JP2005253505A - 移動体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴルフクラブヘッドやスピン量を伴って移動するゴルフボールのような移動体の移動情報を精度高く求めることのできる移動体計測装置を提供する。
【解決手段】移動体計測装置の一例であるヘッド計測装置１０は、ハーフミラー３４と、
ハーフミラー３４に向けて射出し、ハーフミラー３４から出射した光をゴルフクラブヘッドに照射する照射光源３２と、ゴルフクラブヘッドの表面に設けられた反射マーカの、反射光による像をハーフミラー３４を介して撮像するカメラ３２と、カメラ３２によって撮像された反射マーカの像に基づいてゴルフクラブヘッドの移動情報を算出する移動情報算出部１４と、を有し、ハーフミラー３４の境界面から出射する照射光の出射角度と、反射マーカからの反射光がハーフミラー３４の境界面に入射する入射角度とが略一致するように、照射光源３２、カメラ３６およびハーフミラー３４の配置が調整される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ゴルフスウィング中のゴルフクラブがゴルフボールを打ち出す直前の移動速度や移動方向やゴルフクラブヘッドの向き、あるいはゴルフクラブにより打ち出された直後のゴルフボールの初速度や移動方向やスピン量等の移動体の移動情報を計測する移動体計測装置に関するものである。

従来から、複数のカメラを移動体の経路に沿って設け、移動体を撮像して移動体の移動（運動および挙動）を計測し、移動速度や回転量等の移動情報を求める方法および装置が提案されている。
例えば、移動体の傾きを測定する装置において移動体の移動量と傾きとを同時に計測し、かつ初期設定誤差の影響の少ない、移動体の角度ずれの評価を行う移動体精度計測装置が特許文献１で開示されている。
また、特許文献２では、ゴルフボールの飛翔軌跡及び飛行を２台のカメラを用いて計測するための方法及び装置が開示されている。この方法及び装置では、測定対象である移動体に設けた反射性マーカに照射光を照射し、このときの反射光による像を撮像する。その際、全反射鏡を用いて照射光源からの照射光を反射させて測定対象の測定対象表面の反射性マーカに照射する。このとき、全反射鏡に２台のカメラの視野範囲を確保するための穴を設け、この全反射鏡を介してカメラで撮像する。すなわち、照射光と反射性マーカからの反射光の光軸を近づけてゴルフボールの飛翔軌跡及び飛行を測定する。これにより、打ち出し直後のゴルフボールの速度、方向および方位を測定することができ、ゴルフボールの飛行経路を計算することができるとされている。
特開平８−３０４０２０号公報 特表２００２−５２５６１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明では、測定対象の移動方向が略限定されているため、移動体が回転を伴って移動する場合の移動情報の測定、例えば、ゴルフクラブヘッドやゴルフボール等の移動体の移動情報の測定のために、位置検出素子を広範囲に設置する必要がある。このため特許文献１に開示された装置は回転を伴う移動体の移動情報の測定に適した装置構成ではない。

また、特許文献２で開示された発明においては、反射性マーカへの照射光の光軸と撮像するカメラの視線軸が近づいているが略同一に重なるものではない。特に、移動体が測定装置に比較的近い場合、反射性マーカへの照射光の光軸と撮像するカメラの視線軸が大きく離れる。このため、カメラで撮像する注目領域である中心領域の周辺が照射光で直接照射されるので明るくなり、中心領域は照射光の間接光により照射されるので周辺に比べて暗くなる。このため、注目領域に位置する反射性マーカからの反射光を高いコントラストで撮像することができず、撮像された画像に煩雑な画像処理を施して修正する必要が生じる。また、場合によっては、画像処理では対処できず、移動体の移動情報を求めることができない。

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、ゴルフクラブヘッドやスピン量を伴って移動するゴルフボールのような移動体の移動情報（移動速度、移動方向、回転量等）を精度高く求めることのできる移動体計測装置を提供することにある。
特に、移動体としてゴルフクラブヘッドを選択した場合、ゴルフボールの打ち出し直前の極めて重要なゴルフクラブヘッドの打撃面の位置と向きの情報等を正確に求める。

上記目的を達成するために、本発明は、計測対象とする移動体の移動情報を計測する移動体計測装置であって、光の入射する境界面を有し、この境界面において、一方の側より入射した光を少なくとも透過させ、他方の側より入射した光を少なくとも反射させる光学部材と、前記光学部材に向けて射出し、前記光学部材から出射した光を前記移動体に照射する照射光とする照射光源と、光の照射された前記移動体の表面に設けられた反射マーカの、反射光による像を前記光学部材を介して撮像するカメラと、前記カメラによって撮像された前記反射マーカの像に基づいて移動体の移動情報を算出する移動情報算出部と、を有し、前記境界面から出射する照射光の出射角度と、前記反射マーカからの反射光が前記境界面に入射する入射角度が略一致するように、前記照射光源、前記カメラおよび前記光学部材の配置が調整されていることを特徴とする移動体計測装置を提供する。

ここで、前記カメラの撮像する前記反射マーカからの反射光の像を前記光学部材の境界面で反射して撮像するように前記カメラが配置され、前記カメラから見て前記境界面の透過方向に遮光部材が設けられているのが好ましい。

また、前記光学部材は前記境界面で前記照射光の一部分を透過させるとともに反射させることにより異なる２方向に出射し、前記照射光源は異なる２方向から前記移動体を照射し、前記異なる方向への２つの照射光を前記境界面から出射するときの各出射角度と、移動体を異なる２方向から照射することによって得られる２つの反射光が前記境界面に入射するときのそれぞれ対応する各入射角度とが、略一致する。

ここで、前記２つの反射光が前記カメラに至るまでの光路には、前記光学部材における反射を含めて、反射回数がいずれも奇数回、あるいはいずれも偶数回となるように反射ミラーが設けられているのが好ましい。

さらに、前記カメラは、異なる２つの光路を通る前記２つの反射光による像を１つの画像として撮像するのが好ましい。

前記マーカは、照射光の入射方向に向けて反射する再帰反射マーカであるのが好ましい。

前記カメラは、移動するマーカの像を一定の時間間隔で多重露光して撮像するのが好ましい。

ここで、前記照射光源は一定間隔で前記カメラの撮像中連続的に光を射出し、前記カメラは、一定の時間間隔で多重露光する。あるいは、前記照射光源は、前記カメラの撮像中、一定の時間間隔で間欠的に光を射出することによって、前記カメラは多重露光する。

また、前記カメラは、少なくとも１秒間に１２０コマ以上撮像する高速度ビデオカメラであるのが好ましい。

本発明によれば、光学部材の境界面から出射する照射光の出射角度と、反射マーカからの反射光が光学部材の境界面に入射する入射角度とが略一致するように、照射光源、カメラおよび前記光学部材の配置を調整するので、従来と異なり、反射マーカに光を均一に照射することができ、高いコントラストで反射マーカを撮像することができる。したがって、従来のものより簡易な構成で、精度が高く、複雑な移動体計測が行える。特に、移動体としてゴルフクラブヘッドを選択した場合、ゴルフボールの打ち出し直前の極めて重要な打撃面の位置と向きの情報等を正確に求めることができる。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の移動体計測装置と移動体計測方法を詳細に説明する。

図１は、本発明の移動体計測装置の一実施形態の概要を示す側面図である。ここで、ゴルフクラブヘッドが計測対象の移動体である。
図１に示す移動体計測装置（以降、ヘッド計測装置という）１０は、ゴルファＧがゴルフクラブＣを把持しゴルフボールを打ち出すゴルフスウィング時の、ゴルフボールの打ち出し前後におけるゴルフクラブヘッドの移動情報を計測する装置である。

ヘッド計測装置１０は、カメラ・照射光源等の光学機器が略同一の構成を有し、異なる２方向からゴルフクラブヘッドを撮像する照射・撮像部３０ａ、３０ｂと、照射・撮像部３０ａ、３０ｂを制御する制御装置１２と、照射・撮像部３０ａ、３０ｂで撮像された画像のデータを取り込み信号処理、画像処理および動作解析を行う移動情報算出部であるコンピュータシステム１４とを有して構成される。

ゴルフクラブＣのゴルフクラブヘッドには、ゴルフクラブヘッドの挙動を計測できるように少なくとも３つ以上のマーカが異なる位置に設けられている。そして、照射・撮像部３０ａ、３０ｂで撮像された画像において常時識別できるように、マーカは再帰反射マーカとなっている。再帰反射マーカは、照射光を照射方向へ反射する、いわゆる再帰反射機能を有し、例えば、公知の再帰反射シートを所定の形状に切り取ったものが用いられる。
再帰反射マーカは、例えば、ゴルフボールを打撃する打撃面と接するゴルフクラブヘッドの上端面および側端面の少なくとも１つの面上に設けられ、また、ゴルフクラブヘッドのホーゼル部に設けられる。

図２は、ゴルフクラブＣに設けられた再帰反射マーカの一例を示す模式図である。図２（ａ）に示す例では、アイアン系のゴルフクラブヘッドの打撃面と接するゴルフクラブヘッドの上端面およびホーゼル部に再帰反射マーカが設けられている。図２（ｂ）に示す例では、ウッド系のゴルフクラブヘッドの打撃面と接するクラウン部を成す上端面の３箇所に再帰反射マーカが設けられている。
再帰反射マーカは、ゴルフクラブヘッドに少なくとも３箇所以上に設けられ、これらの再帰反射マーカが三角形の頂点を成し、１つの直線上に載らないように配置位置が設定されている。図２（ａ）の例では、３つの再帰反射マーカが１つの直線上に載らないように、ホーゼル部に再帰反射マーカが設けられている。より精度の高い計測を行うために、再帰反射マーカは、図２（ｂ）に示すように、正三角形の頂点を成すように設けられることが好ましい。

図３（ａ）はヘッド計測装置１０のうち、照射・撮像部３０ａ、３０ｂ(一括して照射・撮像部３０という)のうち１つを構成する部分を示す斜視図である。図３（ｂ）はこの部分の俯瞰図である。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、照射・撮像部３０は計測対象を照射する照射光源３２と、一方の側より入射した光を出射（反射および透過）させる境界面を有する平板状のハーフミラー３４と、カメラ３６と、光を吸収する光吸収部材３８と、各部材が取り付けられる平板面４０とを有して構成される。

照射光源３２はハロゲン光源であり、連続光を射出する。照射光源３２は、平板面４０に設けられ、ハーフミラー３４を介して移動体上の反射マーカ５０に照射するように配されている。
ハーフミラー３４は、前述のように平板状であり、一方の側より入射した光を出射（反射および透過）する境界面を有する。ここで、前記ハーフミラー３４は、平板４０に対して垂直に立設され、照射光源３２の射出する光の光路がハーフミラー３４の境界面に略４５（°）の入射角を成して入射する方向に前記境界面は向けられる。
カメラ３６はレンズ等の受光部を有し、この受光部へ入射した像の撮像を行う。カメラ３６の視線軸は、照射光源３２のハーフミラー３４へ射出した光が透過する位置に向き、ハーフミラー３４を透過して移動体に照射する照射光の光路と略９０（°）の角度を成すように、平板面４０に設けられる。
光吸収部材３８は、黒色の布または板等で構成され、カメラ３６の視線軸がハーフミラー３４をカメラ側から通過した延長線上の、カメラの視野範囲の領域に設けられる。

ここで、照射・撮像部３０において、照射光源３２は、ハーフミラー３４の境界面に向かう連続光を射出する。この射出された連続光はハーフミラー３４の境界面に入射・透過し、ハーフミラー３４の境界面上の位置Ａから移動体の再帰反射マーカ５０に向かって透過光が出射される。ここで、再帰反射マーカ５０は再帰反射特性を有する。したがって、再帰反射マーカ５０で反射された反射光はハーフミラー３４の境界面に向かい、反射光がハーフミラー３４の境界面の位置Ａに入射する。このとき、ハーフミラー３４を透過・出射する照射光源３２からの光がハーフミラー３４の境界面と成す出射角度と、再帰反射マーカ５０からの反射光の入射角度とは略一致する。

次にハーフミラー３４の境界面にて、反射光はカメラ３６に向けて反射される。すなわち、照射光源３２の射出した光がハーフミラー３４の境界面で透過・出射される位置と、再帰反射マーカ５０からの反射光がハーフミラー３４にて反射される位置は略同一である。このため、視線軸が位置Ａに向いたカメラ３６に向けて反射光は反射される。こうして、再帰反射マーカの像は、カメラ３６のレンズ等の受光部に入射し、撮像される。

光吸収部材３８は、照射光源３２が射出した光のうちハーフミラー３４の境界面で反射されたものを吸収する。前記吸収により、前述の照射光源３２が射出し、ハーフミラー３４の境界面で反射された光が照射・撮像部の筐体内部などで反射・散乱した光等がハーフミラー３４の境界面を透過し、この像がカメラ３６で撮像されることを防ぐことができる。したがって、カメラ３６が撮像する領域の光学的ノイズを除去し、撮像される再帰反射マーカ５０の反射光による像のコントラストをより高めることができる。

なお、照射光源３２はハロゲン光源としたがこれに特に限定されず、撮像中に連続光を照射する光源であれば水銀蛍光ランプ・キセノン蛍光ランプ・ＬＥＤ等を目的等に応じて選択することができる。また、照射光源３２は一定間隔で前記カメラの撮像中間欠的に光を射出する光源、例えば、ストロボ光源等を用いることもできる。この場合、前記カメラ３６は、反射マーカ５０の反射光による像の多重露光による撮像を行うことができる。

また、ゴルフクラブヘッドが有する再帰反射マーカを撮像する移動体計測の場合、カメラ３６には、例えば、少なくとも１秒間に１２０コマ以上撮像する高速度ビデオカメラあるいは高速シャッタカメラ等が用いられる。この場合、カメラ３６は、一定の時間間隔で反射マーカ５０の反射光による像の多重露光による撮像を行うことができる。もちろん、計測対象の移動体の移動速度等に応じ、高速度ビデオカメラ・高速シャッタカメラの撮像速度を自在に設定することができ、また、計測対象である移動体の移動速度によっては、カメラ３６に通常のビデオカメラ等を用いることもできる。

また、照射・撮像部３０の構成のうち、ハーフミラー３４の代わりにハーフプリズムを用いることもできる。この場合、ハーフプリズムの金属皮膜面が前述のハーフミラー３４の境界面と同様に設けられる。また、ハーフミラーやハーフプリズム以外でも、一方の側より投影された像を少なくとも透過させ、他方の側より投影された像を少なくとも反射させる境界面を有する光学部材であればハーフミラー３４と同様に用いることができる。

さらに、照射・撮像部３０ａ、３０ｂの設置場所および設置向きに特に制限はなく、照射・撮像部３０ａ、３０ｂが異なる２方向からゴルフクラブヘッドのゴルフボールへの打ち出し前後の再帰反射マーカを撮像でき、かつ所定位置でのゴルフスウィング、所定方向へのボールの飛び出しの障害にならなければ自在に設置することができる。もちろん、照射・撮像部３０の平面板４０は設置場所、照射・撮像の方向に応じて自在に傾斜させ設置することができる。
また、本実施例では、ゴルフボール打ち出し前後のゴルフクラブヘッドを、照射・撮像部３０ａ、３０ｂにより異なる２方向から撮像するが、本発明では、異なる３方向、４方向、・・・のように、異なる少なくとも２方向以上からゴルフクラブヘッドを撮像すればよい。

制御装置１２は、照射・撮像部３０ａ、３０ｂが同時刻に一定間隔で連続的に撮像するように、各照射・撮像部のカメラを制御するとともに、必要な場合、これに合わせて照射光源を点灯させるように制御する装置である。また、制御装置１２は、照射・撮像部３０ａ、３０ｂで連続的に撮像されて得られた画像信号をＡＤ変換してデジタル画像データとし、この画像データに暗時補正等を行った後メモリに記憶する部分を有する。連続的に撮像された画像のデータは、メモリから呼び出され、後述するコンピュータシステム１４に供給される。

図４は、ヘッド計測装置１０に用いられるコンピュータシステム１４の処理構成を示すブロック図である。
コンピュータシステム１４は、ゴルフスウィング中であるゴルフクラブヘッドが有する再帰反射マーカの画像のデータから再帰反射マーカの位置を特定し、この特定した位置を用いてゴルフクラブヘッドの移動（運動および挙動）を算出し、さらに、ゴルフスウィングを分析してゴルフスウィングに適したゴルフクラブを推奨する装置である。
具体的には、信号処理部１６、マーカ位置抽出部１８、解析部２０および出力部２２を有し、モニタ２６および操作部２８が接続されている。
信号処理部１６、マーカ位置抽出部１８、解析部２０および出力部２２は、プログラムがＣＰＵ、メモリ上で実行されることで機能する部分であるが、本発明では、これらの部分は、回路等のハードウェアで構成されたものであってもよい。

信号処理部１６は、画像内の再帰反射マーカが認識できるように、例えば、再帰反射マーカの部分のデータ値のみがそれ以外の部分のデータ値と区別されるように、所定の処理条件で画像のデータの明度補正、コントラスト補正を行い、さらに２値化する処理を行う部分である。

マーカ位置抽出部１８は、ゴルフスウィング中のゴルフクラブヘッドの画像のデータから再帰反射マーカの位置を特定し、この特定した位置を用いてゴルフクラブヘッドの挙動を算出する部分であり、再帰反射マーカを特定して三次元位置を抽出する機能と、抽出された三次元位置を用いて、ゴルフクラブヘッドの位置と向きとの時系列データを算出する機能とを有する。

さらに、マーカ位置抽出部１８は、２値化された画像の中から再帰反射マーカの部分を識別してその位置を抽出し、同時刻に照射・撮像部３０ａ、３０ｂで異なる方向から撮像された画像内における再帰反射マーカの位置座標をそれぞれ求め、この求められた位置座標を用いてゴルフクラブヘッドが通過する空間を定めた三次元座標系における位置座標を求め、各再帰反射マーカの三次元座標における位置を抽出するように構成される。
照射・撮像部３０ａ、３０ｂのカメラ３６の位置および撮像方向が既知となっているので、これらのカメラによって撮像される画像における二次元位置座標の情報を求めることで、ゴルフクラブヘッドが通過する空間を表した所定の三次元座標系における三次元位置座標を求めることができる。

再帰反射マーカの画像が、例えば１０００分の１秒の時間間隔で撮像される場合、１０００分の１秒毎の計測再帰反射マーカが存在する三次元位置座標の時系列データを求めることができる。勿論、再帰反射マーカは、ゴルフクラブヘッドの３箇所に設けられているので、３つの再帰反射マーカの三次元位置座標が求められる。
ゴルフクラブヘッドのヘッドスピードは通常３０〜５０（ｍ／秒）であるため、１０００分の１秒でゴルフクラブヘッドは３〜５（ｃｍ）移動する。図５（ａ）中、３つの再帰反射マーカを表す３つのプロット群Ｍ1 、Ｍ２ 〜Ｍ10は、１０００分の１秒の時間間隔で撮像された３つの再帰反射マーカの位置を示す。このように、再帰反射マーカの位置によって、ゴルフクラブヘッドの位置およびフェースの向きの変化を知ることができる。

解析部２０は、マーカ位置抽出部１８で求められた三次元位置座標からゴルフクラブの位置および向きを時系列データとして算出する部分である。
具体的には、メモリ等に予めゴルフクラブヘッドの上記再帰反射マーカの配置位置に対応する三次元形状モデル上の対応点の位置に関する情報が記憶されており、このデータと情報を呼び出し、ゴルフクラブヘッドの位置および向きの時系列データを算出するように構成される。

さらに、解析部２０は、算出されたゴルフクラブヘッドの位置と向きの時系列データを用いて、ゴルフクラブヘッドの打撃面上におけるゴルフボールの打点位置の特定、この打点位置でのヘッドスピードの算出およびゴルフクラブヘッドにおける実効ロフト角度の算出の少なくとも１つを行う部分である。
図５（ｂ）に示すように、ゴルフボールに対応するモデルＢを三次元形状モデルが打ち出す直前の三次元形状モデルの位置および向きがわかり、ゴルフクラブヘッドの打撃面におけるゴルフボールの打点位置を例えば±０．５（ｍｍ）以内の精度で特定することができる。また、この打点位置でのヘッドスピードを算出することができ、ヘッドスピードの変化を例えば±０．５（ｍ／秒）以内の精度で算出することができ、さらに、ゴルフクラブヘッドの実効ロフト角度を例えば±０．５（°）以内の精度で算出することができる。

ゴルフスウィング中のゴルフクラブヘッドは、概略円軌道を描いて移動し、この時ゴルフクラブヘッドの重心点に遠心力が作用する。一方、ゴルフクラブヘッドはゴルフシャフトに支持されているが、ゴルフシャフトによる支持位置とゴルフクラブヘッドの重心点の位置は一致していないため、ゴルフクラブヘッドの重心点に作用する遠心力によってゴルフクラブヘッドにモーメントが作用する。ゴルフクラブヘッドの実効ロフト角度とは、このモーメントによってゴルフクラブヘッドの打撃面の向きが変化した時のロフト角度をいう。勿論、実効ロフト角度の他に、打ち出し直前の打撃面が開いているか、閉じているか等といった打撃面の横方向の向きも知ることができる。

出力部２２は、上記算出されたゴルフボールの打点位置、ヘッドスピードあるいは実効ロフト角度等の算出結果をプリンタ２４等の外部機器に出力するように指示し、あるいは必要に応じて、算出された三次元形状モデルの位置および向きの時系列データから、ゴルファのゴルフスウィングの特徴を分析し、分析結果に基づいてゴルフスウィングに適したゴルフクラブを推奨し、プリンタ２４等の外部機器に出力する部分である。

例えば、ゴルフスウィングがゴルファによって行われた場合、この時のゴルフクラブヘッドの軌道から、アッパースウィング、ダウンスウィングあるいはレベルスウィングの分類、さらには、ゴルフクラブヘッドの軌道がアウトサイド−イン、インサイド−アウト、あるいは、インサイド−イン等のスウィングの分類、さらに、打ち出し直前のゴルフクラブヘッドの打撃面が開くスウィング、あるいは閉じるスウィング等の分類、または、これらの組み合わせによる分類を用いて、ゴルフスウィングの特徴を分析する。
こうして分析されたゴルフスウィングの特徴に対してゴルフボールが真っ直ぐ飛ぶようにゴルフクラブヘッドの打撃面の向きやゴルフクラブヘッドの重心位置が調整されたゴルフクラブヘッドを有するゴルフクラブを商品名や型式を用いて推奨する。
また、ゴルフクラブヘッドの挙動の計測とともに、別途打ち出し直後のゴルフボールの初期弾道（初速度、スピン量、打ち出し角度）を計測し、これらの計測結果を用いてゴルフスウィングを分析し、ゴルフクラブを推奨してもよい。

ＣＰＵによってコンピュータシステム１４の各機能は管理・制御され、メモリは、上述した、各部分で算出された算出結果、あるいはゴルフクラブの商品名や型式を、分類分けに用いるゴルフスウィングの特徴を用いてテーブル化したゴルフクラブの情報等を記憶保持する部分である。
モニタ２６は、照射・撮像部３０ａ、３０ｂで撮像された画像、信号処理された画像、再帰反射マーカの移動の時間履歴、さらに、画像に施す処理の条件を設定するための入力画面や各部分で求めた結果を表示する。
操作部２８は、マウスやキーボードであって、画像に施す処理の条件の設定やモニタ２６に表示する表示画面の設定等の各種入力設定に用いられる。

このようなヘッド計測装置１０では、まず、図２（ａ）および（ｂ）に示すような再帰反射マーカが少なくとも３箇所以上ゴルフクラブヘッドの表面に設けられる。
このゴルフクラブヘッドは、所定のアドレス状態に配置され、この状態でカメラ３６で静止時の画像が撮像され、コンピュータシステム１４の再帰反射マーカ位置抽出部１８でゴルフクラブヘッド上に設けられた３つの再帰反射マーカの配置位置に関する情報が正確に求められる。この配置位置の情報は、メモリに記憶される。配置位置の情報とは、例えばゴルフクラブヘッドの重心位置を原点とした三次元座標である。
なお、ゴルフクラブヘッド上の３つの再帰反射マーカに関する配置位置の情報は、ヘッド計測装置１０とは別にレーザ光を用いた三次元形状測定器を使ってより正確に取得してコンピュータシステム１４のメモリに予め記憶しておいてもよい。

次に、再帰反射マーカの設けられたゴルフクラブを把持してゴルフスウィングが行われ、このゴルフスウィング中にゴルフボールＢが打ち出される前後のゴルフクラブヘッドが照射・撮像部３０ａ、３０ｂで撮像される。
照射・撮像部３０ａ、３０ｂで撮像された画像は、所定の処理が行われ、デジタル画像のデータとして信号処理部１６に供給される。
信号処理部１６では、ゴルフスウィング中であるゴルフクラブヘッドの画像のデータから再帰反射マーカ５０の位置がＸＹＺ座標系における三次元位置座標として抽出される。

算出された時系列データから、ゴルフクラブヘッドの打撃面におけるゴルフボールの打点位置の特定、この打点位置でのヘッドスピードの算出およびゴルフクラブヘッドの実効ロフト角度の算出の少なくとも１つがオペレータの指示によって行われる。
最後に、必要に応じて、算出された時系列データから、ゴルファのゴルフスウィングの特徴を分析し、分析結果に基づいてこのゴルフスウィングに適したゴルフクラブが推奨される。
なお、移動算出部に前述の機能以外の機能を付加することも制限されない。

このように、ヘッド計測装置１０では、従来のようにゴルフクラブヘッドの打撃面に再帰反射マーカを設ける必要がなく、ゴルフボールの打ち出し直前の極めて重要な打撃面の位置と向き、さらには打撃面の移動速度を求めることができる。また、ヘッドスピードの変化やゴルフクラブヘッドの向きを変える回転速度の変化も求めることもできる。

また、再帰反射マーカは、ゴルフクラブヘッドの打撃面と接する上端面や側端面、あるいはホーゼル部に設けることができ、打撃面に設ける必要がない。このため、カメラおよび照射光源は、ゴルフボールの打ち出し側に配置する必要がなくなる。

本発明の実施形態においては、照射光源からの移動体に設けられたマーカへ照射される光と、移動体に設けられた反射マーカの反射光が光路上で重なる。したがって、従来の様に、撮影視野を確保するために照明光の光路が制限されず、撮影視野の中心領域を照明して、再帰反射マーカの像を明るく撮像することができる。よって、画像内の反射マーカ部分と非反射マーカ部分の分離が明確になるため、マーカ部分の誤検出の低減および信号処理部１６での画像を２値化する処理が容易となり、さらには、コンピュータシステム１４およびコンピュータシステム１４内での画像処理の簡易化が行える。
また、カメラ３６が撮像する像の受光量が従来の方法と比較し増加するため、多重露光を行う場合、シャッター速度の更なる高速化または照射光源が間欠的な光を射出する時間間隔の更なる短縮が可能となる。したがって、マーカ位置抽出部１８におけるマーカ位置の抽出精度が向上し、移動体の移動情報の計測をより精度高く行うことができる。

なお、移動体計測装置は、計測対象である移動体の運動が一次元座標系もしくは二次元座標系に限定される場合、照射・撮像部３０を１つとすることや、移動体に設けられる再帰反射マーカの数を１もしくは２とすることができる。もちろん、この場合、前述のコンピュータシステム１４で算出される移動体の移動情報の内容を自由に変更することができる。

なお、前述のヘッド計測装置の照射・撮像部３０ａ、３０ｂのそれぞれは、再帰反射マーカへ一方向から照射したときの反射光による像を撮像するものである。しかし、本発明では、ハーフミラーを用いて光を分岐してさらに全反射ミラーを用いて他の方向から照射し、これらの照射による２方向からの反射光による再帰反射マーカの像を一枚の画像としてカメラ３６で撮像するものであってもよい。

ここで、図６（ａ）はヘッド計測装置１０のうち、ステレオ撮像を行う照射・撮像部３０を構成する部分を示す斜視図である。図６（ｂ）は照射・撮像部３０の俯瞰図である。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように、照射・撮像部３０は計測対象を照射する照射光源３２と、境界面に入射した光を透過および反射させる性質を持つハーフミラー３４と、カメラ３６と、全反射を行う全反射面を有し、前記全反射面の反射方向（角度）および位置等の調整機能を有する反射ミラー４２と、これらの部材が取り付けられる平板面４０とを有して構成される。

照射光源３２、ハーフミラー３４、カメラ３６は前述の図３に示した照射・撮像部３０ａ、３０ｂと同様に設けられる。
そして、照射光源３２から射出しハーフミラー３４で反射した光が、反射ミラー４２で反射し、移動体の再帰反射マーカ５０に照射するとともに、再帰反射マーカ５０からの反射光は反射ミラー４２およびハーフミラー３４を介してカメラ３６に入射するように、反射ミラー４２は設けられ、全反射面の向きが調整される。

ここで、図６（ｂ）に示すように、照射・撮像部３０は、照射光源３２がハーフミラー３４の境界面に向け、連続光を射出する。この射出された光はハーフミラー３４を透過し、ハーフミラー３４の境界面上の位置Ａを透過する透過光が出射される。図３（ａ）および（ｂ）を用いて説明したように、この出射された透過光は計測対象である移動体（ゴルフクラブヘッド）に設けられた再帰反射マーカ５０に照射される。この再帰反射マーカからの反射光（以降、マーカ反射光１とする）は、ハーフミラー３４の境界面に向かう。ここで、図３に示す実施形態と同様に、マーカ反射光１は照射光と逆向きに進み、照射光と光路が一致した反射光であるので、ハーフミラー３４の境界面から再帰反射マーカ５０へ照射される光がハーフミラー３４の境界面と成す出射角度と、マーカ反射光１がハーフミラー３４の境界面へ入射する入射角度とは略一致する。こうして、ハーフミラー３４に入射した反射光は、カメラ３６へ向けて反射され、カメラ３６のレンズ等の受光部に入射する。

一方、図６（ｂ）に示すように、照射・撮像部３０が出射した光のうちハーフミラー３４で反射した光が反射ミラー４２の全反射面に入射し、ここで、全反射された光は、計測対象である移動体（ゴルフクラブヘッド）に設けられた再帰反射マーカ５０に照射光として照射する。
このときの再帰反射マーカ５０からの反射光（以降、マーカ反射光２とする）は、反射ミラー４２から全反射されて再帰反射マーカに照射する照射光の光路と重なり、反射ミラー４２の全反射面に向かう。そして、反射ミラー４２の全反射面において、マーカ反射光２はハーフミラー３４方向へ向けて反射される。ハーフミラー３４では、ハーフミラー３４から射出して反射ミラー４２に向かう光の反射角度（射出角）と、マーカ反射光２がハーフミラー３４に入射する入射角度は略同一である。
さらに、ハーフミラー３４を透過したマーカ反射光２はハーフミラー３４で反射されたマーカ反射光１とともにカメラ３６のレンズ等の受光部に入射する。
したがって、異なる２方向から反射した照射光の光路と略一致した再帰反射マーカ５０からの２つの反射光による反射マーカの像がカメラ３６で撮像される。

この場合、マーカ反射光２による像とマーカ反射光１による像が異なる位置で撮像されるように、反射ミラー４２の位置および向きが調整される。
こうして、１つのカメラで移動物体の反射マーカの像をステレオ画像として撮像することができる。２つの像の取り込み方は、例えば、画像の上下方向で二分割等として取り込む。

なお、ハーフミラー３４の代わりに境界面において双方向に入射した光を反射および透過させる光学部材であれば、例えば、ハーフプリズムや各種ビームスプリッター等を用いることができる。ここで、境界面における反射率の比は特に限定されないが、略１対１とすることが好ましい。

また、本発明は、反射ミラーを以下の様に用いて構成することもできる。
図７は照射・撮像部３０が構成する光路に反射ミラー４２の他に反射ミラー４２ａ、４２ｂを配してマーカ反射光１および２の光路長を揃えた実施例の俯瞰図である。
照射・撮像部３０は、図７に示すように、マーカ反射光１の再帰反射マーカ５０からハーフミラー３４への光路（ハーフミラー３４の透過光が再帰反射マーカ５０に照射する光路）に反射ミラー４２ａおよび４２ｂが設けられる。ここで、反射ミラー４２ａおよび４２ｂは、ハーフミラー３４を透過した照射光源３２からの光を再帰反射マーカ５０に照射し、マーカ反射光１が反射した反射光がハーフミラー３４の境界面に入射するよう、その反射面の方向及び位置が調整され設けられる。

反射ミラー４２ａ，４２ｂをマーカ反射光１の光路に設けることにより、マーカ反射光１が再帰反射マーカ５０からハーフミラー３４に至る光路を長くして、マーカ反射光２の光路に揃えることができる。つまり、図７に示す構成を備えることで、マーカ反射光１の光路長が図６（ｂ）に示すものより長くなり、マーカ反射光１，２のカメラ３６までの光路長を略揃えることができる。
このように光路長を近づけることにより、カメラ３６は、再帰反射マーカの２つの像をピントを合わせて撮像することができる。

この場合においても、２つの異なる方向から照射する光がハーフミラー３４の境界面から出射するときのそれぞれの出射角度は、再帰反射マーカから反射した２つの反射光（マーカ反射光１、２）がハーフミラー３４の境界面に入射するときの対応する反射光の入射角度と略一致する。したがって、移動体に設けられた再帰反射マーカの２つの反射光の像をそれぞれ高いコントラストで撮像できる。

なお、前述のように光路に反射ミラーを設ける場合、再帰反射マーカからの２つの反射光がカメラ３６に至るまでの光路には、ハーフミラー３４における反射を含めて、反射回数がいずれも奇数回、あるいはいずれも偶数回となるように反射ミラー４２ａ、ｂ、・・・が設けられていることが好ましい。２つの反射光における反射の回数を偶数あるいは奇数に揃えることで、カメラ３６で撮像する２つの反射光の像を正像あるいは虚像の一方に揃えることができ、撮像された画像内で再帰反射マーカ５０が移動する方向（上下または左右等）を統一することができる。本実施例の場合、マーカ反射光１の光路に設けられる反射鏡が反射ミラー４２ａ、ｂの２枚であるため、マーカ反射光１の反射は反射ミラー４２ｂ、反射ミラー４２ａ、ハーフミラー３４の順に計３回行われ、マーカ反射光２の反射はミラー４２で１回行われる。つまり、２つの反射光（マーカ反射光１、２）が再帰反射マーカ５０からカメラまでの光路で反射される回数は奇数回になっている。

照射・撮像部３０で得られた画像は、図１に示す例と同様に、制御装置１２を経て移動算出部であるコンピュータシステム１４に伝送される。コンピュータシステム１４では、前述の処理内容と同様の処理、解析が行われ、計測対象である移動体（ゴルフクラブヘッド）の移動情報の算出および出力が行われる。

なお、本実施例では、図６および図７で示す照射・撮像部３０が一組のステレオ撮像をおこなうが、本発明はこれに特に限定されず、ヘッド計測装置１０に設けられる照射・撮像部３０の数を２組、３組、・・・と増やして、ゴルフクラブヘッドの複数組のステレオ撮像を行ってもよい。また、図６および図７で示すステレオ撮像を行う照射・撮像部３０と図３に示す単一の撮像を行う照射・撮像部３０を組み合わせてゴルフクラブヘッドを撮像し、移動情報を計測することもできる。

図８（ａ）および（ｂ）は、ゴルフスウィング中のゴルフクラブヘッドに設けた再帰反射マーカの像を撮像した画像の模式図を示す。図８（ａ）は本発明の一実施例であり、図７に示す照射・撮像部３０を備えたヘッド計測装置１０を用いて撮像したものを示し、図８（ｂ）は従来の方法により、カメラ３６の後方に照射光源３２を設置し撮像したものを示す。
ここで、図８（ａ）および（ｂ）が示す画像は、ともにハロゲン光源を照射光源とし、露光時間間隔を１０００分の１秒とし、パルニクス社製カメラを使用して撮像したものである。

ここで、撮像に用いたゴルフクラブヘッドには、図２（ａ）に示すように３つの再帰反射マーカを設けている。図８（ａ），（ｂ）に示される図中の縦方向に並ぶ６つの白点は、３つの再帰反射マーカを異なる２方向から見て得られた６つの像である。反射ミラーの位置および向きの調整により、異なる２方向からの像を上下方向に２等分割して撮像されている。ここで、各３つの再帰反射マーカの像を表す白点は、計測対象である移動体（ゴルフクラブヘッド）の移動により、位置および相互の位置関係が変化していることがわかる。

本発明の実施例により得られる図８（ａ）に示す画像は、従来の撮像方法により撮像された図８（ｂ）に示す画像と比較し、再帰反射マーカを表す白点のコントラストが高く、再帰反射マーカの反射光による像以外の、カメラの影・ノイズ等の影響を受けない画像が出力されている。従来方法で得られる図８（ｂ）に示す画像は、中央に大きな白色領域が存在するが、図８（ａ）に示される画像には、このような大きな白色領域は存在しない。
このように撮像した画像から、効率よく画像処理を行って移動体の移動情報を求めることができる。

なお、本発明の実施形態の説明では移動体をゴルフクラブヘッドとし、再帰反射マーカが設けられたゴルフクラブヘッドの移動体計測装置を中心に説明したが、本発明は以上の例に限定されるものではない。計測対象の移動体を、例えば、ゴルフボール、野球のボール、テニスボール等や、人間・動物・各種機械・物品等とした移動情報の計測にも本発明は適用することができる。

前述の移動情報の計測の例として、例えば移動体を人間とし、人間の動作を取り込むモーションキャプチャーを例示することもできる。この場合、マーカは人体の表面（皮膚、衣服等）に設けられ、人体各部、例えば、顔面・腕・胴・脚・各関節等の動作を詳細に計測・解析・記録・出力等することができる。
この場合、計測対象とする移動体数（人数）、人体に設けられた反射マーカの数、照射光源・カメラの数および配置位置等や移動体計測装置の装置構成・処理内容等は適宜設定される。ここで、照射光源の発光波長は、撮像時の室内照明等の影響を考慮し、７８０（ｎｍ）以上の赤外帯域を含み、カメラやハーフミラー・反射ミラー・反射マーカもこの発光波長に対応したものを用いることが好ましい。さらに、計測・解析の用途および条件によっては照射光源が射出する光に可視光または紫外光を用いてもよく、これに対応した照射光源およびカメラ・ハーフミラー・反射マーカを用いることもできる。また、カメラの種類も計測・解析の用途・対象等により自在に選択することができる。

本発明を用いたモーションキャプチャーは、例えば、医療（リハビリ）・娯楽（ビデオゲーム・映画）・スポーツ（フォーム解析）・遠隔装置制御等に適用することができる。これらのうち、スポーツ（フォーム解析）に適用した場合、例えば、図１に示すゴルファＧの人体の表面各所に反射マーカを取り付けまたはゴルファＧが反射マーカの設けられた衣類・帽子・グラブ等を着用等し、ゴルファＧがゴルフクラブＣを把持してゴルフスウィングを行う際、各反射マーカの反射光の像を撮像し、ゴルファＧのゴルフスウィングのフォーム（人体の挙動）をコンピュータシステムで解析・記録・出力等することができる。

このように、本発明では、反射マーカが設けられたゴルフクラブヘッド等の移動体計測において、反射マーカへ照射する照射光と反射マーカからの反射光との光路が略同一となるようにハーフミラーを設け、カメラによって撮像する。このため、反射マーカを中心に照射光を照射し、反射マーカからの反射光を撮像するので、コントラストが高い撮像ができる。

なお、本発明の図３（ａ）および（ｂ）に示す実施形態では、照射光源３２の射出した光がハーフミラー３４の境界面を透過し、再帰反射マーカ５０を照射しているが、本発明はこの形態に特に限定されない。例えば、図３（ａ）および（ｂ）に示す照射光源３２が射出し、ハーフミラー３４の境界面で反射した光を再帰反射マーカ５０に照射し、その反射光のうちハーフミラー３４の境界面を透過した光の像を、カメラ３６が撮像する形態とすることもできる。この場合、光吸収部材３８は照射光源３２が射出した光のハーフミラー３４に対して透過した領域に設けられる。さらに、照射光源３２からカメラ３６まで光路中に反射ミラーを設けてもよい。

また、図６（ａ）および（ｂ）に示す照射・撮像部３０においては照射光源３２の射出した光のうち、ハーフミラー３４の境界面を透過したものが再帰反射マーカ５０を直接照射し、かつハーフミラー３４の境界面で反射されさらに反射ミラー４２で反射されたものが再帰反射マーカ５０を照射する。しかし、照射光源３２が射出した光のうち、ハーフミラー３４の境界面で反射したものが再帰反射マーカ５０を直接照射し、ハーフミラー３４の境界面を透過したものが反射ミラー４２で反射され再帰反射マーカ５０を照射する形態とすることもできる。この場合も、２方向からの照射による再帰反射マーカ５０の反射光による２つの像が、照射光と逆の方向に進み、ハーフミラー３４を介し、カメラ３６で撮像される。

以上、本発明の移動体計測装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明の移動体計測装置の一実施形態の概要を示す側面図である。 （ａ）はアイアン系のゴルフクラブヘッドに設けられる再帰反射マーカの配置位置の一例を説明する図であり、（ｂ）はウッド系のゴルフクラブヘッドに設けられる再帰反射マーカの配置位置の一例を説明する図である。 （ａ）は図１に示すヘッド計測装置のうち、照射・撮像部の一例の構成を示す図であり、（ｂ）は照射・撮像部で形成される光路を説明する図である。 図１に示すヘッド計測装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は本発明の移動体計測装置において得られる、反射マーカの像の挙動を表わした図であり、（ｂ）は本発明の計測装置において得られる、ゴルフクラブヘッドの挙動を表わした図である。 （ａ）は本発明の移動体計測装置の一例であるヘッド計測装置における照射・撮像部の他の形態を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す照射・撮像部に形成される光路を説明する図である。 本発明の移動体計測装置の一例であるヘッド計測装置における照射・撮像部の他の形態を示す図である。 ゴルフクラブヘッドを移動体とし、これに設けられた再帰反射マーカの軌跡を撮像した画像の模式図であり、（ａ）は本発明の一実施例であるヘッド計測装置を用いて撮像した画像の一例であり、（ｂ）は従来方法で撮像した画像を示す図である。

符号の説明

１０ 移動体計測装置（ヘッド計測装置）
１２ 制御装置
１４ コンピュータシステム
１６ 信号処理部
１８ マーカ位置抽出部
２０ 解析部
２２ 出力部
２４ プリンタ
２６ モニタ
２８ 操作部
３０、３０ａ、３０ｂ 照射・撮像部
３２ 照射光源
３４ ハーフミラー
３６ カメラ
３８ 光吸収部材
４０ 平板面
４２、４２ａ、４２ｂ 反射ミラー
５０ 再帰反射マーカ
Ｃ ゴルフ
Ｇ ゴルファ
Ｂ ボール

Claims (10)

1. 計測対象とする移動体の移動情報を計測する移動体計測装置であって、
   光の入射する境界面を有し、この境界面において、一方の側より入射した光を少なくとも透過させ、他方の側より入射した光を少なくとも反射させる光学部材と、
   前記光学部材に向けて射出し、前記光学部材から出射した光を前記移動体に照射する照射光とする照射光源と、
   光の照射された前記移動体の表面に設けられた反射マーカの、反射光による像を前記光学部材を介して撮像するカメラと、
   前記カメラによって撮像された前記反射マーカの像に基づいて移動体の移動情報を算出する移動情報算出部と、を有し、
   前記境界面から出射する照射光の出射角度と、前記反射マーカからの反射光が前記境界面に入射する入射角度とが略一致するように、前記照射光源、前記カメラおよび前記光学部材の配置が調整されていることを特徴とする移動体計測装置。
2. 前記カメラの撮像する前記反射マーカからの反射光の像を前記光学部材の境界面で反射して撮像するように前記カメラが配置され、前記カメラから見て前記境界面の透過方向に光吸収部材が設けられている請求項１に記載の移動体計測装置。
3. 前記光学部材は前記境界面で前記照射光の一部分を透過させるとともに反射させることにより異なる２方向に出射し、前記照射光源は異なる２方向から前記移動体を照射し、
   前記光学部材が異なる方向へ２つの照射光を前記境界面から出射するときの各出射角度と、移動体を異なる２方向から照射することによって得られる２つの反射光が前記境界面に入射するときのそれぞれ対応する各入射角度とが、略一致する請求項１に記載の移動体計測装置。
4. 前記２つの反射光が前記カメラに至るまでの光路には、前記光学部材における反射を含めて、反射回数がいずれも奇数回、あるいはいずれも偶数回となるように反射ミラーが設けられている請求項３に記載の移動体計測装置。
5. 前記カメラは、異なる２つの光路を通る前記２つの反射光による像を１つの画像に取り込む請求項３または４に記載の移動体計測装置。
6. 前記反射マーカは、照射光の入射方向に向けて反射する再帰反射マーカである請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動体計測装置。
7. 前記カメラは、移動する反射マーカの像を一定の時間間隔で多重露光して撮像する請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動体計測装置。
8. 前記照射光源は一定間隔で前記カメラの撮像中間欠的に光を射出し、前記カメラは、一定の時間間隔で多重露光する請求項７に記載の移動体計測装置。
9. 前記照射光源は、前記カメラの撮像中、一定の時間間隔で連続的に光を射出することによって、前記カメラは多重露光する請求項７に記載の移動体計測装置。
10. 前記カメラは、少なくとも１秒間に１２０コマ以上撮像する高速度ビデオカメラである請求項１〜８のいずれか１項に記載の移動体計測装置。

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