利用单一光源和平面传感器部测量物体的物理量的方法及利用该方法的虚拟高尔夫系统

技术领域

本发明涉及利用单一光源和平面传感器部测量物体的物理量的方法及 利用该方法的虚拟高尔夫系统。更详细地说，本发明涉及利用单一光源和 配置在与该光源相对置的底面上的平面传感器部来检测物体(例如高尔夫 球)的影子，并以此为基础来测量上述物体的高度等物理量的方法及利用 该方法的虚拟高尔夫系统。

背景技术

喜欢高尔夫的人数正持续增加。但是，实际上喜欢高尔夫的人无法经 常去现场进行比赛，因此在都市中心等也能以较低的费用虚拟地打高尔夫 的虚拟高尔夫系统(屏幕高尔夫系统)正广泛普及。这种虚拟高尔夫系统 的基本概念是，若打高尔夫球的人向屏幕打高尔夫球，则虚拟高尔夫系统 检测高尔夫球的移动，并经过规定的模拟过程，将打出高尔夫球的结果虚 拟地显示在屏幕上。在这种虚拟高尔夫系统中，重要的是测量高尔夫球的 高度、移动速度、移动方向等并进行模拟，以使打高尔夫球的人能够感觉 到与实际比赛时类似的高尔夫球的移动。

发明内容

(发明所要解决的问题)

为此，在大部分现有的虚拟高尔夫系统中，利用超高速摄像机等价格昂贵 的光学装置来收集与被击出的高尔夫球的移动相关的信息并进行运算，但是这 种方式需要相当复杂的技术，尤其是成为实现虚拟高尔夫系统所需的费用较高 的主要原因。

另外，日本公开专利公报第2003-230767号、美国注册专利公报第 5390927号、日本注册专利公报第3394978号等公开了有关利用多个水平传感 器和多个垂直传感器检测高尔夫球的移动的现有技术，但是在利用这种现有技 术的情况下，也仍然存在虚拟高尔夫系统的复杂程度或虚拟高尔夫系统的实现 费用等方面的问题。

(解决问题的手段)

本发明的目的是解决上述现有技术的所有问题。

另外，本发明的另一个目的是仅利用单一光源和平面传感器部就能准确地 测量物体的物理量。

另外，本发明的再一个目的是以较低的费用实现有效地进行动作的虚拟高 尔夫系统。

(发明效果)

根据本发明，仅利用单一光源和平面传感器部也能准确地测量物体的物理 量。

根据本发明，以较低的费用也能够实现有效地进行动作的虚拟高尔夫系 统。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施例的整体系统的示意结构的图。

图2是详细表示本发明的一个实施例的平面传感器部200的内部结构的 图。

图3及图4是表示本发明的一个实施例的传感器列210的结构的图。

图5是详细表示本发明的一个实施例的测量装置300的内部结构的图。

图6及图7是根据本发明的一个实施例以影子的大小为基础来测量物体的 高度的观念所涉及的示意图。

图8是根据本发明的一个实施例基于影子经过传感器的时间、连接光源和 传感器的直线与物体的轨迹所形成的角度来测量物体高度的观念所涉及的示 意图。

符号说明

100-光源，200-平面传感器部，300-测量装置，400-显示装置。

具体实施方式

用于达到上述目的的本发明的代表性的结构如下。

根据本发明的一个方式，提供一种利用单一光源和平面传感器部测量物体 的物理量的方法，该方法包括：由上述平面传感器部检测根据从上述单一光源 发出的光而产生的上述物体的影子的步骤，上述平面传感器部配置在与上述单 一光源对置的底面上；以及基于有关上述影子的信息来测量上述物体的物理量 的步骤。

根据本发明的另一个方式，提供一种用于测量物体的物理量的测量系统， 该测量系统包括：单一光源；用于检测根据从上述单一光源发出的光而产生的 上述物体的影子的平面传感器部，上述平面传感器部配置在与上述单一光源对 置的底面上；以及用于基于有关上述影子的信息来测量上述物体的物理量的测 量装置。

后述的关于本发明的详细说明参照表示能够实施本发明的特定实施例的 附图即可。将详细说明这些实施例，使得本领域技术人员足以能够实施本发明。 本发明的各种实施例虽然彼此不同，但是应理解为并不需要相互排斥。例如， 在此记载的特定形状、结构及特性涉及一个实施例，但也可以在不脱离本发明 的精神及范围的情况下由另一实施例实现。另外，应该理解为在不脱离本发明 的精神及范围的情况下，可以变更所公开的各个实施例内的个别结构要素的位 置或配置。从而，后述的详细说明并不具有限定意义，确切地说，本发明的范 围由与技术方案主张的内容等同的所有范围和所附的技术方案来限定。附图中 类似的参照符号是指在各个方面具有相同或类似的功能。

以下，为了使具有本发明所属技术领域的通常知识的人能够容易实施本发 明，参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

[本发明的优先实施例]

在以下本说明书中，作为根据本发明为了利用单一光源和平面传感器部测 量物体的物理量而实现的系统的例子，主要说明虚拟高尔夫系统，但本发明并 不局限于此，应理解为只要是根据本发明的技术思想而导出的用于测量物体的 物理量的各种测量方法和系统均属于本发明的范围内。

整体系统的结构

图1是表示本发明的一个实施例的整体系统的示意结构的图。这种整体系 统可以是虚拟高尔夫系统。

参照图1，本发明的一个实施例的整体系统包括：开始部10(在虚拟高尔 夫系统的情况下为击球部10)、光源100、平面传感器部200、测量装置300 及显示装置400。

首先，本发明的一个实施例的光源100(优选为一个)可以包括发光体。 这种光源100可以发光而产生位于光路径上的物体的影子。在本发明中利用光 的直线传播性，因此光源100优选使用直线传播性良好的激光光源等，但本发 明并不局限于此，当然也可以包括能够产生物体的影子的公知的发光体来构成 本发明的光源100。

其次，本发明的一个实施例的平面传感器部200可以配置在与光源100 对置的底面上。这种平面传感器部200可以包括多个传感器(光传感器)，各 传感器可以执行检测物体的影子的功能。

即，平面传感器部200可以检测从开始部10出发的物体(例如，从击球 部10击出的高尔夫球)在经过光源100与平面传感器部200之间的过程中产 生的影子。对此，将通过参照附图2进行的以下的详细说明而进一步观察。

另外，本发明的一个实施例的测量装置300可以执行基于由平面传感器部 200检测出的有关影子的信息(即，影子的大小、影子经过传感器上的时间、 影子的轨迹所形成的角度等)而运算该物体的高度、移动速度、和移动方向等 的功能。此外，测量装置300可以执行通过显示装置400显示与物体的移动相 关的模拟结果的功能。

这种测量装置300可以是包括与平面传感器部200及显示装置400进行通 信的功能的数字设备，这种数字设备可以包括用于虚拟高尔夫系统的专用处理 器。这种专用处理器可以具备存储器单元，并具有数值运算功能和图形处理功 能。

关于如上所述的测量装置300的结构，将通过参照附图5进行的以下的详 细说明来进一步观察。

最后，本发明的一个实施例的显示装置400作为用于显示数值运算或图形 处理的结果的装置，可以是执行通过规定的显示单元显示规定的影像的功能的 装置。优选显示装置400可以由吸收被击出的高尔夫球等物体引起的冲击的一 方面不直接发光的屏幕和向该屏幕输出影像的投影仪构成。

平面传感器部的结构

以下，对本发明的一个实施例的平面传感器部200的内部结构及各结构要 素的功能进行说明。

图2是详细表示本发明的一个实施例的平面传感器部200的内部结构的 图。

参照图2，本发明的一个实施例的平面传感器部200可以构成为包括：传 感器列210、错误检测部220、通信部230及控制部240。

根据本发明的一个实施例，传感器列210、错误检测部220、通信部230 及控制部240之中至少一部分可以是与测量装置300进行通信的程序模块。这 种程序模块能够以运行系统、应用程序模块及其他程序模块的形式被包含于平 面传感器部200中，在物理上可以存储在任意的公知的存储装置中。另外，这 种程序模块也可以存储在能够与平面传感器部200进行通信的远程存储装置 中。另一方面，这种程序模块包括根据本发明执行后述的特定工作或特定的抽 象数据类型的例行程序、子程序、程序、对象、组件、数据结构等，但并不局 限于此。

首先，本发明的一个实施例的传感器列210可以执行检测影子的功能。这 种传感器列优选可以包括多个光传感器。更优选地，传感器列210可以包括一 定地排列多个光传感器的传感器行，对此将通过参照图3及图4进行的以下的 详细说明来进一步观察。

其次，本发明的一个实施例的错误检测部220可以执行检测错误并进行修 正的功能，这是因为在检测影子的过程中所使用的多个传感器之中显示错误的 传感器即使只有一个的情况下，有可能产生严重的误动作。对此将在后面进行 更仔细的说明。

另外，本发明的一个实施例的通信部230可以执行将由传感器列210检测 的有关影子的信息传输给测量装置300的功能。一般而言，通信部230可以执 行使平面传感器部200与测量装置300之类的外部装置进行通信的功能，这种 通信方式可任意采用以太网通信、USB通信、IEEE 1394通信、串行通信(serial  communication)及并行通信(parallel communication)之类的有线通信方 式，更优选采用红外线通信、蓝牙通信、RF通信及无线LAN通信之类的无线 通信方式。

最后，本发明的一个实施例的控制部240可以执行控制传感器列210、错 误检测部220及通信部230之间的数据流的功能。即，控制部240控制来自外 部的数据流，或控制平面传感器部200的各结构要素之间的数据流，从而控制 传感器列210、错误检测部220及通信部230分别执行固有功能。

以下对本发明的一个实施例的传感器列210的内部结构及各结构要素的 功能进行详细说明。

为了利用由物体产生的影子来准确测量物体的高度、移动速度、移动方向 等，优选属于传感器列210的各传感器之间的间隔小。这是因为，间隔越小， 分辨率就越高，从而测量误差减小。但是，若配置成传感器列210内的传感器 行的各传感器与对置的传感器行的各传感器仅对置各一个，则传感器行之间的 间隔很难小于传感器的直径，因此为了得到传感器列210的最佳结构，可如下 构成。

图3及图4是表示本发明的一个实施例的传感器列210的结构的图。

参照图3及图4，本发明的一个实施例的传感器列210具有包括多个传感 器211的多个传感器行。传感器行的个数可以是两个以上。在如图3及图4 所示那样配置传感器行的情况下，若传感器行的个数为n(n为2以上的自然 数)，则传感器行之间的间隔h_n满足公式1。

公式1

$h_n=\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}\times d$

在公式1中，d是传感器211之间的单位间隔，其最小值可以与传感器211 的直径相同，其最大值可以大于传感器211的直径。而且，如图3及图4所示， 两个传感器行上的对置的传感器211之间的水平距离d′可以用(1/n)×d来表 示。

由于具有如上所述的结构，可以增加本发明的传感器列210的分辨率。

以下，对本发明的一个实施例的错误检测部220的功能进行说明。

一般而言，有可能在传感器211中产生的错误类型如下。

(i)错误类型1：有时尽管没有物体的影子，但还错误地检测出有影子。 一般又称之为stuck-at-1错误。

(ii)错误类型2：有时尽管有影子，但错误地检测出没有影子。一般又 称之为stuck-at-0错误。

(iii)错误类型3：有时与有无物体的影子无关地，根据时间而无意义 地反复输出有关影子的信息。

在本发明中，为了解决这种错误，可以利用传感器电压的基准值V_REF。

首先，规定的传感器211的V_REF其初始值可以设定为光以无影子的方式入 射到传感器211时的传感器电压V_MAX。此时，传感器211的数字输出值S为0 (这意味着没有影子)。如果在上述情况下传感器211的输出值错误地被输出 为1，则V_REF要被减小与规定值相应的量。可以反复进行这种V_REF的减少处理。

在如此设定的V_REF比预先通过实验等而掌握的传感器允许的最小电压V_TH，min小的情况下，该传感器211有可能相当于错误类型1。此外，在设定的V_REF比 传感器允许的最大电压V_TH，max大的情况下，该传感器211有可能相当于错误类 型2。

另外，在经过多次反复测量光以无影子的方式入射时的V_REF之后，反复测 量的V_REF的偏差比传感器允许的偏差值V_TH，vary大的情况下，该传感器211有可 能相当于错误类型3。

在以上说明中，V_TH，min、V_TH，max及V_TH，vary可以是参考实验条件或传感器的特性 预先设定的值。为了准确设定V_TH，min、V_Th，max及V_TH，vary，可以使用多个传感器来累 计统计数据。

在判断出属于传感器列210的多个传感器211之中某一个显示如上所述的 类型之中的一种错误的情况下，忽略该传感器211的输出值，以与该传感器 211相邻的另一个传感器211的输出值为基础，来修正为正确的输出值。

具体说明如下。

首先，在显示错误的传感器211的两侧的传感器211均正常且其输出值相 同的情况下，将显示错误的传感器211的输出值设定为与其两侧的传感器211 的输出值相同的值。

在显示错误的传感器211的两侧的传感器211均正常且它们的输出值不同 的情况下，使显示错误的传感器211的输出值维持就在之前时刻的输出值。

当然，当凝聚在一起的两个以上的传感器211显示错误时，错误修正也可 以按照如上所述的逻辑来进行。

测量装置的结构

以下，对本发明的一个实施例的测量装置300的内部结构及各结构要素的 功能进行说明。

图5是详细表示本发明的一个实施例的测量装置300的内部结构的图。

参照图5，本发明的一个实施例的测量装置300可以包括测量部310、模 拟部320、数据存储部330、通信部340及控制部350。

根据本发明的一个实施例，测量部310、模拟部320、数据存储部330、 通信部340及控制部350之中至少一部分可以是与平面传感器部200及/或显 示装置400进行通信的程序模块。这种程序模块能够以运行系统、应用程序模 块及其他程序模块的形式包含于测量装置300中，在物理上可以存储在任意的 公知的存储装置中。另外，这种程序模块也可以存储在能够与测量装置300 进行通信的远程存储装置中。另外，这种程序模块包括根据本发明执行后述的 特定工作或进行特定的抽象数据类型的程序段、子程序、程序、对象、组件、 数据结构等，但并不局限于此。

首先，本发明的一个实施例的测量部310可以执行如下的功能，即：基于 由平面传感器部200检测的有关影子的信息，测量物体的物理量。

更详细而言，首先，测量部310能够基于由物体产生的影子所经过的传感 器211的个数，测量物体的高度。

或者，测量部310可以在求出由物体产生的影子经过多个传感器211的时 间之和后，基于由此去除物体的移动速度所引起的位移之后的值来测量物体的 高度。

或者，测量部310可以基于由物体产生的影子经过传感器211的时间、以 及连接光源100和传感器211的直线与物体的轨迹所形成的角度，来测量物体 的高度。

关于如上所述的多个实施例的测量部310的测量高度的方式，将通过参照 图6至图8进行的以下的详细说明来进一步观察。

其次，本发明的一个实施例的模拟部320可以执行如下功能，即：基于有 关物体的高度等已测量的物理量的信息，将物体的移动反映到图形客体上进行 表示。另外，模拟部320可以将包含影像信号的控制信号传输到显示装置400， 从而生动地表示物体的移动。

另外，本发明的一个实施例的数据存储部330可以存储有关影子的信息和 模拟信息。这种数据存储部330可以包括能够利用计算机读取的记录介质。

另外，本发明的一个实施例的通信部340可以执行如下的功能，即：从平 面传感器部200接收有关影子的信息，并将模拟信息传输给显示装置400。一 般而言，通信部340可以执行使测量装置300与平面传感器部200或显示装置 400之类的外部装置进行通信的功能，这种通信方式可任意采用以太网通信、 USB通信、IEEE1394通信、串行通信及并行通信之类的有线通信方式，更优 选采用红外线通信、蓝牙通信、RF通信及无线LAN通信之类的无线通信方式。

最后，本发明的一个实施例的控制部350可以执行控制测量部310、模拟 部320、数据存储部330及通信部340之间的数据流的功能。即，控制部350 控制来自外部或测量装置300的各结构要素之间的数据流，从而控制测量部 310、模拟部320、数据存储部330及通信部340分别执行固有功能。

物体的高度测量

图6及图7是关于根据本发明的一个实施例以影子的大小为基础来测量物 体的高度的观念的示意图。

(1)以影子所经过的传感器的个数为基础测量物体的高度的观念

首先，如图6所示，在本发明的一个实施例的平面传感器部200中，可以 检测影子1和影子2所经过的传感器211的位置和个数。在此，影子1的宽度 为W1，影子2的宽度为W2。

如图所示，W1是对应于7个传感器211的宽度，W2是对应于5个传感器 211的宽度。根据本发明，各传感器211之间的间隔是已知的信息，因此可以 基于检测出影子的传感器211的个数来测量影子的大小。

最简单地说，物体经过光源100与底面之间的正下方部分时(图7的左侧 的情况)的物体的高度h如公式2所示。

公式2

$h=(1-\frac{D}{W})\times H$

其中，W是影子的大小(直径)，D是物体的大小(直径)，而且H是光源 100与平面传感器部200之间的最短距离。根据本发明，D和H的值可以是已 设定的值。

另外，物体以光源100的位置为基准与光源100和底面之间的垂线形成角 度A时(图7的右侧的情况)的物体的高度h′如公式3所示。

公式3

$h^{\prime }=(1-\frac{D}{W^{\prime }})\times H\times {\mathrm{COS}}^{2}A$

在此，cosA可以利用H、以及光源100与影子所经过的传感器211之间的 距离来容易求出。

(2)在求出影子经过多个传感器的时间之和后，基于由此去除物体的移 动速度引起的位移之后的值来测量物体的高度的观念

经过传感器211的影子的移动时间可以根据影子的大小和影子的移动速 度(即、物体的移动速度)来决定。因此，可以定义如下数量。

公式4

$S=\underset{i=p}{\overset{q}{\Sigma }}{s}_i\times t_i$

其中，p是影子所经过的第一个传感器211的索引，q是影子所经过的最 后一个传感器211的索引，s_i(s_i)是影子所经过的第i个传感器211的输出 强度，t_i(t_i)是影子经过第i个传感器的时间，S是影子所经过的传感器211 的输出强度和影子经过传感器211的时间的加权和。

若用该值除以影子经过传感器行的时间之后进行归一化，则如公式5所 示，可以得到影子大小的估算值A。

公式5

$A=\frac{S}{T}$

其中，T是影子经过传感器行的时间。若用如上所述的方法估算影子的大 小，则可以用各种方法来求出物体的高度。利用实验常数a1、b1、a2及b2 的公式6和公式7可以作为将这些方法进行数值化的例子。

公式6

h＝A×a1+b1

公式7

$h=\frac{a2}{A}+b2$

用如上所述的公式求出的物体的高度h是物体经过光源100正下方时的估 算值，因此在其他情况下仍然如公式3所示，通过乘以

COS²A

，使公式8成立。

公式8

h′＝h×COS²A

另外，如公式4所示，还可以不对影子所经过的所有传感器211求出加权 和，而是只对影子所经过的一部分传感器211求出加权和。在此情况下可以利 用如下公式。

公式9

$S1=\underset{i\in Z}{\Sigma }{s}_i\times t_i$

其中，集合Z表示由作为运算对象的传感器211的索引构成的集合。 适用公式9的例子有如下情况。例如，在虚拟高尔夫系统中，在高尔夫球 的影子和其他部件(例如高尔夫球杆)的影子重叠的情况下，可优先执行分离 高尔夫球的影子和其他部件的影子的过程，明确分离高尔夫球的影子和其他部 件的影子，从而仅使与高尔夫球的影子对应的各传感器211的索引包含于集合 Z中。

公式10

S2＝S1×U(Z)

其中，U(Z)是仅利用索引包含于集合Z中的各传感器211时的修正系数。 例如，Z仅包含物体的影子所经过的各传感器211中的一半的传感器211的索 引时的修正系数U(Z)可以是2。在上述公式5至公式8中，可以代替S而利 用计算出的S2。

另一方面，公式10是将规定的修正系数根据乘法来应用的公式，当然可 以根据本领域技术人员的应用来导出其他各种线性或非线性公式。

(3)基于影子经过传感器的时间、以及连接光源和传感器的直线与物体 的轨迹所形成的角度来测量物体的高度的观念

图8是关于根据本发明的一个实施例，基于影子经过传感器的时间、以及 连接光源和传感器的直线与物体的轨迹所形成的角度来测量物体高度的观念 的示意图。

首先，观察图8中出现的要点及变量可知，G是物体的移动开始点，J是 从光源100到底面的垂线的支脚，P是物体的影子经过传感器行A之上时的传 感器211的位置，θ_A是连接光源100和P的直线与物体的实际轨迹所形成的 角度，φ_A是连接光源100和P的直线与光源100和底面之间的垂线所形成的 角度，d是物体在传感器211上留下影子的期间内移动的距离的一半，r是球 形物体的半径，L_G是J和G之间的距离，L_AB是传感器行A和传感器行B之间的 距离。

移动的物体在传感器行A上留下影子的时间可以用移动2d距离的时间t_A来表示。该时间t_A在物体的移动速度v一定的假设情况下满足t_A＝2d/v。 在此，可以表示为d＝r/sinθ_A。于是，t_A最终可以用如下公式11来表示。

公式11

$t_A=\frac{2r}{(v\times \sin {\theta }_A)}$

此外，若物体经过传感器行A和传感器行B之间的时间为t_AB，则可以表 示为t_AB＝L_AB/v_x。

其中，v_x是物体的移动速度v的与底面平行的分量的大小。

接着，角度θ_A可以用以下公式12来求出。

公式12

${\theta }_A={\cot }^{-1}\frac{(\left(\frac{t_A}{t_{\mathrm{AB}}}\right)\times \left(\frac{L_{\mathrm{AB}}}{2r}\right)-\cos {\Phi }_A)}{\left(\sin {\Phi }_A\right)}$

由此，物体的影子经过传感器行A之上时的物体的高度h_A可以用公式13 表示。

公式13

h_A＝L_G×cot(θ_A+Φ_A)

在此，优选代替L_G来使用物体的影子经过传感器行A之上时的从物体到 底面的垂线的支脚与G之间的距离。

同理，关于传感器行B的角度θ_B和物体的高度h_B可以用公式14及公式 15来表示。

公式14

${\theta }_B={\cot }^{-1}\frac{(\left(\frac{t_B}{t_{\mathrm{AB}}}\right)\times \left(\frac{L_{\mathrm{AB}}}{2r}\right)-\cos {\Phi }_B)}{\left(\sin {\Phi }_B\right)}$

公式15

h_B＝L_G×cot(θ_B+Φ_B)

以上说明的本发明的实施例可以用通过各种计算机结构要素来执行的程 序指令的形式实现，并可以记录在能用计算机读取的记录介质上。上述能用计 算机读取的记录介质能够以单独或组合的方式包括程序指令、数据文件、和数 据结构等。记录在上述能用计算机读取的记录介质上的程序指令可以是为本发 明特别设计而构成的指令，或者也可以是计算机软件领域的技术人员已公知而 使用的指令。作为能用计算机读取的记录介质的例子，包括硬盘、软盘及磁带 之类的磁介质、CD-ROM、DVD之类的光记录介质、光磁软盘(floptical disk) 之类的磁光介质(magneto-optical media)、以及ROM、RAM、闪存等之类的 特别构成为储存并执行程序指令的硬件装置。作为程序指令的例子，包括如由 编译器制作的计算机语言代码、以及使用翻译器等而由计算机执行的高级语言 代码。为了执行本发明的处理，可以通过一个以上的软件模块使上述硬件装置 工作，其相反也是一样的。