JP2013009789A - カメラシステム、撮影システム及び撮影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリブレーションを行わずに３次元撮影することができるカメラシステム、撮影システム及び撮影方法を提供する。
【解決手段】第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、ゴルフスイングの３次元映像を取得できるように、所定間隔離間して配置されている。第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、座標が既知の対象物を複数撮影し、座標が既知の対象物の映像を取得して、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂの間の相対的な位置関係の算出（キャリブレーション）が行われており、算出された相対的な位置関係を保持できるように冶具２４で固定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元撮影するカメラシステム、撮影システム及び撮影方法に関する。

ゴルファがゴルフクラブでゴルフボールを打撃するときのスイングフォームは、ゴルフボールをより遠く、かつ、目標位置に正確に飛ばすための重要な要素である。そのため、ゴルファのスイングを、カメラを用いて撮影し、そのスイングの軌跡をディスプレイ画面上に表示することが行われている。
また、ゴルフクラブをスイング中のヘッドの挙動やシャフトの挙動を計測するために、ゴルフスイングを、カメラを用いて撮影し、そのスイングの軌跡をディスプレイ画面上に表示することが行われている。

ところで、２台のカメラを用いて、ゴルフスイングの軌跡を３次元撮影するときには、計測誤差を少なくするために、撮影前に、カメラの相対位置計算のためのキャリブレーションの操作が必要である。３次元撮影では、カメラを設置して撮影する度にキャリブレーションを行う必要があるため、計測に時間がかかるという問題がある。また、３次元撮影では、カメラの設置位置を変えたときは、カメラの相対位置関係がずれる可能性があるため、再度このキャリブレーション行う必要があり、作業効率が落ちるという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、キャリブレーションを行わずに３次元撮影することができるカメラシステム、撮影システム及び撮影方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明のカメラシステムは、複数のカメラと、前記複数のカメラを固定する治具からなり、前記複数のカメラは、キャリブレーションにより算出された各カメラのレンズ光軸間の距離およびレンズ光軸の角度を保持できるように前記治具に固定されていることを特徴とする。

また、第２の発明の撮影システムは、複数のカメラと、前記複数のカメラを固定する治具からなり、前記複数のカメラが、キャリブレーションにより算出された各カメラのレンズ光軸間の距離およびレンズ光軸の角度を保持できるように前記治具に固定されているカメラシステムと、前記複数のカメラから取得した画像からゴルフスイングの軌跡を取得して、表示する計測装置とを備えることを特徴とする。

また、第３の発明のゴルフスイングの撮影方法は、複数のカメラと、前記複数のカメラを固定する治具からなり、前記複数のカメラが、キャリブレーションにより算出された各カメラのレンズ光軸間の距離およびレンズ光軸の角度を保持できるように前記治具に固定されているカメラシステムを用いて撮影するゴルフスイングの撮影方法であって、
前記複数のカメラのレンズ光軸を含む面が、ゴルフクラブをスイングしたときのスイングプレーンに対して垂直となるように前記カメラシステムを配置して撮影することを特徴とする。

第４の発明は、前記複数のカメラが、水平面に対して１０°〜６０°の傾き角度を有することを特徴とする。

第１の発明によれば、すでにキャリブレーションが行われているので、計測の度にキャリブレーションを行わなくても良い。
第２の発明によれば、すでにキャリブレーションが行われているので、キャリブレーションを行わずに、ゴルフスイングの軌跡を３次元撮影することができる。
第３の発明によれば、複数のカメラのそれぞれのレンズ光軸（撮像素子面に対する垂線）を含む面が、スイングプレーンに対して垂直となるように配置して撮影するので、スイングプレーンの傾きに拘わらず最適な状態でゴルフスイングの軌跡を３次元撮影することができる。
第４の発明によれば、複数のカメラが、水平面に対して１０°〜６０°の傾き角度を有するので、ゴルファやゴルフクラブに対応してゴルフスイングの軌跡を３次元撮影することができる。

本発明による撮影システムの一実施形態を説明する図である。 治具に固定されたカメラを示す図である。 カメラの配置を示す図である。 カメラとスイングプレーンとの位置関係を説明する図である。 カメラの設定角度を説明する図である。 ゴルフクラブシャフトの３次元変形解析方法が適用される解析システムの一実施形態を説明する図である。 図６に示す解析システムにおいて使用するゴルフクラブの一例を示す図である。 解析装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 解析装置の動作を説明するフローチャートである。 解析装置による解析結果の一例をイメージ化した図である。 ゴルフクラブシャフトの変形量を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による撮影システムの一実施形態を説明する図である。なお、ここでは、ゴルファがゴルフクラブによりゴルフボールを打撃するときのゴルフスイングを撮影する場合を例にして撮影システムを説明するが、本発明による撮影システムは、野球のバットスイングや、テニスのラケットスイング等を撮影する場合にも、適用できるものである。

図１に示す撮影システム１１は、カメラシステム１５と、計測装置１３（コンピュータ）からなる。カメラシステム１５は、ゴルファがゴルフクラブによりゴルフボールを打撃するときのゴルフスイングをステレオ撮影法により撮影する２台の第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂと、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂを固定する治具２４からなる。計測装置１３は、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂから取得した画像から、ゴルフスイングの軌跡を取得して、表示する。

第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、ゴルフスイングの３次元映像を取得できるように、所定間隔離間して配置されている。また、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、座標が既知の対象物を複数撮影し、座標が既知の対象物の映像を取得して、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂの間の相対的な位置関係の算出（キャリブレーション）が行われており、算出された相対的な位置関係を保持できるように冶具２４で固定されている。

図２は、カメラシステムを示す図であり、図３は、カメラシステムのカメラの配置を示す図である。第１カメラ１２Ａと第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸間の距離を１１００ｍｍとしている。第１カメラ１２Ａと第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸間の距離は、８００〜１５００ｍｍが好ましい。第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、レンズの光軸を、カメラ同士を結ぶ線分に対して直角の方向から内側に１５°回転させた状態で冶具２４に固定されている。第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸を内側に回転させる角度は１０°〜３０°であることが好ましい。

上述したように、本発明の撮影システムに用いられるカメラシステムでは、治具に固定された２台のカメラは、既にキャリブレーションが行われているので、計測の度にキャリブレーションを行わなくても良い。また、２台のカメラは、治具に固定されているので、撮像範囲を調整する際に２台同時に調整可能である。

また、カメラシステム１５は、被験者（ゴルファ）１４によるゴルフスイングを撮像するために、被験者１４が使用するゴルフクラブが、スイング中の各段階（バックスイング、ダウンスイング、フォロースルー）において、撮像できるように、適宜被験者１４から離間して配置される。ここで、上述のように、第１カメラ１２Ａ及び１２Ｂの間の間隔は固定されているため、被験者の身長や体格等に応じて第１カメラ１２Ａ及び１２Ｂと、被験者１４との間隔を適宜調整したとしても、同一平面上で測定したスイング軌跡を比較することができる。

図１では、被験者１４が打撃を行うゴルフボールの中心位置を原点とする。そして、原点を通り、水平面に対して垂直な方向の軸をｚ軸とする。さらに、原点をとおり、被験者１４の両肩を結んだ線に対して垂直であり、かつ水平面上に延在する軸をｘ軸とする。さらに、原点を通り、ｘ軸及びｚ軸に対して垂直な方向（打ち出し方向）の軸をｙ軸とする。

図４は、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂと、ゴルフクラブの部位が描く軌跡がのっている平面（スイングプレーン）との位置関係を説明する図である。ゴルフスイング撮影の際は、第１カメラ１２Ａのレンズの光軸（撮像素子面に対する垂線）２２Ａと、第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸（撮像素子面に対する垂線）２２Ｂとを含む面が、計測したいゴルフクラブ２６の部位が描くスイング軌跡２５が乗っている平面（スイングプレーン）２０に対して垂直となるように、カメラシステム１５を被験者１４の正面に配置する。

図５は、カメラの設定角度を説明する図である。図５では、スイングプレーン２０が、ゴルフボール２１の位置において、水平面２３に対して平均で４８°傾いているとき、カメラのレンズの光軸（撮像素子面に対する垂線）２２Ａ、２２Ｂを含む面が、スイングプレーン２０に対して垂直となるようにすると、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、水平面２３に対して平均で４２°傾けることになることを示している。スイングプレーン２０の水平面２３に対する角度は、被験者（ゴルファ）１４によって、また、ゴルフクラブによって異なる。スイングプレーン２０の水平面２３に対する角度が３０°〜８０°であるとすると、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂの水平面２３に対する傾き角度は、１０°〜６０°であることが好ましい。

なお、上述した実施形態では、キャリブレーションを行ったカメラ２台で、ゴルフスイングの軌跡を撮影したが、カメラ３台以上を治具２４に固定し、キャリブレーションを行って、３台以上のカメラでゴルフスイングの軌跡を撮影するようにしても良い。

次に、上述したカメラシステムを用いた例としてゴルフクラブシャフトの３次元変形解析方法について説明する。

ゴルフクラブシャフトは、スイング中に撓り（変形）を生ずる。ゴルフクラブシャフトは、バックスイングからダウンスイングに至る間に、ヘッドがダウンスイングの方向に対して遅れるように撓り、この撓りがゴルフボールの打撃時に解放されることにより、ゴルフボールを遠くに飛ばすことができる。したがって、シャフトの撓りが、打ち出されたゴルフボールの飛距離に影響するため、ゴルフクラブシャフトの撓り測定することは極めて重要である。以下に説明するゴルフクラブシャフトの３次元変形解析方法は、ゴルフクラブシャフトの変形を詳細に解析できる方法を提供するものである。

図６は、ゴルフクラブシャフトの３次元変形解析方法が適用される解析システムの一実施形態を説明する図である。図６に示す解析システム３１は、カメラシステム１５と、解析装置３３（コンピュータ）からなる。

カメラシステム１５は、ゴルファがゴルフクラブによりゴルフボールを打撃するときのゴルフスイングをステレオ撮影法により撮影する２台の第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂと、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂを固定する治具２４からなる。解析装置３３は、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂから取得した画像から、ゴルフクラブの撓りを解析する。

第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、被験者（ゴルファ）１４によるゴルフスイングを撮像する。第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、ゴルフスイング軌跡を３次元計測するための映像を取得できるように、所定間隔離間して配置されている。これらの第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、ゴルフスイングの映像を取得した後に、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂの間の相対的な位置関係を容易に算出可能として、ゴルフスイング軌跡の３次元計測が容易になるように冶具２４で固定されている。

第１カメラ１２Ａと第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸間の距離は、図２に示すように、１１００ｍｍとしている。第１カメラ１２Ａと第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸間の距離は、８００〜１５００ｍｍが好ましい。第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂは、レンズの光軸を、図３に示すように、カメラ同士を結ぶ線分に対して直角の方向から内側に１５°回転させた状態で冶具２４に固定されている。第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂのレンズの光軸を内側に回転させる角度は１０°〜３０°であることが好ましい。

また、カメラシステム１５は、被験者（ゴルファ）１４によるゴルフスイングを撮像するために、被験者１４が使用するゴルフクラブが、スイング中の各段階（バックスイング、ダウンスイング、フォロースルー）において、撮像できるように、適宜被験者１４から離間して配置される。ここで、上述のように、第１カメラ１２Ａ及び１２Ｂの間の間隔は固定されているため、被験者の身長や体格等に応じて第１カメラ１２Ａ及び１２Ｂと、被験者１４との間隔を適宜調整したとしても、同一平面上で測定したスイング軌跡を比較することができる。

図６では、被験者１４が打撃を行うゴルフボールの中心位置を原点とする。そして、原点を通り、水平面に対して垂直な方向の軸をｚ軸とする。さらに、原点をとおり、被験者１４の両肩を結んだ線に対して垂直であり、かつ水平面上に延在する軸をｘ軸とする。さらに、原点を通り、ｘ軸及びｚ軸に対して垂直な方向の軸をｙ軸とする。ｙ軸方向は、ゴルフスイングによりボールを打ち出す方向に略対応するため、以下、「打ち出し方向」とも称する。

撮影範囲は、ゴルフボールを中心にして前方０．２ｍから後方１．０ｍ（打ち出し方向）の範囲と、ゴルフボールを中心にしてボール中心でゴルファの正面方向０．１ｍからゴルファの正面逆方向０．４ｍ（ゴルファーの体に対して垂直方向）の範囲である。また、第１カメラ１２Ａ及び１２Ｂの撮影速度（秒間撮像フレーム数）は１００００ｆｐｓである。

図７は、図６に示す解析システムにおいて使用するゴルフクラブの一例を示す図である。図６に示す被験者１４は、このゴルフクラブ（以下、「計測用クラブ」と称する）を用いてスイングを行う。そして、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂはその映像を取得する。計測用クラブは、グリップ３６付近のシャフト３４上に、追跡用のマーカー１が設けられ、さらに、ゴルフボールを打撃する部分であるゴルフクラブヘッド３５に向かってシャフト３４上に所定間隔（約２０ｃｍ）でマーカー２〜５が設けられている。追跡用のマーカーは、ゴルフクラブの軌跡を追いたい点に３点以上設けられることが好ましい。このマーカーは、例えば、白色の反射テープ、球形マーカー、反射マーカーなどを付したものであり、ゴルフスイングの撮影時には、黒背景で撮影を行うことにより、画像処理によって、マーカーの軌跡を容易に追跡することができる。

図８は、解析装置の概略構成を示す機能ブロック図である。解析装置３３は、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂから、インタフェース（Ｉ／Ｆ）２９Ａ及び２９Ｂを介してゴルフスイングの映像を取得し、演算を行う演算部１６と、解析装置３３全体を制御する制御部１７と、演算部１６による演算結果や、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂから取得した映像を表示する表示部１８と、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂから取得したスイング画像データを格納する記憶部１９とを備える。演算部１６は、３次元座標算出部２７と、マーカー変位量決定部２８とを備える。３次元座標算出部２７は、記憶部１９から取得したスイング画像データから各マーカーの３次元座標を算出し、２つのマーカーを結ぶ直線を基準ベクトルとする。マーカー変位量決定部２８は、基準ベクトルの延長線とマーカーとの距離を算出する。なお、３次元座標算出部２７、マーカー変位量決定部２８は、ソフトウェアプログラムを実行することによって実現される。

図９は、解析装置の動作を説明するフローチャートである。また。図１０は、解析装置による解析結果の一例をイメージ化した図であり、図７に示すマーカー１〜５が設けられた計測用クラブを、被験者１４がスイングしたときの状態を第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂで撮影したとき映像を示している。

演算部１６の３次元座標算出部２７は、第１カメラ１２Ａ及び第２カメラ１２Ｂがステレオ撮影した映像のスイング画像データからマーカー１〜５の３次元座標を算出し（Ｓ１０１）、シャフト３４の実質上撓りが生じないグリップ３６近くのマーカー１とマーカー２を結ぶ線分を基準ベクトルとする（Ｓ１０２）。次に、演算部１６のマーカー変位量決定部２８は、マーカー３から基準ベクトルの延長線上に垂線を下ろしたときの垂線と延長線との交点を求める（Ｓ１０３）。ｐ_３は、マーカー３から基準ベクトルの延長線上に垂線を下ろしたときの垂線と延長線との交点であり、ｐ_４は、マーカー４から基準ベクトルの延長線上に垂線を下ろしたときの垂線と延長線との交点であり、ｐ_５は、マーカー５から基準ベクトルの延長線上に垂線を下ろしたときの垂線と延長線との交点である。また、ｌ_３は、マーカー１とｐ_３との間の距離（ベクトル）であり、ｌ_４は、マーカー１とｐ_４との間の距離（ベクトル）であり、ｌ_５は、マーカー１とｐ_５との間の距離（ベクトル）である。次に、マーカー変位量決定部２２は、ベクトル計算により距離ｄ_３〜ｄ_５を求める（Ｓ１０４）。ｄ_３は、マーカー３と交点ｐ_３との間の距離（ベクトル）であり、ｄ_４は、マーカー４と交点ｐ_４との間の距離（ベクトル）であり、ｄ_５は、マーカー５と交点ｐ_５との間の距離（ベクトル）である。このｄ_３〜ｄ_５がゴルフクラブシャフトの変形量（撓り）となる。

図１１は、ゴルフクラブシャフトの変形量を示す図である。縦軸は、基準ベクトル延長線上でのマーカー１からの距離ｌｎを表しており、横軸は、基準ベクトル延長線に直交する平面上での基準ベクトル延長線からの距離（絶対値）ｄｎを表している。図１０には、基準ベクトル延長線上でのマーカー１〜５のマーカー１からの距離ｌｎと、マーカー１〜５の、方向成分を含まない、基準ベクトル延長線までの距離ｄｎ（絶対値）が示されており、この図から、３次元でのゴルフクラブシャフトの変形量（撓り）を解析でき、剛性分布等の解析が可能となる。また、その被験者（ゴルファ）１４に最適なゴルフクラブシャフトの選択等が可能となる。

１〜５ マーカー
１１ 撮影システム
１２ カメラ
１３ 計測装置
１４ 被験者
１５ カメラシステム
１６ 演算部
１７ 制御部
１８ 表示部
１９ 記憶部
２０ スイングプレーン
２１ ゴルフボール
２２ 垂線
２３ 水平面
２４ 治具
２５ スイング軌跡
２６ ゴルフクラブ
２７ ３次元座標算出部
２８ マーカー変位量決定部
２９ インタフェース
３１ 解析システム
３３ 解析装置
３４ シャフト
３５ ゴルフクラブヘッド
３６ グリップ

Claims (4)

1. 複数のカメラと、
   前記複数のカメラを固定する治具からなり、
   前記複数のカメラは、キャリブレーションにより算出された各カメラのレンズ光軸間の距離およびレンズ光軸の角度を保持できるように前記治具に固定されていることを特徴とするカメラシステム。
2. 複数のカメラと、前記複数のカメラを固定する治具からなり、前記複数のカメラが、キャリブレーションにより算出された各カメラのレンズ光軸間の距離およびレンズ光軸の角度を保持できるように前記治具に固定されているカメラシステムと、
   前記複数のカメラから取得した画像からゴルフスイングの軌跡を取得して、表示する計測装置と、
   を備えることを特徴とする撮影システム。
3. 複数のカメラと、前記複数のカメラを固定する治具からなり、前記複数のカメラが、キャリブレーションにより算出された各カメラのレンズ光軸間の距離およびレンズ光軸の角度を保持できるように前記治具に固定されているカメラシステムを用いて撮影するゴルフスイングの撮影方法であって、
   前記複数のカメラのレンズ光軸を含む面が、ゴルフクラブをスイングしたときのスイングプレーンに対して垂直となるように前記カメラシステムを配置して撮影することを特徴とするゴルフスイングの撮影方法。
4. 前記複数のカメラは、水平面に対して１０°〜６０°の傾き角度を有することを特徴とする請求項３に記載のゴルフスイングの撮影方法。

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