JP2005529339A - 飛行パラメータ測定システム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、本願で参照として組み込む「ゴルフボール飛行監視装置のアラインメント方法(Method for Alignment of a Golf Ball Flight Monitoring Apparatus)」なる名称の2002年6月6日に出願された米国仮特許出願第60/387,556号、「ゴルフボール飛行監視装置の測定開始方法(Method for Initiation of Measurement in a Golf Ball Flight Monitoring Apparatus)」なる名称の2002年6月13日に出願された第60/389,338号、および「ゴルフボール飛行パラメータ測定方法(Golf Ball Flight Parameter Measurement System)」なる名称の2002年10月17日に出願された第60/419,389号に米国特許法第119条(e)に基づく優先権を主張するものである。
本発明は、一般的に飛行パラメータ測定システムに係わり、特に、飛行中の対象物の進路を決定するカメラ測定システムに関わる。
飛行中のボールの進路は、衝撃の際にボールに与えられるスピン量およびスピンの方向によって主に決定される。例えば、ゴルフボールの進路は、ゴルフボールがゴルフクラブによって打たれた後の飛行の最初の数フィートにわたって測定される発射状態によって決定される。ゴルフボールの進路を決定するために使用されるパラメータは、発射高度、発射方位、および速さである。ボールスピンの明確な値を知ることにより、ゴルファーに所望のゴルフゲーム結果が得られるようスイングを変えるための重要なフィードバックを提供する。
本発明の利点は、三次元でゴルフボールの飛行中特性を確立するよう必要な情報全てを捕捉するために単一カメラを利用する飛行パラメータ測定システムを提供することである。
本発明は、同様の参照番号が同様の構成要素に付される以下に簡単に説明される添付の図面とともに本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
ADC アナログ−デジタル変換
IC 集積回路
CCD 電荷結合装置
CMOS 相補形金属酸化膜半導体
FOV 視野
FPGA フィールドプログラマブルゲートアレイ
GUI グラフィカル・ユーザ・インタフェース
LOS 視野方向
飛行パラメータ測定の好ましい実施形態では、例えば、ボール等の動いている対象物の表面が追跡され、速さ、方向および飛行進路、スピン軸、およびその軸についてのスピン率が決定される。測定システムは、スピン率およびスピン軸を決定するためにボールにどの特別なマーキングも必要としない。その代わり、好ましい実施形態の測定システムは、不精度マーク、クラブによって形成される傷などの表面欠陥、ディンプル、またはこれら全て3つの組み合わせをボール飛行特性を決定するために必要な唯一の特徴として利用する。好ましい実施形態の測定システムの使用は、野球のボールおよびテニスボールを含む、動くよう設定されているまたは動いている全種類のボールにまで拡げられ得る。更に、測定システムは、特定のクラスの対象物の他の非球形の対象物を確立する特性即ち、ルールおよび条件の飛行パラメータを決定するために使用してもよい。
本発明の好ましい実施形態は、アラインメント機器および較正手順の必要性を排除し、フィールド、例えば、ゴルフドライビングレンジまたはゴルフショップで熟練されていない人でもセットアップできるボール追跡および測定装置を提供する。好ましい実施形態では、測定システム10は、工場で、即ち、製造中に正確に較正されている。カメラの較正は、以下に説明するようにピクセル画像面における全ての(X,Y)に対して(X,Y,Z)方向を確立する。
図4を再び参照すると、ゴルフボール発射パラメータの分析において必要な幾つかの測定は、ゴルフボールとのクラブの衝撃点において地面の表面に接する面154に対して行われる。好ましい実施形態のアラインメント処理の一部は面154に対してカメラ152または光学測定システムの基部を正確に整列することである。フィールドにおける測定は、地面に対する向きが水平でない場合、例えば、測定システム152が平坦でない表面上に配置される場合、オフセットで調節する必要がある。
ゴルフボールとの衝撃前にゴルフクラブのスイングの一部分中にゴルフクラブの位置を測定し記録すること、および、ゴルフクラブによる衝撃の後のゴルフボールの位置を測定および記録することは、明確な開始信号を必要とする。飛行パラメータ測定システムの好ましい実施形態は、ボール発射状態をモニタリングするために高速撮像カメラを利用する。追跡を開始するための特別なトリガリング装置の必要性は、リアルタイムで画像を捕捉するためのカメラと同じものを用いることで排除される。捕捉された画像は、画像の記録の明確なトリガリングおよびボールの飛行のその後の追跡に使用される。
本発明は、飛行中のボールの個々の画像を捕捉する。図7に示すように、トリガリング視野180にボール190が入ることによってトリガされると、本発明は、ボールの計算された軌道および速さに基づいてボール画像の位置を予測する。次の予測される位置でボールの画像を捕捉するカメラの視野184のサブセットであるウィンドウ194が定められる。このウィンドウ194がセンサにおいて小さい割合のピクセルを必要とするため、画像は非常に迅速に捕捉され、ウィンドウ196、198の位置は次の画像ボールの外挿された位置と適合するよう必要に応じて調節される。図7は、画像中のボールの動きを示すために単一の視野180に重畳される画像ウィンドウ194、196、198を示す。しかしながら、各ウィンドウ194、196、198は、別の画像184、186、188からのものである。現在のフレーム並びに先行するフレームは、次の画像キャプチャのためにボールの予測される位置を更新するよう連続して使用される。
飛行パラメータ測定システムの好ましい実施形態は、飛行中のボールの2つ以上の高解像度画像を撮影し、真の三次元(3D)飛行特性を計算する単一カメラを使用する。飛行特性を計算するためには、ボールは画像中で位置探ししなければならない。画像中でボールを位置探しするために、画像中の比較的明るい領域を識別するよう画像は分析される。ボールに対応する明るい領域は、左右対式にボールのエッジに向かって薄暗くなる。したがって、画像中に存在し得る他の明るいスポットがボールと間違えられることはない。画像中で対象物を位置探しするために使用される分析は、対象物の形状および他の特性によって変化することは明らかである。
図8は、カメラからの画像中のボール224の距離を発見する好ましい方法を例示する。システムは、較正情報を用いてカメラの焦点Pから各ボールの中心Cまでの3Dワールド方向ベクトルを計算する。上述した通り、グレースケール画像の最も右にあるピクセル220および最も左にあるピクセル22は、ベクトルLRによって示されるボールの直径を決定するためにサブピクセル技法を用いて位置探しされる。ボールが厳しい寸法で直径が一般的に1.68インチに製造されているため、ボールまでの距離Dは、カメラに対する較正モデルを用いて計算される。詳しくは、ベクトルPLは最も左のピクセル222までの視野方向を表し、PRは最も右にあるピクセル220までの視野方向を表す。ボールの直径に対するカメラからボールまでの距離は、ベクトルPLおよびPRが最も左および最も右にあるピクセル222、220でボール224に事実上接するものである。右および左の視野方向間の角δが既知であり、ボールの標準直径が既知であるため、距離Dは式1の余弦の法則から以下のように計算される。
1.682=D2+D2−2D2*cosδ=2D2*(1−cosδ)および
D=SQR(1.682/(2*(1−cosδ))) 式2
この手順は、各ボールに対して実施され、飛行進路の最小二乗フィットがシステムの正確さを改善するために実施される。ここでボール画像の各ピクセルは、X,Y,Z座標を有するとして定義される。
各画像中のボールの大きさ、各画像中のボールの位置、および、較正情報は、上述したようにボールの3D位置を決定するために使用される。実在空間における少なくとも2つのボールの3D位置および各画像と関連付けられるタイムスタンプは、速度ベクトル、つまりボールの速さおよび方向を計算するために使用される。
使用される照明のタイプ、または、周囲光状態に基づき、スペクトル反射またはグリントが画像中に存在し得る。これらグリントは典型的にはカメラに面すボールの表面に形成される。グリントは、本質的に常に明るく、周囲ピクセルよりも一般的に非常に明るい。グリントは、ボールが回転すると位置を変えてもよく、変えなくてもよい。相関は、2つの画像のピクセル毎の適合であるため、照明差または反射される光量における差、または、ボールの回転とともに移動しない表面特徴によるグローバル強度差はシステムでノイズを生成する。したがって、各ボール画像はグリント除去および照明正規化を相関前に実施することで準備される。局部的な平均値またはピクセルの局部的な群の統計的調査に対する簡単な閾値は、全ての他の処理の前に画像からグリントピクセルを検出し除去するために使用される。グリントピクセルは、局部的な平均値に基づいてピクセルで置換される。
不均一照明または多数の光源に対する補償は、正しいボールの相関のために実現しなければならない。ピクセル対ピクセルベースのグレースケール相関について、ピクセル強度は可能な限り近く適合する必要がある。異なる空間位置および異なる周囲光条件下で画像が捕捉されるため、照明はボールの可視表面にわたって変化される。均一な光条件の下、ボールの中心の周りで直径が増加する同心リングは、カメラおよび光源からボールの湾曲した表面が角をなして離れるにつれて照明ドロップオフを有する。更に、各同心リングは、リングが直径全体の周りでトレースされるため一定の平均照明を有する。したがって、各ボール画像における同じ直径の各同心リングは、同じ平均グレースケール強度を発揮すべきである。
本特許の方法の重要な特徴は、マークまたは不精度マークのないゴルフボールの一連の2D画像に対するスピン率および軸を決定することである。この方法は、飛行中のボールの連続する画像を見て、自然の表面特徴、ディンプル、人造マークまたは欠陥の動き/回転を追跡するために数学的変換および相関関係を用いる。同方法は、ボールにどの精度マーキングを配置することも必要とせず、自然の表面特徴および欠陥以外でボール上に人造マークがない場合にも確実な結果をもたらす。モデルは、カメラの遠近法を考慮し、回転をワールド座標スピン軸およびスピン率に変換する。
基本的な基準フレームを本願で説明のために定義する。好ましい実施形態について、カメラまたは複数台のカメラの位置の正しい選択は、歪みの度合いを最小化しスピン分解能を増加させる。最大の分解能のために、カメラまたは複数台のカメラは、発射体のスピン軸に対して可能な限り平行に近いビューを有すべきである。スピン軸がカメラに直接的に向けられている場合、殆どの回転は2D画像の中心について行われる。これにより、相関ピクセルの数が増加され、表面上の点が視野外で回転しないためより離れたボールと相関される能力が最大化される。本説明の目的のために次を仮定する:Y軸は上方に向けられる画像面、X軸は右方に向けられる画像面、Zはビューアに向けられる画像面への垂線、回転の順番はX回り、次に、T回りそしてZ回りである。
X1=X 式3
Y1=Y*Cos1−Z*Sin1 式4
Z1=Z*Cos1+Y*Sin1 式5
Yについての回転点
X1=X*Cos2+Z*Sin2 式6
Y1=Y 式7
Z1=Z*Cos2−X*Sin2 式8
Zについての回転点
X1=X*Cos3+Y*Sin3 式9
Y1=Y*Cos3−X*Sin3 式10
Z1=Z 式11
b.スピン軸を決定する好ましい方法
図13に示すようにスピン軸およびその軸についてのボールの回転を決定する好ましい実施形態の方法は、基準ボール画像B1およびターゲットボール画像B2の選択を必要とする。これら各画像は、上述したように方位の角、高度の角、ボールの中心およびボールの直径を含むそれらと関連付けられる情報を有する。更に、画像からグリントが除去され、画像は照明正規化される。
相関が2D画像面において実施されるため、基準ボール画像B1は3Dワールド座標系から2D画像面に変換しなければならない。これは、カメラから発生し、各ボールの中心を通る3Dワールドベクトルを用いて実現される。各ベクトルに対して、公称のスピン軸に対する該ベクトルの方位および高度が計算され、2Dスピン軸検索に対するオフセットとして使用され、このとき公称のスピン軸は地面接平面に対して平行で且つ飛行の方向に対して直交する軸である。図13は、撮像位置からスピン軸Zc1およびZc2の線に沿う位置まで整列された仮想カメラ「c1」および「c2」によって見られるボール画像B1およびB2の標準カメラビューを示す。図14Aは、標準画像B1の正面図を示し、このとき軌道Tcは標準ビューのX軸方向にある。図14Bは、図14Aの標準ボール画像B1の側面図である。図14Bにおいて、スピン軸212は仮想角で示される。
図18のステップ301の回転レンジおよびインクリメントの決定は、スピンを発見するために相関を使用することに要求される計算の数を著しく減少させる。スピン軸212についてある仮定がなされる。ゴルフボールのようなボールがライフルスピンを無視できる程度有するまたは全く有さず、ゴルフボールがクラブヘッドを一旦離れると固定スピン軸212を有する本質的にジャイロスコープとなることが既知である。更に、クラブフェイスはボール206に衝撃を与える際に上方に角が付けられているため、クラブフェイスによってボールに与えられるスピンは通常のゴルフショットについて常にバックスピンである。これらの仮定により、図13に示すようにスピン212の軸は飛行208の方向に対して直交する面210の一部分に推定される。更に、スピン軸がボールの中心を通り、衝撃後に略移動しないことが仮定される。可能なスピン率の範囲は、スピン率対ショット速さおよび発射角を経験的に決定し、このデータを用いて軸の推定値および回転検索範囲の量を改善することで更に減少される。
相関は、一連の連続的な比較を行うことによって2つの画像間の最適な空間適合を発見するための一般的な二次元画像処理技法である。画像は、最小限の差を有する空間的向きが検出されるまでコンピュータによってインクリメント的に並進され、回転され、スケーリングされ、差分(ピクセル毎)される。システム解像度を最大化するために、ボールの最初の飛行中に可能な限り多くの画像が捕捉されるべきである。これは、スピン範囲のより良い推定によるより離れたボールを相関するときに誤った相関の機会を減少し、速さを改善する。概算が展開された後、解像度を増加させるためにより離れたボール間で相関が実施される。最小二乗フィットまたは平均化が、全ての利用可能な情報を利用して可能な限り最良の精度測定を実現するよう適宜使用される。
一旦スピンが相関から決定されると、回転軸および大きさは、飛行の線に変換され、続いて飛行の線がワールド座標に変換される。これら回転は、式3−11を用いて簡単に実施される。ショットの時間的情報も既知であるため、スピンの大きさも全ての所望の単位でスピン率に変換できる。
グレースケール相関と共にまたは無関係に使用される更なる技法がある。ボール上のロゴまたは他のタイプの高コントラストマークが相関の正確性を向上するために使用される。これらピクセルは隣接するピクセルよりも非常に暗く、ディンプルの影によって生ずる暗いピクセルから分離される。局部的な平均値またはピクセルの局部的な群の統計的調査に対する簡単な閾値がロゴピクセルを検出してラベル付けするために使用される。これにより、それらは特別なケースとして処理されるか相関中に用いられる他の表面特徴よりもより多く重み付けされる。ロゴだけを用いる利点は、ボール上で特定のロゴを発見する際に追跡処理が不確かにされる点である。可能性としてロゴを表すより暗いピクセルは、適合を検出するために既知のロゴパターンと比較される。ロゴパターンは、相関が実施される前にボール上の潜在的なロゴの位置と適合するよう前述したように数学的に変換される。ロゴが位置探しされない場合、前述したグレースケール相関処理を使用するよう追跡処理が一時的に中断されるかデフォルトされる。
Claims (20)
- 動いている対象物のパラメータを決定する方法であって、
カメラの画像面における全ての(x,y)ピクセルに対する(x,y,z)方向を確立するようカメラレンズを較正するステップと、
アラインメント補正係数を決定するステップと、
上記動いている対象物の複数の画像を捕捉するステップと、
上記複数の画像それぞれにおいて上記対象物を発見するステップと、
上記複数の画像それぞれに対して三次元座標を計算するステップと、
上記三次元座標から上記対象物に対する速度ベクトルを計算するステップと、
複数の回転の組の回転の第1の組によって上記複数の画像の基準画像を回転するステップと、
上記回転された基準画像をターゲット画像にスケーリングするステップと、
複数のスコアのインクリメントスコアを得るよう上記基準画像を上記ターゲット画像に相関させるステップと、
上記複数のスコアの最大のスコアを得るため順次改良するように回転、スケーリング、および相関ステップを繰り返すステップと、
上記動いている対象物の上記パラメータを決定するよう上記複数の回転の組の最大の回転の組を利用するステップと、を有する方法。 - 上記動いている対象物は略球形である、請求項1に記載の方法。
- 上記アラインメント補正係数を決定するステップは、更に、加速度計を用いて表面に対する上記カメラのミスアラインメントを示す電気信号を上記カメラに供給するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 上記カメラレンズを較正するステップは、更に、
近位置でターゲットを撮像するステップ、
上記近位置において上記画像面における各ピクセルに対する(x,y)座標を記録するステップ、
遠位置で上記ターゲットを撮像するステップ、
上記遠位置において上記画像面における各ピクセルに対する(x,y)座標を記録するステップを含む、請求項1に記載の方法。 - 上記対象物の画像を捕捉するステップは、上記カメラをトリガリングするステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 上記複数の画像それぞれにおいて上記対象物を発見するステップは、
上記対象物の中心を発見するステップ、
上記対象物の直径を発見するステップ、および、
上記対象物までの距離を計算するステップを更に含む、請求項1に記載の方法。 - 上記複数の画像それぞれに対する上記三次元座標から上記対象物の高度角および方位角を決定するステップを更に有する、請求項1に記載の方法。
- 上記回転の第1の組によって上記複数の画像の上記基準画像を回転するステップは、上記基準画像を標準ビューに回転するステップを更に含む請求項7に記載の方法。
- 上記複数の画像からグリントを除去するステップを更に有する請求項1に記載の方法。
- 上記複数の画像を照明正規化するステップを更に有する、請求項1に記載の方法。
- 動いている対象物の少なくとも一つの特徴を決定する測定システムであって、
複数の画像を捕捉するカメラレンズと、
上記複数の画像を記憶するよう上記カメラレンズに結合されるメモリ手段と、
上記複数の画像の画像キャプチャを開始するトリガリング手段と、
上記メモリ手段に結合されるプロセッサとを有し、上記プロセッサは、
上記複数の画像において上記動いている対象物を発見する手段、
上記複数の画像それぞれに対する三次元座標を計算する手段、
複数の回転の組の一つの回転の組によって複数の画像のうちの基準画像を回転する手段、
上記回転された基準画像を上記複数の画像のターゲット画像にスケーリングする手段、
上記回転された基準画像をスコアを得るように上記ターゲット画像に相関させる手段、および、
上記動いている対象物の少なくとも一つの特徴を決定するよう上記複数の回転の組の最大の回転の組を利用する手段を含む、測定システム。 - 上記カメラの視野における各ピクセルに対するx,y座標を決定するために上記カメラを較正する手段を更に有する、請求項11に記載の測定システム。
- 上記カメラを較正する手段が、第1の位置に配置されるターゲットの画像を上記カメラの画像面にマッピングして上記第1の位置における上記画像面の各ピクセルに対する(x,y)座標を得、第2の位置に配置される上記ターゲットの画像を上記画像面にマッピングして上記第2の位置における上記画像面の上記各ピクセルに対する(x,y)座標を得る手段を含む、請求項12に記載の測定システム。
- 上記カメラの視野と交差するよう空間的に較正される構造化された光源を更に有し、上記複数の画像の少なくとも一つが上記構造化された光源によって照射される、請求項11に記載の測定システム。
- 上記動いている対象物の少なくとも一つの特徴を出力する表示部を更に有する、請求項11に記載の測定システム。
- 少なくとも一つのオプショナル装置を接続するために上記プロセッサに結合される少なくとも一つの入力/出力ポートを更に有する、請求項11に記載の測定システム。
- 上記少なくとも一つのオプショナル装置が、上記動いている対象物の上記少なくとも一つの特徴を送信するラジオ周波数送受信機である、請求項12に記載の測定システム。
- ボールのスピン軸および回転を決定する方法であって、
a.少なくとも基準ボール画像およびターゲットボール画像を捕捉するステップと、
b.上記基準ボール画像および上記ターゲットボール画像のリアルワールド座標を決定するステップと、
c.上記リアルワールド座標を用いて上記回転の第1の組によって上記基準ボール画像を標準ビューに回転するステップと、
d.トライアル回転の第2の組によって上記基準ボール画像を回転するステップと、
e.上記ターゲットボール画像の標準ビューに対応する回転の第3の組によって上記基準ボール画像を回転するステップと、
f.上記基準ボール画像を上記ターゲットボール画像にスケーリングするステップと、
g.複数のスコアの一つのスコアを得るよう上記基準ボール画像を上記ターゲットボール画像に相関するステップと、
h.上記複数のスコアの最大のスコアを得るため段階的に改良するようにステップc乃至gを繰り返すステップと、を有する方法。 - 上記基準ボール画像および上記ターゲットボール画像からグリントを除去するステップを更に有する、請求項18に記載の方法。
- 上記複数の画像を照明正規化するステップを更に有する請求項18に記載の方法。
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