KR20160045975A - 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템 - Google Patents

사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템 Download PDF

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Abstract

골프 스윙시 골프공 타구 음을 효과적으로 분석하여 비거리 및 방향을 예측하고, 이를 사용자에게 제공해주어 골프 연습에 도움을 주도록 한 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템에 관한 것으로서, 골프 스윙시 분석을 위한 타구 음을 검출하는 사운드 검출부; 상기 사운드 검출부에서 검출한 소리 신호에서 사운드 분석을 위한 특징을 추출하는 특징 추출부; 학습 사전에 기초하여 상기 특징 추출부에서 추출한 특징에 대응하는 다수의 클래스를 결정하는 사운드 분류부; 상기 사운드 분류부에 의해 결정된 클래스를 기초로 비거리 및 방향 데이터베이스를 검색하여 저장된 비거리 및 방향을 추출하는 비거리 및 방향 추출부; 및 상기 비거리 및 방향 추출부에서 추출한 비기러 및 방향을 출력해주는 출력부를 포함하여 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템을 구현함으로써, 타구 음만을 이용하여 비거리 및 방향 예측이 가능하다.

Description

사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템{Distance and direction of the sound-based prediction system}
본 발명은 사운드(sound) 기반의 비거리 및 방향 예측에 관한 것으로, 특히 골프 스윙시 골프공 타구 음을 효과적으로 분석하여 비거리 및 방향을 예측하고, 이를 사용자에게 제공해주어 골프 연습에 도움을 주도록 한 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템에 관한 것이다.
현재 스크린골프 시스템이 많아 보급되어 실제 골프장에 가지 않고도 적은 비용으로 골프게임을 즐기거나 골프 연습을 하는 사람들이 늘어가고 있다. 스크린골프 시스템은 스크린에 비친 골프코스를 향해서 볼을 치되 그것을 컴퓨터로 조종해서 마치 실제 골프장에서 플레이를 하는 것과 같은 상황을 만들어내는 장치에 의한 실내 골프를 의미한다.
한편, 실제 골프장에 나가서 골프를 연습하는 것과 동일한 효과를 보면서 골프 연습을 할 수 있도록 만들어진 인도어 골프장이 근래 들어 각광을 받고 있다. 인도어 골프장은 골프장의 코스는 없으며, 단순히 타구 연습을 위해 만들어 놓은 옥외 연습장이다.
스크린 골프 시스템 및 인도어 골프장을 이용하여 스윙 연습을 하는 사용자는 연습시 자신이 스윙한 자세를 모니터를 통해 영상으로 보거나, 모니터에 디스플레이되는 공의 궤적 등을 보고 스윙 자세를 연습하거나, 전문가의 레슨을 통해 스윙 연습을 한다.
골프 스윙 연습을 위한 종래의 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2009-0105279호(2009.10.07. 공개) 및 <특허문헌 2> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0129558호(2013.11.29. 공개)에 개시되었다.
<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 골프공 감지 센서부로부터 측정된 값으로부터 골프공의 이동속도, 이동 각도를 산출하는 인터페이스 모듈, 인터페이스모듈로부터 산출된 데이터를 실질적으로 구현하는 물리엔진, 물리엔진으로부터 얻어진 데이터와 골프공 퍼팅 시뮬레이션 장치 내에 저장되어 있는 3차원 영상 데이터를 복합하여 처리하는 3차원 영상처리 엔진을 구비하고, 3D 입체영상을 제공하여 필드에서 골프를 하는 것과 같은 시각적 효과를 제공하여 플레이어의 스윙자세를 교정할 수 있도록 한다.
<특허문헌 2>에 개시된 종래기술은 사용자의 골프 샷에 대한 시뮬레이션 정보, 골프 샷에 대응되는 미션을 나타내는 미션 정보를 포함하는 샷 정보를 저장하고, 동일한 미션 정보를 포함하는 샷 정보를 그룹화하며, 그룹핑된 샷 그룹을 분석한 분석결과를 디스플레이하는 과정을 통해, 사용자의 골프 샷을 효과적으로 분석하고, 분석 결과를 사용자에게 제공해준다.
대한민국 공개특허 공개번호 10-2009-0105279호(2009.10.07. 공개) 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0129558호(2013.11.29. 공개)
그러나 상기와 같은 일반적인 스크린 골프 시스템 및 인도어 골프장을 이용하여 골프 스윙 연습을 하는 경우 다음과 같은 문제점이 있다.
예컨대, 전문가의 레슨을 통한 스윙 연습은 영상을 통해 혼자 연습하는 것에 비하여 매우 효과적이나, 레슨 비용이 많이 들고 시간적인 제약이 따라 대부분의 초보 골퍼나 연습자가 자유롭게 이용하기에는 한계가 있다. 아울러 혼자 영상을 보고 스윙 연습을 하는 경우에는 레슨 비용이 적게 드는 장점은 있으나, 정보를 획득하기 위한 장비 비용이 많이 소요되고, 전문가의 조언 없이 연습하는 경우이므로 실력 향상이 매우 더디다는 단점이 있다.
또한, 종래기술들은 사용자의 골프 샷(퍼팅)에 대한 분석 정보를 제공해주는 것은 가능하나, 분석 과정이 복잡하고, 다수의 센서 및 장비를 이용하기 때문에 센서 및 분석 장치의 설치 공간이 필요하다는 제약이 따른다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 일반적인 골프 스윙 연습 방법 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 골프 스윙시 골프공 타구 음을 효과적으로 분석하여 비거리 및 방향을 예측하고, 이를 사용자에게 제공해주어 골프 연습에 도움을 주도록 한 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 골프 스윙시 발생하는 골프공 타구 음을 분석하여 기준 값으로 데이터베이스화하고, 사용자의 골프 스윙 연습시 발생하는 타구 음과 기준 값의 대비 분석을 통한 분석 결과를 제공하여 사용자의 스윙 연습에 이용할 수 있도록 한 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템은 골프 스윙시 분석을 위한 타구 음을 검출하는 사운드 검출부; 상기 사운드 검출부에서 검출한 소리 신호에서 사운드 분석을 위한 특징을 추출하는 특징 추출부; 학습 사전에 기초하여 상기 특징 추출부에서 추출한 특징에 대응하는 다수의 클래스를 결정하는 사운드 분류부; 상기 사운드 분류부에 의해 결정된 클래스를 기초로 비거리 및 방향 데이터베이스를 검색하여 저장된 비거리 및 방향을 추출하는 비거리 및 방향 추출부; 상기 비거리 및 방향 추출부에서 추출한 비거리 및 방향을 출력해주는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템은 상기 사운드 분류부에 의해 결정된 클래스를 기초로 음성 데이터베이스를 검색하여 저장된 스윙 결과 음성을 추출하는 음성 추출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 사운드 검출부는 입력 신호와 사운드 검출을 위해 미리 설정된 기준 문턱 값을 비교하여, 입력 신호가 상기 기준 문턱 값을 초과하는 시점부터 소정 시간 동안의 신호를 관측신호로 추출하고, 상기 추출한 관측신호의 세기가 미리 설정된 일정 값 이상인 경우 분석할 타구 음으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 입력 신호는 마이크 또는 마이크로폰을 포함하는 음성입력장치를 통해 출력되는 신호인 것을 특징으로 한다.
상기에서 특징 추출부는 검출한 사운드 신호를 단시간 푸리에 변환(STFT; Short-Time Fourier Transform)을 통해 주파수 도메인으로 변환시켜 특징을 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 사운드 분류부는 학습 사전에 저장된 K-SVD 학습 알고리즘 사전을 이용하여 입력된 특징을 처리하여 입력 특징의 요소에 대응하는 다수의 클래스를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 출력부는 상기 비거리 및 방향 추출부에서 추출한 비거리 및 방향을 모니터를 통해 화면으로 출력해주고, 상기 음성 추출부에서 출력되는 스윙 결과 음성을 스피커를 통해 출력해주는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 골프 스윙 연습시 타구 음을 검출하고, 그 검출한 타구 음을 분석하여 비거리 및 방향을 예측하며, 분석 결과를 사용자에게 제공해줌으로써, 정확하게 골프 스윙에 대한 분석이 가능함은 물론 골프 스윙 분석 장비를 최소화함으로써 장비의 구입 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존과 같이 복잡한 장비를 설치하지 않아도 되므로 장비 설치 공간의 제약도 해소할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사운드 기반의 골프스윙 분석시스템의 블록 구성도,
도 2은 본 발명에서 사운드 검출 예시도,
도 3은 본 발명에서 특징 추출부의 특징 추출 예시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사운드 기반의 골프스윙 분석시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사운드 기반의 골프스윙 분석시스템의 블록 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사운드 기반의 골프스윙 분석시스템은 사운드 검출부(10), 특징 추출부(20), 학습 사전(30), 사운드 분류부(40), 비거리 및 방향 데이터베이스(50), 비거리 및 방향 추출부(60), 음성 데이터베이스(70), 음성 추출부(80), 출력부(90), 모니터 및 스피커를 포함한다.
상기 사운드 검출부(10)는 골프 스윙시 분석을 위한 타구 음을 검출하는 역할을 한다. 이러한 사운드 검출부(10)는 입력 신호(Input signal)와 사운드 검출을 위해 미리 설정된 기준 문턱 값을 비교하여, 입력 신호가 상기 기준 문턱 값을 초과하는 시점부터 소정 시간 동안의 신호를 관측신호로 추출하고, 상기 추출한 관측신호의 세기가 미리 설정된 일정 값 이상인 경우 분석할 타구 음으로 검출하는 것이 바람직하다.
상기 입력 신호는 도면에는 도시하지 않았지만 마이크 또는 마이크로폰과 같은 음성입력장치를 통해 출력되는 신호를 의미한다.
상기 특징 추출부(20)는 상기 사운드 검출부(10)에서 검출한 소리 신호에서 사운드 분석을 위한 특징을 추출하는 역할을 한다. 예컨대, 특징 추출부(20)는 검출한 사운드 신호를 단시간 푸리에 변환(STFT; Short-Time Fourier Transform)을 통해 주파수 도메인으로 변환시켜 특징을 추출하는 것이 바람직하다.
상기 사운드 분류부(40)는 학습 사전(30)에 기초하여 상기 특징 추출부(20)에서 추출한 특징에 대응하는 다수의 클래스(class)를 결정하는 역할을 한다. 예컨대, 사운드 분류부(40)는 K-SVD(Sparse Dictionary building algorithm) 학습 알고리즘 사전을 이용하여 입력된 특징을 처리하여 입력 특징의 요소에 대응하는 다수의 클래스를 결정하는 것이 바람직하다.
상기 비거리 및 방향 추출부(60)는 상기 사운드 분류부(40)에 의해 결정된 클래스를 기초로 비거리 및 방향 데이터베이스(50)를 검색하여 비거리 및 방향을 추출하는 것이 바람직하다.
상기 음성 추출부(80)는 상기 사운드 분류부(40)에 의해 결정된 클래스를 기초로 음성 데이터베이스(70)에 저장된 스윙 결과 음성을 추출하는 역할을 한다.
상기 출력부(90)는 상기 비거리 및 방향 추출부(60)에서 추출한 비거리 및 방향을 모니터를 통해 화면으로 출력해주고, 상기 음성 추출부(80)에서 출력되는 스윙 결과 음성을 스피커를 통해 출력해주는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사운드 기반의 골프스윙 분석시스템의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 골프 연습을 하는 사용자가 골프공을 타격할 때 발생하는 타구 음만을 이용하여 비거리 및 방향을 예측하고, 스윙 결과 음성을 제공해주기 위해서 미리 타구 음에 대한 데이터베이스가 필요하다.
예컨대, 드라이버 또는 아이언과 같은 골프채를 이용하여 골프공을 타격하면, 골프채가 골프공에 맞는 소리 들은 비거리와 방향에 따라 다른 소리가 난다. 이러한 사실에 기반하여 드라이버 또는 아이언 등과 같은 골프채가 골프공에 맞는 소리들을 수집하여 데이터베이스화하고, 비슷한 소리끼리 클러스터링을 하여 각 소리에 대한 비거리와 방향을 데이터베이스화한다. 여기서 비거리와 방향 정보를 데이터베이스화할 경우, 실제 타구 음에 대한 비거리와 방향을 실측하여, 타구 음에 대한 비거리와 방향 정보를 비거리 및 방향 데이터베이스(50)에 데이터베이스화하는 것이 바람직하다. 이때, 빅 데이터 개념으로 많은 량의 소리와 비거리 및 방향 실측에 대한 정보를 수집하여 데이터베이스화함으로써, 실제 응용시 타구 음 분석에 대한 정확성과 신뢰성을 도모할 수 있다.
아울러 타구 음에 대한 비거리와 방향 데이터베이스화할 때, 전체 클러스터 개수(C개)에 대해 각 클러스터에 있는 시간 도메인(time domain) 소리를 단시간 이산 푸리에 변환(ST-DFT; short time discrete fourier transform)을 통해서 주파수 도메인으로 변환한다. 그리고 K-SVD(Sparse Dictionary building algorithm)를 통해서 하기와 같은 사전을 만든다.
행렬 Dk=[dik, d2k,...,dNk](여기서 k는 주파수 인덱스)는 N개의 벡터로 이루어져 있고, 이 벡터들은 소리신호들인 주파수 k에 대한 시간에 따른 스펙트럼(spectrum)의 진폭(amplitude)들을 나타낸다. 여기서 d1k와 d2k는 서로 비슷한 벡터이고, 비슷한 비거리와 방향에서의 소리에 대한 특징들이다. 그래서 N개의 벡터는 서로 비슷한 벡터들의 C개의 클러스터를 가진다.
상기에서 각 주파수 당 사전을 가지며, 이렇게 생성되는 사전은 학습 사전(30)에 저장된다.
이후, 실제 사용자가 골프 스윙 연습을 위해 골프채를 이용하여 골프공을 타격하면, 골프공 주변에 설치된 마이크 또는 마이크로폰과 같은 음성입력장치를 통해 타구 음이 입력된다. 이렇게 입력되는 타구 음을 입력 신호(Input signal)라고 한다.
입력 신호는 사운드 검출부(10)에 입력되며, 사운드 검출부(10)는 골프 스윙시 분석을 위한 타구 음을 검출한다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 입력 신호(Input signal)와 사운드 검출을 위해 미리 설정된 기준 문턱 값을 비교하여, 입력 신호가 상기 기준 문턱 값을 초과하는 시점부터 소정 시간 동안(예를 들어, 60msec)의 신호를 관측신호로 추출한다. 그리고 추출한 관측신호의 세기가 미리 설정된 일정 값 이상인 경우 분석할 타구 음으로 검출하여 특징 추출부(20)에 전달한다.
특징 추출부(20)는 상기 사운드 검출부(10)에서 검출한 소리 신호에서 사운드 분석을 위한 특징을 추출하여 사운드 분류부(40)에 전달한다. 예컨대, 특징 추출부(20)는 도 3에 도시한 바와 같이, 검출한 사운드 신호를 단시간 푸리에 변환(STFT; Short-Time Fourier Transform)을 통해 주파수 도메인으로 변환시켜 특징을 추출한다. 추출한 특징은 벡터로서, 소리신호에 대응하는 주파수 k에 대한 시간에 따른 스펙트럼(spectrum)의 진폭(amplitude)을 나타낸다.
상기 사운드 분류부(40)는 미리 만들어진 학습 사전(30)에 기초하여 상기 특징 추출부(20)에서 추출한 특징에 대응하는 다수의 클래스(class)를 결정한다. 예컨대, 사운드 분류부(40)는 K-SVD(Sparse Dictionary building algorithm) 학습 알고리즘을 이용하여 입력된 특징을 처리하여 입력 특징의 요소에 대응하는 다수의 클래스를 결정한다.
상기 입력 특징의 요소에 대응하는 다수의 클래스 결정은, 각 주파수에 대해 수행된다. 이러한 클래스 결정을 통해 입력 신호가 어느 클러스터에 들어 있는지를 확인할 수 있다. 즉, X_{k} 벡터 중 문턱 값 a이상에 해당되는 학습 사전의 벡터들의 클러스터에 속함을 의미한다.
이렇게 결정되는 다수의 클래스 번호들은 예측된 클래스 번호(Predicted class number) 정보로 비거리 및 방향 추출부(60) 및 음성 추출부(80)에 각각 전달된다.
상기 비거리 및 방향 추출부(60)는 이러한 예측된 클래스 번호를 기초로 비거리 및 방향 데이터베이스(50)를 검색하여, 예측된 클래스 번호에 대응하는 비거리 및 방향 정보를 추출하고, 이를 출력부(90)에 전달한다.
출력부(90)는 연계된 디스플레이 장치인 모니터에 상기 비거리 및 방향 정보를 표시해줌으로써, 골프 스윙 연습을 하는 사용자는 단순히 골프 스윙을 하여 골프공을 타격하는 것만으로 용이하게 비거리 및 방향을 인지할 수 있게 된다.
다음으로, 음성 추출부(80)는 전달되는 예측 클래스 번호를 기초로 음성 데이터베이스(70)를 검색하여, 예측 클래스 번호에 대응하는 스윙 결과 음성을 추출하여 출력부(90)에 전달한다. 여기서 스윙 결과 음성은 골프 스윙 연습자가 골프공을 타격할 때, 그 결과 송출시 사용하는 결과 음성을 의미한다.
출력부(90)는 연계된 스피커를 통해 스윙 결과 음성을 출력해준다. 예를 들어, 스윙이 제대로 이루어져 타구 음이 좋은 것으로 판정된 경우에는, "사장님, 나이스샷" 또는 "굿" 등과 같은 음성을 송출해주며, 스윙이 제대로 이루어지지 않아 타구 음이 좋지 않을 경우에는 "아쉬워요." 등과 같은 음성을 송출해줄 수 있다. 타구 음에 대한 음성도 상기와 같은 예시 음성 이외에 다양화되어 있으며, 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 소수의 음성 예시에 대해서만 언급한 것에 불과하다.
이와 같이 본 발명은 골프 스윙을 연습하는 사용자가 골프채를 이용하여 골프공을 타격할 때 발생하는 타구 음만을 분석하여 정확하게 비거리 및 방향 예측이 가능하다. 이로 인해 기존과 같이 사용자의 골프 스윙 분석을 위한 다양한 장비(카메라, 센서, 분석 장비, 기타)를 사용하지 않아도 되므로, 골프 스윙 분석을 위한 장비 구입 비용을 줄일 수 있으며, 골프 스윙 분석을 위한 장비 설치 공간의 제약도 해소할 수 있게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 공을 타격하여 연습을 하는 사용자의 스윙 상태(비거리 및 방향)를 분석하는 기술에 효과적으로 적용된다.
10: 사운드 검출부
20: 특징 추출부
30: 학습 사전
40: 사운드 분류부
50: 비거리 및 방향 데이터베이스
60: 비거리 및 방향 추출부
70: 음성 데이터베이스
80: 음성 추출부
90: 출력부

Claims (8)

  1. 골프 스윙시 분석을 위한 타구 음을 검출하는 사운드 검출부;
    상기 사운드 검출부에서 검출한 소리 신호에서 사운드 분석을 위한 특징을 추출하는 특징 추출부;
    학습 사전에 기초하여 상기 특징 추출부에서 추출한 특징에 대응하는 다수의 클래스를 결정하는 사운드 분류부;
    상기 사운드 분류부에 의해 결정된 클래스를 기초로 비거리 및 방향 데이터베이스를 검색하여 저장된 비거리 및 방향을 추출하는 비거리 및 방향 추출부; 및
    상기 비거리 및 방향 추출부에서 추출한 비거리 및 방향을 출력해주는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 사운드 분류부에 의해 결정된 클래스를 기초로 음성 데이터베이스를 검색하여 저장된 스윙 결과 음성을 추출하는 음성 추출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 사운드 검출부는 입력 신호와 사운드 검출을 위해 미리 설정된 기준 문턱 값을 비교하여, 입력 신호가 상기 기준 문턱 값을 초과하는 시점부터 소정 시간 동안의 신호를 관측신호로 추출하고, 상기 추출한 관측신호의 세기가 미리 설정된 일정 값 이상인 경우 분석할 타구 음으로 검출하는 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 입력 신호는 음성입력장치를 통해 출력되는 음성신호인 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 특징 추출부는 검출한 사운드 신호를 단시간 푸리에 변환(STFT; Short-Time Fourier Transform)을 통해 주파수 도메인으로 변환시켜 특징을 추출하는 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 특징은 소리신호에 대응하는 주파수에 대한 시간에 따른 스펙트럼(spectrum)의 진폭(amplitude)인 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 사운드 분류부는 학습 사전에 저장된 K-SVD 학습 알고리즘 사전을 이용하여 입력된 특징을 처리하여 입력 특징의 요소에 대응하는 다수의 클래스를 결정하는 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.
  8. 청구항 2에 있어서, 상기 출력부는 상기 비거리 및 방향 추출부에서 추출한 비거리 및 방향을 모니터를 통해 화면으로 출력해주고, 상기 음성 추출부에서 출력되는 스윙 결과 음성을 스피커를 통해 음성으로 출력해주는 것을 특징으로 하는 사운드 기반의 비거리 및 방향 예측시스템.

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