KR20140122560A - 골프 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타격된 골프공의 움직임을 분석하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 골프공의 움직임을 촬영하는 촬영부, 촬영부에서 촬영된 영상을 분석하여 2차원 상의 골프공 이미지를 추출하는 이미지 분석부 및 이미지 분석부에서 추출된 골프공 이미지를 분석하여, 골프공의 3차원 상 움직임을 연산하는 위치 연산부를 포함하는 골프 시뮬레이터에 관한 것이다.

Description

골프 시뮬레이터{Device for simulating a golf-ball}

본 발명은 골프공 타격 시 골프공의 움직임을 분석하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 골프공 타격 시 공의 움직임을 촬영하고 이미지를 분석하여 골프공의 궤적, 낙하 지점 등을 연산하는 장치에 관한 것이다.

골프는 골프공을 타격하여 목표한 지점으로 보내는 것에 의해 스코어가 좌우되는 스포츠이다. 따라서 골프를 즐기는 데에 있어서 타격한 공이 목표한 지점에 제대로 도달했는지, 목표한 지점으로 어떻게 날아갔는지 등을 파악하는 것은 매우 중요하다.

종래에도 골프공 타격에 따른 골프공의 도착 지점을 산출하기 위한 여러가지 장치가 제안되었으나, 종래의 방식은 3차원 상의 골프공의 궤적, 도착 지점 등을 획득하기 위하여 초당 수천 프레임 이상의 영상을 찍는 고가의 카메라 장비를 복수로 구비한 형태였다. 카메라는 3차원 공간을 이차원 평면(화면)상에 투영하는 장치이므로, 3차원 공간상의 골프공의 위치를 구하기 위해서는 복수의 카메라를 이용하여 촬영해야 했다. 특히 복수의 카메라를 여러 방향에 배치하고 이를 동시에 촬영함으로써 3차원 공간 상에서의 골프공의 위치 정보를 획득하는 데에 이용하였다.

전술한 종래의 장치는 복수의 카메라 장치가 고정 설치되어야 하는 문제로 인해 특정 장소(예, 스크린 골프장, 골프 연습장 등)에만 적용되었다. 즉, 장치 자체의 이동이 불가능하고, 제한된 공간 내에서만 이용이 가능하였다.

한국등록특허공보 제 0871595호(2006.11.24.공고,선행기술문헌 1) 한국등록특허공보 제 1078975호(2011.10.26.공고,선행기술문헌 2) 선행기술문헌 1에 개시된 종래 기술은 가상의 골프 시뮬레이션을 이용하는 사용자가 골프클럽으로 볼을 타격하는 것을 센싱하기 위하여 사용자가 볼을 타격하는 것에 대한 이미지를 취득하여 이로부터 볼을 찾아 그 운동 궤적을 산출함으로써 볼의 궤적에 대한 시뮬레이션 영상이 구현되도록 한 것이다. 본 기술은 복수 개의 카메라로 구성되는 카메라 유닛과 카메라 유닛에서 취득한 이미지를 처리함으로써 이동하는 볼의 물리적 특성을 추출하는 센싱처리유닛을 포함하여 구성되며, 앞서 언급한 바와 같이 필연적으로 복수 개의 카메라가 구비되어야 한다. 선행기술문헌 2에 포함된 종래 기술은 라인 스캔 카메라를 이용하여 구형물체의 초기 속도를 정확하게 예측함으로써 고속카메라로 이미지 프로세싱을 함에 있어 구형물체간의 겹침이 발생하지 않도록 하고 정확한 트리거링을 가능하게 하는 비행정보 측정 시스템에 관한 것이다. 선행기술문헌 2 또한 라인 스캔 카메라와 제1 카메라, 제2 카메라를 이용하여 여러 방향에서 구형물체를 촬영하는 것을 전제로 하였다. 종래 기술, 선행기술문헌 1, 2에 제안된 방식은 모두 복수의 카메라를 특정 공간안에 고정 설치하여야 한다. 이는 필연적으로 제작 비용의 상승을 초래하고(고속 이동체의 움직임을 파악하기 위한 카메라 장비가 매우 고가임), 특정 공간(스크린 골프장 등) 내에 고정 설치되어야 하므로 장치 활용도가 떨어질 뿐만 아니라 장치의 이동이 불가능한 문제가 발생하였다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로 하나의 카메라를 이용하여 3차원 공간 상의 골프공의 움직임을 분석하는 것을 목적으로 한다.

뿐만 아니라, 이동 및 휴대가 간편하여 공간의 제약 없이 활용 가능한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 골프공의 움직임을 결정짓는 다양한 변수를 고려함으로써 분석의 정확도를 높이는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 골프 시뮬레이터는 골프공의 움직임을 촬영하는 촬영부, 상기 촬영부에서 촬영된 영상을 분석하여 2차원 상의 골프공 이미지를 추출하는 이미지 분석부 및 상기 이미지 분석부에서 추출된 골프공 이미지를 분석하여, 골프공의 3차원 상 움직임을 연산하는 위치 연산부를 포함한다. 촬영부는 하나의 카메라로 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 위치 연산부는 추출된 골프공 이미지의 크기를 측정하는 크기 측정 모듈, 측정된 골프공 이미지의 크기를 분석하여 골프공의 3차원 상 위치를 연산하는 위치 연산 모듈, 골프공의 3차원상 위치 정보를 이용하여 골프공 이미지의 단위 시간당 변위를 분석하고, 골프공의 속도를 연산하는 속도 연산 모듈 및 상기 속도 연산 모듈에서 연산된 골프공의 속도를 이용하여 골프공의 움직임을 분석하는 움직임 분석 모듈을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서는 이미지 분석부에서 골프공 이미지 내의 특징점을 추출하고, 위치 연산부는 상기 특징점의 단위 시간 당 변위를 분석하여 골프공의 회전 운동량을 연산하는 스핀 분석 모듈을 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 움직임 분석 모듈은 상기 속도 연산 모듈에서 연산된 골프공의 속도에 상기 스핀 분석 모듈에서 연산된 골프공의 회전 운동량을 반영하여 골프공의 움직임을 분석하는 것을 특징으로 한다.

한편, 다른 실시예에서는 골프채의 센서 모듈로부터 골프채의 움직임에 관한 정보를 수신하기 위한 통신부를 더 포함할 수 있고, 위치 연산부는 상기 통신부로부터 수신한 골프채 움직임 정보를 분석하여 골프공의 3차원 상 움직임을 연산한다.

본 발명의 일 실시예에서 이미지 분석부는 촬영부에서 촬영된 영상의 밝기를 분석하는 밝기 분석 모듈 및 상기 밝기 분석 결과를 통해 영상 내에서 구형의 이미지를 분리하는 형태 분석 모듈을 포함할 수 있고, 이 때 이미지 분석부는 분리된 구형 이미지의 상단과 하단의 밝기를 비교 판단하여 골프공 이미지를 추출하는 이미지 추출 모듈을 더 포함한다, 한편, 이미지 분석부는 촬영된 영상 내 RGB 중 특정 색의 수치를 분석하여 골프공 이미지를 추출하는 것도 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에서는 움직임을 분석하기 위한 골프공의 초기 위치를 지정하는 위치 가이드부를 더 포함하고, 상기 위치 가이드부는 골프공의 초기 위치에 레이저 빔을 투사한다.

또한, 골프공의 움직임 결과를 사용자에게 출력하는 결과 출력부를 더 포함할 수 있고, 골프 시뮬레이터를 거치시킬 방향을 지정하는 방향 가이드부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 카메라를 이용하여 골프공의 3차원 상 움직임을 분석하는 것이 가능해진다.

본 발명은 이동 및 휴대가 간편하므로, 복수의 카메라가 고정 설치되어야 하는 종래 기술에 비해 공간의 제약 없이 활용이 가능하다.

뿐만 아니라 골프공의 움직임을 결정하는 다양한 변수를 반영하므로 골프공의 움직임을 정교하게 도출할 수 있다.

한편, 본 발명은 종래에 비해 요구되는 장치(카메라 등)의 수가 현저하게 줄어들게 되어 장치 제조 비용이 낮아지는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 골프 시뮬레이터를 나타낸 기능 블록도이다.
도 2는 본 발명의 골프 시뮬레이터 내 위치 연산부의 일 실시예를 나타낸 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 골프 시뮬레이터가 3차원 공간 상에서 골프공의 움직임을 시간별로 측정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 예를 골프 시뮬레이터 쪽에서 보았을 때의 정면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 예를 상부에서 보았을 때의 평면도이다.
도 6은 2차원 평면 상에서 피사체의 크기에 따른 깊이 정보를 추출하는 예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 골프 시뮬레이터를 이용하여 골프공의 스핀을 분석하는 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 골프 시뮬레이터에서 골프채의 타격 메커니즘을 분석하여 골프공의 스핀을 연산하는 예를 나타는 도면이다.
도 9는 본 발명의 골프 시뮬레이터에서 위치 가이드부 및 방향 가이드부가 더 포함된 실시예를 나타낸 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 골프 시뮬레이터(100)를 나타낸 기능 블록도이다.

본 발명의 골프 시뮬레이터(100)는 골프공의 움직임을 촬영하는 촬영부(110), 상기 촬영부(110)에서 촬영된 영상을 분석하여 2차원 상의 골프공 이미지를 추출하는 이미지 분석부(120), 및 이미지 분석부(120)에서 추출된 골프공 이미지를 분석하여, 골프공의 3차원 상 움직임을 연산하는 위치 연산부(130)를 포함한다.

촬영부(110)는 영상을 촬영하기 위한 다양한 수단을 포함하며, 대표적으로 동영상 촬영이 가능한 카메라가 사용된다. 촬영부(110)는 타격된 골프공의 움직임을 분석하기 위한 영상을 촬영하기 위한 것이다. 따라서, 촬영부(110)의 화각 내에서 빠른 속도로 움직이는 골프공을 정확하게 촬영할 수 있을 정도의 해상도 및 촬영 속도가 요구된다. 해상도는 촬영된 영상 내에서 골프공 이미지를 추출할 수 정도는 되어야한다. 촬영된 영상을 통해 골프공의 움직임을 분석하기 위해서는 촬영부(110)의 화각 내에서 골프공이 움직이는 동안 최소한 두 프레임 이상의 영상이 촬영되어야 한다. 만약 촬영부(110)의 화각 내에서 골프공이 움직이는 거리가 1m이고 골프공의 속도가 10m/s라면, 산술적으로 촬영부(110)는 최소 초당 10 프레임 이상의 영상을 촬영해야 한다(1초당 촬영되는 프레임의 수가 많을수록 정밀한 분석이 가능하나, 카메라의 성능이 좋아질수록 크기가 커지고 가격이 비싸지는 단점이 있다.).

촬영부(110)의 초당 프레임의 수는 타격된 골프공의 평균적인 속도, 촬영부(110)의 화각 내에서 골프공이 움직이는 거리 등을 고려하여 결정할 수 있다.

이미지 분석부(120)는 촬영부(110)에서 촬영된 영상을 분석하여 2차원 상의 골프공 이미지를 추출하기 위한 구성이다. 영상 분석 기술은 현재 다양한 방식이 통용되고 있으나, 일반적인 영상 분석 기술을 적용하는 경우, 영상 분석에 소요되는 시간이 길어지는 문제가 있다.

본 발명은 짧은 시간 안에 영상을 분석하여 골프공 이미지를 추출하기 위해 두 가지 방식을 제안한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 제시된 방식에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에서는 이미지 분석부(120) 내에 촬영부(110)에서 촬영된 영상의 밝기를 분석하는 밝기 분석 모듈, 밝기 분석 결과를 통해 영상 내에서 구형의 이미지를 분리하는 형태 분석 모듈 및 분리된 구형 이미지의 상단과 하단의 밝기를 비교 판단하여 골프공 이미지를 추출하는 이미지 추출 모듈을 포함한다.

밝기 분석 모듈이 구동되는 방식의 일 실시예는 아래와 같다. 다만 아래 실시예에 한정되는 것은 아니다. 밝기 분석 모듈은 촬영된 영상(디지털 신호화된 영상임)의 각 픽셀별 밝기 값을 비교한다. 골프공의 색에 따라 다소 차이가 있으나 백색의 골프공을 예로 들면, 골프공이 촬영된 영상 내에서 백색의 골프공은 다른 피사체에 비하여 상대적으로 더 밝다(골프장이 녹색의 필드인 점을 감안하면 더욱 그러함) 따라서 촬영된 영상 내에서 골프공과 유사한 밝기 분포를 가지는 부분을 선별하면, 그 부분은 영상 내에서 골프공 이미지를 나타낼 확률이 높다.

그러나 이러한 밝기 분석 결과가 반드시 골프공을 나타내는 것으로 볼 수는 없으므로 본 발명의 이미지 분석부(120)는 형태 분석 모듈을 통해 밝기 분석 모듈에서 골프공과 유사한 밝기 분포를 가진다고 1차적으로 판단된 부분이 구형에 해당하는지를 판단하여 구형이 아닌 경우 골프공이 아니라고 판단하고 구형인 경우만을 골프공이라고 판단한다.

형태 분석 모듈 구동되는 방식의 일 실시예는 아래와 같다. 다만 아래 실시예에 한정되는 것은 아니다. 골프공 이미지 판단의 정확도를 보다 높이기 위해, 추출된 구형 이미지의 상단과 하단의 밝기를 비교 판단하여 골프공 이미지를 추출한다. 골프공을 타격하는 환경은 주간, 야간, 실내를 불문하고 상부, 측부에서 비춰지는 자연광, 조명을 이용한다(지면에서 상방으로 빛을 비추는 경우는 거의 없다.). 따라서, 골프고 촬영시 골프공 하단에는 그림자가 생기게 되어 골프공 상단이 하단에 비하여 밝다. 본 실시예에서는 이러한 점에 착안하여 상기 형태 분석 모듈에서 분리된 구형 이미지의 상,하단의 밝기를 비교하여 상단이 하단보다 더 밝은 경우 이를 골프공 이미지로 추출함으로써 보다 확실하게 골프공 이미지를 판별해낼 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 실시예에서 이미지 분석부(120)는 촬영된 영상 내의 RGB(Red-Green-Blue)값 중 특정 색의 수치를 분석하여 골프공 이미지를 추출할 수 있다.

RGB는 적색, 녹색, 청색에 의해 색을 정의하는 색 모델로써 디지털 화면 상에서 색을 구현하기 위한 기준이다. 즉, RGB의 혼합에 의해 색을 인식하고 이를 디스플레이 상에 표현한다.

본 실시예에서는 골프공이 녹색의 필드에서 움직이는 점에 착안하면 RGB 값 중 녹(Green)색의 수치에 대한 정보만을 비교함으로써 촬영된 영상 내에서 골프공과 배경을 구분하고, 골프공 이미지를 추출할 수 있고, 골프 연습장에서 움직이는 점에 착안하면, 배경과 구분되는 특정 색의 수치에 대한 정보를 비교할 수도 있다. 이에 따르면 종래에 비하여 영상 분석에 소요되는 시간이 단축되는 효과가 있어, 빠른 시간 안에 영상을 분석해야 하는 본 기술분야에 적합하다.

한편, 본 발명의 특징 중 하나는 촬영부(110)가 하나의 카메라로 구성되는 점이다.

이는 종래의 방식 및 선행기술문헌 1, 2와 구별되는 중요한 특징이다. 본 발명은 촬영된 영상 내 골프공 이미지의 크기를 측정하고 이를 바탕으로 3차원 공간 상의 위치를 연산함으로써, 복수의 카메라를 이용하지 않더라도 2차원의 영상만으로도 3차원 공간의 위치를 도출해내는 것이 가능하다.

. 종래의 분석 장치는 3차원 공간의 위치를 판단하기 위하여 하나의 장치 내에 두 개 이상의 카메라가 내장된 이안식(stereosopic) 장치를 사용할 수 밖에 없었다. 그러나 본 발명의 장치 내에는 하나의 카메라만 포함되므로 우선 종래에 비하여 장치 자체의 생산 비용이 줄어들고 이에 따라 완성품의 가격이 낮아질 수 있다 또한, 복수의 카메라가 포함되는 경우 이동이 제한되어 특정 공간 안에 고정 설치될 수 밖에 없지만 본 발명은 하나의 카메라를 사용하므로 장치를 휴대하여 사용하는 것이 가능하다. 종래 기술에서는 3차원 공간 내 골프공의 움직임을 연산하기 위한 전제로서 복수의 카메라가 고정된 위치에 정확하게 셋팅되어야 한다. 카메라의 위치가 변경되는 경우 움직임을 연산하는 알고리즘, 좌표 등이 변경되기 때문이다. 그러나 본 발명은 하나의 카메라를 이용하므로 종래 기술과 같은 문제점이 발생하지 않는다. 따라서, 스크린 골프장, 골프 연습장과 같은 실내 뿐만 아니라 실제 골프 클럽에서 사용하는 것이 가능하다. 즉, 장소의 제한 없이 사용 가능하다.

도 2는 본 발명의 골프 시뮬레이터(100) 내 위치 연산부(130)를 나타낸 기능 블록도이다.

본 발명의 위치 연산부(130)는 이미지 분석부(120)에서 추출된 골프공 이미지를 분석하여, 골프공의 3차원 상 움직임을 연산한다.

본 발명의 위치 연산부(130)의 일 실시예에서는 추출된 골프공 이미지의 크기를 측정하는 크기 측정 모듈(131), 측정된 골프공 이미지의 크기를 분석하여 골프공의 3차원 상 위치를 연산하는 위치 연산 모듈(132), 골프공의 3차원상 위치 정보를 이용하여 골프공 이미지의 단위 시간당 변위를 분석하고, 골프공의 속도를 연산하는 속도 연산 모듈(133) 및 상기 속도 연산 모듈(133)에서 연산된 골프공의 속도를 이용하여 골프공의 움직임을 분석하는 움직임 분석 모듈(134)을 포함한다.

상술한 구성에 의해 3차원 공간 상의 골프공의 움직임을 파악하는 방식은 도 3 내지 도 6을 통하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 골프 시뮬레이터(100)가 3차원 공간 상에서 골프공의 움직임을 시간별로 측정하는 예를 나타낸 도면이다.

도 3의 원점은 골프 스윙 지점, 즉 사용자가 골프공을 놓고 타격하는 지점이다. x축은 사용자가 공을 보내고자 하는 방향이며, x축과 수직하도록 y축이 위치한다. z축은 3차원 공간 상의 높이를 나타내기 위한 축이다. x축과 y축이 이루는 평면이 지면이다. 골프 시뮬레이터(100)는 촬영부(110)가 x-z평면을 촬영하도록, 즉 y축 방향으로 배치되어야 한다.

사용자가 타격한 골프공의 시간대(t1, t2, t3)별 위치가 나타나 있다. t1, t2, t3는 촬영부(110)에서 촬영한 영상의 각 프레임에서의 골프공의 위치이므로 t1, t2, t3는 모두 동일한 길이의 시간을 의미한다. 만약 초당 500프레임을 촬영하는 카메라를 사용하는 경우 t1 = t2 = t3 = 0.002초가 된다.

각 프레임에서 골프공이 3차원 공간상에서 이동한 변위는 각각 d1, d2, d3이다. d1, d2, d3를 알면 골프공의 속력(d1/t1, d2/t2, d3/t3)을 연산할 수 있고, 골프공의 진행 방향을 알 수 있다면, 골프공의 최종 위치 또한 연산할 수 있다.

도 3에 도시된 예에서 사용자는 목표한 지점에 비하여 좌측으로 치우친 방향으로 공을 타격하였다. 이를 골프 시뮬레이터(100)에서 바라본 영상이 도 4이다. 골프 시뮬레이터(100)는 x-z에 의해 이루어진 평면을 촬영하므로 도 4에 도시된 것과 같은 영상이 추출된다. 앞서 언급한 것처럼 각 프레임(t1, t2, t3)에서 x-z 평면상의 골프공의 위치를 추출할 수 있다.

그러나 이는 2차원 상의 위치일 뿐, 3차원 상의 골프공의 위치가 아니다(즉, 3차원공간에서 y축의 값을 모르는 상태이다.). 그러나 본 발명에서 골프공의 y축 상 위치 정보는 별도의 카메라로 찍어서 얻는 것이 아니라 이미 촬영된 x-z 평면의 영상을 이용하여 연산한다.

이를 위해 본 발명의 위치 연산부(130)는 크기 측정 모듈(131)을 통해 x-z 평면상에서 추출된 골프공 이미지의 크기를 측정한다. 여기서의 '크기'란 골프공의 직경 또는 면적을 통칭한다. 크기를 측정하기 위한 예로 골프공 이미지 상의 픽셀을 분석하여 가장 긴 직선을 도출하여 직경을 연산하거나 골프공 이미지 내에 포함된 픽셀의 개수를 파악하여 면적을 연산할 수 있다. 그리고 위치 연산 모듈(132)을 통해 측정된 골프공 이미지의 크기를 분석하여 골프공의 3차원 상 위치를 연산한다.

골프공은 일정 규격을 따르므로 모든 골프공의 크기는 동일하다. 따라서 골프공의 크기를 특정 기준과 비교하는 것만으로도 골프공의 3차원 상 위치(y축 정보)를 연산할 수 있다.

상술한 방식은 도 5 및 도 6을 통해 설명한다. 도 5는 x-y 평면 상에서, 즉 지면과 평행한 평면상에서 골프공의 움직임을 나타낸 도면이다. 앞서 말한 바와 같이 x 축의 방향이 사용자가 골프공을 보내고자 하는 방향이고 사용자는 목표 지점에 비하여 좌측으로 치우친 방향으로 골프공을 타격하였다. 따라서 t2, t3 프레임의 골프공은 t1에 촬영된 골프공에 비해 골프 시뮬레이터(100)로부터 더 먼거리에 위치한다.

골프 시뮬레이터(100)와 골프공 사이의 거리에 따라 골프 시뮬레이터(100)에서 촬영되는 골프공 이미지의 크기를 도 6에 나타내었다.

도 6을 살펴보면 동일한 크기(D1)의 골프공이 골프 시뮬레이터(100)와의 거리에 따라 동일 평면상에서 인식되는 크기가 달라진 것을 볼 수 있다.

즉, 골프 시뮬레이터(100)로부터 멀어지는 방향(도 3 내지 도 5에 도시된 목표지점 좌측 방향)으로 날아가는 골프공은 시간이 지날수록 골프 시뮬레이터(100)에서 작은 크기로 인식된다. 따라서, 각 시간별 영상 내에 골프공 이미지의 크기를 비교함으로써 골프공이 y축 방향으로 얼마나 움직이는지를 파악할 수 있다.

A1은 기준이 되는 거리로써, A1에서 측정되는 골프공의 직경은 D1이다. D2는 획득된 골프공 이미지가 기준거리에 있을 때 즉, 영상 내에 표시될 때의 크기를 나타낸 것이다. 비례 관계에 따라 D1 : D2 = A2 : A1이 성립하므로, 크기(D2)가 측정된 골프공의 실제 위치(A2)는

A2 = D1 * A1 / D2

가 된다.

D1과 A1은 기준이 되는 값으로 이미 알고 있고, D2는 크기 측정 모듈(131)에 의해 영상 내에서 추출된 골프공 이미지의 크기이므로 이를 통해 골프공의 y축 상의 위치(3차원 상의 위치)인 A2를 알 수 있다.

즉, 2차원 평면 상에서 추출되는 골프공 이미지의 크기 정보로 3차원 상의 위치를 파악하는 것이 가능하므로 한 대의 카메라를 이용하더라도 골프공의 3차원 상 움직임을 판단할 수 있다.

한편, 본 발명의 속도 연산 모듈(133)은 위치 연산 모듈(132)에 의해 연산된 골프공의 3차원상 위치 정보를 이용하여 골프공 이미지의 단위 시간당 변위를 분석하고, 골프공의 속도를 연산한다. 추출된 골프공 이미지는 단위 시간당(1 프레임)의 변위이므로 시간당 변위인 속도 정보를 추출할 수 있다.

한편, 위치 연산 모듈(132)에서 추출된 시간 별 위치 정보를 분석하면 골프공이 날아가는 방향 또한 연산하는 것이 가능하다. 지면과 이루는 각도(도 4에서의 θ) 및 기준 방향과 이루는 각도(도 5에서의 θ) 또한 연산할 수 있으므로 움직임 분석 모듈(134)은 속도 연산 모듈(133)에서 연산된 골프공의 속도에 상술한 각도 정보를 토대로 뉴턴의 운동 방정식에 대입함으로써, 골프공의 움직임(여기서의 움직임은 궤적, 낙하지점 등을 모두 포함하는 개념이다.)을 연산할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 이미지 분석부(120)에서 골프공 이미지 내의 특징점을 더 추출하고, 위치 연산부(130)는 상기 특징점의 단위 시간 당 변위를 분석하여 골프공의 회전 운동량을 연산하는 스핀 분석 모듈(135)을 더 포함한다.

본 실시예는 앞선 실시예에 비하여 골프공의 움직임을 더욱 정교하게 분석하기 위한 것으로, 골프공의 움직임에 영향을 미치는 '회전' 요소를 반영한다.

회전 정도를 분석하기 위한 예는 도 7을 통해 설명한다. 도 7은 본 발명의 골프 시뮬레이터(100)를 이용하여 골프공의 스핀을 분석하는 예를 나타내는 도면이다.

도 7(a)는 골프 시뮬레이터(100)에서 바라본 단위 시간당 골프공 이미지를 나타낸 것이고, 도 7(b)는 골프공 이미지 내의 특징점을 추출한 예를 나타낸 것이며, 도 7(c)는 추출된 특징점을 이용하여 골프공의 회전 각속도를 연산하기 위한 예를 나타낸 것이다.

골프공은 여러가지 변수(사용자의 골프채 스윙 방향, 골프공 타격시 골프공과 골프채가 이루는 각도 등)에 의해 회전된다. 본 실시예에서는 다양한 변수에 의해 발생된 골프공의 회전 정도를 분석하고, 이를 반영하여 골프공의 움직임을 도출한다.

도 7(a)에는 회전하며 나아가는 골프공을 이미지 분석부(120)에서 분석하여 2차원 상에서 골프공 이미지 및 골프공 이미지 내의 특징점이 추출된 예를 나타낸 것이다. 도 7(a) 도시된 예에서는 t1, t2, t3로 시간이 지날수록 골프공 이미지가 작아지므로 골프공이 골프 시뮬레이터(100)에서 멀어지는 방향으로 가고 있음을 알 수 있다.

이미지 분석부(120)에서 추출된 특징점을 하나의 골프공 이미지 상에 투영시키면, 골프공의 회전 운동량을 결정짓는 요소인 골프공의 회전축과 회전 각속도를 연산할 수 있다.

골프공의 회전축은 3차원 공간 상에서 3개의 특징점이 이루는 평면에 수직하고 골프공(구)의 중심을 지나가는 축이다. 이를 2차원상에서 분석하는 경우 3개의 특징점을 연결한 직선에 수직하며, 이와 동시에 골프공 이미지(원)의 중심을 통과하는 직선이 골프공의 회전축이 된다. 도 7(a)에 도시된대로 움직임인 골프공의 회전축을 분석한 예가 도 7(b)에 나타나 있다.

이를 분석하기 위하여 본 발명의 스핀 분석 모듈(135)은 이미지 분석부(120)에서 추출된 특징점의 골프공 이미지 내 위치를 도출하고, 도출된 특징점을 연결함과 동시에 골프공 이미지의 중심을 통과하는 직선을 추출한다. 추출된 직선은 앞서 언급한 것과 같이 타격된 골프공이 회전하는 축이다.

골프공의 회전 운동을 분석하기 위해서는 골프공이 단위 시간당 회전하는 속도인 각속도에 관한 정보를 알아야한다. 각속도를 연산하기 위한 일 실시예는 도 7(b) 및 도 7(c)를 통해 설명한다.

도 7(b)를 회전축의 방향에서 관찰한 것이 도 7(c)이다. 타격된 골프공의 각속도는 도 7(c)의 Φ이다(각속도는 단위시간당 특징점이 회전된 정도이므로). 한편, 골프공 이미지의 반지름은 R이고, d는 (2차원 상) 골프공 이미지에서 각 특징점 간의 간격이며, θ는 골프공의 중심과 회전축이 이루는 각도이다. 이는 골프 시뮬레이터(100) 내 위치 연산부(130)에서 연산 가능한 변수이다.

한편, r은 회전축 방향에서 보았을 때 특징점에 의해 도출되는 원의 반지름이다. 상기 변수들의 상관관계를 살펴보면,

d = r * sin Φ = R * sin θ * sin Φ

가 된다.

따라서, 골프공의 회전 각속도 Φ는

Φ = sin^-1 [d / (R * sin θ)]

이다. 앞서 언급한 바와 같이 d, R, θ 는 모두 골프공 이미지를 분석하여 추출할 수 있는 변수이므로 상기 변수를 이용하여 골프공의 회전 각속도를 도출할 수 있다.

본 발명의 위치 분석부 내 움직임 분석 모듈(134)에서는 속도 연산 모듈(133)에서 연산된 골프공의 속도에 상기 스핀 분석 모듈(135)에 의해 연산된 골프공의 회전 운동량을 반영함으로써 보다 정교하게 골프공의 움직임을 분석할 수 있다.

골프공의 속도(진행방향 및 진행방향으로의 속력이 포함된 정보)에 골프공의 회전 운동량(골프공의 회전 축 및 회전 각속도가 포함된 정보)를 반영하여 종합적인 골프공의 움직임을 분석하는 방식은, 상술한 운동을 정의하는 식에 반영하는 방법 또는 특정 속도와 특정 회전 운동량이 결합하는 경우의 골프공 움직임을 미리 연산하여 저장하여 골프공 타격 시 연산된 속도와 회전 운동량에 대응되는 골프공의 움직임을 기저장된 정보에서 추출하는 방법 또는 두 가지 방법을 결합하는 방법 등이 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 골프채가 골프공을 타격하는 순간의 골프채 움직임에 관한 정보를 분석하여 타격된 골프공의 회전 및 이에 따른 골프공의 움직임을 분석할 수 있다.

도 8에 도시된 그림을 통하여 본 실시예에 대해 설명한다. 도 8(a)에는 골프공 타격 전 골프공과 골프채의 위치가 나타나 있으며, 도 8(b)에는 골프공 타격 직후의 골프공과 골프채의 위치가 나타나 있다.

본 실시예에서는 골프채에 센서 모듈이 부착되어 골프채의 움직임에 관한 정보(위치, 속도, 가속도 등)를 수집한다. 골프채에서 수집된 골프채의 움직임에 관한 정보는 골프 시뮬레이터(100)의 통신부로 전송되며, 통신부는 골프채의 움직임 정보를 위치 연산부(130)에 전달한다.

위치 연산부(130)는 전달된 골프채 움직임 정보를 분석하여 골프공의 3차원상 움직임을 연산한다.

골프공의 움직임을 결정하는 요소는 다양하지만 그 중에서도 골프공의 회전은 타격 순간 골프채와 골프공이 이루는 각도 및 타격 순간 골프채의 진행 방향에 의해 결정된다. 본 실시예에서는 위 두 가지 변수를 고려하여 골프공의 회전을 파악하고 이를 통해 골프공의 움직임을 분석한다.

도 8(a)는 골프공 타격 전 골프채와 골프공의 위치를 나타낸 것이다. 통상 골프 운동에서 사용자는 자신이 공을 보내고자 하는 방향과 골프공이 이루는 직선 상에 골프채를 위치시키며, 이 때 골프채의 헤드는 위 직선에 수직하도록 위치시킨다. 그래야 공을 목표한 방향으로 정확하게 타격할 수 있다. 따라서, 스윙 준비 동작시 이를 가늠하기 위하여 골프채를 도 8(a)와 같이 위치시킨다. 골프채의 센서 모듈에서는 이 때의 골프채 위치 및 각도 정보를 기준 위치 정보로 저장한다. 이후 골프공 타격을 위한 백스윙 및 스윙이 이루어지는데 골프채의 움직임은 상기 센서 모듈에 의해 지속적으로 파악한다. 골프채는 골프공 타격 시 속도 및 가속도가 순간적으로 감소하므로 골프채의 센서 모듈은 골프채의 속도 및 가속도가 순간적으로 감소한 시점을 골프공의 타격 시점으로 인식하고 이 때의 골프채의 위치 및 각도 정보를 타격 위치 정보로 저장한다. 도 8(b)에는 골프공 타격 순간 골프채의 위치 및 각도가 도시되어 있다.

골프공의 기준 위치 정보 및 타격 위치 정보는 골프 시뮬레이터(100)로 전송되며, 골프 시뮬레이터(100) 내 위치 연산부(130)는 이를 이용하여 골프채가 골프공에 스핀 운동을 발생시킨 정도를 연산한다.

즉, 기준 위치 정보 및 타격 위치 정보를 비교하여, 골프채가 골프공을 얼마나 비스듬히 타격하였는지(θ) 및 얼마나 비껴서 타격하였는지(Φ)를 도출하고 도출된 θ 및 Φ 값에 근거하여 골프공의 회전 운동 정도를 연산한다. 골프공의 회전 운동을 연산하는 방식은 골프공과 골프채의 타격 순간 골프채와 골프공이 이루는 각도(Φ), 골프채 자체의 각도(θ), 골프채의 속도, 가속도, 충격량 등을 이용하여 연산하거나 또는 골프채의 θ, Φ 및 골프채의 속도에 따른 골프채의 회전 운동 정도를 실험적인 모델에 의해 테이블화하여 저장하고, 각 경우에 발생되는 회전 운동을 저장된 테이블에서 추출하는 것도 가능하다.

매 타격마다 회전 운동 정도를 연산하는 전자에 비해 측정된 기초 정보에 매칭되는 정보를 추출하는 후자가 적은 메모리를 사용하고 골프공의 움직임을 파악할 수 있을 것이나, 상술한 예는 골프 시뮬레이터(100)의 연산 성능, 메모리 등에 따라 전자, 후자 또는 양자가 결합된 방식을 사용할 수 있다.

도 9는 본 발명의 골프 시뮬레이터에서 위치 가이드부 및 방향 가이드부가 더 포함된 실시예를 나타낸 도면이다.

본 발명의 골프 시뮬레이터(100)의 일 실시예에서는 움직임을 분석하기 위한 골프공의 초기 위치를 지정하는 위치 가이드부(140)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 골프 시뮬레이터(100)는 촬영부(110)와 골프공 간의 거리에 따른 골프공 이미지의 크기를 통하여 3차원 움직임을 분석하므로 골프공의 움직임을 정확하게 파악하기 위해서는 골프공의 타격 위치가 일정해야 할 필요가 있다(매 타격시 타격 위치가 변경되면 골프공 이미지의 크기를 분석하기 위한 기준 정보를 제대로 적용할 수 없는 문제가 발생한다.).

본 발명은 이러한 점에 근거하여 골프공의 초기 위치 즉, 골프공의 타격 위치를 지정하는 위치 가이드부(140)를 더 포함한다.

위치 가이드부(140)의 일 실시예로 레이저 포인터를 이용하여 골프공의 초기 위치에 레이저 빔을 투사함으로써 사용자가 정확한 타격 위치를 확인할 수 있도록 한다. 만약 위치 가이드 부가 없다면 타격을 위해 골프공을 위치시킬 때마다 정지된 골프공과 골프 시뮬레이터(100) 간의 거리 및 이 때의 골프공 이미지 크기를 측정하여 이를 기준으로 삼고 골프공의 움직임을 파악해야 한다.

한편, 본 발명의 골프 시뮬레이터(100)의 일 실시예에서는 골프공의 움직임 결과를 사용자가 확인 가능한 형태로 사용자에게 출력하는 결과 출력부를 더 포함할 수 있다.

상기 결과 출력부는 사용자가 목표한 지점과 실제 골프공이 도달한 지점 사이의 거리 차이를 음성으로 출력하거나 또는 디스플레이 등에 의해 시각적으로 출력할 수 있다.

본 발명의 골프 시뮬레이터(100)의 일 실시예에서는 골프 시뮬레이터(100)를 거치시킬 방향을 지정하는 방향 가이드부(150)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 골프 시뮬레이터(100)가 골프공의 움직임을 정확하게 파악하기 위해서는 사용자가 골프공을 보내고자 하는 방향과 골프 시뮬레이터(100)가 항상 일정한 각도를 유지하는 것이 중요하다. 타격 시마다 각도가 바뀌는 경우, 골프공 이미지의 크기에 따른 3차원 위치정보를 연산하는 데에 오차가 발생한다.

특히 골프 시뮬레이터(100) 내의 촬영부(110)에 의해 촬영되는 면이 골프공을 보내고자 하는 방향과 평행한 것이 바람직하며, 만약 평행하지 않더라도 상기 면과 골프공을 보내고자 하는 방향이 항상 일정한 각도가 되도록 하는 것이 좋다.

이를 위해 본 발명의 방향 가이드부는 방향을 가늠할 수 있는 구성을 포함함으로써 사용자가 골프공을 보내고자 하는 방향과 골프 시뮬레이터(100)가 항상 일정한 각도를 이룰 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것으로 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 수정, 변경, 부가가 가능한 부분까지 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100 골프 시뮬레이터 110 촬영부
120 이미지 분석부 130 위치 연산부
131 크기 측정 모듈 132 위치 연산 모듈
133 속도 연산 모듈 134 움직임 분석 모듈
135 스핀 분석 모듈 140 위치 가이드부
150 방향 가이드부

Claims (13)

1. 골프공의 움직임을 촬영하는 촬영부;
   상기 촬영부에서 촬영된 영상을 분석하여 2차원 상의 골프공 이미지를 추출하는 이미지 분석부; 및
   상기 이미지 분석부에서 추출된 골프공 이미지를 분석하여, 골프공의 3차원 상 움직임을 연산하는 위치 연산부;
   를 포함하는 골프 시뮬레이터
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 촬영부는 하나의 카메라로 구성되는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 위치 연산부는
   추출된 골프공 이미지의 크기를 측정하는 크기 측정 모듈;
   측정된 골프공 이미지의 크기를 분석하여 골프공의 3차원 상 위치를 연산하는 위치 연산 모듈;
   골프공의 3차원상 위치 정보를 이용하여 골프공 이미지의 단위 시간당 변위를 분석하고, 골프공의 속도를 연산하는 속도 연산 모듈; 및
   상기 속도 연산 모듈에서 연산된 골프공의 속도를 이용하여 골프공의 움직임을 분석하는 움직임 분석 모듈;
   을 포함하는 골프 시뮬레이터
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 이미지 분석부는 골프공 이미지 내의 특징점을 추출하고,
   상기 위치 연산부는 상기 특징점의 단위 시간 당 변위를 분석하여 골프공의 회전 운동량을 연산하는 스핀 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 움직임 분석 모듈은 상기 속도 연산 모듈에서 연산된 골프공의 속도에 상기 스핀 분석 모듈에서 연산된 골프공의 회전 운동량을 반영하여 골프공의 움직임을 분석하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
6. 청구항 1에 있어서,
   골프채의 센서 모듈로부터 골프채의 움직임에 관한 정보를 수신하기 위한 통신부를 더 포함하고,
   상기 위치 연산부는 상기 통신부로부터 수신한 골프채 움직임 정보를 분석하여 골프공의 3차원 상 움직임을 연산하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 분석부는
   촬영부에서 촬영된 영상의 밝기를 분석하는 밝기 분석 모듈; 및
   상기 밝기 분석 결과를 통해 영상 내에서 구형의 이미지를 분리하는 형태 분석 모듈;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 이미지 분석부는 분리된 구형 이미지의 상단과 하단의 밝기를 비교 판단하여 골프공 이미지를 추출하는 이미지 추출 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 이미지 분석부는 촬영된 영상 내 RGB 중 특정 색의 수치를 분석하여 골프공 이미지를 추출하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
   
10. 청구항 1에 있어서, 움직임을 분석하기 위한 골프공의 초기 위치를 지정하는 위치 가이드부를 더 포함하는 골프 시뮬레이터
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 위치 가이드부는 골프공의 초기 위치에 레이저 빔을 투사하는 것을 특징으로 하는 골프 시뮬레이터
    
12. 청구항 1에 있어서, 골프공의 움직임 결과를 사용자에게 출력하는 결과 출력부를 더 포함하는 골프 시뮬레이터
    
13. 청구항 1에 있어서, 골프 시뮬레이터를 거치시킬 방향을 지정하는 방향 가이드부를 더 포함하는 골프 시뮬레이터

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