JP2004333368A

JP2004333368A - 移動物体撮影系の三次元定数取得用キャリブレーション治具

Info

Publication number: JP2004333368A
Application number: JP2003131622A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Nagase; 朋彦長瀬; Kenji Kaneda; 賢二金田
Original assignee: PHOTRON Ltd
Current assignee: PHOTRON Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】屋外等で容易に移動設置することができ、かつキャリブレーション作業を一度に効率よく、かつ高精度にて行う。
【解決手段】三次元空間を移動する物体を２台の撮影系２により異なる角度から撮影して２枚の画像を取得し、三次元空間における物体の２つの座標を算出し、その物体の移動角度、回転方向、移動および回転速度を求める三次元移動物体の測定に際し、予めＤＬＴ法により各撮影系２の三次元定数を取得するための寸法の判った複数点のポイントを持つキャリブレーション治具である。撮影系２に対して一定距離離間して対向設置される背面ボード３と、この背面ボード３からそれぞれ撮影系２に向って突出する複数本の支持棒４と、これら各支持棒４の先端にそれぞれ設けられたポイントとなる球体５とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元空間を移動する物体の移動角度、回転方向、移動および回転速度を求める三次元移動物体の測定に際し、予めＤＬＴ法により前記各撮影系の三次元定数を取得するための寸法の判った複数点のポイントを持つ三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばゴルフ打球のショットした瞬間を撮影し、その後の飛距離や曲がりを計測してテレビモニタに表示し、プレイヤーに結果を知らしめて、最適なクラブを決定できるように情報を提示する打球診断装置が知られている。
【０００３】
この打球診断装置として、出願人は、三次元空間を移動する物体を２台の撮影系により異なる角度から撮影して２枚の画像を取得し、第１の画像と第２の画像とから三次元空間における前記物体の２つの座標を算出して、その物体の移動角度、回転方向、移動および回転速度を求める三次元移動物体の測定技術を提案し、その中で予めＤＬＴ（ＤｉｒｅｃｔＬｉｎｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）法により前記各撮影系の三次元定数を取得するための寸法の判った複数点のポイントを持つキャリブレーション治具を適用することに言及している（特許文献１参照）。
【０００４】
なお、キャリブレーション治具としては他に、定盤上に載置した被測定物の三次元測定器（ＣＣＭ）における校正ゲージ（特許文献２参照）、または位置決め部材の凹部に真球を保持して画像認識装置におけるキャリブレーションを行う治具（特許文献３参照）等が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−１１７０４４号公報（明細書の［０１０４］）
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−３９７４２号公報（図１等）
【０００７】
【特許文献３】
特開平９−２８０８２６号公報（図１等）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した技術文献２、３等に記載された技術は、例えば加工装置等に適用されて移動ルートが特定される物体を観察対象とする場合のキャリブレーション治具に関するものである。したがって、球状治具を個々に定盤等に搭載して、１個ずつ治具の中心点等を観察して、光学系のキャリブレーションを行うようになっている。
【０００９】
これに対し、出願人が先に提案した特許文献１で適用しようとするキャリブレーション治具は、例えばゴルフ練習場等の現地におけるショット位置にゴルフ練習機とともに搬送して設置使用するものである。そして、撮影系は地面から上方に向って様々な角度で広範囲に亘って飛翔するボールの観察に対応するとともに、屋外等における太陽光線のもとで使用する必要がある。
【００１０】
このような広範囲に亘るボールの飛翔範囲をＤＬＴ法による各撮影系の三次元定数を取得するためのキャリブレーション治具としては、上述した特許文献２，３等に記載された技術を適用することができない。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、屋外等の各種の場所に容易に移動設置することができ、使用上の利便性に優れ、かつＤＬＴ法で適用される方程式の未知数に対応する必要座標の観察用光学系の校正作業を一度に効率よく、かつ高精度にて行うことができる三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、三次元空間を移動する物体を２台の撮影系により異なる角度から撮影して２枚の画像を取得し、第１の画像と第２の画像とから三次元空間における前記物体の２つの座標を算出して、その物体の移動角度、回転方向、移動および回転速度を求める三次元移動物体の測定に際し、予めＤＬＴ法により前記各撮影系の三次元定数を取得するための寸法の判った複数点のポイントを持つキャリブレーション治具であって、前記撮影系に対して一定距離離間して対向設置される背面ボードと、この背面ボードからそれぞれ前記撮影系に向って突出する複数本の支持棒と、これら各支持棒の先端にそれぞれ設けられた前記ポイントとなる球体とを備えたことを特徴とする移動物体撮影系の三次元定数取得用キャリブレーション治具を提供する。
【００１３】
請求項２に係る発明では、前記各球体は、それぞれの輪郭が独立して前記撮影系に捉えられる配置で少なくとも６個備えられている請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供する。
【００１４】
請求項３に係る発明では、前記各球体は、前記撮影系の側から直方体を斜視状態で見た場合における各縁辺の位置に計１２個配置され、それら各球体の前記撮影系に対する遠近距離は、前記各支持棒の長さにより設定されている請求項２記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供する。
【００１５】
請求項４に係る発明では、前記背面ボードおよび支持棒の表面における明度と、前記球体の表面における明度とは、互いに対象的である請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供する。
【００１６】
請求項５に係る発明では、前記背面ボードを支持し、その表面を前記撮影系の光軸に対して直交配置とする支持台を備える請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供する。
【００１７】
請求項６に係る発明では、前記背面ボードは軽量金属板の表面に低明度の着色を施したものであり、前記支持棒は前記球体よりも小径な軽量材製で前記背面ボードと同一明度の着色を施したものであり、前記球体は高明度の着色を施したものであり、これらは組立て状態において持運び可能に構成されている請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供する。
【００１８】
請求項７に係る発明では、前記球体は、ゴルフボールと略同一の大きさを有するものであり、ゴルフ練習機におけるショット直後のボール進行方向に沿う前後２点撮影により前記ゴルフボールの飛翔方向および飛距離を予測する打球診断装置用の光学系の校正に適用されるものである請求項１から６までのいずれかに記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具の実施形態について、図面を参照して説明する。図１はキャリブレーション治具の全体構成を示す斜視図であり、図２は正面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は観察ポイントの配置例を示す説明図である。図５および図６は作用説明図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態のキャリブレーション治具１は大別して、撮影系としてのカメラ装置２に対して一定距離離間して対向設置される背面ボード３と、この背面ボード３からそれぞれカメラ装置２に向って突出する複数本の支持棒４と、これら各支持棒４の先端にそれぞれ設けられた測定ポイントとなる複数個の球体５と、背面ボード３を地面上等に支持し、その背面ボード３の表面をカメラ装置２の光軸に対して直交配置とする支持台６およびブラケット７とを備えている。
【００２１】
背面ボード３は図２に示すように、例えば四角形板状のものであり、その素材には、起立姿勢を湾曲や歪等の発生なく安定に保持できる強度を有する金属板、例えばアルミニウム板または薄鋼板等が主体として適用され、その表面全体に、太陽光等や照明光等の反射防止用の処理が施されている。この処理としては、例えば明度の低い黒色の布カバーによる被覆３ａが施されている。なお、この背面ボード３の材料については金属材料以外の高剛性材料、例えば強化プラスチック等を適用することも可能である。また、図示を省略しているが、軽量化を図るため、背面ボード３の上下・左右等の周辺部近傍や、中央部近傍等には、適宜形状、大きさの孔を穿設して軽量化が図られ、使用者における運搬等の作業が容易に行えるようになっている。
【００２２】
支持台６は図１および図３に示すように、その後端縁が背面ボード３の下辺と一致する長さの四角形板状のものであり、下面四隅部に設けた支持脚８により地面上等に水平に設置できるようになっている。なお、支持脚８はネジ込み等により下方突出量が調整でき、それにより支持台６の高さ、水平度等の調整が可能である。この支持台６の両側後端位置に三角形板状の一対のブラケット７が対向して起立されている。これらのブラケット７は、非直角三角形であり、後端縁が上方に向って前傾する傾斜縁となっている。これらブラケット７の後端縁と支持台６の後端縁とに背面ボード３の下部前縁が当接され、この背面ボード３が若干の前傾姿勢をもって支持台６の上方に固定支持されている。これにより、背面ボード３の前面は、図１に示すように、例えばゴルフ練習場のショット位置等における水平な地上等に傾斜をもって設置されるカメラ装置２の光軸に対して直交する状態となる。なお、支持台６およびブラケット７の構成材、被覆、着色等については、背面ボード３と同様である。また、支持台６、ブラケット７および背面ボード３は、図示省略のネジ等の連結具により締結されて着脱可能に組立てられており、一体に組立てた状態で、適宜運搬等を行うことができる。
【００２３】
支持棒４は、図１および図３に示すように、例えば１２本を１組として構成されており、これらは複数種類、例えば６種類の長さを有する長尺および短尺な円柱状の直杆とされている。各支持棒４は、ゴルフボール径よりも小径なアルミニウム等の軽量金属により構成され、それぞれ両端にネジ部を有している。そして、各支持棒４の一端側のネジ部が背面ボード３にそれぞれ螺合されて、背面ボード３の前面から垂直に突出するとともに、突出端となる各他端のネジ部に球体５がそれぞれ螺合されている。球体５はゴルフボール、またはゴルフボールと同径の金属製または樹脂製の球体であり、表面が白色とされている。
【００２４】
図４は、背面ボード３の表面における球体５の配置を表している。この図４に示すように、各球体５は、それぞれの輪郭が独立してカメラ装置２に捉えられる配置とされており、カメラ装置２の側から直方体９を斜視状態で見た場合における各縁辺の位置に計１２個配置されており、それら各球体５のカメラ装置２に対する遠近距離は、図３に示すように、各支持棒４の長さにより設定されている。
【００２５】
具体的には、図４における背面ボード３の左右方向における中央位置に配された２個の球体５のうち、下側の球体５ａは図３に示す最長の支持棒４ａに支持されて背面ボード３の前面から前方への突出量が最大とされており（直方体の前縦縁位置）、上側の球体５ｂは最短の支持棒４ｂに支持されて背面ボード３の前面から前方への突出量が最小とされている（直方体の後縦縁位置）。
【００２６】
また、背面ボード３の左右方向における両端位置に配された２個の球体５ｃ，５ｃは、中間長の支持棒４ｃに支持されて背面ボード３の前面から前方への突出量が中間とされている（直方体の両側縦縁位置）。
【００２７】
さらに、背面ボード３の左右方向における両端と中央との間の位置に上下、左右に２個ずつ配された計８個の球体５ｄは、前述した最長、中間長および最短の支持棒４ａ，４ｂ，４ｃのそれぞれの略中間長さの支持棒４ｄに支持されて背面ボード３の前面から前方への突出量が長短２種程度とされている（直方体の上下横縁位置）。
【００２８】
このような直方体９の斜視状態における各縁辺の位置に配された球体５（５ａ〜５ｄ）は、背面ボード３の前方に配置されるカメラ装置２により、互いに干渉することなく分離独立した状態で明確に捉えることができる。
【００２９】
また、背面ボード３および支持棒４の表面における明度と、球体５の表面における明度とは、互いに対象的であるため、各球体５の輪郭は、カメラ装置２により明確に捉えられるようになる。
【００３０】
さらに、各球体５は、例えばゴルフボールと同一の大きさを有するものであり、各球体５は背面ボード３の全体に亘る広範囲に散在する状態となるので、ゴルフ練習機におけるショット直後のボールが飛翔し得る複数の方向に対応したものとして、カメラ装置２に捉えることができる。
【００３１】
図５〜図７は、以上の構成を有するキャリブレーション治具１によって校正されるカメラ装置２の具体的な適用例を示している。図５は、ゴルフボールの打球診断装置の機械的構成部Ａを平面的に示すとともに、信号処理系Ｂとしての機能ブロックを示す説明図である。この図５に示すように、機械的構成部Ａは概略的に、３体の分割された機器、すなわちレーザ式のヘッドスピード検出器１１、レーザ反射板１２および装置本体１３により構成される。
【００３２】
ヘッドスピード検出器１１およびレーザ反射板１２は、ゴルフボール１４が置かれるショット直前の両側位置、例えばプレイヤーの正面側におけるゴルフボール１４を挟む対向両側位置の地面上に固定配置される。このうち、ヘッドスピード検出器１１は例えば薄箱状のものであり、スイング方向（矢印ａ方向）に沿う一定長さと、幅および高さを有し、スイング方向ａに一定の間隔で１対のレーザ発受光部１１ａ，１１ａを有する。一方、レーザ反射板１２は縦板状のもので、鏡面をヘッドスピード検出器１１に対向させてゴルフボール１４の反対側位置に平行に設置される。
【００３３】
各レーザ発受光部１１ａから発したレーザ光１６はレーザ反射板２で反射され、その反射光は各レーザ発受光部１１ａにて受信される。このレーザ光は変調をかけられており、晴天時の外部での使用など、外光の多い環境への考慮がされている。
【００３４】
また、装置本体１３はゴルフボール４のショット直後におけるボール進行方向の一定領域の側方、例えばスピード検出器１１と同一の側に配置されている。この装置本体１３は、箱形のケース体に二次元固体撮像素子を用いた２台の撮影用カメラ装置２ａ，２ａと、２個の撮影用ストロボ照明具１３ｂ，１３ｂとを設けた構成とされている。各ストロボ照明具１３ｂは、ボール進行方向に一定の間隔をあけて配設され、ゴルフボール１４のショット直後におけるボール進行方向の一定領域を照明し得る可動式構成としてあり、後述するヘッドスピード検出手段によって検出されたヘッドスピードに対応するタイミングで発光を行う。また、各カメラ装置２ａはそれぞれ各ストロボ照明具１３ｂの外側に配置されており、ショットされたゴルフボール１４を各ストロボ照明具１３ｂと同タイミングでショット直後の前後２点で撮影することができる。
【００３５】
信号処理系Ｂは、装置本体１３内に組み込まれており、ショット判定手段１７、ヘッドスピード検出手段１８、ストロボ発光設定手段１９、カメラ駆動手段２０、打球状態演算手段２１等を備えている。そして、これらの手段によって打球軌跡等の打球状態が求められ、任意の位置に設置される出力手段２２に画像表示される。
【００３６】
ショット判定手段１７は、ヘッドスピード検出器１１からの検出データを入力として、ショットが行われたか否かを判定するものである。すなわち、ヘッドスピード検出器１１のレーザ発受光部１１ａからゴルフクラブの通過方向ａと交差する方向に照射された２つのレーザ光１６は、ゴルフクラブの通過によって順次に遮断されるため、レーザ反射板２からの反射光の遮断によってゴルフボール１４の前方でショット動作を検出することができる。ヘッドスピード検出器１の検出信号はケーブル等を介して装置本体１３に送られる。そして、クラブヘッドが振り下ろされたことによる撮影開始タイミングと、それぞれのレーザ光１６が遮断された時間差が検出される。この場合、ある一定以下の速度で２つのレーザ光１６が遮断された場合や、遮断方向がゴルフボール１４に遠い方、次に近い方の順で遮断されない場合等には、ショットでないと判断され、次の撮影開始とならない制限が設定される。
【００３７】
ヘッドスピード検出手段１８は、ショット判定手段１７によりショットと判定された場合に、レーザ光１６の遮断間隔によりヘッドスピードを検出するものである。このヘッドスピード検出手段１８によって検出されたヘッドスピードに基づいて、以下のストロボ発光設定手段９の発光タイミング設定、カメラ駆動手段２０の撮影タイミング設定、および打球状態演算手段２１における打球速度、ミート率等の打球状態計算が行われる。
【００３８】
ストロボ発光設定手段１９は、ゴルフボール１４のショット直後におけるボール進行方向の一定領域を照明し得るストロボ照明具１３ｂによる発光を、ヘッドスピード検出手段１８によって検出されたヘッドスピードに対応するタイミングで行わせる制御を行う。カメラ駆動手段２０は、カメラ装置２ａによる撮影をヘッドスピード検出手段１８によるヘッドスピードに対応して行わせるものであり、ストロボ照明具１３ｂによって照射されたショット直後のゴルフボール１４を予め定めた２点で撮影する指令を出力する。打球状態演算手段２１は、ヘッドスピード検出手段１８により検出されたヘッドスピード情報およびカメラ装置２ａにより撮影されたボール画像情報を取り込み、ボール速度および回転に基づく演算により飛球方向および飛距離等を求める。そして、出力手段２２は、打球状態演算手段による演算結果を出力する。
【００３９】
図６は、ヘッドスピード検出器１１による検出位置およびカメラ装置２ａによる撮像エリアの様子等を側面視で示す説明図である。この図２の左側部分には、ヘッドスピード検出器１１における２つのレーザ光６の位置Ｐ１，Ｐ２を、左方から右方に順次に示している。ショット時には、まず左方に示す第１の位置Ｐ１においてレーザ光１６が遮断され、次に右側に示す第２の位置Ｐ２においてレーザ光が遮断される。後段のレーザ光位置Ｐ２の右側（ヘッド進行側）には、ショット位置に置かれた静止状態のゴルフボール４が示してある。
【００４０】
そして、ゴルフボール１４の右側に示した四角形の枠で囲まれた範囲が、カメラ装置２ａによる撮像エリア２３である。ショット後のボール１４は、撮像エリア２３内に２つのタイミングで露光され、撮影される。撮像エリア２４を示す枠内にショット後の４個のゴルフボール１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを示している。本来は、２個のゴルフボール１４ａ，１４ｂあるいは１４ｃ，１４ｄが別個に撮影されるが、図２においては、下側に示した２個のゴルフボール１４ａ，１４ｂがロフト角度の少ないヘッド（１Ｗ，３Ｉなど）による打球の軌跡の様子を示し、上側の２個のゴルフボール１４ｃ，１４ｄがロフト角度の多いヘッド（ＰＷ，ＳＷなど）による打球軌跡の様子を示している。
【００４１】
ショット後にゴルフボール１４が撮像エリア２３内に到達するまでの時間は、クラブヘッドの速度と関連している。診断時には、まずヘッドスピード検出器１１からの入力に基づいてヘッドスピード検出手段１８で検出されたヘッドスピードに対応して、２つのストロボ照明具１３ｂの１つを発光させる（第１発光）。この発光タイミングは撮影エリア２３の左側で捉えることが望ましいため、計算および実験により、クラブヘッドの速度に対応した時間が予め決められる。次にクラブヘッドの速度に対応した、ある時間経過後に、もう一方のストロボ１３ｂを発光させる（第２発光）。これにより撮影エリア内において、ある時間間隔を持ったボール１４ｂの映像が多重露光される。このように、第一発光と第二発光の発光タイミングは、予め決められた値から選択され、またクラブヘッドの種類により、同一ヘッド速度でも打球の速度が異なるため、２種類のテーブルを持つことで、ウッド系から、大きな番手のクラブまで対応可能となっている。
【００４２】
このように、ヘッドスピード検出によりショット後の打球１４ａが画面の左端に写るような１回目のストロボ発光のタイミングが選択され、２回目のストロボ発光で画面の右端に打球１４ｂが写るようなタイミングが選択されて、２回の発光が行われるように発光タイミングの制御が行われる。この場合、撮影画面内に２個の打球１４ａ，１４ｂの画像が多重撮影される。すなわち、打球は三次元空間を移動し、１台のカメラでは二次元へ投影された動きとなるため、２台のカメラ装置２ａを用いて異なった角度から撮影した２枚の画像を得る。このように、視野角の異なる方向から撮影して、ＤＬＴ法を用いることにより、三次元での計測を行う。なお、カメラ装置２ａは赤外域に感度を持ち、フィルタを通して、赤から赤外域を撮影するようにすることもできる。これは屋外での背景光影響を少なくして、ストロボの光量を低減することに役立つ。撮影された２枚の画像はディジタル信号に変換され、ＣＰＵの受け持つメモリにロードされる。画像はＣＰＵにより所定の手順で処理することにより、全ての計測処理が人の手を介することなく行われる。
【００４３】
そして、ＤＴＬ法による三次元座標位置（３Ｄ−Ｃｏｏ）への変換に基づいて、三次元座標位置（３Ｄ−Ｃｏｏ）とヘッドスピードとにより、ボールスピード、回転数、回転軸傾き、サイドスピン、バックスピン、飛び出し角度、横ぶれ角度等が算出される。ここで、ＤＬＴ法について説明すると、以下の通りである。
【００４４】
カメラやビデオカメラで被写体の座標を測定する場合、本来撮像やビデオカメラに平行面内の二次元座標はそのまま求められる。見取図の場合は真上から撮影した映像がそのまま二次元の平面図であり、その映像の必要なポイント座標をそのまま測定すればよいが、真上からの撮影は通常の場合は不可能である。
【００４５】
地上から撮影した映像は斜めから撮影した映像であり、測定したい座標は三次元座標である。映像から三次元座標を算出する場合、通常は２台以上のカメラで被写体を撮影し、計算により三次元座標を算出する。厳密に三次元座標を検出する場合は２台のカメラで被写体を撮影し、計算により三次元座標を算出する。
【００４６】
厳密に三次元座標を検出する場合には、２台のカメラ装置２ａの位置、光軸の方向、レンズの焦点等のカメラ定数から計算する。ただし、このカメラ定数を正確に算出することは撮影現場では不可能に近く、現実的ではない。そのため、三次元座標の算出の方程式の中でカメラ定数に依存する定数が不知であっても座標値を求める方法がＤＬＴ法である。
【００４７】
この方法は、被写体内にある既知の座標値から逆に計算し、カメラ定数を求め、その定数により三次元座標を求めるものである。
【００４８】
図７は、実際の被写体である実空間（ｏｂｊｅｃｔｓｐａｃｅ）と投影される撮像面上での座標の関係を示している。
【００４９】
図７に示すように、実空間上の一つの点Ｐの撮像面上の像をＱとする。Ｑの撮像面上での位置は、レンズの中心位置（カメラ位置）、光軸の向きおよびレンズの中心と撮像面との距離（Ｐが十分遠方にあればレンズの焦点距離に等しい）により一義的に定まる。
【００５０】
実空間上に任意の座標軸を設定し、点Ｐおよびレンズの中心Ｏの座標がその座標系に対して、それぞれ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）であったとする。また、点Ｑを含み、光軸に垂直な面とレンズの中心との距離をＦとする。撮像面上にも任意の座標軸（但し、座標の単位は実空間座標と同じ）をとったとき、Ｐの像Ｑの撮像面上での座標が（Ｕ，Ｖ）であったとする。
【００５１】
点Ｐとその像Ｑとの関係については、下記の（１），（２）式
【数１】

が得られる。
【００５２】
（１）式および（２）式は実空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と座標（Ｕ，Ｖ）の関係を一般的な形で表している。したがって、もし２台のカメラによって同じ点を撮影し、２組の（Ｕ，Ｖ）を実測すれば、（４）式，（５）式に代入して４個のＸ，Ｙ，Ｚに関する方程式が得られる。この４つの方程式のうちの任意の３個を連立方程式として解けば、実空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の値が確定する。しかし、そのためには（４）式および（５）式に含まれるカメラ定数である（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０），（Ｕ_０，Ｖ_０），ｍ_ｉｊおよびＦの値を知ることが必要である。しかしながら、これらの定数の値を実測することは容易ではない。特にｍ_ｉｊを決定する光軸の向きを求めることは極めて困難である。
【００５３】
逆に、これらの定数が予め定められた値になるようにカメラを設定するとしても、実験室内で、しかも極めて特殊な装置を用いない限り困難である。
【００５４】
そこで、ＤＬＴ法ではこれらのカメラ定数を直接求めるのではなく、実空間での座標値が知られている点（コントロールポイント）の像の撮像面上での座標値を実測することにより方程式に表れる定数を決定する方法を採っている。
【００５５】
（１）式、（２）式でカメラ定数を適当にまとめ、Ｕ，ＶおよびＸ，Ｙ，Ｚについて整理すれば、下記の（３）式、（４）式
【数２】

が得られる。
【００５６】
ここで、Ａ_１，…，Ａ_４，Ｂ_１，…，Ｂ_４およびＣ_１，…，Ｃ_３の１１個の定数はカメラ定数により定まる。そこで、（３）式、（４）式をこれらの１１個の定数について解くと、下記の（５）式、（６）式
【数３】

が得られる。
【００５７】
これらの２つの式はＡ_１からＣ_３までの１１個の定数に関する一次方程式となっている。もし、実空間での座標値が既知の６個のコントロールポイントとその像の撮像面での座標の実測値、言い換えれば６組の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と（Ｕ，Ｖ）が得られれば、これらの式に代入することにより、１２個の方程式が得られる。これらのうちの任意の１１個のＡ_１からＣ_３までの１１個の未知数に関する連立一次方程式とみなして解けば、Ａ_１からＣ_３までの定数の値が求まる。
【００５８】
Ａ_１からＣ_３までの１１個の定数が決まってしまえば実座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の値は撮像面上の座標（Ｕ，Ｖ）はわかっているので求めることができる。
【００５９】
（５）式、（６）式を式Ｘ，Ｙ，Ｚに関する方程式として書き換えると、下記（７）式、（８）式
【数４】

が得られる。
【００６０】
このように、本実施形態においては、打球が三次元空間を移動し、１台のカメラでは二次元へ投影された動きとなることから、２台のカメラ２ａを用いて異なった角度から撮影した２枚の画像を得るようにしている。
【００６１】
そして、この２台のカメラ装置２ａについては、図１〜図４を参照して説明したように、予め寸法の判った１２点のポイントを持つ上記のキャリブレーション治具１を撮影し、ＤＬＴ法により、この撮影系の三次元定数を取得しておく。この三次元定数により、第１の発光による画像と、第２の発光による２つの画像とから、三次元空間での２つのゴルフボールの座標を算出し、打ち出し角度、バックスピン、サイドスピン、打球速度を算出するものである。
【００６２】
以上の実施形態で説明したキャリブレーション治具１によれば、屋外等の各種の場所に容易に移動設置することができ、使用上での利便性に優れ、かつＤＬＴ法で適用される方程式の未知数に対応する必要座標の観察用光学系の校正作業を一度に効率よく、かつ高精度にて行うことができる。
【００６３】
なお、本発明は、上述したゴルフボールの飛翔方向等の予測に関する分野のほか、車両等の衝突時における３次元解析、その他各種物体の運動解析を行う場合に適用する各種撮影系のキャリブレーションを対象とすることができる。
【００６４】
また、背面ボード３の輪郭形状、支持棒４の径や長さ、それに支持される球体５の大きさ等は種々変更することが可能である。
【００６５】
また、前記実施形態と逆に、背面ボード３および支持枠４の明度を高くし、球体５の明度を低くしてもよい。
【００６６】
さらに、球体５の数は必ずしも１２個に限られるものではなく、ＤＬＴ法の未知数に対応した６個以上であればよい。また、詳細なキャリブレーションを行うためには、多数個、例えば６０個程度まで種々変更することも可能である。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具によれば、例えば飛翔する物体の進行速度および回転角ならびに回転速度等を計測し、その計測値に基づいて軌跡を計算し、その軌跡を推定して画像表示する装置等を適用する場合において、屋外等の各種の場所に容易に移動設置することができ、使用上での利便性に優れ、かつＤＬＴ法で適用される方程式の未知数に対応する必要座標の観察用光学系のキャリブレーション作業を一度に効率よく、かつ高精度にて行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるキャリブレーション治具の全体構成を示す斜視図。
【図２】正面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】観察ポイントの配置例を示す説明図。
【図５】作用説明図。
【図６】作用説明図。
【図７】作用説明図。
【符号の説明】
１キャリブレーション治具
２カメラ装置
３背面ボード
４支持棒
５球体
６支持台
７ブラケット
８支持脚
９直方体
１１ヘッドスピード検出器
１２レーザ反射板
１３装置本体
１４ゴルフボール
１５プレイヤーの足の位置
１６レーザ光
１１ａレーザ発受光部
１３ｂストロボ照明具
１７ショット判定手段
１８ヘッドスピード検出手段
１９ストロボ発光設定手段
２０カメラ駆動手段
２１打球状態演算手段
２２出力手段
２３撮影エリア

Claims

三次元空間を移動する物体を２台の撮影系により異なる角度から撮影して２枚の画像を取得し、第１の画像と第２の画像とから三次元空間における前記物体の２つの座標を算出して、その物体の移動角度、回転方向、移動および回転速度を求める三次元移動物体の測定に際し、予めＤＬＴ法により前記各撮影系の三次元定数を取得するための寸法の判った複数点のポイントを持つキャリブレーション治具であって、前記撮影系に対して一定距離離間して対向設置される背面ボードと、この背面ボードからそれぞれ前記撮影系に向って突出する複数本の支持棒と、これら各支持棒の先端にそれぞれ設けられた前記ポイントとなる球体とを備えたことを特徴とする移動物体撮影系の三次元定数取得用キャリブレーション治具。
前記各球体は、それぞれの輪郭が独立して前記撮影系に捉えられる配置で少なくとも６個備えられている請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具。
前記各球体は、前記撮影系の側から直方体を斜視状態で見た場合における各縁辺の位置に計１２個配置され、それら各球体の前記撮影系に対する遠近距離は、前記各支持棒の長さにより設定されている請求項２記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具。
前記背面ボードおよび支持棒の表面における明度と、前記球体の表面における明度とは、互いに対象的である請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具。
前記背面ボードを支持し、その表面を前記撮影系の光軸に対して直交配置とする支持台を備える請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具。
前記背面ボードは軽量金属板の表面に低明度の着色を施したものであり、前記支持棒は前記球体よりも小径な軽量材製で前記背面ボードと同一明度の着色を施したものであり、前記球体は高明度の着色を施したものであり、これらは組立て状態において持運び可能に構成されている請求項１記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具。
前記球体は、ゴルフボールと略同一の大きさを有するものであり、ゴルフ練習機におけるショット直後のボール進行方向に沿う前後２点撮影により前記ゴルフボールの飛翔方向および飛距離を予測する打球診断装置用の光学系の校正に適用されるものである請求項１から６までのいずれかに記載の三次元移動物体撮影用キャリブレーション治具。