[논문]3차원 축구 재연 시스템

이재호; 김진우; 김희정

[국내논문] 3차원 축구 재연 시스템
3D Reenactment System of Soccer Game 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.8 no.1, 2003년, pp.54 - 62

이재호 (한국방송 기술연구소) , 김진우 (한국방송 기술연구소) , 김희정 (한국방송 기술연구소)

초록
AI-Helper

본 논문은 축구경기에서 골인과 같은 중요한 장면을 영상처리 기술과 컴퓨터 그래픽 기술을 이용하여 3차원으로 재연할 수 있는 3차원 축구재연 시스템에 대해 소개한다. KBS 기술연구소에서는 축구경기 중계방송에서 시청자에게 새로운 영상을 제공하기 위해 Vplay라는 3차원 축구재연 시스템을 개발하였다. Vplay는 컴퓨터 그래픽을 이용하여 축구경기에서 흥미롭고 중요한 장면을 재연한다. Vplay는 입력 비디오 시퀀스로부터 색상정보를 기반으로 신수 영역을 추출하고, 전역 이동 추정 모델과 운동장 좌표 변환모델을 이용하여 운동장에서의 선수의 정확한 위치를 추정한다. 이 결과 데이터는 가상 캐릭터의 움직임을 생성하는 이동동작 생성기로 입력되어 가상 캐릭터의 기본적인 움직임을 자동 생성한다. 그리고 미리 제작된 동작과 모델 라이브러리를 통해서 빠르고 편리하게 중요 장면을 재연할 수 있다. Vplay는 빠른 제작시간을 요구하는 축구중계 생방송용으로 개발되었으며 지난 월드컵 경기와 아시안 게임에 효과적으로 활용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a Soccer Game 3D Reencatment System which reenact the Important scene like getting a goal with image processing and computer graphics technologies. KBS Research Institute of Technology has developed the 3D Reenactment System of Soccer Game called ‘VPlay' to provide TV viewers with fresh images in soccer games. Vplay generates the reenactment of exciting and important soccer scenes by using computer graphics. Vplay extracts legion of players from video with color information, and then computes precise positions of players on the ground by using global motion estimation model and playground axis transformation model. The results are applied to locomotion generation module that generates the locomotion of virtual characters automatically. Using predefined motion and model library, Vplay reenacts the important scene in a quick and convenient manner Vplay was developed for live broadcasting of soccer games that demands rapid producing time and was used efficiently during past WorldCup and Asian Game.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

동작에는 동작 포착 장치나 마커 위치에 따른 오류들이 포함되어 있다. 동작 궤적상의 미세 오류들을 수정 보완하고 단위 동작들을 고다 신속하고 자연스럽게 재연하기 위하여 데이터를 편집 가공하였다. 걷기, 달리기 등 반복해서 사용하는 동작들이 매끄럽게 반복될 수 있도록 수정하였다.
본 시스템에서는 이러한 작업시간을 줄이기 위해서 조이스틱을 이용한 실시간 카메라 애니메이션 방법을 개발하여 사용하였다. 가상 카메라와 조이스틱 장치와의 연동을 위해서 FiLMBOX SDK를 이용한 플러그인 프로그램을 개발하였다.
3차원그래픽으토 재연하기 위한 컴퓨터 그래픽 기술은 이동동작생성기를 통해서 기본적인 캐릭터의 움직임 동작을 자동생성하고, 슈팅과 같은 다양한 동작들은 동작 데이터 베이스게 저장된 동작들을 조이스틱 트리거링 작업을 통해서 세부동작을 제작하였다. 그리고 조이스틱을 이용한 카메라 애니게이션에 다양한 기능을 제공하는 플러그인 프로그램을 개발함으로씨 카메라 애니메이션 제작 시간 단축과 함께 보다다양한 카메라 제어가 가능하도록 하였다.

제안 방법

축구 경기 3 차권 재연에 대한 연구는 다양하게 진행되어 왔다(3)F. T.Bebie는 SoccerMan(5)이라는 3차원 재연시스템을 개발하였는데 SoccerMane 2대의 동기된 비디오 영상을 이용해서 선수를 추적하고 3차원 공간에 선수의 텍스쳐를 매핑하는 방법을 사용하였다. 그러나 가상 카메라 각도가 90도 및 [80도 가까이에서는 선수모델이 보이지 않게 되는 제한이있다.
소형시스템을 채택하여 중계방송 운용이 용이하도록 개발하였다. 비디오 입력은 Matrox사의 DigiSuiteLE 보드를 사용하였다.
제작된 3차원 재연 영상의 출력은 고품질 렌더링을위하여 하드디스크에 M-JPEG 비디오 스트림 파일 형태로저장하였다가 DigiSuiteLE 보드를 통하여 출력하거나. 비디오 스캔 컨버터(scan converter) 장비 또는 DVI-SDI 신호변환기를 사용하여 VGA화면을 실시간으로 송출하는 방법을 사용하였다.
좌표로 변환한다. 또한 영상 분석만으로는 알아내기 힘든 공의 좌표나 선수들의 세부 동작을 인터페이스를 통하여 입력한다. 생성된 데이터들은 파일로서 저장되어 이후 3차원 재연부의 입력으로 사용된다.
먼저 사용자는 영상 내 임의의 운동장 영역을마우스를 통해 선택한다. 선택된 운동장 영역의 색상 정보를기반으로 2차원 가우시안 필터를 설정하여 입력 영상에 적용하고 이진화 과정을 수행하여 운동장과 선수 영역을 분리한다";. 그리고 블록 레이블링, 형태학적 처리를 거쳐 선수 영역을 보다 뚜렷하게 추출한다.
얻는다. 그리고 서로 일직선이 아닌 특징점이 4개가 존재하는 프레임을 기준영상으로 선택하고 평면투영 방정식을 통해 추적 결과 데이터를 실제 운동장 좌표로 변환한다. 그림 3은 선수 추적 결과를 운동장 영역으로 좌표 변환 하는 과정을 개념적으로 보여준다.
먼저, 화면을 일정크기의 블록으로 나누고 인터리브 BMA를 통하여 이동벡터를 계산한다. 그리고 이들 이동베너에 대히여 히스토그램을 구한다.
통하여 이동벡터를 계산한다. 그리고 이들 이동베너에 대히여 히스토그램을 구한다. 이동벡터를 화면상 위치에 따라 4x4 영역으로 구분하고.
이럴 경우. 본 시스템에서는 확장 라인 인터페이스를 사용하여 그림 4와 같이 입력 영상 외부에 특징점을 만들어 사용할 수 있도록 하였다.
본 시스템에서는 선수의 이동 변위를 분석[8]하여 걷기, 천천히 뛰기, 빨리 뛰기와 같은 3가지 기본 이동 동작을 자동으로 인식한다. 그리고 헤딩, 슈팅, 슬라이딩 등의 다양하고 복잡한 선수 동작은 영상 분석 알고리듬을 이용한 동작 인식이 상당히 어렵고 처리 시간도 많이 걸리므로 사용자 편집 작업으로 처리한다.
그리고 헤딩, 슈팅, 슬라이딩 등의 다양하고 복잡한 선수 동작은 영상 분석 알고리듬을 이용한 동작 인식이 상당히 어렵고 처리 시간도 많이 걸리므로 사용자 편집 작업으로 처리한다. 다양한 선수의 동작 편집 작업은 타임라인 상에서 특정 동작이 이루어지는 구간을 선택하고 해당 동작과 가장 유사한 동작을 준비된 데이터 베이스와 연결하는 방식으로 간단하게 제작하였다.
빠르고 불규칙적이므로 추적이 어렵다. 더욱이 공중에떠 있는 축구공의 경우 2차원적인 물체 추적 알고리듬만으로는 정확한 3차원 좌표의 추출이 불가능하다 따라서 본 연구에서는 공을 드리블하거나 패스를 주고받는 선수의 위치와공이 이동하는 시간을 근거로 공의 위치를 추정하는 방법을사용했다. 즉.
3차원 재연은 가상캐릭터 애니메이션 소프트웨어인 FiLMBOX를 기본 소프트웨어로 채택함으로써 상용소프트웨어의 실시간 렌더링 엔진을 활용하여 안정적인 속도를 유지할 수 있도록 하였고, 축구 경기 재연에 필요한 필수 기능들을 FiLMBOX에서 제공하는 SDK를 이용하여 플러그인 형식으로 추가하였다. 또한 경기 재연에 필요한 축구 선수 경기장, 그리고 축구 동작 데이터 베이스를 시스템에 구축하였다.
추가하였다. 또한 경기 재연에 필요한 축구 선수 경기장, 그리고 축구 동작 데이터 베이스를 시스템에 구축하였다.
축구 선수 모델은 2, 500여 개의 다각형으로 기본 모델을 제작하였고, 유니폼, 피부색, 백넘버 등을 교체하기 용이하도록 제작하였다. 선수 모델의 특징은 변형 가능한 모델 (deformable model)로 제작하였다는 점이다.
한다. 이를 위하여 축구 선수의 동작은 광학 식장 치를 이용하여 선수의 동작을 포착하였다. 동작에는 동작 포착 장치나 마커 위치에 따른 오류들이 포함되어 있다.
동작 궤적상의 미세 오류들을 수정 보완하고 단위 동작들을 고다 신속하고 자연스럽게 재연하기 위하여 데이터를 편집 가공하였다. 걷기, 달리기 등 반복해서 사용하는 동작들이 매끄럽게 반복될 수 있도록 수정하였다. 또한 단위 동작들 간의 연결 가능성을 고려하여 동작전이 그래프를 구성한 후.
연결 동작들에 대해서 부드럽게 다음 동작으로 전이될 수 있도록 단위 동작의 시작과 끝을 편집하였다. 이 밖에도 으른 발 슛 동작 데이터를 이용하여 왼발 슛 동작 데이터를 제 작하는 등, 대칭 동작 제작 작업을 수행하였다.
공을 드리블하는 공격수와 이에 대응하는 수비수들이 매 프레임별로 분석시스템에서 분석한 위치에 맞게 배치되고 움직여야 한다. 이를 구현하기 위해 실시간 이동 동작성성기(Lccomotion generation) 모듈을 개발하였다. 이동동작 생성기 모듈은 각 선수의 속도와 방향을 입력 받아.
트리거링은 수비 동작, 공격 동작, 그리고 골키퍼 동작의 세 그룹의 동작들로 구분하여 동작 전이 그래프를 구성하고 이들을 각각 키보드에 적절히 맵핑함으로써 연결 동작들을 재연하였다.
가상 카메라와 조이스틱 장치와의 연동을 위해서 FiLMBOX SDK를 이용한 플러그인 프로그램을 개발하였다. 사용자는 3차원으로 재구성된 축구 경기의 중요장면의 재생과 동시에 카메라 영상을 보면서 다양한 위치로 가상 카메라를 쉽게 제어할 수 있다.
카메라 제어 기능으로는 상하 이동과 동시에 8방향 수평 이동이 가능하며 줌 인/아웃 효과 카메라 이동 속도 조절 그리고 FOV(Field Of View) 제어가 가능하다. 또한 조이스틱을 이용한 가상 카메라 이동 데이터를 저장하여 포스트 랜더링에 사용할 수 있도록 하였으며 특정 시간에 중요한 카메라 샷 포인트를 저장하고 카메라 애니메이션 중에 자연스럽게 미리 설정한 카메라 샷 포인트로 이동하는 기능도 추가하였다.
중요 장면을 3차원으로 재연하여 여러 각도에서 다양한경기 장면을 제공하여 각 팀의 전술과 전략을 해설자가 쉽게 설명할 수 있도록 하였다. 그리고 부각 효과를 주어 중요 선수를 표시하였고 공에 파티클 효과를 넣어 공의 궤적이 전체적으로 자연스럽게 보이도록 하였다.
축구영상의 3차원 재연을 위해 영상처리 기술과 컴퓨터그래픽 기술을 사용하였다. 카메라로부터 입력된 영상에서축구 선수즐을 추출하고 카메라 움직임 정보를 기반으로 실제 운동장에서의 선수의 좌표를 구한다.
그리고 추적 데이더를 이용하여 기본적인 선수의 동작 정보를 얻는다. 3차원그래픽으토 재연하기 위한 컴퓨터 그래픽 기술은 이동동작생성기를 통해서 기본적인 캐릭터의 움직임 동작을 자동생성하고, 슈팅과 같은 다양한 동작들은 동작 데이터 베이스게 저장된 동작들을 조이스틱 트리거링 작업을 통해서 세부동작을 제작하였다. 그리고 조이스틱을 이용한 카메라 애니게이션에 다양한 기능을 제공하는 플러그인 프로그램을 개발함으로씨 카메라 애니메이션 제작 시간 단축과 함께 보다다양한 카메라 제어가 가능하도록 하였다.
전자의방식들은 동작에 따라 제어 알고리듬을 각각 생성하여야하며 역학적 모의실험 과정을 거쳐야 하므로 많은 계산시간이 소요되고 킥 동작과 같은 축구 동작을 생성하는 것이개우 어렵다. 따라서 본 시스템에서는 모션 캡쳐한 동작들을 데이터네이스로 구축하고 이를 필요에 따라 적절히 재구성하여 사용하는 후자의 방식을 채택하였다.

대상 데이터

소형시스템을 채택하여 중계방송 운용이 용이하도록 개발하였다. 비디오 입력은 Matrox사의 DigiSuiteLE 보드를 사용하였다. 제작된 3차원 재연 영상의 출력은 고품질 렌더링을위하여 하드디스크에 M-JPEG 비디오 스트림 파일 형태로저장하였다가 DigiSuiteLE 보드를 통하여 출력하거나.
입력되는 비디오 스트림에서 기준 영상은 서로 일직선이 아닌 특징점 4개가 존재하는 영상으로 선택한다. 이것은영승에서의 특징점 4개만 알면 평면 투영에 의해 실제 운동장이시의 공간적인 좌표를 구할 수 있기 때문이다.

이론/모형

상대적인 움직임 량을 계산하여야 한다. 본 시스템에서는 영상 압축 부호화에서 이웃 프레임간의 이동 보상을 수행하기 의하여 이동 보상 벡터를 추출하는데 많이 사용하는 블록매칭 알고리듬(BMA: Block Matching Algorithm) 을 적용하여 카메라 파라미터를 추출하였다.
여기에서 BMA를 위한 오차기준으로는 절대차의 합 (SAD: Sum of Absolute Difference)을 사용하였다.

후속연구

VPlay 시스템은 향후 좀더 견고한 추적 알고리듬과 빠른 사용자 인터페이스를 보강할 예정이며 풍부한 동작 모델을 구축하여 다양한 종목에도 적용할 예정이다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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http://www.kaydara.com/
FiLMBOX Reference Guide

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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