KR101846688B1 - 발리볼 동작에 대한 검출 방법 - Google Patents

발리볼 동작에 대한 검출 방법 Download PDF

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아딥 타라벤
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Abstract

본 발명은, 전기 에너지를 저장하는 수단에 의한 전기 에너지로 전력공급되는 전자 모듈을 수용하는 케이스를 포함하는 전자 장치를 위한 검출 방법에 관한 것이고, 상기 전자 모듈은 가속도 센서에 그리고 메모리 유닛에 접속된 계산 유닛을 포함하고, 상기 전자 모듈은 또한, 상기 가속도 센서의 일부 데이터에 연관된 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단에 접속된다.

Description

발리볼 동작에 대한 검출 방법{DETECTION METHOD FOR VOLLEY-BALL FUNCTION}
본 발명은, 전기 에너지를 저장하는 수단에 의한 전기 에너지로 전력공급되는 전자 모듈을 수용하는 케이스를 포함하는 전자 장치를 위한 검출 방법에 관한 것이고, 상기 전자 모듈은 가속도 센서에 그리고 메모리 유닛에 접속된 계산 유닛을 포함하고, 상기 전자 모듈은 또한, 상기 가속도 센서의 일부 데이터에 연관된 정보를 디스플레이하도록 디스플레이 수단에 접속된다.
전자 디바이스와 같은 휴대용 전자 개체 또는 예를 들어 휴대용 시계는 후면 커버에 의해 그리고 유리에 의해 둘러싸이는 중간 부분으로 일반적으로 형성된 케이스를 포함한다. 케이스의 내부에는 정보를 제공하도록 전자 모듈이 배열된다. 이 정보는 활동에 연관된 정보일 수 있을 것이다. 이들 활동들은 달리기 또는 걷기와 같은 신체단련에 주로 연관된다.
이를 위해, 전자 모듈은 가속도 센서와 같은 적어도 하나의 센서를 포함한다. 이 전자 회로는 또한, 가속도 센서로부터 오는 데이터를 사용하기 위한 계산 유닛 및 그것들을 저장하기 위한 메모리를 포함한다.
계산 유닛에서, 알고리즘이 구현된다. 상기 알고리즘은 활동을 나타내는 데이터를 획득하기 위해 상기 데이터를 처리하도록 프로그래밍된다.
하지만, 현재, 활동을 정확하게 결정할 수 있는 알고리즘을 갖는 것이 어렵다. 예를 들어, 계보기에 대해, 계산 유닛 및 알고리즘이 사용자가 걷는지 또는 달리는지를 결정하는 것은 매우 어렵다. 그렇지만, 걷기 활동 또는 달리기 활동의 결정은 지나간 거리를 계산하기 위해 중요하다.
따라서, 달리기 또는 걷기와 같은 단순한 활동에 대한 동작을 결정하는 것이 어려운 경우에, 발리볼 (volleyball) 과 같은 검출된 복잡한 동작들을 휴대용 개체에 제공하는 것은 더 어렵다.
실제로, 발리볼에서, 차별화될 수 있는 발리볼 기법들의 상이한 카테고리들이 존재한다. 그 외에도, 공에 작용하는 힘이 결정되고, 이하 "스매쉬 파워 (smash power)" 라고 칭한다.
본 발명의 목적은, 예를 들어 발리볼 활동에서 사용되는, 서브, 패스, 디그 (dig) 등과 같은 비치 발리볼 게임에서의 공 접촉들을 검출 및 특성화할 수 있는 알고리즘을 제공하는 것이다.
본 발명은 따라서, 전기 에너지를 저장하는 수단에 의한 전기 에너지로 전력공급되는 전자 모듈을 수용하는 케이스를 포함하는 전자 장치를 관리하는 방법에 관한 것이고, 상기 전자 모듈은 가속도 센서에 그리고 메모리 유닛에 접속된 계산 유닛을 포함하고, 상기 전자 모듈은 또한, 상기 가속도 센서의 일부 데이터에 연관된 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단에 접속되며,
상기 방법은,
- 가속도 센서로부터 데이터를 획득하는 단계;
- 측정된 가속도의 빠른 변화들을 검출하기 위해, 획득된 데이터를 필터링하기 위해 하이-패스 필터 (high-pass filter) 를 이용하고, 오직 중요한 활동들만을 검출하기 위해 하이-패스된 필터링된 데이터의 놈 (norm) 을 필터링하기 위해 로우 패스 필터 (low pass filter) 를 이용하여, 잠재적인 활동들 (potential activities) 을 검출하는 단계;
- 제 2 임계치 초과의 로우-패스 필터링된 하이 패스 놈의 최대치들을 필터링하여 비-관련 활동들의 더 많은 것을 제거하는 단계;
- 분류를 위해 데이터를 준비하는 단계로서, 피크/히트 (peak/hit) 전 및 후의 가속도 데이터는, 양 단부들로부터 히트를 향해 로우-패스 필터링되고, 히트에 가장 가까운 값으로 시작하여 다운-샘플링되며, 다운-샘플링된 데이터는, 무슨 활동이 발생했는지를 결정하는 것을 시도하는 알고리즘의 분류 단계로 이양 (hand over) 되는, 상기 분류를 위해 상기 데이터를 준비하는 단계;
- 기법 (technique) 을 특성화하는 단계로서, 이 특성화는 L1-놈 (L1-norm) 을 이용하여 1-최근접 이웃 알고리즘 (1-Nearest Neighbor algorithm) 에 기초하는, 상기 기법을 특성화하는 단계를 포함한다.
제 1 유리한 실시형태에서는, 히트 전 및 후의 특정 윈도우 (window) 에서 가속도 데이터를 필터링하기 위해 밴드-패스 필터 (band-pass filter) 를 이용하는 히트 파워 (hit power) 결정 단계를 더 포함하고, 밴드-패스 필터링된 데이터의 놈에 대한 합은 공의 속도와 상관된다.
제 2 유리한 실시형태에서, 계산 유닛은 저 전력 모드로부터 천이 가능하고, 상기 계산 유닛은 노멀 모드 (normal mode) 로 슬립 (sleep) 하며, 상기 계산 유닛은, 대략 적절한 주파수로 데이터를 항상 획득하는 가속도 센서가 결정된 임계치 초과의 가속도 데이터를 측정하는 경우에 웨이크업 (wake up) 한다.
제 3 유리한 실시형태에서, 로우-패스 필터 및 하이-패스 필터는 2 차의 무한-임펄스 응답 필터 (infinite-impulse response filter of second order) 를 이용한다.
본 발명에 따른 휴대용 전자 디바이스 또는 개체의 목적들, 이점들 및 특징들은, 오직 비제한적인 예로서 주어지고 첨부된 도면들에 의해 예시된, 본 발명의 적어도 하나의 실시형태의 이하의 상세한 설명에서 보다 명확하게 나타날 것이다.
- 도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 방법을 관리하는 개략도이다.
- 도 3 은 본 발명에 따른 특성화 단계의 개략도이다.
본 발명에 따른 휴대용 개체는 케이스 (case) 에 포함되는 손목시계이다. 상기 케이스는 전자 회로가 배치되는 하우징 (housing) 을 형성한다. 상기 전자 회로는 전자 회로를 관리하기 위한 계산 유닛 또는 프로세싱 유닛, 데이터를 획득하기 위한 센서, 및 이들 데이터를 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 이 휴대용 개체는 또한, 데이터를 디스플레이하기 위한 LCD 디스플레이와 같은 디스플레이 수단을 포함한다.
이 휴대용 개체는 발리볼과 같은 스포츠 활동 동안 사용될 수 있을 것이다. 발리볼에서는, 디그, 점프와 함께 디그, 더 낮은 패스, 하이 패스, 어택, 점프 어택 등과 같이 차별화될 수 있는 수많은 상이한 카테고리들의 발리볼 기법들이 존재한다. 그 외에도, 공에 작용하는 힘이 결정되고, 이하 "스매쉬 파워" 라 칭한다. 발리볼 기법들에 공통적인 것은, 공이 손목에 가깝게 근접한 하부 팔을 친다는 것이다. 이것은 사용된 기법들을 결정 및 특성화하기 위해 손목 상의 시계로 가속도 센서 데이터를 획득할 가능성을 제공한다.
센서는 -16g 와 +16g 사이의 측정 범위를 갖는 3D 가속도 센서이고, 센서 축들이 하부 팔과 정렬되는 방식으로 손목에 부착된다. 팔이 아래로 향하고 있을 때 하부 팔 뼈를 따라 가리키고, 손바닥에 수직이고, 수평이다. 예를 들어, 발리볼 게임 동안 많은 팔 이동들은 이들 축들을 따른 구분되는 가속도들을 야기하기 때문에, 이것은 유용하다. 가속도 센서는, 30Hz 와 50Hz 사이, 바람직하게는, 35Hz 와 45Hz 사이, 가장 바람직하게는 저 전력 모드에서 약 40Hz 에 포함되는 주파수로 데이터를 획득하도록 설정된다.
휴대용 개체의 계산 유닛은 활동을 나타내는 데이터를 획득하기 위해 상기 가속도 데이터를 처리할 수 있는 알고리즘을 더 포함한다. 본 설명에 대해, 활동은 발리볼이다. 발리볼 동작 검출 알고리즘은 도 1 및 도 2 에서 볼 수 있는 바와 같이 다중-계층 접근법에 기초한다. 특정 임계치 초과의 가속도 데이터에서의 변화에 의해 활동이 정의된다. 시계에서, 오직 가속도 센서가 활동을 검출할 때에만 활동 인터럽트 (activity interrupt) 가 사용되고, 오퍼레이팅 시스템이 통지받고 가속도 데이터가 취출된다. 센서가 활동을 검출하지 못하고 따라서 오퍼레이팅 시스템에 대한 활동 인터럽트를 보내지 않는 경우에, 오퍼레이팅 시스템은 가속도 데이터를 절대 취출 (retrieve) 하지 않을 것이고, 따라서, 알고리즘을 절대 시작하지 않을 것이다.
검출 알고리즘의 제 1 단계에서, 가속도 센서는, 대략적으로 40Hz 로 저 전력 모드에서 데이터를 끊임 없이 획득하고, 그것을 링-버퍼에 저장하며, 결정된 임계치 초과의 가속도가 측정되는지 여부를 체크하는, 임계치-인터럽트 모드로 설정된다. 이 임계치는, 1g 와 3g 사이, 바람직하게는 1.5g 와 2.5g 사이, 가장 바람직하게는 약 2g 에 포함되어야 한다. 임계치 초과의 가속도가 측정되는 경우에, 알고리즘이 실행되는 마이크로컨트롤러가 웨이크업하고, 링-버퍼링된 가속도 데이터가 마이크로컨트롤러에 전송된다. 더 정확히 설명하기 위해, 가속도 센서는 소정의 레이트 (rate) 로 데이터를 획득한다. 본 경우는 40Hz 이다. 가속도 데이터는 그 다음, 오퍼레이팅 시스템이 청크들 (chunks) 에서 가속도 데이터를 취출할 때까지 가속도 센서 그자신에 우선 저장된다. 워터마크 인터럽트 (watermark interrupt) 를 설정함으로써, 오퍼레이팅 시스템은 가속도 센서에게, 그것이 오퍼레이팅 시스템에게 통지할 때까지 얼마나 많은 데이터셋트들을 가속도 센서가 저장해야하는지를 알려준다. 우리의 경우에, 워터마크는 20 으로 설정되었다. 그것은, 가속도 센서가 20 개의 데이터셋트들을 저장할 때마다 오퍼레이팅 시스템에게 통지하는 것을 의미한다. 오퍼레이팅 시스템은 그러면 센서로부터 가속도 데이터를 취출하고, 이에 의해, 그 데이터를 센서의 저장부로부터 밖으로 이동시켜 오퍼레이팅 시스템 내로 이동시킨다. 가속도 센서는 그 다음, 새로운 가속도 데이터로 다시 그 자신의 저장부를 채우고, 그것이 저장부에서 20 개의 가속도 데이터셋트들에 도달하면 오퍼레이팅 시스템에게 다시 통지한다. 우리의 경우에 20 의 제한은 워터마크 레벨이라고 불린다. 워터마크 레벨에 도달되는 각 시간 마다 가속도 센서는 오퍼레이팅 시스템에 시스템 인터럽트를 전송한다. 오퍼레이팅 시스템으로 하여금 센서 데이터를 취출하도록 한다.
검출 알고리즘의 제 2 단계는 잠재적인 발리볼 활동들을 검출하는 것이다. 이를 위해, 가속도 데이터는 2 차의 효율적인 무한-임펄스 응답 (IIR) 필터로 하이-패스 필터링된다. 컷-오프 주파수는, 5Hz 와 15Hz 사이, 바람직하게는 7Hz 와 13Hz 사이, 가장 바람직하게는 약 9Hz 에 포함되어야 한다. 이것은 측정된 가속도의 빠른 변화들을 검출하기 위해 행해진다.
오직 중요한 활동들, 즉, 팔과의 공 접촉만을 검출하기 위해, 하이-패스된 필터링된 데이터의 놈 (x-y-z 축의 제곱된 합) 이 계산되고 (다시 2 차의 IIR 필터로) 로우 패스 필터링된다. 컷-오프 주파수는, 1Hz 와 10Hz 사이, 바람직하게는 2Hz 와 6Hz 사이, 가장 바람직하게는 약 3Hz 에 포함되어야 한다.
발리볼 기법에 대한 가능성 높은 시간들은 제 2 임계치 초과의 이 놈의 피크들일 수도 있을 것이다. 이 제 2 임계치는, 0.1g 와 1g 사이, 바람직하게는 0.2g 와 0.6g 사이, 가장 바람직하게는 약 0.3g 에 포함되어야 한다. 이 단계에서, 검출된 최대치들은 대략적으로 55% 내지 70% 의 비-관련 활동들 및 30% 내지 45% 의 관심 대상의 발리볼 활동들이었다. 원시 (raw) 가속도 데이터에 관한 IIR 필터들의 응답 지연은 모든 다음의 동작들에 대해 고려된다.
제 3 단계에서, 제 2 임계치 초과의 로우-패스 필터링된 하이 패스 놈의 최대치들은 추가적으로, 더 많은 비-관련 활동들을 제거하기 위해 다른 필터에서 분석된다.
데이터 분석은, 제 2 단계에서 기술된 필터의 비-관련 최대치들의 대부분이 하이-패스된 최대치들의 상대적으로 낮은 값을 가지고, (피크가 평균화되기 전에 5 및 10 의 원시 가속도들 값들 사이에서) 피크 바로 전에 원시 가속도 데이터의 놈에 대한 낮은 값을 가진 것을 나타내는 한편, 관련 발리볼 활동들의 대부분은 하이-패스된 데이터에서의 하이 피크 또는 원시 가속도 데이터의 하이 값의 어느 일방에 의해서 또는 양자에 의해서 특성화된다.
이 필터는 라인에 의해 2D 공간 (하이-패스 놈 피크 값 및 피크 전의 원시 가속도 놈) 을 분리함으로써 구현되고, 라인 위의 피크들은 추가적으로 프로세싱되고, 라인 아래의 피크들 (상대적으로 낮은 하이-패스 피크 및 낮은 원시 가속도 놈) 은 가려내진다. 이것은 비-관련 대 관련 발리볼 활동들 (공 접촉, 즉, 히트) 의 비를 대략적으로 1:1 로 감소시킨다. 하이-패스 피크 전에 (각각의 가속도 센서 축에 대해) 약 25 내지 35 개의 원시 가속도 측정치들이 존재하고, 하이-패스 피크 후의 15 내지 25 개 (즉, 공 접촉일 가능성이 높음) 는 다음 함수로 전달된다.
알고리즘의 제 4 단계에서, 데이터가 분류를 위해 준비된다. 피크/히트 전 및 후의 3D 원시 가속도 데이터는 히트를 향해 양 단부들로부터 로우-패스 필터링되고, 이것은, 피크 상에 중심이 오는 데이터 간격에서, 간격의 단부들에서의 데이터로부터 상기 피크를 향한 데이터로 필터링이 동작되는 것을 의미한다. 3D 원시 가속도 데이터는 또한, (히트로부터 양 단부들을 향해) 히트에 가장 가까운 값으로 시작하여, 2 와 4 사이의 팩터 (factor) 만큼 다운-샘플링된다. 로우-패스 필터는 제 2 단계에서 개시되고 사용된 필터와 동일한 IIR 필터일 수 있을 것이다.
다운-샘플링된 데이터는 그 다음, 무슨 종류의 활동이 그리고 바람직하게는 무슨 종류의 발리볼 활동이 발생했는지를 결정하기 위해 시도하는 알고리즘의 분류 단계로 건네진다 (또한 비-관련 활동들이 가려내진다).
제 5 단계에서, 발리볼 기법 특성화가 도 3 에 도시된 바와 같이 행해진다. 상기 발리볼 기법 특성화는 다운샘플링된 가속도 데이터 공간에서 L1-놈을 이용하여 1-최근접 이웃 알고리즘에 기초한다. 발리볼 기법 (즉, 점프 어택, 낮은 서브, ...) 또는 보통의 발리볼 게임 동안 발생하는 몇몇 다른 통상적인 활동들 (즉, 박수, 다른 사람과의 상담) 또는 박수 또는 환호성과 같은 팬 활동들에 고유하게 각각 관련되는 중심들을 집속시키기 위해 L1-놈이 계산된다. 각 발리볼 기법은 메모리 로케이션에 연관된다. 따라서, 발리볼 기법이 발생하는 각 시간에, 메모리 로케이션에서의 수는 증가된다.
그래서, 단부에서, 언제 발생했는지의 타임스탬프로 각 발리볼 기법에 대해 발생의 횟수를 디스플레이하는 것이 가능하다.
대안적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 또한 제 6 단계를 포함한다. 이 제 6 단계에서, 볼 속도와 상관되는 스매쉬 파워가 결정된다. 스매쉬 파워는 다음과 같은 방식으로 결정된다: 발리볼 기법이 검출되었을 때, 히트 전 및 히트 후의 약 0.6s 내지 0.8s 의 소정의 윈도우에서의 원시 가속도 데이터는 2 차의 IIR 필터로 밴드 패스된다. 밴드-패스된 필터링된 데이터의 놈에 대한 합은 공의 속도와 고도로 상관된다. 시계는 통합된 스매쉬 파워를 디스플레이하기 위해 오직 2 디지트들을 예약했기 때문에, 밴드-패스된 필터링된 데이터에 대한 합은 0 에서부터 99 까지의 범위로 스케일링된다. 스매쉬 파워를 다른 팩터로 곱하면, 실제 공 속도와 고도로 상관되는 공 속도를 결정하는 것이 가능하다.
상기 파워는 발리볼 기법에 연계된다. 상기 파워는 또한 메모리에 저장된다. 각각의 검출된 발리볼 활동에 대해, 상기 검출된 활동의 파워가 저장되도록, 메모리가 관리될 수 있을 것이다. 각각의 스매쉬 또는 각각의 패스 또는 각각의 서브에 대해, 파워가 저장됨을 이해하여야 한다. 휴대용 개체는 따라서, 각 발생에 대해, 발리볼 활동의 파워를 디스플레이하는 것이 가능하다.
발리볼 알고리즘에 의해 발리볼 활동이 검출 및 저장되는 각 시간에서, 시계의 오퍼레이팅 시스템은 통지를 받는다. 이러한 방식으로, 시계는 디스플레이를 업데이트할 수 있다.
당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 다양한 변경들 및/또는 향상들 및/또는 조합들이, 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 상기 전개된 본 발명의 다양한 실시형태들에 대해 이루어질 수도 있다.
이 방법은, 농구 또는 야구 또는 테니스 또는 배드민턴과 같은 다른 활동들에 대해 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 또한, 이 방법은 히트 또는 서브로부터 플레이어의 박수를 구별하기 위해 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 따라서, 상기 방법을 포함하는 휴대용 개체의 효율성은 더 높다. 박수 또는 환호성에 관한 휴대용 개체에서의 구체적인 동작을 갖는 것 또한 가능하다.

Claims (6)

  1. 전기 에너지를 저장하는 수단에 의한 전기 에너지로 전력공급되는 전자 모듈을 수용하는 케이스를 포함하는 전자 장치를 위한 검출 방법으로서,
    상기 전자 모듈은 가속도 센서에 그리고 메모리 유닛에 접속된 계산 유닛을 포함하고, 상기 전자 모듈은 또한, 상기 가속도 센서의 일부 데이터에 연관된 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단에 접속되며,
    상기 방법은,
    - 상기 가속도 센서로부터 데이터를 획득하는 단계;
    - 측정된 가속도의 빠른 변화들을 검출하기 위해, 획득된 상기 데이터를 필터링하기 위해 하이-패스 필터를 이용하고, 오직 중요한 활동들만을 검출하기 위해 하이-패스된 필터링된 데이터의 계산된 놈 (norm) 을 필터링하기 위해 로우 패스 필터를 이용하여, 잠재적인 활동들을 검출하는 단계;
    - 제 2 임계치 초과의 로우-패스 필터링된 하이 패스 놈의 최대치들을 필터링하여 비-관련 활동들을 제거하고 이 놈의 히트와 관련된 피크를 결정하는 단계;
    - 분류를 위해 상기 데이터를 준비하는 단계로서, 상기 히트와 관련된 피크 전후의 가속도 데이터는, 양 단부들로부터 상기 히트와 관련된 피크를 향해 로우-패스 필터링되고, 상기 히트와 관련된 피크에 가장 가까운 값으로 시작하여 다운-샘플링되며, 다운-샘플링된 상기 데이터는, 어떤 활동이 발생했는지를 결정하는 것을 시도하는 알고리즘의 분류 단계로 이양되는, 상기 분류를 위해 상기 데이터를 준비하는 단계;
    - 특성화하는 단계로서, 상기 활동들의 특성화는 다운 샘플링된 가속도 공간에서 L1-놈을 이용하여 1-최근접 이웃 알고리즘에 기초하는, 상기 특성화하는 단계를 포함하는, 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트와 관련된 피크 전후의 특정 윈도우에서 가속도 데이터를 필터링하기 위해 밴드-패스 필터를 이용하는 히트 파워 결정 단계를 더 포함하고,
    밴드-패스 필터링된 데이터의 놈에 대한 합은 공의 속도와 상관되는, 검출 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 계산 유닛은 저 전력 모드로부터 천이 가능하고, 상기 계산 유닛은 노멀 모드로 슬립하며, 상기 계산 유닛은, 30Hz 내지 50Hz 사이에서 데이터를 항상 획득하는 가속도 센서가 결정된 임계치 초과의 가속도 데이터를 측정하는 경우에 웨이크업하는, 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정된 임계치는 1.5g 와 2.5g 사이에 포함되는, 검출 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 로우-패스 필터 및 상기 하이-패스 필터는 2 차 필터를 이용하는, 검출 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 임계치는 0.2g 와 0.6g 사이에 포함되는, 검출 방법.
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