专利名称：虚拟现实棒救训练和娱乐系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及模拟击打棒球或垒球的装置。具体而言，本发明涉及虚拟现实棒球训练和娱乐装置，用于检测投出球或被击打球通过多个检测平面时的速度和纵座标和横座标、计算球的投射轨线以及在视频监视器上显示被击打球的模拟飞行。本发明还可以使用户通过与响应球的模拟飞行而以交互方式参与模拟比赛。
背景技术：
已经研制出了许多用于模拟和分析棒球或高尔夫比赛各个方面的装置。这些装置满足了各种需要，包括娱乐和训练。
在一些典型的已有技术装置中，对棒球比赛进行了分析，其中包括揭示了一种击球者摆动分析装置的美国专利No.3,117,451、揭示了一种棒球击打指示器和轨线指示器的美国专利No.4,545,576以及揭示了一种用来评价投球水平的装置的美国专利No.4,563,005。这些已有技术的系统一般都采用红外光学检测装置来检测投球或球棒摆动的速度和坐标。
美国专利No.4,150,825示出了一种已有技术的高尔夫模拟装置。该专利揭示了一种装置，它采集被击高尔夫球经过几个探测平面的时间和水平位置的数据。根据来自检测装置的数据，计算机对显示的被击球的飞行距离和最终的静止位置作出估计，好象球是自由飞行得那样。
已有技术的模拟装置存在几个方面的限制。首先，已有技术的棒球模拟器装置一般测量投球的速度或者摆动的球棒位置，但是没有提供同时还能够检测被击球轨迹的传感与检测装置。由于这些已有技术的系统只能分析与棒球或垒球比赛有关的一部分活动，所以它们无法对棒球或垒球比赛作真实的模拟。
已有技术装置的第二个方面的限制是没有将响应被击球的轨迹信息的模拟比赛显示出来。已有技术的模拟器装置只是模拟投出的棒球或者击打的高尔夫球的飞行而没有对比赛的其他方面进行模拟，例如外场手或投手的移动。
已有技术装置第三个方面的限制是无法使用户通过响应球的模拟飞行来移动送手而以交互方式参与模拟比赛。
已有技术装置第四个方面的限制是没有提供输入、制表和存储击球手统计数据的装置以供娱乐或训练使用。
因此需要提供一种虚拟现实棒球训练和娱乐装置，将它用于检测被击棒球或垒球的速度和飞行情况。也需要一种模拟器装置，它对响应被击球的投射信息进行的模拟比赛加以显示。还需要一种模拟器装置，它能使用户通过移动选手响应球的模拟飞行而以交互方式参与模拟比赛。
发明目的和内容本发明的一个目标是提供一种虚拟现实棒球训练和娱乐装置，用于检测投出或被击打的棒球或垒球通过多个检测平面时的速度和直角座标并计算球在自由飞行时的投射轨线。
本发明的另一个目标是提供一种模拟器装置，它对响应被击球的投射信息进行的模拟比赛加以显示。
本发明还有一个目标是提供一种模拟器装置，它可以使用户通过移动选手响应球的模拟飞行而以交互方式参与模拟比赛。
本发明还有一个目标是提供一种模拟器装置，它可以使多位选手输入个人的信息，例如身份证号码，并且列表显示和存储每位选手的击球统计数据以供训练使用。
按照本发明的诸多目标，提供了一种虚拟现实棒球训练和娱乐装置。该装置包括向击球手投球的棒球投出装置、用于检测通过几个检测平面的投出的或击出的球的光学传感器、用于计算投射轨迹和球速并生成对投球或击球作出反应的棒球比赛画面的计算机、显示球的投射飞行和相关画面的视频显示监视器、用于使击球手或其他用户根据击出的或投出的球的轨迹信息控制模拟选手移动的交互控制以及用于识别特定选手的读卡机。
本发明对投球速度和棒球或垒球击打后的投射飞行情况进行了检测。本发明还显示了对击球的轨迹信息作出反应的模拟比赛。本发明还能使用户根据球的模拟飞行情况移动选手从而以交互方式参与模拟比赛，并可以使用户储存和列表显示多位击球手的击球统计数据。
附图的简单说明
图1为画出了本发明一些单元的虚拟现实棒球训练和娱乐装置的示意图；图2为本发明的传感器和显示装置部分的示意图；
图3为一个检测平面的前视图，并画出了表示被击球通过传感检测平面时的坐标映射；图4为用于检测通过检测平面的投出的或击出的球信息的线列扫描仪的框图；以及图5为表示本发明各单元之间连接关系的系统框图。
较佳实例的详细描述参见附图，尤其是图1，虚拟现实棒球训练和娱乐装置10包括投球装置12、多个检测平面14和15、计算装置16、视频显示器和模拟器监视器18以及交互控制20。投球装置12和检测平面14与15安装在由网眼罩盖24包围的普通笼子22内以容纳投出的或击出的球。
球投装置12是普通的投球机并设计成向站立在棒球板28上的选手26投出球13。投球装置12包括投掷臂和球库。对于本领域内的技术人员来说各种投球机都是熟悉的并且可以很容易地用于本发明。一旦球13投向选手26，比赛的目标就是使选手26将球击出图1所示的笼子22。在较佳实施例中，笼子22的地面朝投球装置12倾斜以使球回到投球装置中。
检测平面14和15是位于投球装置12与选手26之间相互平行并隔开一定距离的平面。每个平面包括用来检测通过平面并进出笼子的投出的或击出的球的信息的一些装置。检测平面14和15以及棒球板28以一定的距离隔开从而使得通过二个检测平面的一个被击出的球在真实比赛中是好球。
更详细的描述如图2所示，检测平面14最靠近击球手并且包括刚性框架结构30、一对光学扫描仪32a和32b以及一对光源34a和34b。检测平面15最靠近投球装置12并且包括刚性框架36、一对光学扫描仪38a和38b以及一对光源40a和40b。
刚性框架30和36为普通的框架装置，它们对检测平面14和15的部件提供了结构支撑。框架30和36分别限定了由检测平面14和15包容的区域，并且可以用任何普通的材料制造。在较佳实施例中，框架30和36由结构钢件构成并且围成宽约为15英尺而高约为15.5英尺的区域。在较佳实施例中，框架30和36的间距约为4英尺。本领域内的技术人员将会认识到，框架30和36可以适合于任何已有的击球笼子。
框架30和36的内部由板条42、44和46连接，它们被覆盖上普通的防反射黑布或黑色的外表面。黑布带可以使板条42、44和46吸收下面将要论及的光线。
光源34a、34b和40a、40b为普通可见光源，并且用来照射检测平面14和15。光源34a和34b安装在框架30相对的二个顶角上，而光源40a和40b安装在框架36相对的二个顶角上。
光源34a、b和40a、b将可见光射向由检测平面14和15围成的整个区域。当诸如投出的棒球或击出的棒球之类的飞行物体进入检测平面14或15时，来自光源34a、b和40a、b的可见光被这个物体反射。防反射板条42、44和46吸收射向检测平面14和15的所有其他光线；因此，只有进入检测平面14和15的物体反射的光线才向上面射出。如同下面将要详细论述的，从通过检测平面14或15的投出的或击出的球反射的光线被用来确定球速和球的坐标。
光学扫描仪32a、b和38a、b是现有技术中都知道的电荷耦合器件(CCD)照相机，分别用来检测投出的或击出的球何时或者何处通过检测平面14和15。扫描仪通过检测从物体反射的可见光来探测通过检测平面14或15的物体的信息。
如同2所示，光线扫描仪32a和32b监视检测平面14围成的区域，而光线扫描仪38a和38b监视检测平面15围成的区域。每个扫描仪被设计成扫过90度的视角从而可以由两个光学扫描仪同时监视检测平面14和15围成的整个区域。
图4示出了一种典型的光学扫描仪32a，它包括广角透镜50和CCD列阵52。透镜50监视由检测平面14围成的区域并将监视区域的图像投射到列阵52上。当投出的或击出的球13穿过检测平面14或15时，光源34a、b和40a、b提供的可见光被球反射并分别由光学扫描仪32a、b或者38a、38b接收。列阵52由生成并储存正比于来自透镜52的入射光强度的电荷的CMOS光电池列阵组成。传感器的内部电路以电子方式依次读出储存电荷的数量从而生成投出的或击出的球13的视频信号。如同下面将要论述的那样，光学传感器32a、b和38a、b产生的信号被传送给计算机以确定投出的球或击出的球通过检测平面时的时刻和位置。
图3示出了当投出的和击出的球通过检测平面14时它们的坐标映射。当球通过检测平面15时也形成同样的坐标映射。当诸如棒球之类的物体通过检测平面14时，一对光学扫描仪32a、b通过角度θ1和θ2定出球的位置，这两个角度由检测平面的顶十字条14a和从光学传感器至球13的延伸线形成。每个扫描仪将其角度数据传送给计算机16以计算物体的直角坐标。一对光学扫描仪32a、b还向计算机16传送时序信号以指示检测的时间。当物体通过检测平面15时一对光学扫描仪38a、b起着相同的作用以传送物体的角度数据和时序信息。
计算机16为基于微处理器的计算设备，例如高性能的IBM兼容电脑。计算机16接收来自光学扫描仪32a、b和38a、b的角度和时序数据并计算投出的或击出的球13的模拟轨迹和速度信息。如下所述，计算机16还接收来自多个用户输入设备的信息并提供用于在视频显示屏幕上显示击出的球轨迹和速度的输出。
图5详细示出了计算机16的部件。计算机16包括用于处理数据的CPU和用于从多个输入设备接收数据并向多个输出设备发送数据的若干数据端口。具体而言，计算机16包括用于接收来自投球装置12的数据的串行端口16a、用于接收来自光学传感器32a、b和38a、b的数据的串行端口16b、用于从读卡机和模式选择面板21接收信息的数据输入/输出(IO)端口16c、用于从交互控制20接收数据的游戏控制端口16d、用于向视频显示器和模拟器监视器18输送数据的视频处理器器端口16e以及用于与视频显示器和模拟器监视器18的声音系统互通的声音处理器端口16f。计算机16通过串行总线或者其他的普通电耦合线与各种输入和输出设备耦合。
计算机16的串行端口16a接收来自投球装置12的数据。当投球装置12投出一个球时向端口16a发送时序信号，计算机CPU利用该时序信号来初始化光学扫描仪32a、b和38a、b。通过分析投球信号，计算机16可以很容易地将投出的或击出的球与其他通过检测平面14和15的物体区分开来。例如，如果光学传感器32a、b和38a、b检测到有一片树叶或者其他物体通过但是端口16a没有从投球装置12接收到投球信号，则计算机16不理从光学传感器送出的数据。而且，本发明可以区分击球手26何时击中球或犯规击球。例如，如果光学检测器32a、b和38a、b检测到投出的球，则计算机预期会在此后的一个较短时间内接收到表明击出的球通过检测平面14和15的对应信号。如果在预先确定的时间内同一检测器没有检测到击出的球，则计算机16判断击球手不是未摆动球棒或未击中，就是犯规击球，因为在实际比赛中的球一定会通过检测平面14和15。
串行端口16b从光学传感器32a、b和38a、b接收数据。光学传感器32a、b和38a、b向端口16b发送与投出的或击出的球13有关的角度信息和时序信号。利用这些信息，计算机16的CPU计算出球的轨迹和速度。
参见图3，计算机16利用下列方程式计算球13通过检测平面14时的直角坐标X=Xtanθ2tanθ2+tanθ1]]>y＝γ－xtanθ1θ1＝来自传感器32a的角度 X＝传感器之间的距离θ2＝来自传感器32b的角度 Y＝传感器的高度计算机16以同一方式计算球通过检测平面15时的坐标。计算机16还通过计算物体在检测平面14和15之间通过所化的时间来确定投出的或击出的球的速度。计算机16随后计算投出的球是否被击中并通过分析坐标和速度信息计算击出的球的模拟轨迹。
IO端口16c从读卡机和模式选择面板21接收数据。模式选择面板21是诸如小键盘、选择开关或者读卡机之类允许用户向计算机16输入有关击球手、投球手、对手或者场地情况信息的普通输入设备。计算机16利用这些数据和从光学传感器32a、b和38a、b得到的角度和速度信息计算得到的轨迹信息生成响应击球轨迹信息的棒球比赛画面。在较佳形式的计算机中，采用个人身份信息生成并储存每位选手的击球统计数据以供训练使用。
游戏控制端口16d从交互控制20接收数据。交互控制20是普通的用户操纵的输入设备，例如小键盘或者游戏杆这些设备向计算装置16提供响应用户操纵控制的输入信号。交互控制20允许选手或者其他用户一起参与模拟棒球比赛并且控制模拟选手的移动以对投出的或击出的球的轨迹信息作出反应。
在计算了击出的球的投射轨迹和相关画面之后，计算机16经视频处理器端口16e和声音处理器端口16f向视频显示器和模拟器监视器18发送视频和声音信号。监视器18是普通的能够显示图像信息的声音和视觉监视系统。监视器18从计算机16接收轨迹信息并显示击出的球的模拟飞行。监视器18还显示对击出的球的轨迹信息作出反应的棒球比赛的图像。监视器18的声音单元生成语音和背景音响并通过相连的扬声器系统再现从而更逼真地模拟棒球比赛。
计算机16还可以接收和计算与选手技巧和水平有关的棒球统计数据。例如，用户可以经选择面板21输入身份证号码，并且计算机16可以计算、储存和显示该击球手的击球平均得分。视频监视器18可以立即显示这些或者其他的统计数据以提高比赛的兴趣。
在操作中，用户通过经模式选择面板21向计算机装置16输入有关场地条件、击球手和对手的信息开始比赛。如上所述，这些信息被用来更为逼真地模拟真实的棒球比赛。
为开始模拟，球从投球装置12投向了站立在平板28上的由球手26。光学传感器32a、b和38a、b分别对通过检测平面14和15的投出的球进行检测，并向计算装置16输送角度和时序信号。计算装置接收这些信号并计算投出的球的轨迹和速度。根据轨迹信息和典型击球区域的尺寸，计算机16可确定投出球是好球还是坏球。
当投球13飞越垒28时，击球手26试图将通过检测平面14和15的球击出。如果球被成功的击出，光学传感器32a、b和38a、b将分别检测到球通过检测平面14和15的信息，并向计算机16发送角度和时序信号。计算机16接收角度信息和时序信号并计算棒球的轨迹和速度。
计算机16采用轨迹信息和模式选择面板21输入的其他信息生成对投出的或击出的球作出反应以棒球比赛的画面。画面在视频监视器18上显示而相关的声音信号经监视器声音单元放大。
选手或其他用户可以监视球的轨迹并从通过控制键盘20对轨迹信息作出反应而控制模拟选手的移动。
正如本领域内的技术人员将会认识到的，本装置具有前面所述的诸多优点。例如虚拟现实棒球训练和娱乐装置10检测了被击棒球或垒球的速度和坐标并计算了球的投影飞行距离。另外，装置10显示了被击球的轨迹信息作出反应的模拟比赛的现实。此外，装置10提供了模拟器装置，它允许用户交互对球的模拟飞行作出反应而通过移动选手以交互方式参与模拟比赛。
显然，在上述描述的基础上，可以对本发明提出众多的修改和变化。因此本发明由后面所附权利要求的范围限定而不受上述具体描述的约束。
权利要求
1.一种用于模拟棒球或垒球比赛的装置，其特征在于包含施发被击球手击打的球的投球装置；检测所述投出的球和所述击出的球通过多个相距一定间隔的检测平面时的时间和垂直与水平位置的检测装置；与所述检测装置耦合并对其作出响应的计算装置，用于计算所述投出的球的速度和所述击出的球的轨迹，所述计算装置可以生成相应于所述击出的球的速度和轨迹的图像显示信息；以及与所述计算装置耦合的视频显示装置，用来显示所述图形显示信息。
2.如权利要求1所述的模拟棒球比赛的装置，其特征在于所述视频显示装置包括显示，含有为响应所述击出的球的模拟飞行而移动的模拟选手的模拟棒球比赛情况的装置。
3.如权利要求2所述的模拟棒球比赛的装置，其特征在于所述视频显示装置包含用于控制所述模拟选手移动的交互控制。
4.如权利要求1所述的模拟棒球比赛的装置，其特征在于所述检测装置包括使光线射向所述的以一定间距隔开的检测平面的装置，其中所述检测装置检测当投出的或击出的球通过所述的多个以一定间距隔开的检测平面时从所述投出的或击出的球上所述的反射光。
5.如权利要求4所述的模拟棒球比赛的装置，其特征在于所述检测装置包括多个光线检测列阵，用于检测当投出的或击出的球通过所述的多个以一定间距隔开的检测平面时从所述投出的或击出的球上所述的反射光线。
6.如权利要求5所述的模拟棒球比赛的装置，其特征在于包括多个位于所述投球装置与击球手之间并以一定间距隔开的支撑结构，用于固定所述的光线检测列阵，所述支撑结构限定了所述多个以一定间距隔开的检测平面。
7.一种模拟棒球比赛的装置，其特征在于包括击球笼子，包括限定击打棒球区域的笼壁，所述击球笼子包括近端和远端；位于所述远端并适于向位于近端的击球手投球的投球装置，其中所述的击球手试图击打所述的投出的球；多个位于所述远端和近端之间的支撑结构，用于限定以一定间距隔开的多个检测平面；安装在所述支撑结构上并用来检测所述投出的和所述击出的球在通过多个相距一定间隔的检测平面时的时间以及垂直与水平位置的检测装置；与所述检测装置耦合并对其作出响应的计算装置，用于生成击出的球的轨迹信息；以及与所述计算装置耦合的模拟器装置，用来模拟响应所述计算装置提供的所述轨迹信息的棒球比赛。
全文摘要
一种用于模拟棒球或垒球比赛的装置，它包括施发被击球手击打的球的投球装置；检测所述投出的和击出的球在通过多个相距一定间隔的检测平面时的时刻和垂直与水平位置的检测装置；与所述检测装置耦合并对其作出响应的计算装置，用于计算所述投出的球的速度和所述击出的球的轨迹，所述计算装置可以根据所述击球的速度和轨迹信息生成图像显示信息；与计算装置耦合的视频显示器，用来显示所述图形显示信息。
文档编号A63B69/00GK1156414SQ95193796
公开日1997年8月6日 申请日期1995年5月2日 优先权日1995年5月2日
发明者L·D·斯特沃特, S·高蒂尔利, J·西蒙, M·格里尔 申请人:动力运动技术公司