JP4187901B2

JP4187901B2 - 球体の回転運動計測方法及び計測装置

Info

Publication number: JP4187901B2
Application number: JP2000117561A
Authority: JP
Inventors: 健朝倉
Original assignee: Ｓｒｉスポーツ株式会社
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: US6834129B2; JP2001304830A; US20010043757A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばゴルフボール、テニスボール等の球体の回転運動計測方法と、この計測方法に用いられる計測装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ゴルフボールがゴルフクラブで打撃されると、いわゆるバックスピンを伴って飛行する。このバックスピンは、水平であって打撃方向と直交する方向（以下、「ｚ方向」と称される）を軸とする回転である。バックスピンによってゴルフボールに揚力が働き、この揚力がゴルフボールの飛距離を増大させる。またゴルフボールは、いわゆるサイドスピンを伴って飛行することもある。このサイドスピンは、鉛直方向（以下、「ｙ方向」と称される）を軸とする回転である。このサイドスピンにより、ゴルフボールが左に曲がったり（右利きゴルファーにとってのドローボール）、右に曲がったり（右利きゴルファーにとってのフェードボール）する。さらにゴルフボールは、水平であって打撃方向と同一方向（以下、「ｘ方向」と称される）を軸とする回転を伴って飛行することもある。
【０００３】
ゴルファーのスイングフォームの診断には、打球の回転速度（回転角度の測定によって得られる）の計測が有効である。また、ゴルフボールやゴルフクラブの評価においても打球の回転速度の計測は有効であり、ゴルフボール及びゴルフクラブの開発段階では回転速度の計測が不可避となっている。
【０００４】
特許第２８１０３２０号公報には、飛行中のゴルフボールを一方向（通常はｚ方向）から所定時間を隔てて２回撮影し、得られた２枚の静止画像から各軸周りの回転角度を算出する計測方法が開示されている。この計測方法では、ゴルフボール表面に印された３点の認識マークを第一静止画像及び第二静止画像から読みとり、これに基づいて回転角度が計算される。この計測方法では、認識マークの読みとりは、主として手作業で行われる。なぜならば、第一静止画像に現れた３点の認識マークと第二静止画像に現れた３点の認識マークとをそれぞれ１対１で対応させる作業の自動化が困難だからである。
【０００５】
特開２０００−１９１８６号公報には、認識マークとして二等辺三角形が用いられたゴルフボールの回転運動測定方法が開示されている。二等辺三角形は方向性を備えているので、この二等辺三角形から得られる方向情報に基づき、２枚の静止画像間のそれぞれの測定点（二等辺三角形の３つの頂点）が１対１で対応され得る。従って、画像処理による回転角度の自動計測が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報における認識マークはゴルフボールの直径に対して小さく、測定点同士が近いので、測定点の読み取り誤差が生じた場合に、この誤差に起因する回転角度の誤差が大きくなってしまう。誤差の抑制のためには二等辺三角形が十分大きくされる必要があるが、二等辺三角形が大きいとサイドスピンがかかった場合に二等辺三角形の一部が静止画像に撮影されなくなり、測定点の不足、認識マークの形状誤認識等が生じて回転角度の計測が不可能となってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、回転運動の自動計測が可能で、しかも複数方向の回転がかかった場合にでも計測不能となることが少ない球体回転運動計測方法の提供を目的とするものである。また、他の発明は、この計測方法に用いられる計測装置の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためになされた発明は、
飛行中の球体を所定時間を隔てて２回撮影し、得られた２枚の静止画像を用いて球体表面の認識マークから画像処理によって球体の回転運動を計測する方法であって、
この認識マークが、方向性を備えた中心マークと、この中心マークを取り囲むように配置された３個以上の回転角度算出マークとからなることを特徴とする計測方法、
である。
【０００９】
また、上記の目的を達成するためになされた他の発明は、
飛行中の球体を撮影する１台又は２台のカメラと、このカメラによって撮影された２枚の静止画像データを記録する記憶手段と、２枚の静止画像データを対比して球体の回転角度を算出する演算手段とを備えた計測装置であって、
回転角度の算出が、方向性を備えた中心マークとこの中心マークを取り囲むように配置された３個以上の回転角度算出マークとからなり球体の表面に印された認識マークに基づいてなされるように構成された計測装置、
である。
【００１０】
これらの発明では、中心マークが方向性を備えているので、この中心マークから、画像処理によってゴルフボール表面の方向情報が得られる。この方向情報が用いられることにより、３個以上設けられた回転角度算出マークのそれぞれが、中心マークとの位置関係において区別される。従って、第一静止画像と第二静止画像とにおいて、それぞれの回転角度算出マークが１対１で対応される。よって、画像処理により回転角度が自動計算され得る。しかも、回転角度算出マークは３個以上設けられているので、例えばサイドスピン多少かかった場合でも、少なくとも２個の回転角度算出マークが静止画像から消えずに残る確率が高くなり、回転角度が計測不能となることが少ない。
【００１１】
好ましくは、回転角度算出マークのそれぞれの中心位置は、中心マークの中心位置から１３ｍｍ以上１７ｍｍ以下の領域内に存在する。これにより、サイドスピン等によって計測不能となることがより抑制されるとともに、回転角度の測定精度が向上する。
【００１２】
好ましくは、長方形とこの長方形から離間して長方形の１つの短辺に隣接する円とから、中心マークが構成される。この中心マークは比較的シンプルな形状の組み合わせからなるので、画像処理による形状認識が容易である。従って、中心マークの位置の認識、方向に関する情報等の精度が高まる。
【００１３】
この計測方法は、
２枚の静止画像のそれぞれにおいて中心マークを認識するステップと、
中心マークから得られる方向情報に基づき、それぞれの静止画像において回転角度算出マーク同士を区別して認識するステップと、
一方の静止画像の回転角度算出マークと他方の静止画像の回転角度算出マークとの対応から、回転角度の算出に用いられる回転角度算出マークを決定するステップと、
決定された回転角度算出マークから球体の回転角度を算出するステップと
を含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面が参照されつつ、本発明の実施形態が説明される。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態にかかる回転運動計測装置が示された斜視図である。この図には、ビーム発射体１及びビーム受光体３からなるセンサと、ティ５と、ティ５に載置されたゴルフボール７と、第一カメラ９と、第二カメラ１１とが示されている。ゴルフボール７の表面には、後に詳説される認識マークが印されている。図１の右から左への方向が、ゴルフボール７の打撃方向（ｙ方向）である。
【００１６】
ゴルフボール７がゴルフクラブで打撃されて発射されると、その直後に第一カメラ９及び第二カメラ１１がゴルフボール７を撮影する。撮影は、ゴルフクラブのヘッドの通過をセンサが検知した後、所定時間経過後に行われる。第二カメラ１１による撮影は、第一カメラ９による撮影よりも遅れてなされる。すなわち、第一カメラ９及び第二カメラ１１によって、飛行中のゴルフボール７についての、所定時間を隔てた２枚の静止画像が得られる。この静止画像のデータは、図示されないコンピュータの記憶手段（例えばＲＡＭ）に記憶される。この画像データは演算手段（例えばＣＰＵ）によって対比され、後に詳説されるようにゴルフボール７の回転角度が計算される（いわゆる画像処理）。
【００１７】
図１では、第一カメラ９及び第二カメラ１１による撮影は、ｚ方向からなされている。これは、ゴルフボール７では、ｚ方向を軸とする回転（バックスピン）の速度が他の方向を軸とする回転の速度に比べてはるかに大きいからである。もちろん、状況に応じ、ｘ方向又はｙ方向から撮影が行われてもよい。第一カメラ９及び第二カメラ１１の種類は特には制限されないが、特にＣＣＤカメラが好適である。また、カメラが１台のみとされ、このカメラによって撮影が２度行われてもよい。さらに、センサとして、ビーム発射体１及びビーム受光体３からなるものに代えて、例えば音響センサ等が用いられてもよい。
【００１８】
図２（ａ）は第一カメラ９によって撮影された第一静止画像が示された正面図であり、図２（ｂ）は第二カメラ１１によって撮影された第二静止画像が示された正面図である。これらの図に示されているように、ゴルフボール７の表面には黒色に塗りつぶされた認識マークが印されている。なお、ゴルフボール７の表面には通常ディンプルが形成されているが、図２ではディンプルの図示は省略されている。
【００１９】
認識マークは、中心マーク１３と回転角度算出マーク１５とからなる。中心マーク１３は、黒色に塗りつぶされた長方形１７と、黒色に塗りつぶされた円１９とからなる。長方形１７と円１９とは離間しており、円１９は長方形１７の１つの短辺に隣接している。すなわち、中心マーク１３はアルファベットの「ｉ」に類似の形状である。中心マーク１３は「ｉ」に類似の形状には限られず、方向性を備えているマークであれば足りる。本明細書において「方向性を備えているマーク」とは、その中心を軸として回転された場合に、３６０度（ｄｅｇ）回転されて初めて元の形状と重なるマークを意味する。従って、例えば円や正多角形のみからなるマークは、方向性を備えたマークとはいえない。また、菱形や平行四辺形のみからなるマークも、これらは１８０度回転対称であるので、方向性を備えたマークとはいえない。方向性を備えている他のマークとしては、例えば二等辺三角形（二等辺三角形の概念には正三角形も含まれるがここでは省かれる）、台形（台形の概念には平行四辺形、菱形、長方形及び正方形も含まれるが、ここでは省かれる）等が挙げられる。また、方向性を備えていないマークが２以上組み合わされて３６０度対称とされた場合も、全体としては方向性を備えてたマークとなる。但し、画像処理による方向情報が得られやすく、しかも中心位置の決定が容易であるという理由から、図２に示されたような「ｉ」に類似の形状が好ましい。
【００２０】
回転角度算出マーク１５は、中心マーク１３を取り囲むように４個設けられている。この回転角度算出マーク１５は、塗りつぶされた円である。なお、図２では球であるゴルフボール７が平面に投影された状態が撮影されているので、円である回転角度算出マーク１５が楕円として画かれている。もちろん、円以外の、例えば正多角形等が回転角度算出マーク１５とされてもよい。
【００２１】
回転角度が計算されるには、まず、中心マーク１３から画像処理によって方向情報が得られる。例えば、図２（ａ）の第一静止画像において上向き方向が基準方向とされる。この基準方向との関係により、４個の回転角度算出マーク１５それぞれが、他の回転角度算出マーク１５と区別される。同様の区別は、図２（ｂ）の第二静止画像においてもなされる。これにより、第一静止画像と第二静止画像との間において、個々の回転角度算出マーク１５が１対１で対応される。次に、中心マーク１３及び４個の回転角度算出マーク１５から、回転角度の計算に用いられるいくつか（例えば３点）のマークが決定される。そして、決定されたマークについて画像処理で読みとられた中心位置に基づいてベクトル計算がなされ、ゴルフボール７の回転角度が求められる。この回転角度及び第一静止画像と第二静止画像との間の時間から、回転速度が算出される。
【００２２】
図３は、他の静止画像が示された正面図である。図２では、ゴルフボール７にバックスピンのみがかかっており、従ってゴルフボール７は反時計回りにのみ回転しているが、この図３では、バックスピントともにサイドスピン（右利きゴルファーにとってドローボールとなるサイドスピン）もかかっている。サイドスピンの影響により、４個の回転角度算出マーク１５のうちの１個が、静止画像に撮影されていない。しかし、３個の回転角度算出マーク１５及び中心マーク１３は撮影されているので、画像処理による回転角度の計算は可能である。回転角度の計算では、２枚の静止画像に共通して存在する回転角度算出マーク１５が用いられる。ベクトル計算により、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のそれぞれを軸とする回転角度が算出される。もちろん、いずれか一方向を軸とする回転角度のみが算出されてもよく、また、任意の２方向についての回転角度が算出されてもよい。
【００２３】
サイドスピンによって回転角度の計算が不可能となることを抑制するため、回転角度算出マーク１５は３個以上設けられる必要があり、特に４個以上が好ましい。また、回転角度算出マーク１５が多すぎると回転角度算出マーク１５の相互で画像処理による区別が困難となるので、回転角度算出マーク１５は６個以下が好ましい。
【００２４】
回転角度算出マーク１５が、中心マーク１３の中心（図２（ａ）において円１９の最上点と長方形１７の下側短辺の中点とを結ぶ線分の中点）から１３ｍｍ以上１７ｍｍ以下、特には１４ｍｍ以上１６ｍｍ以下の領域内に存在するのが好ましい。回転角度算出マーク１５がこの領域よりも中心マーク１３寄りであると、中心マーク１３と回転角度算出マーク１５との画像処理による区別が困難となったり、回転角度の測定誤差が大きくなってしまうことがある。逆に、回転角度算出マーク１５がこの領域よりも外側寄りであると、回転角度算出マーク１５の画像処理による認識が困難となってしまうことがあり、特にサイドスピンが大きいときにこの傾向が助長される。なお、回転角度算出マーク１５が上記領域内にあるということは、回転角度算出マーク１５の中心が上記領域内であることを意味する。また、中心マーク１３と回転角度算出マーク１５との距離は、中心マーク１３が正面とされたときの投影平面上（すなわち静止画像上）で測定される。ゴルフボール７の表面は球なので、この球面上の距離は投影距離よりも大きくなる。
【００２５】
各回転角度算出マーク１５は、なるべく等間隔で設けられるのが好ましい。これにより、静止画像に撮影される回転角度算出マーク１５の数が不足してしまうことがより抑制される。具体的には、回転角度算出マーク１５が３個の場合は、隣接する回転角度算出マーク１５同士は６０度以上１８０度以下、特には９０度以上１５０度以下（理想的には１２０度）の中心角度間隔で設けられるのが好ましい。また、回転角度算出マーク１５が４個の場合は、隣接する回転角度算出マーク１５同士は４５度以上１３５度以下、特には６８度以上１１３度以下（理想的には９０度）の中心角度間隔で設けられるのが好ましい。また、回転角度算出マーク１５が５個の場合は、隣接する回転角度算出マーク１５同士は３６度以上１０８度以下、特には５４度以上９０度以下（理想的には７２度）の中心角度間隔で設けられるのが好ましい。さらに、回転角度算出マーク１５が６個の場合は、隣接する回転角度算出マーク１５同士は３０度以上９０度以下、特には４５度以上７５度以下（理想的には６０度）の中心角度間隔で設けられるのが好ましい。なお、中心角度間隔は、中心マーク１３が正面とされたときの投影平面上で測定される。
【００２６】
中心マーク１３が「ｉ」に類似の形状とされる場合、その円１９の直径は２ｍｍ以上４ｍｍ以下、特には２．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下が好ましい。直径が上記範囲未満であると、ゴルフボール７に付着した汚れ等と中心マーク１３との区別が困難となってしまうことがある。逆に、直径が上記範囲を超えると、特に静止画像の周縁近くに円１９が位置した際に画像処理による円１９の中心の認識が困難となってしまうことがある。また、長方形１７の短辺は円１９の直径の０．２倍以上１．０倍以下、特には０．５倍以上０．９倍以下が好ましい。短辺が上記範囲未満であると、画像処理による中心マーク１３の認識が困難となってしまうことがある。逆に、短辺が上記範囲を超えると、光の反射等の原因で長方形１７の一部が欠けた画像となった場合に、画像処理において長方形として認識されなくなってしまうことがある。また、長方形１７の長辺は４ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特には６ｍｍ以上９ｍｍ以下が好ましい。長辺が上記範囲未満であると、画像処理において長方形として認識されなくなってしまうことがある。逆に、長辺が上記範囲を超えると、長方形１７と回転角度算出マーク１５との組み合わせが「ｉ」に類似の形状と認識され、基準方向が誤って判定されてしまうことがある。なお、中心マーク１３の寸法は、この中心マーク１３が正面とされたときの投影平面上で測定される。
【００２７】
回転角度算出マーク１５が円である場合、その直径は２ｍｍ以上４ｍｍ以下、特には２．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下が好ましい。直径が上記範囲未満であると、ゴルフボール７に付着した汚れ等と回転角度算出マーク１５との区別が困難となってしまうことがある。逆に、直径が上記範囲を超えると、特に静止画像の周縁近くに回転角度算出マーク１５が位置した際に画像処理による回転角度算出マーク１５の中心の認識が困難となってしまうことがある。なお、回転角度算出マーク１５の寸法は、この回転角度算出マーク１５が正面とされたときの投影平面上で測定される。
【００２８】
図２及び図３では、中心マーク１３及び回転角度算出マーク１５が黒色に塗りつぶされているが、塗りつぶしの色は、ゴルフボール７の表面と区別されうるものであれば何色でも構わない。通常ゴルフボール７は白色なので、黒色、又は白との明度差が大きな無彩色若しくは有彩色が用いられる。マークの色は、ゴルフボール７の表面との明度差が１０以上のものが好ましい。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきでないことはもちろんである。
【００３０】
［実施例１］
図２及び図３に示されるような、長方形及び円から構成された「ｉ」に類似の形状の中心マークとこの中心マークを取り囲むように９０度間隔で配置された４個の円形の回転角度算出マークとからなる認識マークを、ゴルフボールの表面に印した。中心マークの中心位置と回転角度算出マークの中心位置との距離を１５ｍｍとし、回転角度算出マークの直径を３ｍｍとした。また、中心マークの円の直径を３ｍｍとし、長方形の短辺を２．１ｍｍとし、長辺を７ｍｍとし、円と長方形との間隙の距離を２ｍｍとした。このゴルフボールをスイングロボットに取り付けられたゴルフクラブ（Ｗ１）で打撃し、図１に示されるような計測装置で撮影し、２枚の静止画像を得た。これらの静止画像から、バックスピン及びサイドスピンの回転角度を画像処理により算出した。この算出を、１０個のゴルフボールを１０回ずつ打撃して、合計で１００回繰り返した。なお、バックスピンの回転速度が約３０００ｒｐｍ、サイドスピンの回転速度が約２００ｒｐｍとなるように、スイングロボットの条件を調整した。計測に際し、以下の（１）から（３）の項目について評価した。これらの評価結果が、下記の表１に示されている。
【００３１】
(1) マーク消えの発生率
画像処理が不可能な程度にまで認識マークの一部が撮影されていない静止画像が得られた比率を求めた。
(2) 回転角度算出マークの認識不良率
画像処理による回転角度算出マークの認識不良が発生した比率を求めた。認識不良は、回転角度算出マークが周縁に写ることにより扁平となって存在が認識されなかった場合、及び繰り返し打撃でゴルフボール表面に付着した汚れが回転角度算出マークと誤認識された場合に生じた。
(3) 中心マークの認識不良率
画像処理による中心マークの認識不良が発生した比率を求めた。認識不良は、隣接する回転角度算出マークが中心マークの一部と誤認識された場合に生じた。
【００３２】
［実施例２から４］
中心マークの中心位置と回転角度算出マークの中心位置との距離を下記の表１に示される値とした他は実施例１と同様にして、回転角度を計測した。計測に際し、実施例１と同様の評価を行った。これらの評価結果が、下記の表１に示されている。
【００３３】
［実施例５及び６］
回転角度算出マークの直径を下記の表１に示される値とした他は実施例１と同様にして、回転角度を計測した。計測に際し、実施例１と同様の評価を行った。これらの評価結果が、下記の表１に示されている。
【００３４】
［比較例］
認識マークを、底辺が２４ｍｍで、２個の斜辺が３５ｍｍの二等辺三角形とした他は実施例１と同様にして、回転角度を計測した。計測に際し、実施例１と同様の評価を行った。これらの評価結果が、下記の表１に示されている。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１において、各実施例の計測方法では、比較例の計測方法に比べてマーク消えの発生率が少ない。これは、回転角度算出マークが３個以上存在するため、一部が静止画像に撮影されなくても残りの回転角度算出マークと中心マークとで回転角度の算出ができるためである。この評価結果より、本発明の優位性が確認された。
【００３７】
以上ゴルフボールが一例とされて本発明の回転運動計測方法が説明されたが、本発明は例えばテニスボール等の、回転しつつ飛行する全ての球体の計測に用いられ得る。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明の回転運動計測方法及び計測装置によれば、回転運動の自動計測が可能である。しかも、複数方向の回転がかかった場合にでも計測不能となることが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる回転運動計測装置が示された斜視図である。
【図２】図２（ａ）は第一カメラによって撮影された第一静止画像が示された正面図であり、図２（ｂ）は第二カメラによって撮影された第二静止画像が示された正面図である。
【図３】図３は、他の静止画像が示された正面図である。
【符号の説明】
１・・・ビーム発射体
３・・・ビーム受光体
５・・・ティ
７・・・ゴルフボール
９・・第一カメラ
１１・・・第二カメラ
１３・・・中心マーク
１５・・・回転角度算出マーク
１７・・・長方形
１９・・・円

Claims

飛行中の球体を所定時間を隔てて２回撮影し、得られた２枚の静止画像を用いて球体表面の認識マークから画像処理によって球体の回転運動を計測する方法であって、
この認識マークが、方向性を備えた中心マークと、この中心マークを取り囲むように配置された３個以上の回転角度算出マークとからなることを特徴とする計測方法。
上記回転角度算出マークのそれぞれの中心位置が、中心マークの中心位置から１３ｍｍ以上１７ｍｍ以下の領域内に存在している請求項１に記載の計測方法。
上記中心マークが、長方形と、この長方形から離間して長方形の１つの短辺に隣接する円とから構成されている請求項１又は請求項２に記載の計測方法。
２枚の静止画像のそれぞれにおいて中心マークを認識するステップと、
中心マークから得られる方向情報に基づき、それぞれの静止画像において回転角度算出マーク同士を区別して認識するステップと、
一方の静止画像の回転角度算出マークと他方の静止画像の回転角度算出マークとの対応から、回転角度の算出に用いられる回転角度算出マークを決定するステップと、
決定された回転角度算出マークから球体の回転角度を算出するステップと
を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の計測方法。
飛行中の球体を撮影する１台又は２台のカメラと、このカメラによって撮影された２枚の静止画像データを記録する記憶手段と、２枚の静止画像データを対比して球体の回転角度を算出する演算手段とを備えた計測装置であって、
回転角度の算出が、方向性を備えた中心マークとこの中心マークを取り囲むように配置された３個以上の回転角度算出マークとからなり球体の表面に印された認識マークに基づいてなされるように構成された計測装置。