轨迹列表，相对于连续的影像连结各高尔夫球候选者，而该高尔夫球轨迹决定装置用于相对于所产生的高尔夫球轨迹列表进行二次多项式回归分析，以产生多个高尔夫球轨迹候选者，并用于依据一预设条件从所述高尔夫球轨迹候选者抽取高尔夫球的轨迹；以及
一影像实现单元，用于依据该感测处理单元所抽取的信息，实现该高尔夫球的轨迹的模拟影像。
10.一种用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，包括：
获得使用者对击高尔夫球挥动高尔夫球杆所敲击的高尔夫球的多个画面影像；
从所获得的画面影像抽取多个高尔夫球候选者；
将每个高尔夫球候选者的三维坐标转换为二维坐标，以抽取每个高尔夫球候选者的二维轨迹；以及
分析每个高尔夫球候选者的二维轨迹，以抽取高尔夫球的轨迹，从而计算移动的高尔夫球的物理特性上的信息。
11.如权利要求10所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该抽取每个高尔夫球候选者的二维轨迹的步骤包括：
产生一高尔夫球轨迹列表，以连结相对于连续画面的各高尔夫球候选者；以及
相对于所产生的高尔夫球轨迹列表进行二次多项式回归分析，以产生多个高尔夫球轨迹候选者。
12.如权利要求11所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该抽取高尔夫球的轨迹以计算移动的高尔夫球的物理特性上的信息的步骤包括：
决定满足一预设条件的高尔夫球轨迹候选者作为高尔夫球的轨迹；
在所决定的高尔夫球的轨迹上转换高尔夫球的坐标；以及
分析所转换的高尔夫球的坐标的移动，以计算移动高尔夫球的物理特性。
13.如权利要求10所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该抽取高尔夫球候选者的步骤包括：
从每个所获得的影像移除一背景影像；以及
将在所述影像中移除该背景影像的每个影像所出现的多个对象与预设并储存作为高尔夫球的参考影像的一高尔夫球样板匹配，以抽取高尔夫球候选者。
14.如权利要求11所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该产生高尔夫球轨迹列表的步骤包括依据所述高尔夫球候选者结合的状况数目结合各画面上所述高尔夫球候选者，藉以产生对应于所述高尔夫球候选者结合的该状况数目的一高尔夫球轨迹列表。
15.如权利要求12所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该产生高尔夫球轨迹候选者的步骤包括：
将所产生高尔夫球轨迹列表中的每个高尔夫球候选者的坐标描绘在一yz平面上，以产生一二维轨迹；以及
计算在该yz平面上该二维轨迹的一二次函数。
16.如权利要求15所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该决定满足一预设条件的高尔夫球轨迹候选者作为高尔夫球的轨迹的步骤包括：
比较该二次函数的一二次系数与一预设数值；以及
抽取具有该二次函数的二维轨迹，而该二次函数的二次系数是等于或大于该预设数值。
17.如权利要求16所述的用于虚拟高尔夫模拟的感测方法，其特征在于，该决定满足一预设条件的所述高尔夫球轨迹候选者作为高尔夫球的轨迹的步骤包括：
依据移动高尔夫球的物理特性，检查该二维轨迹是否满足一预设条件，而该二维轨迹的二次系数是等于或大于该预设数值；以及
依据移动高尔夫球的物理特性，决定满足该预设条件的该二维轨迹作为高尔夫球的轨迹。
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