[논문]영상 처리를 이용한 당구 자동 채점 시스템

김계영; 유영규; 박정은; 이하영; 황광일

영상 처리를 이용한 당구 자동 채점 시스템
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김계영 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 유영규 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 박정은 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 이하영 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 황광일 (인천대학교 임베디드시스템공학과)

본 논문에서는 영상 처리 라이브러리 OpenCv를 이용하여 3구 당구 스포츠의 당구공 및 쿠션 인식과 공끼리의 충돌 여부, 각도, 쿠션과의 충돌을 실시간 영상 분석하고 이를 활용하여 시스템이 사용자의 차례에서 득점을 판별하고 자동으로 채점하여 모니터 할 수 있는 자동 채점 시스템을 개발한다. 기존의 공에 센서를 삽입하는 것과 달리 본 연구에서는 기존 당구 시스템에 카메라와 보드만을 추가하여 득점 여부를 분석함으로써 보다 실용적이고 호환성을 가능케 하였다. 실제 프로토타입 개발과 테스트를 통해 개발된 시스템과 사용자 제공 디스플레이를 통해 기능 및 성능을 검증하였다.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 영상 처리 라이브러리인 Opencv를 이용하여 공을 인식하여 공의 충돌과 쿠션을 분석하고 이를 활용하여 사용자가 자신의 차례에서 득점 여부를 사용자 디스플레이에서 실시간으로 확인 가능한 자동 채점 시스템을 개발하였다. 특히, 기존의 대다수 채점 시스템과 달리 본 연구에서는 카메라와 저렴한 보드을 추가하여 당구 플레이 과정에서 사용자의 공정한 득점 여부를 분석함으로써 보다 정밀하고 경제성도 갖추게 하였다.

가설 설정

성능 평가를 위한 항목은 다음과 같다. 단, 통신은 결과의 영향에 없다고 가정한다.

제안 방법

개발된 당구 자동 시스템은 Samsung Exynos 5422 Cortex MCU를 기반으로 하는 오드로이드 보드로써 WiFi 통신을 통해 사용자 디스플레이 연결된다. 사용자의 플레이를 분석하기 위해 실시간 영상 정보를 수집하기 위해 기본적으로 카메라와 카메라 지지대가 사용되었으며, 득점 판단하는 부분에서는 알고리즘을 카메라에 연결된 보드에 포팅하여 이를 통해 득점 여부를 실시간 판단하는 것이 가능하다.
OpenCv를 활용하여 앞서 3. 구현결과 방식의 성능 평가를 위해 사람마다 관점에 따라 판단하기 어려운 얇게 치기를 중심으로 두어 사용자 디스플레이의 나타나는 결과를 바탕으로 20fps, 30fps 각각의 프레임 속도 변화에 따라 비교하였다. 성능 평가를 위한 항목은 다음과 같다.
당구공 간에 거리가 일정 구간 사이 및 현재 내공의 좌표 위치와 전 프레임의 내공의 좌표의 위치의 각도 변화에 따른 진행 방향의 변화를 통하여 공의 충돌을 감지한다. 또한, 쿠션과 공의 충돌은 쿠션과 공의 거리를 이용하여 쿠션과의 충돌을 판단한다. 이를 통해 공의 충돌, 3쿠션의 성공을 여부를 판단하여 득점 여부를 결정하여 결과를 사용자 디스플레이 모니터에 통신하여 결과를 사용자는 실시간으로 결과를 확인할 수 있게 했다.
당구 스포츠는 사람이 직접 판단하여 득점을 판별하는 것도 중요하지만, 무엇보다 사람이 직접 판단하기 때문에 사람의 관점이 달라 정확한 판단과 공정성 중요하다. 이를 위해 본 연구에서는 영상 처리 라이브러리 OpenCv와 오드로이드 보드를 통해 개발환경을 설정하고, 이를 기반으로 당구 득점 여부를 분석할 수 있는 알고리즘들을 개발함으로써, 시스템이 득점을 판단하고 사용자 디스플레이를 제공하여 자동 재첨 시스템을 가능케 한다. 이미 당구 채점 관련하여 많은 기존 연구[1 ~ 5]가 수행되었으나, 대다수 연구는 [4 ~ 5]진동, RFID, 가속도센서 등을 당구공과 쿠션에 삽입 및 설치하여 센서값들을 분석하고 충돌분석에 관한 연구를 통한 연구들이 핵심연구이다.
또한, 쿠션과 공의 충돌은 쿠션과 공의 거리를 이용하여 쿠션과의 충돌을 판단한다. 이를 통해 공의 충돌, 3쿠션의 성공을 여부를 판단하여 득점 여부를 결정하여 결과를 사용자 디스플레이 모니터에 통신하여 결과를 사용자는 실시간으로 결과를 확인할 수 있게 했다. 카메라에서 실시간 스트리밍에서 왜곡이 발생하는 문제를 해결하기 위해 Calibration을 이용하여 왜곡 없는 화면을 통해 자동 채점시스템을 가능케 했다.
이를 통해 공의 충돌, 3쿠션의 성공을 여부를 판단하여 득점 여부를 결정하여 결과를 사용자 디스플레이 모니터에 통신하여 결과를 사용자는 실시간으로 결과를 확인할 수 있게 했다. 카메라에서 실시간 스트리밍에서 왜곡이 발생하는 문제를 해결하기 위해 Calibration을 이용하여 왜곡 없는 화면을 통해 자동 채점시스템을 가능케 했다.
본 논문에서는 영상 처리 라이브러리인 Opencv를 이용하여 공을 인식하여 공의 충돌과 쿠션을 분석하고 이를 활용하여 사용자가 자신의 차례에서 득점 여부를 사용자 디스플레이에서 실시간으로 확인 가능한 자동 채점 시스템을 개발하였다. 특히, 기존의 대다수 채점 시스템과 달리 본 연구에서는 카메라와 저렴한 보드을 추가하여 당구 플레이 과정에서 사용자의 공정한 득점 여부를 분석함으로써 보다 정밀하고 경제성도 갖추게 하였다. 실제 개발된 보드 및 사용자 디스플레이 통하여 기능 및 성능을 검증하였으며, 이를 통해 본 연구는 스마트 당구장 및 3구 국제 대회에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

특히, 기존의 대다수 채점 시스템과 달리 본 연구에서는 카메라와 저렴한 보드을 추가하여 당구 플레이 과정에서 사용자의 공정한 득점 여부를 분석함으로써 보다 정밀하고 경제성도 갖추게 하였다. 실제 개발된 보드 및 사용자 디스플레이 통하여 기능 및 성능을 검증하였으며, 이를 통해 본 연구는 스마트 당구장 및 3구 국제 대회에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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