Recently, realistic sports games have been one of the growth industries of the indoor entertainment field. In particular, screen-golf, which is played indoors with real golf clubs and balls, has shown an outstand-ing growth rate. It consists of a sensor, a simulator, a display and other elements. The sensor is the most essential component among them. It measures the initial conditions of a flying golf ball, the velocity, the hori-zontal angle, and the vertical angle, and a moving club, the velocity, the vertical path angle, and the horizontal path angle. Until 2008, most commercialized products were IR LED type sensors, but these are associated with relatively low accuracy and a narrow measurement range compared to those that utilize a camera. In spite of the better performance, camera-based screen-golf sensors are not broadly employed in the screen-golf market because they remain expensive compared with other screen-golf sensors. In this dissertation, a new type of camera-based sensor system that captures time synchronized multi-exposure images and ball tracking technique and club tracking technique for various shots are suggested to measure the initial condition of a flying golf ball and a moving club from captured multiexposure images. The suggested system was verified in an environment equal to that of a real screen-golf store.
건강에 대한 관심과 함께 최근 실감형 스포츠 게임이 각광을 받고 있다. 가정용 게임기로는 Nintendo Wii가 출시되었으며, 매장에 가서 즐기는 엔터테인먼트로는 스크린 골프가 있다. 스크린 골프는 사용자가 실내에서 실제 골프 클럽 및 골프공을 이용해서 샷을 하면, 타격 된 공의 운동 정보를 측정하여 예상 경로를 시뮬레이션 해서 영상으로 출력해주는 게임을 지칭한다. 한국에서는 가격적인 문제로 야외 골프장에 대한 접근성이 낮기 때문에 스크린 골프 산업이 더욱 각광을 받고 있으며, 2009년 기준 스크린 골프 전체 산업 규모는 1조원에 달하고 있다. 스크린 골프 시스템의 구성 요소로는 타격 된 골프공의 속력, 방향각, 발사각 등의 운동정보를 측정하는 센서, 측정한 운동정보를 토대로 골프공의 예상 운동 경로를 계산하는 물리 엔진, 계산된 경로에 따라서 공이 날아가는 것을 보여주는 컴퓨터 그래픽 게임, 네트워크망 등이 있다. 이 중에서, 골프공의 운동 정보를 측정하는 센서가 가장 중요한 구성 요소이다. 기존의 골프 클럽이나 공을 제조하는 장비 업체에서도 장비 성능의 평가를 위해서 골프공의 운동 정보를 측정하기 위한 시도가 있었다. 그 결과 초고속카메라 또는 레이더를 사용하는 장비가 이미 상용화되어 있으나, 스크린 골프용 센서로 사용하기에는 고가라는 단점 및 운동 정보 측정 시간이 길다는 단점이 존재하고 있다. 이런 단점을 해소하기 위해서 스크린 골프 업체에서는 스크린 골프용 센서를 자체 개발하였다. 지금까지는 적외선, 레이저 방식이 주로 사용되었으나, 최근에는 정확도가 더 우수한 고속카메라 방식의 스크린골프용 센서들이 나오고 있다. 그러나 고속카메라 방식의 스크린골프용 센서는 적외선 방식의 스크린 골프용 센서에 비해서 상대적으로 고가라는 단점 그리고 외부 조도에 취약하다는 단점을 가지고 있다.
카메라를 사용해서 골프공, 축구공, 야구공 등 공의 운동 정보 측정과 관련된 연구로 한 대의 카메라로부터 획득한 영상으로부터 운동 정보를 측정, 초고속 카메라를 사용해서 볼의 회전을 측정, 다중노출 이미지를 통한 야구공의 움직임 측정 등이 있다. 스트로보스코프와 카메라를 사용해서 다중노출 이미지를 획득함으로써 야구공의 움직임을 측정하는 연구는 저가로 초고속 카메라의 성능을 낼 수 있는 방식이다. 그러나 상기의 시스템은 야구공을 위한 방식으로서 측정해야 하는 속력의 범위가 더 넓은 골프공의 움직임 측정을 위한 방식으로는 부적합하다. 골프공의 경우 성인 아마추어 골퍼의 구속이 약 60m/s ~ 70m/s 이며, 프로의 경우는 90m/s, 장타자의 경우는 100m/s로 야구공(41m/s, 150 km/h)에 비해 고속이다. 반면에 저속의 퍼팅의 경우는 속력이 약 1m/s 밖에 안 되는 경우도 있다. 아울러 상기의 야구공 추적에 관한 연구는 조명 조건을 통제한 실험실 환경에서 진행된 연구 결과로서, 실제 환경에 적용하기에는 부적합하다.
스크린 골프의 센서는 다음의 5가지 제약조건을 충족시켜야 한다. 첫 번째는, 시스템의 처리 시간은 300 ms를 초과해서는 안 된다. 두 번째는, 시스템의 단가는 300만원을 넘어서는 안 된다. 세 번째는, 0m/s~약 100m/s까지 넓은 속력 범위를 측정 할 수 있어야 한다. 네 번째는, 외부 환경 조건에 강인해야 한다. 그리고 마지막으로 위의 조건을 충족시키면서 측정의 정확도가 보장이 되어야 한다. 본 연구에서는 위의 조건을 충족시킴과 동시에 골프공의 운동 정보 측정을 위해, 고속 및 저속으로 움직이는 골프공 촬영을 위한 시스템으로서 2대의 카메라와 1개의 스트로보스코프를 사용하는 시간동기화 된 다중노출 이미지 촬영 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 한 프레임 내에서 3번 노출을 시켜서 다중노출 이미지를 획득한다. 아울러 획득되는 시간동기화 된 다중노출이미지로부터 골프공의 속력, 방향각, 발사각 측정을 위한 골프공 추적 기술 그리고 클럽의 속력, 수직 패스 앵글, 수평 패스 앵글 측정을 위한 클럽 추적 기술 또한 함께 제안한다.
제안하는 다중노출 이미지 촬영 시스템은 실제 스크린 골프 매장과 동일한 환경에 설치되어 정확도, 검출도, 처리 시간, 외부 조도 변화에 대한 강인성 평가, 다중노출 이미지 획득의 안정성 평가, 4m 이하의 짧은 어프로치에 대한 검출도 및 정확도 평가를 진행하였다. 이를 통하여 제안하는 시스템과 골프공 및 클럽 추적 기술은 스크린 골프의 처리 시간 및 가격 등의 제약 조건을 충족함과 동시에 정확성, 검출도, 안정성을 보장하는 것을 검증하였다.
