專利名稱：虛擬現實棒救訓練和娛樂系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及模擬擊打棒球或壘球的裝置。具體而言，本發明涉及虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置，用于檢測投出球或被擊打球通過多個檢測平面時的速度和縱座標和橫座標、計算球的投射軌線以及在視頻監視器上顯示被擊打球的模擬飛行。本發明還可以使用戶通過與響應球的模擬飛行而以交互方式參與模擬比賽。
背景技術：
已經研制出了許多用于模擬和分析棒球或高爾夫比賽各個方面的裝置。這些裝置滿足了各種需要，包括娛樂和訓練。
在一些典型的已有技術裝置中，對棒球比賽進行了分析，其中包括揭示了一種擊球者擺動分析裝置的美國專利No.3,117,451、揭示了一種棒球擊打指示器和軌線指示器的美國專利No.4,545,576以及揭示了一種用來評價投球水平的裝置的美國專利No.4,563,005。這些已有技術的系統一般都采用紅外光學檢測裝置來檢測投球或球棒擺動的速度和坐標。
美國專利No.4,150,825示出了一種已有技術的高爾夫模擬裝置。該專利揭示了一種裝置，它采集被擊高爾夫球經過幾個探測平面的時間和水平位置的數據。根據來自檢測裝置的數據，計算機對顯示的被擊球的飛行距離和最終的靜止位置作出估計，好象球是自由飛行得那樣。
已有技術的模擬裝置存在幾個方面的限制。首先，已有技術的棒球模擬器裝置一般測量投球的速度或者擺動的球棒位置，但是沒有提供同時還能夠檢測被擊球軌跡的傳感與檢測裝置。由于這些已有技術的系統只能分析與棒球或壘球比賽有關的一部分活動，所以它們無法對棒球或壘球比賽作真實的模擬。
已有技術裝置的第二個方面的限制是沒有將響應被擊球的軌跡信息的模擬比賽顯示出來。已有技術的模擬器裝置只是模擬投出的棒球或者擊打的高爾夫球的飛行而沒有對比賽的其他方面進行模擬，例如外場手或投手的移動。
已有技術裝置第三個方面的限制是無法使用戶通過響應球的模擬飛行來移動送手而以交互方式參與模擬比賽。
已有技術裝置第四個方面的限制是沒有提供輸入、制表和存儲擊球手統計數據的裝置以供娛樂或訓練使用。
因此需要提供一種虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置，將它用于檢測被擊棒球或壘球的速度和飛行情況。也需要一種模擬器裝置，它對響應被擊球的投射信息進行的模擬比賽加以顯示。還需要一種模擬器裝置，它能使用戶通過移動選手響應球的模擬飛行而以交互方式參與模擬比賽。
發明目的和內容本發明的一個目標是提供一種虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置，用于檢測投出或被擊打的棒球或壘球通過多個檢測平面時的速度和直角座標并計算球在自由飛行時的投射軌線。
本發明的另一個目標是提供一種模擬器裝置，它對響應被擊球的投射信息進行的模擬比賽加以顯示。
本發明還有一個目標是提供一種模擬器裝置，它可以使用戶通過移動選手響應球的模擬飛行而以交互方式參與模擬比賽。
本發明還有一個目標是提供一種模擬器裝置，它可以使多位選手輸入個人的信息，例如身份證號碼，并且列表顯示和存儲每位選手的擊球統計數據以供訓練使用。
按照本發明的諸多目標，提供了一種虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置。該裝置包括向擊球手投球的棒球投出裝置、用于檢測通過幾個檢測平面的投出的或擊出的球的光學傳感器、用于計算投射軌跡和球速并生成對投球或擊球作出反應的棒球比賽畫面的計算機、顯示球的投射飛行和相關畫面的視頻顯示監視器、用于使擊球手或其他用戶根據擊出的或投出的球的軌跡信息控制模擬選手移動的交互控制以及用于識別特定選手的讀卡機。
本發明對投球速度和棒球或壘球擊打后的投射飛行情況進行了檢測。本發明還顯示了對擊球的軌跡信息作出反應的模擬比賽。本發明還能使用戶根據球的模擬飛行情況移動選手從而以交互方式參與模擬比賽，并可以使用戶儲存和列表顯示多位擊球手的擊球統計數據。
附圖的簡單說明
圖1為畫出了本發明一些單元的虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置的示意圖；圖2為本發明的傳感器和顯示裝置部分的示意圖；
圖3為一個檢測平面的前視圖，并畫出了表示被擊球通過傳感檢測平面時的坐標映射；圖4為用于檢測通過檢測平面的投出的或擊出的球信息的線列掃描儀的框圖；以及圖5為表示本發明各單元之間連接關系的系統框圖。
較佳實例的詳細描述參見附圖，尤其是圖1，虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置10包括投球裝置12、多個檢測平面14和15、計算裝置16、視頻顯示器和模擬器監視器18以及交互控制20。投球裝置12和檢測平面14與15安裝在由網眼罩蓋24包圍的普通籠子22內以容納投出的或擊出的球。
球投裝置12是普通的投球機并設計成向站立在棒球板28上的選手26投出球13。投球裝置12包括投擲臂和球庫。對于本領域內的技術人員來說各種投球機都是熟悉的并且可以很容易地用于本發明。一旦球13投向選手26，比賽的目標就是使選手26將球擊出圖1所示的籠子22。在較佳實施例中，籠子22的地面朝投球裝置12傾斜以使球回到投球裝置中。
檢測平面14和15是位于投球裝置12與選手26之間相互平行并隔開一定距離的平面。每個平面包括用來檢測通過平面并進出籠子的投出的或擊出的球的信息的一些裝置。檢測平面14和15以及棒球板28以一定的距離隔開從而使得通過二個檢測平面的一個被擊出的球在真實比賽中是好球。
更詳細的描述如圖2所示，檢測平面14最靠近擊球手并且包括剛性框架結構30、一對光學掃描儀32a和32b以及一對光源34a和34b。檢測平面15最靠近投球裝置12并且包括剛性框架36、一對光學掃描儀38a和38b以及一對光源40a和40b。
剛性框架30和36為普通的框架裝置，它們對檢測平面14和15的部件提供了結構支撐。框架30和36分別限定了由檢測平面14和15包容的區域，并且可以用任何普通的材料制造。在較佳實施例中，框架30和36由結構鋼件構成并且圍成寬約為15英尺而高約為15.5英尺的區域。在較佳實施例中，框架30和36的間距約為4英尺。本領域內的技術人員將會認識到，框架30和36可以適合于任何已有的擊球籠子。
框架30和36的內部由板條42、44和46連接，它們被覆蓋上普通的防反射黑布或黑色的外表面。黑布帶可以使板條42、44和46吸收下面將要論及的光線。
光源34a、34b和40a、40b為普通可見光源，并且用來照射檢測平面14和15。光源34a和34b安裝在框架30相對的二個頂角上，而光源40a和40b安裝在框架36相對的二個頂角上。
光源34a、b和40a、b將可見光射向由檢測平面14和15圍成的整個區域。當諸如投出的棒球或擊出的棒球之類的飛行物體進入檢測平面14或15時，來自光源34a、b和40a、b的可見光被這個物體反射。防反射板條42、44和46吸收射向檢測平面14和15的所有其他光線；因此，只有進入檢測平面14和15的物體反射的光線才向上面射出。如同下面將要詳細論述的，從通過檢測平面14或15的投出的或擊出的球反射的光線被用來確定球速和球的坐標。
光學掃描儀32a、b和38a、b是現有技術中都知道的電荷耦合器件(CCD)照相機，分別用來檢測投出的或擊出的球何時或者何處通過檢測平面14和15。掃描儀通過檢測從物體反射的可見光來探測通過檢測平面14或15的物體的信息。
如同2所示，光線掃描儀32a和32b監視檢測平面14圍成的區域，而光線掃描儀38a和38b監視檢測平面15圍成的區域。每個掃描儀被設計成掃過90度的視角從而可以由兩個光學掃描儀同時監視檢測平面14和15圍成的整個區域。
圖4示出了一種典型的光學掃描儀32a，它包括廣角透鏡50和CCD列陣52。透鏡50監視由檢測平面14圍成的區域并將監視區域的圖像投射到列陣52上。當投出的或擊出的球13穿過檢測平面14或15時，光源34a、b和40a、b提供的可見光被球反射并分別由光學掃描儀32a、b或者38a、38b接收。列陣52由生成并儲存正比于來自透鏡52的入射光強度的電荷的CMOS光電池列陣組成。傳感器的內部電路以電子方式依次讀出儲存電荷的數量從而生成投出的或擊出的球13的視頻信號。如同下面將要論述的那樣，光學傳感器32a、b和38a、b產生的信號被傳送給計算機以確定投出的球或擊出的球通過檢測平面時的時刻和位置。
圖3示出了當投出的和擊出的球通過檢測平面14時它們的坐標映射。當球通過檢測平面15時也形成同樣的坐標映射。當諸如棒球之類的物體通過檢測平面14時，一對光學掃描儀32a、b通過角度θ1和θ2定出球的位置，這兩個角度由檢測平面的頂十字條14a和從光學傳感器至球13的延伸線形成。每個掃描儀將其角度數據傳送給計算機16以計算物體的直角坐標。一對光學掃描儀32a、b還向計算機16傳送時序信號以指示檢測的時間。當物體通過檢測平面15時一對光學掃描儀38a、b起著相同的作用以傳送物體的角度數據和時序信息。
計算機16為基于微處理器的計算設備，例如高性能的IBM兼容電腦。計算機16接收來自光學掃描儀32a、b和38a、b的角度和時序數據并計算投出的或擊出的球13的模擬軌跡和速度信息。如下所述，計算機16還接收來自多個用戶輸入設備的信息并提供用于在視頻顯示屏幕上顯示擊出的球軌跡和速度的輸出。
圖5詳細示出了計算機16的部件。計算機16包括用于處理數據的CPU和用于從多個輸入設備接收數據并向多個輸出設備發送數據的若干數據端口。具體而言，計算機16包括用于接收來自投球裝置12的數據的串行端口16a、用于接收來自光學傳感器32a、b和38a、b的數據的串行端口16b、用于從讀卡機和模式選擇面板21接收信息的數據輸入/輸出(IO)端口16c、用于從交互控制20接收數據的游戲控制端口16d、用于向視頻顯示器和模擬器監視器18輸送數據的視頻處理器器端口16e以及用于與視頻顯示器和模擬器監視器18的聲音系統互通的聲音處理器端口16f。計算機16通過串行總線或者其他的普通電耦合線與各種輸入和輸出設備耦合。
計算機16的串行端口16a接收來自投球裝置12的數據。當投球裝置12投出一個球時向端口16a發送時序信號，計算機CPU利用該時序信號來初始化光學掃描儀32a、b和38a、b。通過分析投球信號，計算機16可以很容易地將投出的或擊出的球與其他通過檢測平面14和15的物體區分開來。例如，如果光學傳感器32a、b和38a、b檢測到有一片樹葉或者其他物體通過但是端口16a沒有從投球裝置12接收到投球信號，則計算機16不理從光學傳感器送出的數據。而且，本發明可以區分擊球手26何時擊中球或犯規擊球。例如，如果光學檢測器32a、b和38a、b檢測到投出的球，則計算機預期會在此后的一個較短時間內接收到表明擊出的球通過檢測平面14和15的對應信號。如果在預先確定的時間內同一檢測器沒有檢測到擊出的球，則計算機16判斷擊球手不是未擺動球棒或未擊中，就是犯規擊球，因為在實際比賽中的球一定會通過檢測平面14和15。
串行端口16b從光學傳感器32a、b和38a、b接收數據。光學傳感器32a、b和38a、b向端口16b發送與投出的或擊出的球13有關的角度信息和時序信號。利用這些信息，計算機16的CPU計算出球的軌跡和速度。
參見圖3，計算機16利用下列方程式計算球13通過檢測平面14時的直角坐標X=Xtanθ2tanθ2+tanθ1]]>y＝γ－xtanθ1θ1＝來自傳感器32a的角度 X＝傳感器之間的距離θ2＝來自傳感器32b的角度 Y＝傳感器的高度計算機16以同一方式計算球通過檢測平面15時的坐標。計算機16還通過計算物體在檢測平面14和15之間通過所化的時間來確定投出的或擊出的球的速度。計算機16隨后計算投出的球是否被擊中并通過分析坐標和速度信息計算擊出的球的模擬軌跡。
IO端口16c從讀卡機和模式選擇面板21接收數據。模式選擇面板21是諸如小鍵盤、選擇開關或者讀卡機之類允許用戶向計算機16輸入有關擊球手、投球手、對手或者場地情況信息的普通輸入設備。計算機16利用這些數據和從光學傳感器32a、b和38a、b得到的角度和速度信息計算得到的軌跡信息生成響應擊球軌跡信息的棒球比賽畫面。在較佳形式的計算機中，采用個人身份信息生成并儲存每位選手的擊球統計數據以供訓練使用。
游戲控制端口16d從交互控制20接收數據。交互控制20是普通的用戶操縱的輸入設備，例如小鍵盤或者游戲桿這些設備向計算裝置16提供響應用戶操縱控制的輸入信號。交互控制20允許選手或者其他用戶一起參與模擬棒球比賽并且控制模擬選手的移動以對投出的或擊出的球的軌跡信息作出反應。
在計算了擊出的球的投射軌跡和相關畫面之后，計算機16經視頻處理器端口16e和聲音處理器端口16f向視頻顯示器和模擬器監視器18發送視頻和聲音信號。監視器18是普通的能夠顯示圖像信息的聲音和視覺監視系統。監視器18從計算機16接收軌跡信息并顯示擊出的球的模擬飛行。監視器18還顯示對擊出的球的軌跡信息作出反應的棒球比賽的圖像。監視器18的聲音單元生成語音和背景音響并通過相連的揚聲器系統再現從而更逼真地模擬棒球比賽。
計算機16還可以接收和計算與選手技巧和水平有關的棒球統計數據。例如，用戶可以經選擇面板21輸入身份證號碼，并且計算機16可以計算、儲存和顯示該擊球手的擊球平均得分。視頻監視器18可以立即顯示這些或者其他的統計數據以提高比賽的興趣。
在操作中，用戶通過經模式選擇面板21向計算機裝置16輸入有關場地條件、擊球手和對手的信息開始比賽。如上所述，這些信息被用來更為逼真地模擬真實的棒球比賽。
為開始模擬，球從投球裝置12投向了站立在平板28上的由球手26。光學傳感器32a、b和38a、b分別對通過檢測平面14和15的投出的球進行檢測，并向計算裝置16輸送角度和時序信號。計算裝置接收這些信號并計算投出的球的軌跡和速度。根據軌跡信息和典型擊球區域的尺寸，計算機16可確定投出球是好球還是壞球。
當投球13飛越壘28時，擊球手26試圖將通過檢測平面14和15的球擊出。如果球被成功的擊出，光學傳感器32a、b和38a、b將分別檢測到球通過檢測平面14和15的信息，并向計算機16發送角度和時序信號。計算機16接收角度信息和時序信號并計算棒球的軌跡和速度。
計算機16采用軌跡信息和模式選擇面板21輸入的其他信息生成對投出的或擊出的球作出反應以棒球比賽的畫面。畫面在視頻監視器18上顯示而相關的聲音信號經監視器聲音單元放大。
選手或其他用戶可以監視球的軌跡并從通過控制鍵盤20對軌跡信息作出反應而控制模擬選手的移動。
正如本領域內的技術人員將會認識到的，本裝置具有前面所述的諸多優點。例如虛擬現實棒球訓練和娛樂裝置10檢測了被擊棒球或壘球的速度和坐標并計算了球的投影飛行距離。另外，裝置10顯示了被擊球的軌跡信息作出反應的模擬比賽的現實。此外，裝置10提供了模擬器裝置，它允許用戶交互對球的模擬飛行作出反應而通過移動選手以交互方式參與模擬比賽。
顯然，在上述描述的基礎上，可以對本發明提出眾多的修改和變化。因此本發明由后面所附權利要求的范圍限定而不受上述具體描述的約束。
權利要求
1.一種用于模擬棒球或壘球比賽的裝置，其特征在于包含施發被擊球手擊打的球的投球裝置；檢測所述投出的球和所述擊出的球通過多個相距一定間隔的檢測平面時的時間和垂直與水平位置的檢測裝置；與所述檢測裝置耦合并對其作出響應的計算裝置，用于計算所述投出的球的速度和所述擊出的球的軌跡，所述計算裝置可以生成相應于所述擊出的球的速度和軌跡的圖像顯示信息；以及與所述計算裝置耦合的視頻顯示裝置，用來顯示所述圖形顯示信息。
2.如權利要求1所述的模擬棒球比賽的裝置，其特征在于所述視頻顯示裝置包括顯示，含有為響應所述擊出的球的模擬飛行而移動的模擬選手的模擬棒球比賽情況的裝置。
3.如權利要求2所述的模擬棒球比賽的裝置，其特征在于所述視頻顯示裝置包含用于控制所述模擬選手移動的交互控制。
4.如權利要求1所述的模擬棒球比賽的裝置，其特征在于所述檢測裝置包括使光線射向所述的以一定間距隔開的檢測平面的裝置，其中所述檢測裝置檢測當投出的或擊出的球通過所述的多個以一定間距隔開的檢測平面時從所述投出的或擊出的球上所述的反射光。
5.如權利要求4所述的模擬棒球比賽的裝置，其特征在于所述檢測裝置包括多個光線檢測列陣，用于檢測當投出的或擊出的球通過所述的多個以一定間距隔開的檢測平面時從所述投出的或擊出的球上所述的反射光線。
6.如權利要求5所述的模擬棒球比賽的裝置，其特征在于包括多個位于所述投球裝置與擊球手之間并以一定間距隔開的支撐結構，用于固定所述的光線檢測列陣，所述支撐結構限定了所述多個以一定間距隔開的檢測平面。
7.一種模擬棒球比賽的裝置，其特征在于包括擊球籠子，包括限定擊打棒球區域的籠壁，所述擊球籠子包括近端和遠端；位于所述遠端并適于向位于近端的擊球手投球的投球裝置，其中所述的擊球手試圖擊打所述的投出的球；多個位于所述遠端和近端之間的支撐結構，用于限定以一定間距隔開的多個檢測平面；安裝在所述支撐結構上并用來檢測所述投出的和所述擊出的球在通過多個相距一定間隔的檢測平面時的時間以及垂直與水平位置的檢測裝置；與所述檢測裝置耦合并對其作出響應的計算裝置，用于生成擊出的球的軌跡信息；以及與所述計算裝置耦合的模擬器裝置，用來模擬響應所述計算裝置提供的所述軌跡信息的棒球比賽。
全文摘要
一種用于模擬棒球或壘球比賽的裝置，它包括施發被擊球手擊打的球的投球裝置；檢測所述投出的和擊出的球在通過多個相距一定間隔的檢測平面時的時刻和垂直與水平位置的檢測裝置；與所述檢測裝置耦合并對其作出響應的計算裝置，用于計算所述投出的球的速度和所述擊出的球的軌跡，所述計算裝置可以根據所述擊球的速度和軌跡信息生成圖像顯示信息；與計算裝置耦合的視頻顯示器，用來顯示所述圖形顯示信息。
文檔編號A63B69/00GK1156414SQ95193796
公開日1997年8月6日 申請日期1995年5月2日 優先權日1995年5月2日
發明者L·D·斯特沃特, S·高蒂爾利, J·西蒙, M·格里爾 申請人:動力運動技術公司