KR100871595B1 - A system for measuring flying information of globe-shaped object using the high speed camera - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고속카메라를 이용한 구형물체의 비행정보 측정 시스템에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 라인스캔카메라를 이용하여 구형물체의 초기 속도를 정확하게 예측함으로써 고속카메라로 이미지프로세싱을 함에 있어 구형물체간의 겹침이 발생하지 않도록 하고 정확한 트리거링을 가능하게 하는 비행정보 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a flight information measuring system of a spherical object using a high speed camera. More specifically, the overlapping between spherical objects in image processing with a high speed camera is accurately estimated by accurately predicting the initial speed of the spherical object using a line scan camera. The present invention relates to a flight information measurement system that does not occur and enables accurate triggering.
일반적으로 비행하는 구형물체의 비행궤도를 파악하기 위해서는 비행하는 구형물체의 순간 위치 및 속도를 측정한 후, 이를 분석하여 구형물체의 전체적인 비행궤도를 파악하게 된다. 비행하는 구형물체의 비행궤도를 예측하는 시스템의 일례로 골프 시뮬레이션 시스템이 있는데, 이러한 골프 시뮬레이션 시스템은 레이저 장치 또는 2개~4개의 카메라를 이용하여 비행하는 구형물체인 골프공의 순간 속도 및 위치를 측정하였다.In general, in order to determine the flight trajectory of the flying spherical object, the instantaneous position and velocity of the flying spherical object are measured, and then analyzed to determine the overall flight trajectory of the spherical object. An example of a system for predicting flight trajectories of flying spherical objects is a golf simulation system. The golf simulation system uses a laser device or two to four cameras to measure the instantaneous speed and position of a golf ball that is flying spherical objects. Measured.
종래의 레이저 기술을 이용한 골프 시뮬레이션 시스템으로는 본 출원인에 의해 제안된 특허등록 제483666호 "광막을 이용한 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템"이 있다. 이 특허발명은 골프공의 이미지 그림자를 분석하여 위치정보를 산출하고, 수광센서를 일정한 위치에 배열하여 그림자 간의 간섭과 그림자 정보를 2차원으로 분석한 후, 3차원으로 변환함으로써 골프공의 비행궤도에 영향에 미치는 비행정보를 간접적으로 분석하는 방법이다. 그러나 이러한 레이저 기술을 이용한 골프 시뮬레이션 시스템은 광막을 발생시키는 광막발생기와 발생된 광막 및 그림자를 수신하기 위한 수광센서 등의 설치가 난해하고 복잡하다는 문제점이 있었다. Golf simulation system using the conventional laser technology is a patent registration No. 483666 proposed by the present applicant "the flight speed and position measurement system of the circular object using the light curtain". This patent invention analyzes the image shadow of the golf ball to calculate the position information, arranges the light receiving sensor at a certain position, analyzes the interference and shadow information between the shadows in two dimensions, and then converts them into three dimensions to track the flight path of the golf ball. Indirect analysis of flight information that affects However, the golf simulation system using the laser technology has a problem that the installation of a film generator for generating a light film and a light receiving sensor for receiving the generated film and shadow are difficult and complicated.
한편, 카메라를 이용하는 골프 시뮬레이션 시스템은 카메라로 정지 영상을 얻어 골프 클럽의 특성과 골프공의 궤적특성을 분석함으로써 골프공의 실제 궤적에 미치는 파라메타를 계산함으로써 골프공의 초기속도, 궤적각 등 비행 정보를 구하는 방법이다. 이러한 고속카메라를 이용한 골프 시뮬레이션 시스템의 일례로 공개특허공보 제2002-62125호 "골퍼의 골프공 타격 파라메타를 측정하기 위한 시스템 및 방법"이 있다. 도 1a에 상기 종래 기술의 시뮬레이션 시스템을 도시하였다.On the other hand, a golf simulation system using a camera obtains a still image with a camera and analyzes the characteristics of the golf club and the trajectory of the golf ball to calculate parameters that affect the actual trajectory of the golf ball, thereby allowing flight information such as the initial velocity and trajectory angle of the golf ball. How to get An example of such a golf simulation system using a high speed camera is disclosed in Korean Laid-Open Patent Publication No. 2002-62125, "System and method for measuring a golf ball hitting parameter of a golfer." Figure 1a shows a simulation system of the prior art.
상기 시뮬레이션 시스템은 발신부(31)와 수신부(32)로 이루어져 골프공에 접근하는 골프 클럽의 속도를 계측하는 레이저 방식의 트리거장치(30); 거치대의 상 단에 마련되며 제1광원(12) 및 제1카메라(11)를 포함하는 제1카메라부(10); 제1카메라부(10)의 하단에 마련되며 제2광원(22) 및 제2카메라(21)를 포함하는 제2카메라부(20); 및 데이터 처리용 컴퓨터(40)를 포함하여 구성된다. 상기 공개특허는 복수개의 트리거 신호에 의한 복수개의 프레임을 연속적으로 분석하여 골프공의 각종 파라메타를 측정한다. 상기 트리거 신호의 간격은 트리거장치(30)가 계측한 골프 클럽의 속도로부터 예측된다. 예측된 트리거 신호의 간격은 연속적인 정지 영상을 얻는 과정에서 골프공(1)이 상호 겹치지 않도록 적절히 보정된다. 제1카메라(11) 및 제2카메라(21)는 상기 트리거 신호에 따라 일련의 정지 영상을 얻되 명료한 화상을 얻기 위하여 스트로보식의 제1 및 제2광원(12, 22)이 추가로 제공된다.The simulation system is composed of a
그러나 종래의 카메라를 이용하는 시뮬레이션 시스템에서는 스테레오 영상을 획득하여 영상 정보를 3차원 정보로 변환하는 과정이 복잡하여 동시성이 떨어지고, 이미지를 분리하여 추출하고 분석하는데 시간이 많이 소요되었으며, 이러한 처리기술의 미숙으로 상용화가 어려운 문제점이 있었다. 또한, 골프공의 위치정보를 계산하고도 골프공의 회전정보를 계산하는데 수학적 접근이 어려웠고, 이용자들이 특정한 위치에 특정한 모양의 공을 위치시킨 후 이용하여야 하는 불편한 문제점이 있었다. 더불어, 고속 카메라에서 트리거 영역을 추출하는 데에 어려움이 있어 비행시점을 정확히 예측하기가 어려웠고, 비행시점 예측용 트리거 신호를 발생시킨 후 비행시점을 계산하여 실제 비행시간과 비행궤적을 산출하는 과정에서 많은 오차가 발생하였다. 뿐만 아니라, 고속 카메라 촬영을 위해 스트로브 광원을 사용함으로써 이용자들이 순간 눈부심에 따른 불편을 겪었고, 복잡한 주변센서를 설치하고도 골프 시뮬레이션 시스템에서 골프공의 비행경로를 모두 감지하기가 어렵다는 단점이 있었다.However, in the simulation system using a conventional camera, the process of acquiring stereo images and converting the image information into three-dimensional information is complicated, and the concurrency is poor, and it takes a long time to separate, extract, and analyze the images. There was a difficult commercialization problem. In addition, the mathematical approach is difficult to calculate the golf ball rotation information even after calculating the position information of the golf ball, there is an inconvenience that users have to use after positioning the ball of a specific shape in a specific position. In addition, it was difficult to accurately predict the time of flight because of difficulty in extracting the trigger area from the high-speed camera.In the process of calculating the actual time and flight trajectory by generating the time of flight signal and then calculating the time of flight. Many errors occurred. In addition, by using the strobe light source for high-speed camera shooting, users suffered from the inconvenience of instantaneous glare, and it was difficult to detect all the flight paths of the golf ball in the golf simulation system even if a complex peripheral sensor is installed.
특히, 상기 종래의 시뮬레이션 시스템은 트리거 시간 간격을 설정함에 있어 골프 클럽의 접근 속도를 기초로 예측한다는 점에 큰 문제점이 있다. 왜냐하면 골프 클럽이 골프공에 접근하는 형태 및 타격 상태에 따라 골프 클럽의 속도는 같더라도 골프공이 서로 다른 속도로 진행할 여지가 있기 때문이다. 즉, 골프 입문 초심자의 경우에는 타격 자세가 나빠 숙련자와 동일한 속도로 골프공을 타격하더라도 타격 실수에 의해 골프공의 진행 속도가 현저히 떨어질 우려가 있다. 이와 같은 상황에서 종래 시뮬레이션 시스템과 같이 골프 클럽 속도에만 의지하여 동일한 트리거 신호 간격을 주는 경우 겹치지 않은 골프공의 연속 정지 화상을 얻기는 쉽지 않게 된다. 도 1b에는 트리거 신호 주기의 예측 오류로 인하여 골프공이 상호 겹친 경우의 정지 영상을 도시하였다. 계측 대상물의 겹침이 발생하면 실질적인 비행정보의 분석은 불가능하다. 또한, 종래와 같이 골프 클럽 속도와 골프공의 진행 속도를 관련지어 예측식으로 만든 경우 계측장치와 골프공 간의 간격 등이 변경되는 경우에는 새롭게 예측 파라미터들을 캘리브레이션(calibration) 해야 한다는 문제점도 있다. 도 1에 도시된 종래의 시스템은 제1카메라부(10) 및 제2카메라부(20)가 별도로 장착되어 상호 위치가 기구학적으로 달라질 수 있는 바, 이런 경우에도 추가적인 캘리브레이션이 필요하다는 운용상의 문제점이 있다.In particular, the conventional simulation system has a big problem in that it is based on the approach speed of the golf club in setting the trigger time interval. This is because, depending on the type of golf club approaching the golf ball and the hitting condition, even if the golf club has the same speed, the golf ball may have different speeds. That is, in the case of beginners to golf, even if the hitting posture is bad, even if the golf ball is hit at the same speed as the skilled person, there is a fear that the speed of the golf ball is significantly reduced due to the hitting error. In such a situation, it is difficult to obtain continuous still images of non-overlapping golf balls when the same trigger signal interval is given only by the golf club speed as in the conventional simulation system. FIG. 1B shows a still image when golf balls overlap each other due to a prediction error of a trigger signal period. If the measurement objects overlap, it is impossible to analyze the actual flight information. In addition, when the golf club speed and the speed of the golf ball is made as a predictive equation in the related art, when the distance between the measuring device and the golf ball is changed, there is a problem in that the calibration parameters must be newly calibrated. In the conventional system illustrated in FIG. 1, since the
결국 종래의 골프공 타격 시뮬레이션 시스템의 경우에는 처리기술의 미숙과 초기 골프공 진행 속도 예측의 문제점 및 과도한 캘리브레이션 필요성 등으로 인하여 대중화되기가 힘들다는 문제점이 있다.As a result, the conventional golf ball hitting simulation system has a problem that it is difficult to popularize due to the immature processing technology, the problem of the initial golf ball progression speed prediction, and the need for excessive calibration.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 카메라 트리거 신호 주기 예측을 실제 속도 신호주기로 전환하여, 구형물체의 초기 진행 속도를 빠른 속도로 계측함으로써 연속되는 정지영상에서 구형물체가 상호 겹치지 않도록 트리거 신호 발생이 가능한 구형물체의 비행정보 측정 시스템을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above problems, by switching the existing camera trigger signal period prediction to the actual speed signal period, by measuring the initial speed of the spherical object at a high speed to trigger so that the spherical objects do not overlap each other in a continuous still image The present invention aims to provide a flight information measurement system of a spherical object capable of generating a signal.
또한, 본 발명은 2대의 고속카메라를 이용하는 스테레오방식으로 구형물체의 3차원 상 위치를 빠른 속도로 계산해 낼 수 있는 비행정보 측정 시스템을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a flight information measuring system that can calculate the three-dimensional image position of the spherical object at high speed in a stereo method using two high-speed camera.
또한, 본 발명은 구형물체의 진행속도 뿐만 아니라 진행방향을 초기에 예측하고, 취득된 정지화상에서 당해 진행영역만을 확대하여 분석함으로써 정확하게 비행정보를 산출해 낼 수 있는 비행정보 측정 시스템을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a flight information measuring system that can calculate the flight information accurately by initially predicting the traveling speed as well as the traveling direction of the spherical object, and by expanding and analyzing only the moving area in the acquired still image.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구형물체(500)의 비행정보를 측정하기 위한 시스템에 있어서, 구형물체(500)의 이동을 감지하여 구형물체(500)의 유무 및 초기 속도를 검출하는 라인스캔카메라(110); 상기 라인스캔카메라(110)가 검출한 구형물체(500)의 직선이동 속도를 이용하여 속도에 따라 트리거 신호를 가변적으로 발생시켜 일정한 변위간격으로 구형물체(500)의 비행궤도상을 고속으로 촬영함으로써 비행중인 구형물체(500)의 영상을 복수로 획득하는 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)가 구비된 영상획득부(200)와; 상기 영상획득부(200)를 통하여 획득된 비행중인 구형물체(500) 영상을 분석하여 구형물체(500)의 비행위치, 비행 속도 및 회전량을 계산하는 컴퓨터처리부(300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구형물체(500)의 비행정보 측정 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a system for measuring flight information of a
상기 측정 시스템에는 제1카메라(210), 제2카메라(240) 및 라인스캔카메라(110)를 위한 적어도 1개 이상의 광원을 더 포함하되, 상기 제1카메라(210), 제2카메라(240), 라인스캔카메라(110) 및 상기 광원은 동일선상에 하나의 구조물로 배치되는 것이 특징이다.The measurement system further includes at least one light source for the
또한, 상기 광원은 구형물체의 비행궤도상에 지속적으로 빛을 조사하도록 되어 있고, 제1카메라(210)를 위한 제1광원부(220), 제2카메라(240)를 위한 제2광원부(230)를 포함하되, 제1카메라(210)와 제2카메라(240)가 동일한 간격으로 유격되어 있으며, 카메라 간격이 높이변위상수에 영향을 받는 스테레오기법을 이용하는 것이 특징이다.In addition, the light source is continuously irradiated with light on the flight trajectory of the spherical object, the
상기 컴퓨터처리부(300)는 상기 영상획득부(200)로부터 전송되는 구형물체(500)의 다수 영상 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 디지털입출력부(310)와; 디지털 데이터로 변환된 구형물체(500)의 영상이미지의 중심점을 각각 계산하고, 구형물체 영상이미지의 중심점과 해당 구형물체 영상을 촬영한 카메라를 연결하는 다수의 가상라인을 설정한 후, 각 라인의 가상 교차점을 계산하여 구형물체(500)의 순간 비행 위치를 파악하며, 파악된 구형물체(500)의 순간 비행 위치간의 영상 획득 신호주기를 이용하여 구형물체(500)의 비행 속도를 계산하는 중앙처리기(320);를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.The
더욱이, 상기 중앙처리기(320)에서 구형물체(500) 영상이미지의 중심점과 해당 구형물체 영상을 촬영한 카메라를 연결하는 가상라인을 설정하는 과정에서 카메라의 촬영 특성값에 따라 카메라 위치에 대한 교정이 이루어지는 것이 더욱 유리하다.In addition, in the process of setting a virtual line connecting the center point of the
한편, 상기 구형물체(500)의 표면에는 교차점이 형성되는 식별 가능한 마커라인(510)이 적어도 두 개 이상 형성되고, 상기 컴퓨터처리부(300)는 영상획득부(200)를 통하여 획득된 다수의 구형물체(500) 영상에 포함된 마커라인(510)과 각 마커라인(510)간의 교차점 위치를 분석하여 교차점의 변위에 따른 구형물체의 3차원 피치각, 요우각 및 롤각을 계산해 내는 것이 특징이다.Meanwhile, at least two
또한, 상기 비행정보 측정 시스템에는 디스플레이부(400)가 더 포함되고, 상기 컴퓨터처리부(300)는 구형물체(500)의 비행위치, 비행속도 및 회전량을 이용하여 구형물체(500)의 비행궤도를 계산하고 이를 디스플레이부(400)에 출력하는 것이 특징이다.In addition, the flight information measuring system further includes a
추가적으로, 상기 비행정보 측정 시스템에는 제2라인스캔카메라(114)가 라인스캔카메라(110)와 구형물체(500)의 진행방향으로 더 포함되고, 상기 컴퓨터처리부(300)는 상기 라인스캔카메라(110,114) 들이 검출한 구형물체(500)의 통과 좌표를 이용하여 구형물체(500)의 초기 비행방향을 예측하며, 영상획득부(200)로부터 전송된 촬상화상 중 상기 진행방향에 해당하는 영역을 확대하여 비행위치, 비행 속도 및 회전량을 계산하는 것이 바람직하다.In addition, the flight information measuring system further includes a second
본 발명의 구형물체 비행정보 측정 시스템의 제공에 따라, 빠르고 정확하게 구형물체의 비행정보 취득이 가능하다. 특히, 본 발명의 시스템은 구형물체를 직접적인 대상으로 하여 초기 상태를 계측하고, 그에 따라 정지영상을 위한 트리거 신호를 발생시키는 바, 다양한 타격 조건에서도 정보 취득의 실패 없이 원활한 운용이 가능하다. 또한, 구형물체의 비행방향을 미리 예측하여 당해 부분만 확대하여 해석함으로써 구형물체의 비행궤도 계측 정확도가 획기적으로 향상된다.According to the provision of the spherical object flight information measuring system of the present invention, it is possible to obtain flight information of the spherical object quickly and accurately. In particular, the system of the present invention measures the initial state by directly targeting the spherical object, and accordingly generates a trigger signal for the still image, it is possible to operate smoothly without failing to acquire information even under various hitting conditions. In addition, the flight trajectory measurement accuracy of the spherical object is remarkably improved by predicting the flight direction of the spherical object in advance and expanding only the portion.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 구형물체 비행정보 측정 시스템의 사시도이고, 도 3은 마커라인이 형성된 구형물체의 사시도이며, 도 4는 라인스캔카메라 트리거 신호의 처리 개념도이다. 또 한, 도 5는 비행물체가 비행하는 과정에서 카메라로부터 획득된 단일 영상을 좌표로 나타낸 개념도이고, 도 6은 2개의 고속카메라에서 촬영된 영상이미지에 나타나는 구형물체를 동일 축 상으로 옮겨 놓은 개념도이며, 도 7은 제1카메라 및 제2카메라에 의해 획득된 스테레오 영상에서 구형물체의 위치를 나타내는 상태도를 나타낸다. 한편, 도 8은 본 발명에 따른 마커라인을 포함하는 구형물체의 모양이 촬영 시점에 따라 x, y, z 축을 기준으로 회전하는 것을 나타내는 개념도이고, 도 9는 구형물체의 비행정보 측정 시스템 블록 구성도이며, 도 10은 이중 라인스캔카메라를 활용한 비행방향 예측방법 설명도이고, 도 11은 본 발명에 따른 구형물체의 비행정보 측정 시스템의 동작 흐름도를 표시한다. 종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 2 is a perspective view of a spherical object flight information measuring system of the present invention, FIG. 3 is a perspective view of a spherical object having a marker line, and FIG. 4 is a conceptual view of a line scan camera trigger signal processing. In addition, FIG. 5 is a conceptual diagram showing coordinates of a single image obtained from a camera during the flight of a flying object, and FIG. 6 is a conceptual diagram in which spherical objects appearing on video images captured by two high-speed cameras are moved on the same axis. 7 is a state diagram illustrating the position of a spherical object in the stereo images obtained by the first camera and the second camera. On the other hand, Figure 8 is a conceptual diagram showing that the shape of the spherical object including the marker line according to the present invention is rotated based on the x, y, z axis according to the shooting time point, Figure 9 is a block configuration of the flight information measurement system of the
먼저 도 2를 이용하여 본 발명의 구형물체 비행정보 측정 시스템을 자세히 설명한다. 본 발명의 비행정보 측정 시스템은 라인스캔카메라(110)를 포함하며, 구형물체(500)의 비행시작 여부와 비행 시작 속도를 계측하고, 영상획득부(200)의 고속촬영을 위한 트리거 신호를 발생하는 초기속도계측부(100); 상기 초기속도계측부(100)의 트리거 신호에 따라 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)를 이용하여 정해진 시간 간격으로 일련의 고속 정지화상을 얻는 영상획득부(200); 취득된 정지화상을 전달받아 영상처리를 함으로써 비행하는 구형물체(500)의 3차원 상 위치와 궤적을 구하고, 위치를 미분하여 속도를 구하며, 구형물체(500)의 회전량을 계산하는 컴퓨터처리부(300); 및 디스플레이부(400)를 포함하여 구성된다.First, the spherical object flight information measuring system of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2. Flight information measuring system of the present invention includes a
영상획득부(200)는 구형물체(500)가 비행하는 방향을 모두 촬영할 수 있도록 도 2와 같이 통상 시스템이 설치되는 공간의 중앙 천정에 배치된다. 바람직하게는 구형물체(500)의 시작위치 직상방에 배치되는 것이 유리하다.The
영상획득부(200)의 중앙에 배치되는 라인스캔카메라(100)는 라인필터를 이용하여 컴퓨터처리부(300)의 제어에 따라 일정한 시간 간격으로 구형물체(500)의 출발 지역을 스캐닝하고 있다고, 일정 크기의 신호가 들어오면 신호의 폭을 계산하여 단방향 속도를 구하고, 속도에 따른 신호주기를 이용하여 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)가 정지화상을 찍도록 트리거 신호를 발생한다. 자세한 설명은 작동 설명은 하단에서 추가될 것이다.The
상기 영상획득부(200)에는 구형물체(500)의 비행경로를 촬영할 수 있도록 소정의 간격으로 이격 설치된 제1카메라(210) 및 제2카메라(240) 사이로 상기 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)가 비행하는 구형물체를 원활히 촬영할 수 있도록 광원을 조사하는 제1광원부(220) 및 제2광원부(230)가 구비된다. 상기 두개의 광원부(220, 230) 사이로는 상기한 라인스캔카메라(110)가 배치된다. 본 발명에서는 상기 제1광원부(220) 및 제2광원부(230)를 상시 조명으로 구성한다. 스트로보 방식에서 상시 조명 형태로 변경하는 이유는 구형물체(500)의 영상신호를 고속 카메라로 촬영하면 노출시간이 적어 영상이 어둡게 나타나는 바, 통상 광원을 마련하게 되나, 스트로보 방식의 경우에는 작동 중에 눈부심이 심하다는 문제점이 있기 때문이다. 본 발명의 실시예에서는 이를 보정해주기 위래 제1광원부(220) 및 제2광원부(230)를 상시 조명으로 구성하여, 구형물체(500) 이동시 순간포착신호가 고루 밝게 보이도록 하는 한편, 이용자의 순간 눈부심을 방지하도록 한다. 상기 제1카메라(210)와 제2카메라(240)의 간격은 2중으로 찍히는 스테레오 영상이 확연히 구별될 수 있도록 600∼800mm 정도의 간격으로 설치하되 주변 설치환경과 간섭되지 않도록 배치시킨다. 상기 설치 간격은 상황에 따라서 달라질 수 있으며, 카메라의 배율과 시스템의 규모 및 특징에 따라 적절히 변형될 수 있음은 당연하다.The
상기 영상취득부(200)는 비행정보 측정 시스템의 측면에 배치되는 컴퓨터처리부(300)와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 컴퓨터처리부(300)는 디지털입출력부(310)와 중앙처리기(320)를 포함하여 이루어진다. 상기 디지털입출력부(310)는 중앙처리기(320)의 제어에 따라 제1카메라(210)의 출력 영상신호와 제2카메라(240)의 출력 영상신호를 디지털 데이터로 변환하여 버퍼(미도시)에 전송한다.The
상기 중앙처리기(320)는 디지털입출력부(310)에 디지털 데이터 입출력을 위한 타이밍 제어신호를 전송하며, 디지털입출력부(310)를 통하여 버퍼에 전송되는 출력신호를 분석하고 계산하여 구형물체의 실질적인 비행정보를 계산한다. 상기 중앙처리기(320)는 디지털 데이터로 변환된 구형물체(500)의 영상이미지 중심점을 각 각 계산하고, 구형물체(500) 영상이미지의 중심점과 해당 구형물체(500) 영상을 촬영한 카메라(210, 240)를 연결하는 다수의 가상라인(도 5 및 도 6 참조)을 설정한 후, 각 가상라인의 가상 교차점을 계산하여 구형물체(500)의 순간 비행 위치를 파악한다. 이 후, 파악된 구형물체(500)의 순간 비행 위치와 영상 획득신호주기를 이용하여 구형물체의 비행 속도를 계산하게 된다. 또한, 중앙처리기(320)는 디지털 데이터로 변환된 구형물체(500)의 영상에 포함된 마커라인(510)과 각 마커라인(510)간의 교차점 위치를 분석하여 구형물체(500)의 회전량을 빠르게 계산한다. 자세한 계산 방법 등은 추후 자세히 설명한다.The
본 발명의 구형물체 비행정보 측정 시스템에는 디스플레이부(400)가 더 포함된다. 상기 디스플레이부(400)는 프로젝터(410)와 상기 프로젝터(410)에서 영사하는 화면을 볼 수 있는 스크린(420)을 포함할 수 있다. 중앙처리기(320)에서 처리된 구형물체(500)의 비행궤적정보를 통하여 구형물체(500)의 비행 위치에 따른 골프장 등의 배경 영상이 조합되고, 조합된 영상은 실시간으로 구형물체(500)의 타격 지점을 제공한다. 이 출원에서는 프로젝터(410)와 스크린(420) 조합을 언급하여 실시예를 기재하고 있으나, 디스플레이부(400)가 이에 국한되는 것은 아니다.The spherical object flight information measuring system of the present invention further includes a
도 3에는 본 발명에서 사용하는 구형물체(500)의 예시가 도시되어 있다. 상기 구형물체(500)는 예를 들어 골프공이다. 상기 골프공을 비행하게 하는 것은 사용자가 스윙한 골프 클럽이 될 것이다. 상기 구형물체(500)의 표면에는 비행하는 구형물체(500)의 회전량을 계측하기 위한 마커라인(510)이 교차점이 형성되도록 복수로 구비된다. 본 발명에서 지칭하는 마커라인(510)은 경선으로서 구형물체(500)의 중심점을 중앙으로 하여 구형물체(500)의 표면에 형성되는 원을 이루는 곡선을 말한다. 상기 마커라인(510)은 구형물체(500)의 회전에 따른 식별이 가능하도록 두개 이상 형성하는 것이 바람직한데, 이 출원에서는 수식 계산의 편의성 및 신속성을 위하여 3개 형성하는 것으로 한다. 상기 3개로 정해진 마커라인(510)에 의해 사이드 스핀, 백스핀으로 구분되는 스핀 계산을 요우각(Yaw angle), 피치(Pitch angle), 롤(Roll angle) 등이 3차원 스핀 계산 방법으로 완벽하게 구현 가능해진다.3 shows an example of a
다음으로 도 4 내지 도 8을 이용하여 본 발명의 구형물체(500) 비행정보 계산법을 좀 더 자세히 설명한다. 도 4a는 본 발명이 채용하는 라인스캔카메라(110)의 작동 개념도를 나타내고, 도 4b는 라인스캔카메라 트리거 신호의 처리 개념도를 표시한다. 도 4에 도시한 바와 같이 라인스캔카메라(110)는 구형물체(500)가 출발하는 영역을 촬상한다. 상기 라인스캔카메라(110)는 일차원 선형 구조의 센서를 이용하여 라인(line) 단위로 스캔(scan)함으로써 고속으로 이차원 이미지를 획득하는 방식의 카메라이다. CCD 센서의 구성요소인 픽셀(picxel)이 구형물체(500)가 진행할 것으로 예상되는 방향에 직각이 되도록 일차원 배열로 이루어져 카메라를 형성한다. 상기 라인스캔카메라(110)는 2차원 이미지용 카메라와는 달리 센서의 수가 작아 고속으로 화상처리가 가능하고 저가로 구현 가능하다는 장점이 있다. 특히 화 상데이터의 고속 처리 가능 여부는 본 발명에서 다른 구형물체(500)의 비행정보 측정 분야에서 중요한 인자로 작용한다. 이런 측면에서 본 발명의 라인스캔카메라(110)는 정확하고 원활한 트리거 신호의 발생이라는 측면에서 종래 레이저 방식의 트리거장치에 비해 큰 장점을 갖는다.Next, the
도 4a에 도시하는 바와 같이 구형물체(500)가 일정한 트리거링 주기로 스캔 중인 빔면(111)을 통과하는 경우, 빔면(111)을 지나는 구형물체(500)에 의하여 차단되는 부위의 픽셀은 다른 신호값을 갖게 되고, 상기 데이터 값은 트리거링 주기와 연관되어 구형물체(500)의 초기 비행속도를 계산하는데 사용된다.As shown in FIG. 4A, when the
라인스캔카메라(110)의 신호처리 및 초기 속도 계산 방법은 도 4b에 도시한 것과 같이 진행된다. 예를 들어, 구형물체(500)의 속도를 80m/s로 가정할 때, 구형물체(500)는 8cm/msec로 이동하는 것이 되고, 이 때 구형물체(500)의 대략적 직경(실제로는 골프공의 예)인 4cm를 이동하기 위하여 0.5msec가 소요된다. 실제로 골프공의 지름은 4.5cm이지만 4cm로 제한하는 이유는 골프공의 그림자 영역과 다른 반사파의 영향으로 인한 노이즈 신호로부터 트리거 생성을 제한하기 위함이다. 한편 라인레이트(Line Rate)가 11.7845KHz인 경우 라인레이트 주기는 0.084857ms가 되며, 구형물체(500)가 빔면(111)을 통과하는 동안 9개의 스캔 라인이 액티브(Active)된 상태라면 0.7637msec가 소요된다는 것으로, 대략 52m/s의 속도로 골프공이 날아간다고 예상할 수 있다. 이 때 계산된 속도는 라인스캔카메라(110)가 설치된 빔면(111)에 대하여 직각인 방향에 대한 속도가 된다. 상기와 같이 계산된 구형물체(500)의 속도는 트리거링 주기를 작게 할수록 정확도가 상승한다.The signal processing and initial velocity calculation method of the
상기 구형물체(500)의 초기 비행속도 계산은 실질적으로 초기속도설정부(100)의 신호처리부(130)에서 진행된다(도 9 참조). 라인스캔카메라(110)에서 얻어진 1차원 영상은 카메라링크인터페이스(120)를 통해 빠른 속도로 신호처리부(130)로 전달된다. 각 스캔된 라인별로 센서에 입력되는 신호의 밝기 수치를 계산하고, 물체를 감지한 픽셀수를 카운트하며, 연속되는 라인수를 카운트 하여 구형물체(500)의 출발 여부 및 초기 비행속도를 계산하는 것이다. 예를 들어, 골프공과 같이 45mm 정도의 물체 진행여부를 감지하기 위하여 센서에 입력되는 신호가 연속하여 160DN 이상이고 8 픽셀 이상인 경우 골프공이라고 판정할 수 있다. 연속된 스캔 라인수를 기준으로 물체의 단방향 속도를 계산한다. 상기 계산 결과는 전기적으로 연결된 컴퓨터처리부(300)로 전달된다. 한편, 컴퓨터처리부(300)는 상기 전송된 계산결과를 바탕으로, 고속카메라(210, 240)가 연속된 정지화상을 촬상하는 경우 구형물체(500)가 겹침이 발생하지 않을 수 있는 트리거 간격을 예측한다. 상기 간격은 다시 초기속도설정부(100)로 전달되며, 상기 간격을 바탕으로 트리거부(140)는 고속카메라(210, 240)의 트리거 신호를 발생한다. 상기 신호는 영상취득부(200)로 전송된다.Initial flight speed calculation of the
다음으로 도 5 및 도 6을 이용하여 2대의 고속카메라(210, 240)를 포함하는 스테레오 기법에 의한 본 발명의 구형물체(500) 비행궤적과 속도 계산 방법을 자세히 설명한다. 영상취득부(200)의 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)는 전송된 트리거 신호에 따라 연속적으로 정지 화상을 촬상한다. 상기 트리거 신호는 이미 구형물체(500)가 겹치지 않도록 정확한 측정에 의하여 조정된 것인 바, 촬상에 따라 비행 궤적 계산이 가능하도록 명료한 화상을 얻을 수 있다.Next, a method for calculating flight trajectories and speeds of the
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 구형물체(500)가 비행하는 과정에서 카메라로부터 획득된 단일 영상을 좌표로 나타낸 개념도이다. 도 5에 도시된 기준 좌표 Y축은 구형물체(500)의 출발지점으로부터의 거리를 나타내는 것으로 구형물체의 출발지점과 이미지상의 거리를 의미하며, X축은 구형물체(500)의 좌우측 비행 방향을 나타내는 것으로 고속카메라(210, 240)의 폭을 의미하고, Z축은 비행물체(500)의 비행 높이를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 카메라(A, 210, 240)로 촬상된 정지화상에 구형물체(500)의 이미지가 위치하고, 카메라(A, 210, 240)의 절대좌표계 상의 절대 위치와 구형물체(500)의 크기를 안다면 개략적인 이미지의 높이와 방향을 알 수 있어 속도를 산출할 수 있다. 하나의 이미지 영상 신호를 통하여 구형물체(500)의 위치를 파악하는 과정을 설명하면, 이미지영역의 중심점(F)을 계산하고 이 중심점을 카메라(A)와 연결하면 그 직선라인에 구형물체(500)가 위치되는 것을 파악할 수 있게 된다. 또한, 구형물체(500)의 직경(Φ)을 미리 알고 있는 경우, 구형물체(500)의 직경에 따라 이미지(D-E)의 크기가 달라지므로 이를 통하여 구형물체(500)의 높이까지 계산할 수 있게 되고, 구형물체의 상대 위치(X1, Z1)를 파악 할 수 있게 된다.FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a single image obtained from a camera in coordinates while the
하지만 촬상 대상으로 하는 영역이 너무 큰 반면, 높이 변위와 좌우 방향을 결정하는 변위는 너무 미세하여 현재 적용 가능한 카메라로는 미세변위를 산출하여 실제 적용 시 5cm당 1~2 픽셀 정도의 변위차가 발생한다는 문제점이 있다. 또한, 실제 좌우방향과 높이 산출 시 20% 정도 오차가 나타나는 것으로 알려져 있다. 이를 해결하는 방법으로 본 발명에서는 2대의 고속카메라(210, 240)를 이용하는 스테레오기법을 도입한다.However, while the area to be imaged is too large, the height displacement and the displacement that determine the left and right directions are so fine that the presently applicable camera calculates a micro displacement, resulting in a displacement difference of about 1 to 2 pixels per 5 cm. There is a problem. In addition, it is known that an error of about 20% appears when calculating the actual left and right directions and heights. In order to solve this problem, the present invention introduces a stereo technique using two high-
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 2대의 카메라에서 촬영된 영상 이미지에 나타나는 구형물체를 동일 축 상으로 옮겨놓은 개념도로서, 동일 축 상으로 옮기기 위하여 회전(Rotation) 이동 및 병진(translation), 변환(Transform)을 이용하여 표시하였다. 앞 서 설명한 바와 같이, 구형물체(500)의 직경을 미리 알고 있으면 구형물체(500)의 크기를 분석하여 구형물체(500)의 위치를 쉽게 파악할 수 있는데, 이를 위하여 1280ㅧ1024이상의 픽셀을 갖는 정밀한 카메라로 정밀한 계산을 통하여 오차의 범위를 최소화할 수 있으나, 이런 경우 카메라가 매우 고가이므로 범용성이 떨어지게 된다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 2개의 영상이미지를 통하여 스테레오 형태로 구형물체(500)의 정확한 위치를 파악할 수 있도록 하였다.FIG. 6 is a conceptual diagram in which spherical objects appearing in video images captured by two cameras are moved on the same axis, and rotation, translation, and transformation are performed to move on the same axis. It was displayed using (Transform). As described above, if the diameter of the
도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 카메라(A1, 210)(A2, 240)는 구형물체(500) 진행방향의 수직라인(X축)에 대하여 소정의 거리로 이격 설치됨으로써 각각의 영상에 상호 교차이미지로 나타나는데, 2개의 카메라(A1, 210)(A2, 240)의 이미지에서의 구형물체(500)의 중심점(F1)(F2)을 계산한 후, 이 두 중심점(F1)(F2)을 각각 카메라(A1)(A2)와 직렬 연결하면 구형물체가 위치하는 2개의 가상라인이 형성되며, 이 가상라인이 서로 교차되는 지점을 계산하면 구형물체(500)의 정확한 위치를 파악할 수 있게 된다. 이는 인간의 눈이 두개 구비되는 것과 같은 원리이며, 본 발명의 라인스캔카메라(110)의 정확한 트리거링 계산에 유기적으로 결합되어 정확한 비행궤적의 계산을 가능케 한다.As shown in FIG. 6, the two cameras A1 and 210 (A2 and 240) are spaced apart from each other by a predetermined distance with respect to the vertical line (X-axis) in the advancing direction of the
한편, 상기 고속카메라(210, 240)의 정확한 위치를 파악하기 위하여 카메라의 특성 값에 따른 보정이 수행될 수 있다. 상기 특성값은 각 픽셀에서의 변위와 높이 및 각 고속카메라(210, 240)의 뒤틀림 교정일 수 있다. 교정에 따라 좀 더 정확한 비행궤적의 측정이 가능해진다.Meanwhile, in order to determine the exact positions of the
다음으로 도 7을 이용하여 본 발명의 컴퓨터처리부(300)의 중앙처리기(320)에서 구형물체(500)의 속도와 위치를 계산하는 과정을 설명한다. 영상취득부(200)에서 촬상된 연속적인 정지화상은 전기적으로 연결된 컴퓨터처리부(300)로 전송된다. 상기 전송은 디지털입출력부(310)를 거친다. 상기 컴퓨터처리부(300)는 통상 접하는 개인용 컴퓨터 단말기일 수 있고, 혹은 시스템용으로 개발된 전용단말기일 수 있다. 양자 모두 전송된 다수의 정지영상을 저장할 저장장치(미도시)를 구비하 고 있다.Next, the process of calculating the speed and position of the
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)에 의해 획득된 스테레오 영상에서 구형물체(500)의 위치를 나타낸 상태도이다. 먼저, 상기 중앙처리기(320)는 구형물체(500)의 속도를 계산하기 위하여 제1카메라(210) 및 제2카메라(240)로부터 획득된 첫 번째 구형물체(500) 이미지의 중심점을 구하고, 일정시간 이후 제1, 2카메라(210)(240)로부터 획득된 두 번째 이미지의 중심점을 구하여 구형물체(500)의 상대위치를 측정함으로써 평균시간을 구하게 된다. 즉, 제1카메라(210)와 제2카메라(240) 사이를 통과하는 이미지의 획득시간 당 구형물체(500)의 이동위치를 계산하면 각 축에 대한 이동속도를 구하게 된다.7 is a state diagram showing the position of the
본 발명에 따른 구형물체(500)의 비행 정보 측정 시스템은 고속 카메라(210, 240)에서 획득한 구형물체(500)의 영상을 이용하여 스테레오로 구형물체(500)의 상대적인 좌우 위치를 결정하게 된다. 좌우 구형물체의 위치가 확인되면 미리 계산된 카메라 영역의 절대좌표(X, Y, Z, Rotation, Translation)에 카메라가 가지는 왜곡률이나 배율 등의 특성값을 입력함으로써 구형물체의 절대좌표를 환산할 수 있게 된다. 먼저, 카메라에서 바라본 구형물체의 상대적인 위치는 다음과 같이 구해진다.The flight information measuring system of the
X1Areaposition = (AbsoluteXPosition - Camera1XArea) X1Areaposition = (AbsoluteXPosition-Camera1XArea)
X2Areaposition = (AbsoluteXPosition - Camera2XArea) X2Areaposition = (AbsoluteXPosition-Camera2XArea)
Y1Areaposition = (AbsoluteYPosition - Camera1YArea) Y1Areaposition = (AbsoluteYPosition-Camera1YArea)
Y2Areaposition = (AbsoluteYPosition - Camera2YArea) Y2Areaposition = (AbsoluteYPosition-Camera2YArea)
Z1Areaposition = (AbsoluteZPosition - Camera1ZArea) Z1Areaposition = (AbsoluteZPosition-Camera1ZArea)
Z2Areaposition = (AbsoluteZPosition - Camera2ZArea) Z2Areaposition = (AbsoluteZPosition-Camera2ZArea)
여기에서, From here,
X1Areaposition : 제1카메라가 바라보는 영역의 PIXEL(0,0)위치X1Areaposition: PIXEL (0,0) position of the area seen by the first camera
X2Areaposition : 제2카메라가 바라보는 영역의 PIXEL(0,0)위치X2Areaposition: PIXEL (0,0) position of the area seen by the second camera
Y1Areaposition : 제1카메라가 바라보는 영역의 PIXEL(0,0)위치Y1Areaposition: PIXEL (0,0) position of the area seen by the first camera
Y2Areaposition : 제2카메라가 바라보는 영역의 PIXEL(0,0)위치Y2Areaposition: PIXEL (0,0) position of the area seen by the second camera
Z1Areaposition : 제1카메라가 바라보는 영역의 바닥면위치Z1Areaposition: Bottom position of the area seen by the first camera
Z2Areaposition : 제2카메라가 바라보는 영역의 바닥면위치Z2Areaposition: Bottom position of the area seen by the second camera
AbsoluteY : 진행하는 방향선AbsoluteY: Progress Line
AbsoluteX : 진행하는 방향의 높이가 0인선을 직각으로 이은 선AbsoluteX: A line connecting the line with the zero height in the direction of travel
AbsoluteZ : 진행하는 방향의 수직선AbsoluteZ: Vertical line in the direction of progress
Camera1XArea : 절대좌표를 제1카메라가 가지는 상대좌표로 환산한 X좌표Camera1XArea: X coordinate converted from absolute coordinates to relative coordinates of the first camera
Camera2XArea : 절대좌표를 제2카메라가 가지는 상대좌표로 환산한 X좌표Camera2XArea: X coordinate that converted absolute coordinates into relative coordinates of second camera
Camera1YArea : 절대좌표를 제1카메라가 가지는 상대좌표로 환산한 Y좌표Camera1YArea: Y coordinate converted from absolute coordinates to relative coordinates of first camera
Camera2YArea : 절대좌표를 제2카메라가 가지는 상대좌표로 환산한 Y좌표Camera2YArea: Y coordinate converted from absolute coordinates to relative coordinates of second camera
Camera1ZArea : 절대좌표를 제1카메라가 가지는 상대좌표로 환산한 Z좌표Camera1ZArea: Z coordinate converted from absolute coordinates to relative coordinates of first camera
Camera2ZArea : 절대좌표를 제2카메라가 가지는 상대좌표로 환산한 Z좌표 Camera2ZArea: Z coordinate that converted absolute coordinates to relative coordinates of second camera
이다.to be.
한편, 상기의 과정을 통하여 상대적인 위치가 구해진 구형물체(500)의 절대좌표는 다음과 같이 구해진다. On the other hand, the absolute coordinates of the
X1 = X1Areaposition + PixelX1Position / 카메라배율X1 = X1Areaposition + PixelX1Position / Camera Magnification
X2 = X1Areaposition + PixelX2Position / 카메라배율X2 = X1Areaposition + PixelX2Position / Camera Magnification
Y1 = Y1Areaposition + PixelY1Position / 카메라배율Y1 = Y1Areaposition + PixelY1Position / Camera Magnification
Y2 = Y1Areaposition + PixelY2Position / 카메라배율Y2 = Y1Areaposition + PixelY2Position / Camera Magnification
Z1 = Z1Areaposition + CalibrationPixelPosition / 카메라배율Z1 = Z1Areaposition + CalibrationPixelPosition / Camera Magnification
Z2 = Z2Areaposition + CalibrationPixelPosition / 카메라배율Z2 = Z2Areaposition + CalibrationPixelPosition / Camera Magnification
여기에서,From here,
PixelX1Position : 첫 번째 구형물체의 PIXEL X위치PixelX1Position: PIXEL X position of the first spherical object
PixelX2Position : 두 번째 구형물체의 PIXEL X위치PixelX2Position: PIXEL X position of the second spherical object
PixelY1Position : 첫 번째 구형물체의 PIXEL Y위치PixelY1Position: PIXEL Y position of the first spherical object
PixelY2Position : 두 번째 구형물체의 PIXEL Y위치PixelY2Position: PIXEL Y position of the second spherical object
CalibrationPixelPosition : 스테레오영상의 구형물체 높이 값CalibrationPixelPosition: Sphere height value of stereo image
이다.to be.
결국, 상기의 과정을 통하여 절대좌표가 구해진 구형물체의 속도는 다음과 같이 구해진다. As a result, the velocity of the spherical object obtained by the absolute coordinates is obtained as follows.
Vx = (X2-X1)/TimeIntervalVx = (X2-X1) / TimeInterval
Vy = (Y2-Y1)/TimeIntervalVy = (Y2-Y1) / TimeInterval
Vz = (Z2-Z1)/TimeIntervalVz = (Z2-Z1) / TimeInterval
상기 과정에서 구해진 Vx, Vy, Vz는 구형물체(500)의 각 방향 초기 속도가 된다.Vx, Vy, and Vz obtained in the above process become initial velocity in each direction of the
상기 중앙처리기(320)는 상술한 구형물체(500)의 속도뿐만 아니라, 골프 클럽의 속도도 계산할 수 있는데, 골프 클럽의 속도는 상기 구형물체(500)의 속도 계산과정과 동일한 과정을 통하여 획득된다. 또한, 상기의 과정으로 계산되는 골프 클럽과 구형물체는 이미지에 나타나는 형태나 크기를 계산함으로써 구분될 수 있다.The
상기의 과정을 통하여 계산된 구형물체(500)의 비행 속도와 위치 정보를 통하여 중앙처리기(320)는 구형물체의 3차원 비행궤도를 계산하게 되는데, 구형물체(500)의 비행 초기 위치 좌표와 일정시간 이후의 위치좌표를 이용하여 Vx, Vy, Vz 초기속도를 계산할 수 있으므로 이 값들을 일반적인 공력 수식에 대입하면 구형물체(500)의 3차원 비행궤도를 계산할 수 있게 된다. 종래 장비들의 대부분은 초기 속도만 제공하므로 실제 공력에서 추측되는 각 축의 회전량을 임의로 계산하거나 클럽의 공에 대한 상대적인 각을 이용하여 추측하기 때문에 초기 속도가 결정된 상황에서 클럽의 특징이나 기타 골퍼들의 기교에 의한 반전을 기대할 수 없었다. 하지만 본 발명은 구형물체 자체의 회전량을 계산함으로써 초기 속도 이외의 변수가 구형물체(500)에 미치는 영향까지 정확하게 파악할 수 있도록 제공된다.The
다음으로 도 8을 이용하여 본 발명의 중앙처리기(320)에서의 구형물체(500) 회전량을 구하는 방법에 대하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마커라인(510, 일례로 타원)을 포함하는 구형물체(500)의 모양이 촬영시점에 따라 X, Y, Z축을 기준으로 회전하는 개념을 나타내는 상태도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 구형물체(500)의 표면에는 교차점이 형성되는 마커라인(510)이 3개 형성되는데, 3차원 구형물체(500) 및 마커라인(510)을 2차원 영상으로 촬영하게 되면 구형물체(500)는 원형이 되고 마커라인(510)은 타원으로 표시되게 된다. 2차원으로 표시된 원형물체에 3개의 타원을 하나의 점을 기준으로 중복하여 그리면 60도와 90도로 나란한 타원의 모형이 존재하고 이 타원을 기준으로 2개의 중복되는 점이 나타난다. 타원은 각각 60도의 각도를 가지고 있으며 어느 조합을 선택하더라도 60도의 각도를 가지고 되는데, 2개의 타원식을 가지고 있다면 나머지 하나의 타원식은 회전벡터와 곱하여 구해낼 수 있다. 회전을 계산하는 방법은 서로 다른 이미지에 나타나는 2개 이상의 점을 이용하여 구에 나타나는 서로 다른 점의 이동경로를 구하면 3차원 회전량을 구할 수 있게 된다. 추가로 서로 다른 이미지의 타원과 점을 이용하여 구형물체의 3차원 축을 구할 수 있으며, 3차원의 축이 연속해서 변환되는 모형으로 3차원 회전량을 계산할 수 있게 된다.Next, a method of obtaining the rotation amount of the
타원의 방정식에서 2개의 교차점을 찾을 수 있고, 교차점의 변위량(X, Y)좌표는 구형물체(500)의 각각 회전량으로 계산된다. 각각의 이미지에서 찾을 수 있는 2개의 교차점을 사원수(Quaternion)로 변환하면,Two intersection points can be found in the elliptic equation, and the displacement amount (X, Y) coordinates of the intersection points are calculated as the respective rotation amounts of the
w1 = cos(theta/2)w1 = cos (theta / 2)
x1 = ax * sin(theta/2) x1 = ax * sin (theta / 2)
y1 = ay * sin(theta/2) y1 = ay * sin (theta / 2)
z1 = az * sin(theta/2) z1 = az * sin (theta / 2)
w2 = cos(theta/2)w2 = cos (theta / 2)
x2 = ax * sin(theta/2) x2 = ax * sin (theta / 2)
y2 = ay * sin(theta/2) y2 = ay * sin (theta / 2)
z2 = az * sin(theta/2)z2 = az * sin (theta / 2)
이 되고, 두개의 사원수는 각각의 회전량으로 변환될 수 있다.The two quaternions can be converted into respective rotation amounts.
한편, 피치각, 요우각 및 롤각은 상기 사원수로부터 구해진다. 즉, 상기 구형물체(500)의 마커라인(510, 경선)의 라인이 나타나는 부분은 타원방정식으로 변환이 가능하며, 이러한 타원방정식은 각 시점마다 2∼3개씩 구해진다. 이러한 각각 의 타원방정식을 이용하여 가장 일치하는 2개의 3차원 교점이 구해지고, 교점이 구상에서 회전을 하면 각각의 교점 좌표를 구할 수 있다. 이때 교점은 모두 6개가 나타나고 상위에 있는 첫 번째 교점을 기준으로 회전할 수 있는 범위에서의 교점의 회전각 범위를 기준으로 교점을 추적하여 각각의 3차원 교점좌표를 구할 수 있다. 이 3차원 교점좌표를 사원수(Quaternion)에 대입하면 3차원 회전각을 구할 수 있고, 회전각에 노출시간을 적용하여 분당회전수를 구하면 회전수(Revolutions Per Minute)를 산출할 수 있다.On the other hand, pitch angle, yaw angle and roll angle are calculated | required from the said quaternary number. That is, the portion where the line of the marker line 510 (the meridian) of the
이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.If this is expressed as an expression, it is as follows.
Pitch RPM = X축회전각 * 60초 / 360도 / TimeIntervalPitch RPM = X-axis rotation angle * 60 seconds / 360 degrees / TimeInterval
Yaw RPM = Y축회전각 * 60초 / 360도 / TimeIntervalYaw RPM = Y-axis rotation angle * 60 seconds / 360 degrees / TimeInterval
Roll RPM = Z축회전각 * 60초 / 360도 / TimeIntervalRoll RPM = Z-axis rotation angle * 60 seconds / 360 degrees / TimeInterval
도 9는 본 발명에 따른 구형물체의 비행정보 측정 시스템 블록 구성도이다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 중앙처리기(320)는 상기의 과정에서 구해지는 구형물체(500)의 속도 및 위치, 회전량 정보를 통하여 비행궤도를 계산하게 되며, 계산된 구형물체(500)의 비행궤도 정보는 디스플레이장치(400)를 통하여 구형물체의 타격지점을 제공하며 골프장 영상 및 구형물체의 영상이 실시간으로 전송되어, 구형물체의 3차원 이동 영상이 실시간으로 출력된다. 상기 모든 제어는 컴퓨터처리부(300)를 중심으로 진행된다.9 is a block diagram of a system for measuring flight information of a spherical object according to the present invention. As described above, the
다음으로 도 10을 이용하여 이중 라인스캔카메라(110, 114)를 이용하는 초기 진행방향 예측에 의한 영상정보 정밀 처리 방법에 대하여 설명한다. 본 발명은 라인스캔카메라(110)를 이용하여 구형물체(500)를 대상으로 초기 비행 출발 속도를 측정하고 그에 따라 영상처리가 고속으로 가능하도록 구성되었다. 그러나 라인스캔카메라(110)를 추가로 하나 더 포함하는 경우 좀 더 정확한 비행정보 측정이 가능해 진다. 즉, 도 10에 도시한 바와 같이 구형물체(500)의 대략 진행방향으로 이격하여 추가로 한대의 라인스캔카메라(114)를 더 구비하고, 양 라인스캔카메라(110, 114)의 기하학적 위치와 스캔 라인상에서의 검출된 구형물체(500)의 통과 좌표를 이용하면 3차원 좌표상에서 구형물체(500)의 초기 비행방향을 알 수 있게 된다. 상기 비행방향은 중앙처리기(320)에서 영상획득부(200)로부터 전송된 일련의 정지화상을 이용하여 비행정보을 계산할 때 활용된다. 예를 들어, 비행방향이 도 10에 도시한 것과 같이 검출되었다면 제1라인스캔카메라(110)의 3차원상 배치위치와 제2라인스캔카메라(114)의 3차원상 배치위치 및 L1, L2의 비교에 따라 구형물체(500)의 초기 진행방향이 왼쪽 방향으로 정해진다. 상기 방향각 등의 결과는 중앙처리기(320)에 전달되고, 상기 중앙처리기(320)는 이 결과를 바탕으로 영상획득부(200)로부터 전송되는 정지화상 중 확대하여 이미지프로세싱을 행할 영역을 결정한다. 상기 예의 경우에는 구형물체(500)가 날라갈 것으로 예측되는 왼쪽 영역이 될 것이다. 통상 영상획득용 고속카메라(210, 240)의 해상도는 정해져 있는 바, 구형물체(500)가 있을 것으로 예상되는 일부 영역에 대하여만 확대하여 이미지 프로세싱을 행하는 경우 그 정확도는 일층 향상된다. 즉, 촬상된 정지화상 중 왼쪽 영역만 을 확대하고, 화상데이터를 공지된 각종 이미지 처리법으로 보정한 후, 상기 영역만을 대상으로 구형물체(500)를 검출해 내거나 좌료를 산출하여 비행정보 계산 정확도를 획기적으로 높일 수 있다. 한편, 필요에 따라서 구형물체(500)의 급격한 방향전환이 예정되거나 예상되는 경우에는 상기 과정을 거치지 않고 통상의 이미지프로세싱을 행하도록 옵션 사항으로 정할 수도 있을 것이다.Next, a method of precisely processing image information by initial forward direction prediction using the dual
다음으로, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 구형물체(500)의 비행 정보 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템의 동작과정에 대하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 구형물체의 비행 정보 측정 시스템이 적용된 골프 시뮬레이션 시스템의 동작과정을 나타낸 흐름도이다. 이해를 돕기 위하여 골프공의 비행궤적을 측정하는 경우에 대하여 구체적으로 예를 들어 설명한다.Next, an operation process of the three-dimensional golf simulation system to which the flight information measuring system of the
단계 S110 : 먼저, 구형물체 비행정보 측정 시스템의 각 구성부에 전원이 인가되어 시스템이 턴온(Turn On)되면 라인스캔카메라(110)의 라인스캔을 시작하여 45mm정도의 물체 존재여부를 감지하게 된다.Step S110: First, power is applied to each component of the spherical object flight information measuring system so that when the system is turned on, the
단계 S120 : 라인스캔카메라(110)의 Line Scan을 시작하여 센서에 입력되는 신호의 밝기값 계산, Pixel수 Count, 연속되는 라인수를 계산한다.Step S120: Line scan of the
단계 S130 : 라인스캔카메라(110)의 Line Scan을 시작하여 45mm정도의 물체 존재여부를 감지하기 위하여 센서에 입력되는 신호가 연속해서 160DN이상이고 8Pixel이상 이었을 때 볼이라고 인지한다.Step S130: Line scan of the
단계 S140 : 연속된 라인 수를 기준으로 Line Scan Rate를 기준으로 물체의 단방향 속도를 계산한다.Step S140: The unidirectional velocity of the object is calculated based on the line scan rate based on the number of consecutive lines.
단계 S150 : 라인스캔카메라(110)의 신호가 일정 크기의 물체라면 최초 트리거 신호를 내보내고 45mm폭 이하의 신호가 되는 시점을 기준으로 화면폭 전체에 골프공이 분포될 수 있는 신호폭으로 변환하여 2차 트리거 신호출력하고 1차신호와 2차신호 주기 폭과 동일한 3차 트리거신호를 영상획득부(200)에 전송하게 된다.Step S150: If the signal of the
단계 S210 :라인스캔카메라(110)의 트리거 신호에 따라 영상획득부(200)에 구비된 제1,2카메라(210)(240)는 구형물체의 비행경로를 신호간격에 따라 고속 촬영을 하게 된다. 촬영된 영상 데이터는 디지털입출력부(310)를 통하여 디지털 데이터로 변환된 후 중앙처리기(320)로 전송된다. Step S210: The first and
단계 S320 : 중앙처리기(320)는 디지털입출력부(310)를 통하여 전송되는 디지털 영상 데이터를 분석하게 되는데, 먼저 구형물체와 골프 클럽을 구분하고 구분된 구형물체의 속도와 위치, 회전량을 계산하게 된다. Step S320: The
단계 S330 : 또한, 중앙처리기(320)는 상기 단계(S320)를 통하여 획득되는 구형물체의 3차원속도 및 위치, 3차원회전량 정보와 구형물체의 초기위치 정보를 공력수식에 대입하여 구형물체의 3차원 비행궤적을 계산하게 된다.Step S330: In addition, the
단계 S410 : 중앙처리기(320)에 의해 계산된 구형물체의 비행 궤적정보를 통하여 구형물체의 비행위치에 따른 골프장 배경 영상이 조합되고, 조합된 구형물체 비행 영상은 실시간으로 구형물체의 타격지점을 제공하는 디스플레이장치(400)로 전송되어 구형물체의 비행 영상이 출력되게 된다.Step S410: The golf course background image according to the flight position of the spherical object is combined through the flight trajectory information of the spherical object calculated by the
단계 S420 : 상기의 과정은 골프 연습자가 골프 연습을 종료할 때까지 반복 하여 진행된다. Step S420: The above process is repeated until the golf practitioner finishes golf practice.
다음으로, 도 12는 본 발명에 따른 구형물체의 비행정보 측정 시스템의 운용테스트를 위한 시범 설치도를 보여준다.Next, Figure 12 shows a pilot installation diagram for the operation test of the flight information measurement system of the spherical object according to the present invention.
본 발명에 따른 고속 카메라를 이용한 구형물체의 비행 정보 측정 시스템은 구형물체의 영상 정보를 획득한 후, 이를 분석하여 구형물체의 속도와 위치 및 회전량을 계산할 수 있으며, 이러한 구형물체의 비행 정보를 통하여 구형물체의 비행궤적을 계산할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 구형물체의 비행 정보 측정 시스템이 적용된 골프 시뮬레이션 시스템을 설명하였지만, 이는 구형물체의 비행 속도와 위치 및 회전량을 측정하여야 하는 다양한 장치에 적용되어 활용될 수 있음은 당연하다.The flight information measuring system of a spherical object using a high speed camera according to the present invention obtains the image information of the spherical object, and then analyzes the spherical object to calculate the speed, position and rotation of the spherical object. It is possible to calculate the flight trajectory of the sphere. Although an embodiment of the present invention has described a golf simulation system to which a flight information measuring system of a spherical object is applied, it can be applied to various devices that need to measure the flight speed, position, and rotation amount of a spherical object.
도 1a는 종래의 골프공 타격 파라미터 측정용 시뮬레이션 시스템 사시도Figure 1a is a perspective view of a conventional simulation system for measuring the golf ball hitting parameters
도 1b는 종래의 시뮬레이션 시스템에 의해 골프공의 겹침 현상이 발생한 경우의 정지영상Figure 1b is a still image when the golf ball overlapping phenomenon by a conventional simulation system
도 2는 본 발명의 구형물체 비행정보 측정 시스템의 사시도2 is a perspective view of a spherical object flight information measurement system of the present invention
도 3은 본 발명에서 적용하는 마커라인이 형성된 구형물체의 사시도Figure 3 is a perspective view of a spherical object formed with a marker line applied in the present invention
도 4는 본 발명의 라인스캔카메라 트리거 신호의 처리 개념도4 is a conceptual diagram of processing a line scan camera trigger signal according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 비행물체가 비행하는 과정에서 카메라로부터 획득된 단일 영상을 좌표로 나타낸 개념도5 is a conceptual diagram showing a single image obtained by the coordinates of the camera during the flight of the flying object according to the present invention in coordinates
도 6은 본 발명에 따른 2개의 고속카메라에서 촬영된 영상이미지에 나타나는 구형물체를 동일 축상으로 옮겨 놓은 개념도6 is a conceptual diagram in which spherical objects appearing in video images captured by two high-speed cameras according to the present invention are moved on the same axis.
도 7은 본 발명에 따른 제1카메라 및 제2카메라에 의해 획득된 스테레오 영상에서 구형물체의 위치를 나타내는 상태도7 is a state diagram showing the position of the spherical object in the stereo image obtained by the first camera and the second camera according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 마커라인을 포함하는 구형물체의 모양이 촬영 시점에 따라 x, y, z 축을 기준으로 회전하는 것을 나타내는 개념도8 is a conceptual view showing that the shape of the spherical object including the marker line according to the present invention is rotated based on the x, y, z axis according to the photographing time point.
도 9는 본 발명에 따른 구형물체의 비행정보 측정 시스템 블록 구성도9 is a block diagram of a system for measuring flight information of a spherical object according to the present invention.
도 10은 본 발명의 이중 라인스캔카메라를 활용한 비행방향 예측방법 설명도10 is an explanatory view of a flight direction prediction method using a double line scan camera of the present invention
도 11은 본 발명에 따른 구형물체의 비행정보 측정 시스템의 동작 흐름도11 is an operation flowchart of a flight information measuring system of a spherical object according to the present invention.
도 12는 본 발명에 따른 구형물체의 비행정보 측정 시스템의 시범 설치도12 is a demonstration installation diagram of a flight information measurement system of a spherical object according to the present invention
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
100 : 초기속도설정부 110 : 라인스캔카메라100: initial speed setting unit 110: line scan camera
140 : 트리거부 200 : 영상획득부140: trigger unit 200: image acquisition unit
210 : 제1카메라 220 : 제1광원210: first camera 220: first light source
230 : 제2광원 240 : 제2카메라230: second light source 240: second camera
300 : 컴퓨터처리부 310 : 디지털입출력부300: computer processing unit 310: digital input and output unit
320 : 중앙처리기 400 : 디스플레이부320: central processor 400: display unit
500 : 구형물체 510 : 마커라인500: spherical object 510: marker line
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