청소년용 실감체험형 스포츠 통합플랫폼 기술개발

Development of Unified Platform Technology for Realistic Sports Experience of Youths

저자
서상우, 김예진, 백성민, 김종성, 홍성진, 김명규 / 차세대영상연구실
권호
30권 4호 (통권 154)
논문구분
SW·콘텐츠 기술동향 특집
페이지
46-53
발행일자
2015.08.01
DOI
10.22648/ETRI.2015.J.300405
초록
운동 부족과 잘못된 생활습관 등으로 인하여 청소년들의 운동량 부족과 생활체육 참여율이 저조해지고 있다. 청소년의 체력저하 문제를 해결하기 위하여, 학생/교사가 다양한 종목을 실감체험, 몰입, 학습 및 평가할 수 있는 스포츠 체험 시스템 기술 보급을 통해서 학교체육을 활성화할 수 있다. 그뿐만 아니라 우수한 인적 자원 확보를 위하여 소질을 가진 청소년에 대한 맞춤식 교육지원이 요구되고 있다. 이를 위하여 태권도를 포함한 다양한 스포츠를 즐기면서 운동 효과를 증진할 수 있는 청소년용 스포츠 체험 통합시스템 개발이 필요하다. 본 논문에서는 청소년체육의 도전/경쟁/표현/여가 능력을 함양하기 위한 인체/객체 모션인식기반의 청소년용 실감체험형 스포츠 통합플랫폼 개발을 위한 핵심 기술들의 동향을 분석하고자 한다.
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I. 서론

최근 음식문화 변화에 따라 학생들의 체격은 커졌으나 학습부담, 장시간 TV시청 및 게임 등으로 운동 부족과 잘못된 생활습관으로 인하여 청소년들의 학교체육 및 생활체육 참여율이 저조해지고 전체적으로 체력과 수업능률도 저하되고 있다고 보도된 바 있다. 해결방안으로 Physical Activity Promotion System(PAPS)과 같은 학생 체력 위주의 건강관련 측정시스템을 도입하여 학생 개개인의 체력증진을 위한 노력이 초·중·고등학교에 시행되고 있으나, 다양한 종목을 한정된 시간 및 공간에서 학생이 모두 실감체험 할 수 있는 콘텐츠 및 서비스는 부재한 상태이다. 또한, 청소년을 포함한 국민 생활체육 참여율은 43%로 선진국 대비 저조하며, 운동에 전혀 참여하지 않는 비율도 51.8%(2012년)로 타국(호주-18%, 뉴질랜드-21%, 미국-32.5% 등)에 비해 높은 수준이다(스포츠비전 2018 추진 계획).

따라서 청소년 학교체육 활성화 방안 마련을 위하여 학교 및 교사가 다양한 종목을 실감체험, 몰입, 학습 및 평가할 수 있는 스포츠체험 시스템기술 보급 및 청소년의 지속적인 체력관리를 위해 현 학교체육의 건강체력증진 프로그램인 도전/경쟁/표현/여가 활동을 지원하는 실감체험형 스포츠 통합플랫폼 개발이 필요하다.

본 논문에서는 국내외 가상스포츠 사업현황을 파악하고 인체/객체 모션인식기반의 청소년용 실감체험형 스포츠 통합플랫폼 개발을 위한 핵심 기술들에 대한 동향을 분석하고자 한다.

II. 가상스포츠 산업

1. 국내 업체 및 제품

가. 스크린골프

국내 스크린골프[(그림 1) 참조]의 선두주자인 골프존은 R&D조직을 갖춘 기술집약적 기업으로 R&D인력이 전체 직원의 47%(174명)에 달한다. 국내뿐만 아니라 미국, 일본, 중국 진출을 위해 79개의 국내 및 해외 특허를 확보하고 있고, 고객의 기록을 관리하고, 전문레슨 및 자체 대회를 개최하는 등 다양한 서비스를 제공하고 있다.

타 스크린 골프 업체들도 골프 시뮬레이터 특허 확보를 시도하고 있고, 엑스골프, 마음골프, 비전프로, 오케이골프, 파온 등 기존의 업체마다 독자적 제품을 선보이고 있다. 특히, 티업은 스크린골프장의 장비의 교체가 가속화되는 시기에 보상판매와 장비교체를 시도하면서 성장하고 있으며, 스크린 R은 타 스크린골프 센서와 자사의 S/W를 연동하는 기술을 보유하고 있다.

(그림 1)

골프존, 스크린골프[1]

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나. 스크린야구

레이저 센서기반의 스크린 야구는 광범위한 타격 공간과 역동적인 타구 등을 모두 인식한다. 번트부터 땅볼, 라인 드라이브, 외야 플라이, 홈런까지 모든 타구를 정확히 판독해 스크린에 구현하며, 개인별 난이도 조절을 통한 핸디캡으로 야구 실력과 관계없이 흥미진진한 스크린 야구를 즐길 수 있다. 대표적인 업체로는 리얼야구존[(그림 2) 참조]과 RSB 스크린야구 등이 있다.

(그림 2)

리얼야구존, 스크린야구[2]

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2. 국외 업체 및 제품

가. 스크린골프

TruGolf는 골프존과 비슷한 형태의 실내 설치용 골프 시뮬레이터를 개발했다. TruBalance Mobile라는 제품으로 웨어러블 센서가 부착된 신발을 제공하고, 골프 스윙동작 시 발의 무게중심 변화 등을 분석했다. E6 Golf Swing Analyzer라는 제품은 스핀, 탄도, 클럽 헤드의 스피드, 볼스피드, 방향, 클럽 페이스 각도, 클럽 경로 각도를 분석하고, TruBalance와 결합해 통합 가상 코칭 기능 제공한다[(그림 3) 참조].

(그림 3)

TRUGOLF, 통합 골프 시스템[3]

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Visual Sports사는 자체개발 S/W인 SwingTrack 이외에도 골프 시뮬레이터 업체인 TruGolf 소프트웨어 패키지인 E6 golf와 호환되는 VS-Elite, VS-12, V-14 시뮬레이터로 스윙 및 궤적분석을 제공하고 있다.

Foresight Sports사는 실내/실외에서 가지고 다니면서 사용할 수 있는 휴대용 시뮬레이터 GS Lanuch Monitor, GC2, Indoor/Outdoor Kit를 개발하여 골프공의 타격 시 순간의 속도, 수직 발사각도, 방위각, 벡스핀, 사이드 스핀, 총 스핀을 분석하였으며, 물리엔진과 연동하여 Golf Simulator를 개발[(그림 4) 참조]하였다.

(그림 4)

Foresight Sports, 골프 시스템[4]

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나. 기타

스크린골프 이외에 게임 및 체험형 시스템으로 XP Laser Sport사에서는 소프트웨어 패키지를 통해 가상 사냥 체험/교육, 과녁 맞추기, 정밀 사격연습 콘텐츠를 제공한다. Laser Shot의 경우 시뮬레이터는 자체 제작된 권총, 샷건, 라이플, 활과 같은 다양한 사냥 도구를 지원해 콘텐츠의 재미 요소를 높였다[(그림 5) 참조].

(그림 5)

XP Laser Sport, 소프트웨어 패키지[5]

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가상스포츠 통합플랫폼으로 Visual Sports에서는 패키지를 추가하는 것만으로 골프, 야구, 축구 등 총 13개의 다양한 통합 가상스포츠를 즐길 수 있는 시뮬레이터[(그림 6) 참조]를 개발하였으나 단순한 체험 기능만이 지원된다. 그 외 웨어러블 디스플레이와 관성 모션캡처장비를 활용한 Augmented Reality(AR) 기술[6]을 연구하였다.

(그림 6)

Visual Sports, 통합 가상스포츠 시뮬레이터[7]

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III. 인체 모션인식기술

1. 국내 기술동향 및 수준

국내 인체 모션인식기술로 엔그램테크놀로지에서 개발한 일반 웹카메라기반 손가락 동작인식기술 및 TV리모콘 형태의 모션센서기반 동작인식기술[(그림 7) 참조]을 개발했다. 그러나 리모콘 형태의 동작인식 및 손가락 동작인식으로는 사용자의 3차원 인체 자세 복원이 불가능한 문제점이 있다. 삼성전자와 디지엔터테인먼트에서는 모션인식 특허기술이 적용된 스마트TV 및 이를 활용한 동작인식 게임을 개발[(그림 8) 참조]했지만, 근접 거리에서 인체 일부의 모션과 단순 동작만 인식하는 등 스포츠와 같은 동적인 활동에는 부적합하다.

(그림 7)

엔그램테크놀로지, 손가락 동작인식기술[8]

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(그림 8)

스마트TV

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한국전자통신연구원에서 3차원 깊이 맵을 센싱하고, 센싱된 깊이 맵으로부터 사용자를 추출하고 사용자의 동작을 분석/인식하여 입체콘텐츠와 인터랙티브하게 연동하는 기술을 개발[(그림 9)참조]했다. 하지만 기술 개발 후 상용화가 되지 않아 안정성 등을 보완할 필요가 있다.

(그림 9)

한국전자통신연구원, 깊이영상기반 모션인식기술[11]

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2. 국외 기술동향 및 수준

다시점 카메라기반 인체 모션인식기술로 Organic Motion사에서는 3차원으로 복원되는 비주얼 헐(Visual Hull)을 통해 인체 모션을 인식하는 카메라기반 모션캡처기술을 개발[(그림 10) 참조]했다. OpenStage[12]라는 제품으로 판매 중이나, 고가의 카메라시스템을 사용하기 때문에 전체적인 시스템 가격이 매우 높다는 단점이 있다.

(그림 10)

Organic Motion, 인체 모션인식기술[12]

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깊이 맵 데이터를 이용한 인체 모션캡처기술로Microsoft사에서 개발한 Time-of-Flight(ToF) 방식의 모션인식 센서 Kinect 2.0이 개발[(그림 11) 참조]됐다. 이 기술은 획득되는 깊이 맵에서 인체 모션을 인식하는 방법을 제안[13]했으나, 센서 간 연동을 지원하지 않으며, 센서 설치 위치에 제약이 있고, 일정거리 이내에 있는 인체의 모션만 인식할 수 있으며, self-occlusion으로 인해 3차원 자세 획득이 어렵다는 문제가 있다.

(그림 11)

Microsoft, ToF 방식의 모션인식 센서[13]

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유사한 방식으로, 벨기에 SoftKinetic에서는 적외선 패턴광을 기반으로 깊이 정보를 측정하여 3차원 공간을 복원할 수 있는 Depth 센서[14]를 개발[(그림 12) 참조]했다. 하지만 다중 센서를 활용하는 경우 패턴광 사이에 간섭에 의한 노이즈가 발생해 연동하기가 어렵고, Microsoft사의 모션인식 센서와 마찬가지로, 자체 관절 가려짐 등으로 인해 정확한 3차원 자세를 복원할 수 없는 문제점이 있다.

(그림 12)

SoftKinetic, 모션인식 센서[14]

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센서기반 인체 모션인식 방식으로 Xsens에서는 가속도 및 자이로 센서 기반 와이어리스 모션캡처기술을 개발[5]하여 동작 파일을 Biovision Hierachy(BVH)와 FilmBoX(FBX)등 다양한 포맷으로 저장할 수 있을 뿐 아니라, Unity와 같은 3차원 게임 엔진 프로그램과 연동할 수 있는 플러그인 서비스를 제공한다. 하지만 제공되는 가속도 및 자이로 센서가 자사의 시스템에서만 동작해 타 카메라/센서와 동시에 사용할 수 없고, 사용자가 특수 제작된 수트를 착용[(그림 13) 참조]해야 하므로 동작이 부자연스러울 수 있는 단점이 있다.

(그림 13)

Xsens 센서기반 모션인식 수트[15]

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이 이외에도 Nike 퓨얼밴드[16], Apple의 애플워치[17], 내츄럴포인트의 3D Swing Analysis 시스템[18] 등 다양한 착용형 센서를 활용한 운동량 측정 도구가 개발[(그림 14) 참조]됐다. 하지만 이러한 센서기반 착용 및 부착형 기기는 운동량만 측정하기 때문에 사용자의 자세나 동작에 대한 정보를 획득할 수 없고, 정확한 자세 및 동작 분석 시 사용자가 센서를 착용해야 하므로 스포츠 동작 시 불편함이 발생할 수 있다.

(그림 14)

웨어러블 센서 기반 착용형 모션인식 시스템

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IV. 객체 모션인식기술

1. 국내 기술동향 및 수준

국내 카메라 및 센서기술을 활용한 객체 모션인식기술은 미디어워크, 스크린게임연구소, 한국전자통신연구원 등을 중심으로 활발하게 연구되고 있다. 미디어워크에서는 사용자가 던지는 공이 스크린에 닿는 위치를 인식하여 게임을 진행하는 스포츠 게임 시스템을 개발[(그림 15) 참조]하였으나, 공이 스크린에 닿는 위치만 인식하고 공에 대한 모션은 인식하지 못하여 단순한 게임 방식만을 지원하는 제약이 있다.

(그림 15)

미디어워크, 스포츠 게임[19]

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스크린게임연구소에서는 청소년을 위한 스마트 체감형 사격, 스노보드 등 총 18세트의 체험콘텐츠를 개발[(그림 16) 참조]했다. 하지만 단순 게임만 지원하며 운동분석과 코칭 등의 기능을 제공하지 않는 단점이 있다.

(그림 16)

스크린게임연구소, 스포츠 체험콘텐츠[20]

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한국전자통신연구원에서는 스포츠 아케이드 게임을 위한 회전궤적인식기술[(그림 17) 참조]을 통해 일반 카메라로 고속 촬영 효과를 구현할 수 있는 시분할 카메라로 촬영된 패턴공(패턴이 인쇄된 공, 패턴의 종류나 공의 크기에 제한 없음)의 발사 영상을 획득하고, 실시간으로 정밀하게 인식된 공의 초기 속도와 스핀(back, side, rifle)을 기반으로 회전 효과를 사실적으로 반영한 비행 및 충돌 시뮬레이션 기술[21]을 개발하여 다종목에 적용할 수 있도록 하였다.

(그림 17)

한국전자통신연구원, 스포츠공 회전궤적인식기술[22]

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2. 국외 기술동향 및 수준

캐나다의 Visual Sports사에서는 2,000fps 속도의 고속카메라 4대를 통해서 공 모션을 추적하는 V-Track[7] 카메라시스템을 개발하여 여러 종류의 스포츠 시뮬레이션에 적용할 수 있는 통합 가상스포츠 시뮬레이터를 개발[(그림 18) 참조]했다. 하지만 공 모션 추적을 위해 고가의 고속카메라가 필요하므로 학교나 공공기관에 도입하는 데 어려움이 있다.

(그림 18)

Visual Sports, 가상스포츠 통합 시뮬레이터[7][7]

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미국 Disney사에서는 유명 캐릭터를 이용하여 야구, 축구, 골프 등 6종목의 스포츠를 포함한 버추얼 스포츠 시뮬레이터를 개발[(그림 19) 참조]했다. 하지만 단순 체험만 가능한 수준의 시뮬레이터로서 실감체험이나 운동량 분석 및 가상 코칭은 아직 지원하지 않는다. 영국의 Sports Simulator사에서는 기존 단일 스크린을 확장한 멀티 스크린기반 서라운드 HD스포츠 시뮬레이터로[(그림 20) 참조] 20종 이상의 스포츠를 체험할 수 있지만, Disney사의 Simulator와 마찬가지로 운동량 분석 및 가상 코칭은 불가능하다.

(그림 19)

Disney, Virtual Sports Simulators[23][23]

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(그림 20)

Sports Simulator, Surround HD Sports Simulators[24]

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Microsoft Kinect Red, Green, Blue-Depth(RGB-D)센서를 이용하여 일본 게이오대에서는 디지털 스포츠 시뮬레이션 연구[25]를 진행했으나, 저가형 카메라로 제한적인 객체의 모션만을 인식하는 수준이다. 이외에도, Your Shape Fitness(프랑스 Ubisoft), Wii Fit(일본 Nintendo) 등 다양한 업체에서 저가 센서를 이용하여 운동 효과를 높여주는 콘텐츠를 개발했지만, 단순한 동작활동만 인식할 수 있기 때문에 흥미와 재미를 제공하지 못한다[(그림 21) 참조].

(그림 21)

저가 카메라 센서를 활용한 스포츠 시뮬레이션

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고성능 센서를 활용한 장비로는 미국 Foresight Sports사에서 개발한 휴대용 고속 스테레오 카메라기반 공 모션을 추적시스템으로 이동형 장비인 GC2[(그림 22) 참조]가 있으나, 실시간 처리가 지원되지 않아 실감체험용으로 사용되기는 어렵다.

(그림 22)

Foresight Sports, GC2 카메라시스템[4]

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미국 Zepp사에서는 장갑에 가속도/자이로 센서를 부착하여 클럽 헤드 속도, 템포, 경로, 궤적 등을 측정하는 웨어러블 센서를 개발[27]했으나, 단일 센서만 지원되며 특정 종목에만 한정되어 사용할 수 있다.

Adidas사의 Smart Ball[28]은 센서를 공에 내장하는 방식으로 공의 회전, 궤적, 경로, 속도 등을 분석해 스마트폰 앱과 연동함으로써 학습효과에 필요한 정보를 제공한다. 하지만 센서가 내장된 특수한 공을 사용해야 하며, 객체에 대한 모션만 측정 가능하므로 인체 모션에 대한 분석은 어렵다[(그림 23) 참조].

(그림 23)

가속도 및 자이로 센서 기반 모션 추적시스템

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V. 결론

현재 스포츠는 과학기술 및 정보통신과 융복합되어 새로운 시장을 창출하고 있다. 특히, 가상스포츠 시장은 3D/4D, 동작인식 센서, 디스플레이 기기, 시뮬레이터 등의 기술과 융복합되어 전 세계적으로 시장규모가 커질 전망이다. 국내외 인체/객체 모션인식기반의 실감체험형 스포츠기술이 반영된 가상현실 산업의 시장규모는 2015년 기준 국내 147억원, 국외 14억 6800만달러로 추정되며, 2019년까지 매년 10% 내외의 성장률을 예상하고 있다. 체험형 가상스포츠 시장이 활성화됨에 따라 스포츠 시뮬레이터에 탑재되는 콘텐츠도 기존 골프, 야구에서 축구, 양궁, 패러글라이더, 승마, 사격 등으로 폭넓게 확산되고 있는 추세이다.

이러한 시장의 변화에 따라, 정부는 공공 체육시설 내 체험아케이드 설치, 연령대별 맞춤형 프로그램 운용을 통해 가상스포츠 시뮬레이터를 보급·확산할 계획이며, 지자체와 공동으로 체험아케이드 설치 및 시범 운영(2015년)하고, 이를 평가 후 단계적으로 확대(2016~ 2018년), 아케이드 시설을 스포츠산업 진흥시설로 우선 지정할 예정(2018년)이다.

특히, 국내 스포츠 시뮬레이션 게임은 가상현실기술이 적용되어 몰입된 환경 속에서 게이머에게 실감성을 제공하고 있다. 국내 가상스포츠 서비스를 지원하는 시뮬레이션 플랫폼은 골프/야구 등이 있으며, 2005년 200여 곳에 불과했던 국내 골프 시뮬레이션 게임장은 2010년에 7,000여 곳으로 빠르게 증가했다. 스크린 골프에 대한 관심이 증가는 새로운 유형의 아케이드 게임인 스포츠 시뮬레이션 게임의 발전을 촉진한 데 이어, 국내 스포츠 시뮬레이션 게임은 일본, 영국 및 중국, 베트남, 러시아 등으로 시장을 개척함으로써, 현재 스포츠 시뮬레이션 게임시장 점유율 1, 2등을 차지하고 있는 미국과 일본을 추격하고 있다.

이러한 가상스포츠 시장은 현재 스크린 골프를 중심으로 주로 시장이 형성되어 있으나, 청소년들의 학교체육 및 생활체육 참여율 증진을 위하여 인체/객체 모션인식기반의 실감체험형 스포츠 통합플랫폼 기술에 대한 연구가 진행되어야 하며, 향후 이와 같은 핵심기술들은 Ultra-High Definition(UHD)와 홀로그램 등 가상현실을 구현하는 기술의 고도화와 맞물려 소비자의 수요가 촉발될 것으로 보이므로 성장이 지속될 것으로 전망된다.

이러한 가상스포츠 기술의 성장은 승마, 수상스키, 골프 등 비교적 비용이 많이 들고 쉽게 접하기 어려운 야외 스포츠를 실내로 끌어들여 청소년 및 일반인들이 쉽고 편하게 즐기면서 배울 수 있는 새로운 스포츠문화로 도약할 것으로 기대된다.

약어 정리

AR

Augmented Reality

BVH

Biovision Hierachy

FBX

FilmBoX

FPS

Frame Per Second

RGB-D

Red, Green, Blue-Depth

PAPS

Physical Activity Promotion System

ToF

Time-of-Flight

UHD

Ultra-High Definition

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골프존, http://www.golfzon.com

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(그림 1)

골프존, 스크린골프[1]

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(그림 2)

리얼야구존, 스크린야구[2]

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(그림 3)

TRUGOLF, 통합 골프 시스템[3]

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(그림 4)

Foresight Sports, 골프 시스템[4]

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(그림 5)

XP Laser Sport, 소프트웨어 패키지[5]

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(그림 6)

Visual Sports, 통합 가상스포츠 시뮬레이터[7]

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(그림 7)

엔그램테크놀로지, 손가락 동작인식기술[8]

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(그림 8)

스마트TV

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(그림 9)

한국전자통신연구원, 깊이영상기반 모션인식기술[11]

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(그림 10)

Organic Motion, 인체 모션인식기술[12]

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(그림 11)

Microsoft, ToF 방식의 모션인식 센서[13]

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(그림 12)

SoftKinetic, 모션인식 센서[14]

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(그림 13)

Xsens 센서기반 모션인식 수트[15]

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(그림 14)

웨어러블 센서 기반 착용형 모션인식 시스템

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(그림 15)

미디어워크, 스포츠 게임[19]

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(그림 16)

스크린게임연구소, 스포츠 체험콘텐츠[20]

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(그림 17)

한국전자통신연구원, 스포츠공 회전궤적인식기술[22]

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(그림 18)

Visual Sports, 가상스포츠 통합 시뮬레이터[7][7]

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(그림 19)

Disney, Virtual Sports Simulators[23][23]

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(그림 20)

Sports Simulator, Surround HD Sports Simulators[24]

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(그림 21)

저가 카메라 센서를 활용한 스포츠 시뮬레이션

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(그림 22)

Foresight Sports, GC2 카메라시스템[4]

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(그림 23)

가속도 및 자이로 센서 기반 모션 추적시스템

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