JP4226415B2 - ボール弾道計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、飛行するボールの弾道を計測するための装置に関する。

ゴルフボールは、ゴルフクラブで打撃されることによって飛行する。ゴルフボールの弾道が計測されれば、ゴルフボールの性能評価、ゴルフクラブの性能評価及びゴルファーのスイングフォームの診断に有用である。

特開平６−３２３８５２号公報には、シャッター機能付きのＣＣＤカメラが用いられた計測装置が開示されている。この装置では、ＣＣＤカメラにより撮影された画像データが演算部に取り込まれ、画像処理によって画像フレーム間の変化が多層メモリーに書き込まれる。これによって得られた多層化画像から、ゴルフボールの弾道が計測される。この計測装置では、ゴルフボールの弾道の観察は可能であるが、ゴルフボールの位置座標の時系列データは計測できない。

特開２００１−１４５７１８公報には、発射地点後方のＣＣＤカメラによって得られた画像データと、弾道のサイド（飛行方向と垂直方向）に設置されたＣＣＤカメラによって得られた画像データとに基づき、ゴルフボールの弾道が計測される装置が開示されている。この装置では、サイドに設置されるＣＣＤカメラが多数台必要である。しかも、この装置で精度よく弾道が計測されるには、サイドに設置されるＣＣＤカメラとゴルフボールとの距離が十分大きくされる必要がある。一般のゴルフ場やゴルフ用品メーカーの試験場では、打撃方向の距離は長いがサイドスペースは狭い。この装置の設置には、制約が多い。

特開２００３−４２７１６公報には、飛行するボールを後方から撮影するためのＣＣＤカメラとこのボールを前方から撮影するためのＣＣＤカメラとを備え、これらカメラによって得られた画像に基づき、差分法によってボールの座標を算出する装置が開示されている。差分法では、ＣＣＤカメラで得られた画像データに対し、フレーム順に差分ピークホールド処理がなされる。具体的には、あるフレームにおいて前のフレームからの変化が大きな画素メモリーがホールドされる。飛行中のボールは画角内を移動するので、差分ピークホールド処理がなされうる。
特開平６−３２３８５２号公報 特開２００１−１４５７１８公報 特開２００３−４２７１６公報

差分法においてボールの移動方向とカメラの光軸方向とが一致すると、あるフレームにおけるボール位置と次のフレームにおけるボール位置とが一致する。この場合は、差分ピークホールド処理がなされえない。この計測方法では、弾道の一部が計測されない場合がある。

本発明の目的は、飛行するボールの位置座標の時系列データが精度よく計測されうる装置の提供にある。

本発明に係るボール弾道計測装置は、
飛行するボールを後方から撮影するための第一カメラと、
このボールを前方から撮影するための第二カメラと、
第一カメラと第二カメラとを結ぶ線分から離れた位置に存在する第三カメラと、
第一カメラで得られた画像及び第二カメラで得られた画像の対比、並びに第一カメラで得られた画像及び第三カメラで得られた画像の対比により、ボール位置座標の時系列データを算出する演算部とを備える。

他の発明に係るボール弾道計測装置は、
飛行するボールを後方から撮影するための第一カメラと、
このボールを前方から撮影するための第二カメラと、
第一カメラと第二カメラとを結ぶ線分から離れた位置に存在する第三カメラと、
第一カメラで得られた画像及び第二カメラで得られた画像の対比、並びに第三カメラで得られた画像及び第二カメラで得られた画像の対比により、ボール位置座標の時系列データを算出する演算部とを備える。

好ましくは、第一カメラ又は第二カメラの画角の一部と第三カメラの画角の一部とは、重複する。第一カメラ又は第二カメラのボール像と第三カメラでのボール像とに基づいて、第三カメラの画角が第一カメラ又は第二カメラの画角と関連づけられる。

この計測装置では、第一カメラ又は第二カメラによる撮影では差分ピークホールド処理がなされえない範囲が、第三カメラによって撮影される。第一カメラ又は第二カメラを第三カメラが補完することで、広い範囲にわたって精度よく弾道が計測されうる。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態に係るボール弾道計測装置が示された概略構成図である。この装置は、第一カメラ１、第二カメラ２、第三カメラ３、制御部４及び演算部５を備えている。第一カメラ１、第二カメラ２及び第三カメラ３は、シャッター機能付きのＣＣＤカメラである。制御部４及び演算部５は、コンピュータと周辺機器とを含む。制御部４と演算部５とが、同一のコンピュータから構成されてもよい。ボール弾道計測装置が、図示されていない印字部、表示部等を備えてもよい。

制御部４は、ゴルフボールの打撃によって発生したトリガー信号を検知した後、演算部５に対して画像データの記録を開始するように信号を送信する。制御部４はまた、第一カメラ１、第二カメラ２及び第三カメラ３に向けて、同期信号を送信する。この同期信号を受けた第一カメラ１、第二カメラ２及び第三カメラ３によって、同期した複数の画像が得られる。

演算部５は、第一カメラ１、第二カメラ２及び第三カメラ３によって得られた画像データを、フレーム毎に記録する。記録には、タイムプラスＶＴＲ、デジタルディスクレコーダー、動画ボード等が用いられうる。得られたデータは、画像処理に供される。画像処理では、画像データに対して、フレーム順に差分ピークホールド処理が行われる。具体的には、あるフレームの画素のうち前のフレームからの変化が大きな画素のメモリーがホールドされる。ゴルフボール像は背景よりも白く、濃淡判定で最も白い部分となることから、この画像処理によって背景が消去され、ゴルフボール像のみが残存するフレームデータが得られる。

図２は図１の装置によってゴルフボールの弾道が計測される様子が示された模式的側面図であり、図３はその模式的平面図である。これらの図には、ゴルフボールＢ及びこのゴルフボールＢの弾道Ｔが示されている。ゴルフボールＢは、図２及び図３にいて、左から右に向かって飛行する。図２及び図３において符号Ｐｓで示されているのは発射地点であり、Ｐｅで示されているのは落下地点である。

第一カメラ１、第二カメラ２及び第三カメラ３は、水平な地面Ｇに置かれている。第一カメラ１、第二カメラ２及び第三カメラ３は、その光軸が水平方向に対して上向きに傾斜するように設置されている。第一カメラ１は、発射地点Ｐｓのやや後方に位置する。この第一カメラ１は、ゴルフボールＢを後方から撮影する。第二カメラ２は、落下地点Ｐｅの前方に位置する。この第二カメラ２は、ゴルフボールＢを前方から撮影する。第三カメラ３は、落下地点Ｐｅの斜め前方に位置する。この第三カメラ３は、ゴルフボールＢを斜め前方から撮影する。

図２において二点鎖線Ｌ１ａ及びＬ１ｂで囲まれているのは、第一カメラ１の鉛直方向画角である。二点鎖線Ｌ２ａ及びＬ２ｂで囲まれているのは、第二カメラ２の鉛直方向画角である。図３において二点鎖線Ｌ１ｃ及びＬ１ｄで囲まれているのは、第一カメラ１の水平方向画角である。二点鎖線Ｌ２ｃ及びＬ２ｄで囲まれているのは、第二カメラ２の水平方向画角である。二点鎖線Ｌ３ｃ及びＬ３ｄで囲まれているのは、第三カメラ３の水平方向画角である。

図２に示されるように、第一カメラ１の位置を原点とし、第一カメラ１及び第二カメラ２を通過する直線をＸ軸とし、高さ方向をＺ軸とする二次元位置座標が想定される。第一カメラ１と第二カメラ２との距離は、Ｌである。第一カメラ１の位置座標は（０，０）であり、第二カメラ２の位置座標は（Ｌ，０）である。

以下、三角測量法的手法によってゴルフボールＢの位置座標（ｘ，ｚ）が算出される方法が説明される。ゴルフボールＢが発射されると、まず第一カメラ１及び第二カメラ２によってゴルフボールＢが撮影される。撮影により、画像データが得られる。第一カメラ１で得られた画像データと第二カメラ２で得られた画像データとは、対をなす。第一カメラ１によって得られたフレームデータに対して水平走査による白黒判定が行われ、ボール像の画像上の上下位置が検出される。この検出結果並びに第一カメラ１の光軸方向及び画角に基づいて、第一カメラ１の位置におけるゴルフボールＢの仰角θ_１が算出される。同様に、第二カメラ２によって得られたフレームデータに対して水平走査による白黒判定が行われ、ボール像の画像上の上下位置が検出される。この検出結果並びに第二カメラ２の光軸方向及び画角に基づいて、第二カメラ２の位置におけるゴルフボールＢの仰角θ_２が算出される。

ゴルフボールＢから降ろされた垂線の足Ｐｆ、第一カメラ１及びゴルフボールＢを頂点とする三角形から、下記数式（１）が得られる。
tanθ_１＝ｚ／ｘ （１）
一方、ゴルフボールＢから降ろされた垂線の足Ｐｆ、第二カメラ２及びゴルフボールＢを頂点とする三角形から、下記数式（２）が得られる。
tanθ_２＝ｚ／(Ｌ−ｘ) （２）
上記数式（１）及び（２）から、下記数式（３）及び（４）が導出される。
ｘ＝(Ｌ・tanθ_２)／(tanθ_１＋tanθ_２) （３）
ｚ＝(Ｌ・tanθ_１・tanθ_２)／(tanθ_１＋tanθ_２) （４）
第一カメラ１と第三カメラ３との距離Ｌ並びに算出された仰角θ_１及び仰角θ_２が、上記数式（３）及び（４）に代入され、ゴルフボールＢの位置座標（ｘ，ｚ）が算出される。位置座標（ｘ，ｚ）は、ゴルフボールＢの飛行に伴い、時系列データとして得られる。

図２及び図３に示された点Ｐ１、点Ｐ２及びＰ３は、いずれも弾道Ｔの上に位置する。これら３つの点を結ぶ直線は、第二カメラ２の光軸とほぼ一致する。

図４は、第二カメラ２で得られた３つのフレームが重ね合わされた状態が示された模式図である。この図４には、点Ｐ１におけるボール像Ｉ_２１と、点Ｐ２におけるボール像Ｉ_２２と、点Ｐ３におけるボール像Ｉ_２３とが示されている。前述のように点Ｐ１、点Ｐ２及びＰ３を結ぶ直線は第二カメラ２の光軸とほぼ一致するので、ボール像Ｉ_２１、Ｉ_２２及びＩ_２３はほぼ重なる。ボール像Ｉ_２１とボール像Ｉ_２２とが重なっているので、ボール像Ｉ_２１のフレームとボール像Ｉ_２２のフレームとの間では、差分ピークホールド処理がなされえない。同様に、ボール像Ｉ_２２とボール像Ｉ_２３とが重なっているので、ボール像Ｉ_２２のフレームとボール像Ｉ_２３のフレームとの間では、差分ピークホールド処理がなされえない。換言すれば、第一カメラ１及び第二カメラ２が用いられても、点Ｐ１から点Ｐ３までの弾道は計測されえない。

図５は、第三カメラ３で得られた３つのフレームが重ね合わされた状態が示された模式図である。この図５には、点Ｐ１におけるボール像Ｉ_３１と、点Ｐ２におけるボール像Ｉ_３２と、点Ｐ３におけるボール像Ｉ_３３とが示されている。第三カメラ３は第一カメラ１と第二カメラ２とを結ぶ線分から離れているので、ボール像Ｉ_３１とボール像Ｉ_３２との重なりの程度は小さい。ボール像Ｉ_３１のフレームとボール像Ｉ_３２のフレームとの間では、差分ピークホールド処理が可能である。第三カメラ３は第一カメラ１と第二カメラ２とを結ぶ線分から離れているので、ボール像Ｉ_３２とボール像Ｉ_３３とは重なっていない。ボール像Ｉ_３２のフレームとボール像Ｉ_３３のフレームとの間では、差分ピークホールド処理が可能である。換言すれば、点Ｐ１、点Ｐ２及び点Ｐ３でのゴルフボールＢの仰角が、第三カメラ３で得られた画像に基づいて算出されうる。第一カメラ１及び第三カメラ３が用いられることで、三角測量的手法により、点Ｐ１、点Ｐ２及び点Ｐ３でのゴルフボールＢの座標（ｘ、ｚ）が算出される。

図３から明らかなように、第二カメラ２の画角と第三カメラ３の画角とは部分的に重複している。飛行の一時期に、第二カメラ２及び第三カメラ３の両方で同時にボール像が撮影される。第二カメラ２と第三カメラ３とは同期されているので、同時に撮影された画像データにより、第二カメラ２の画角と第三カメラ３の画角との関連づけがなされうる。換言すれば、第二カメラ２の画角内座標と第三カメラ３の画角内座標との対応が、演算手段によって把握される。第二カメラ２での撮影から第三カメラ３での撮影へとリレーがなされることで、弾道Ｔの広範囲にわたって連続した位置座標データが精度よく計測されうる。前述のように画角の関連づけは同時に撮影された画像データに基づいてなされるので、カメラ光軸の設置精度が不十分であっても、高い精度で位置座標（ｘ，ｚ）が算出される。

第二カメラ２と第三カメラ３との距離は、３ｍ以上３０ｍ以下が好ましい。距離が上記範囲未満であると、計測精度が不十分である。この観点から、距離は５ｍ以上がより好ましい。距離が上記範囲を越えると、第三カメラ３の設置に広大なスペースが必要となる。この観点から、距離は２０ｍ以下がより好ましく、１５ｍ以下が特に好ましい。

第三カメラ３が第二カメラ２の上方に設けられてもよい。第三カメラ３が、Ｘ軸上であって第一カメラ１と第二カメラ２とを結ぶ線分から離れた位置に設けられてもよい。

図２及び図３に示された方法では、ゴルフボールＢが目標方向に対して左右に実質的にずれることなく飛行する場合の計測がなされる。飛行が目標方向に対してずれる場合は、左右方向（図３における上下方向）がＹ軸とされる。第一カメラ１におけるゴルフボールＢの仰角がθ_１Ｚとされ、第二カメラ２の位置におけるゴルフボールＢの仰角がθ_２Ｚとされ、第一カメラ１の位置におけるゴルフボールＢの左右方向角がθ_１Ｙとされ、第二カメラ２の位置におけるゴルフボールＢの左右方向角がθ_２Ｙとされる。θ_１Ｚ、θ_２Ｚ、θ_１Ｙ及びθ_２Ｙは、画像データに基づく画像処理によって得られる。ゴルフボールＢの位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、θ_１Ｚ、θ_２Ｚ、θ_１Ｙ及びθ_２Ｙが下記数式（５）、（６）及び（７）に代入されることで得られる。
ｙ＝(Ｌ・tanθ_１Ｙ・tanθ_２Ｙ)／(tanθ_１Ｙ＋tanθ_２Ｙ) （５）
０＝((tanθ_１Ｚ)^２＋(tanθ_２Ｚ)^２)・ｘ^２＋２・(tanθ_２Ｚ)^２・Ｌ・ｘ
＋((tanθ_１Ｚ)^２−(tanθ_２Ｚ)^２)・ｙ^２−(tanθ_２Ｚ)^２・Ｌ^２ （６）
０＝(tanθ_１Ｚ)^２・(ｘ^２＋ｙ^２)−ｚ^２ （７）
この場合も、互いの画角が関連づけされた第二カメラ２及び第三カメラ３によって撮影がリレーされることで、弾道Ｔの広範囲にわたる計測が可能である。

ゴルフボールＢを前方から撮影する３以上のカメラが設けられ、これらで撮影がリレーされてもよい。ゴルフボールＢを後方から撮影する２以上のカメラが設けられ、これらで撮影がリレーされてもよい。

図６は、図１の装置が用いられた他の計測方法が示された模式的平面図である。この例では、第一カメラ１及び第二カメラ２の位置は図３の場合と同等である。第三カメラ３は、第一カメラ１と第二カメラ１とを結ぶ線分から離れて位置している。第三カメラ３は、発射地点Ｐｓに近い。第三カメラ３の光軸は、Ｘ軸に対して傾斜している。第三カメラ３は、ゴルフボールＢを斜め後方から撮影する。第一カメラ１の画角と第三カメラ３の画角とは、関連づけがなされる。

この計測方法では、ゴルフボールＢはまず第三カメラ３及び第二カメラ２で撮影される。第三カメラ３での撮影は、第一カメラ１にリレーされる。その後は、第一カメラ１及び第二カメラ２でゴルフボールＢが撮影される。得られた画像データに基づき、前述の三角測量法的手法によって、ゴルフボールＢの座標位置（ｘ，ｚ）又は（ｘ，ｙ，ｚ）が算出される。この例では、第一カメラ１と第二カメラ１とを結ぶ線分から第三カメラ３が離れているので、ゴルフボールＢの移動方向と第一カメラ１の光軸とがほぼ一致する範囲が第三カメラ３で撮影されうる。

第一カメラ１と第三カメラ３との距離は、３ｍ以上３０ｍ以下が好ましい。距離が上記範囲未満であると、計測精度が不十分である。この観点から、距離は５ｍ以上がより好ましい。距離が上記範囲を越えると、第三カメラ３の設置に広大なスペースが必要となる。この観点から、距離は２０ｍ以下がより好ましく、１５ｍ以下が特に好ましい。

第三カメラ３が第一カメラ１の上方に設けられてもよい。第三カメラ３が、Ｘ軸上であって第一カメラ１と第二カメラ２とを結ぶ線分から離れた位置に設けられてもよい。

本発明に係る計測装置は、テニスボール、野球ボール等の種々のボールの弾道計測に適用されうる。

図１は、本発明の一実施形態に係るボール弾道計測装置が示された概略構成図である。 図２は、図１の装置によってゴルフボールの弾道が計測される様子が示された模式的側面図である。 図３は、図１の装置によってゴルフボールの弾道が計測される様子が示された模式的平面図であ 図４は、第二カメラで得られた３つのフレームが重ね合わされた状態が示された模式図である。 図５は、第三カメラで得られた３つのフレームが重ね合わされた状態が示された模式図である。 図６は、図１の装置が用いられた他の計測方法が示された模式的平面図である。

符号の説明

１・・・第一カメラ
２・・・第二カメラ
３・・・第三カメラ
４・・・制御部
５・・・演算部
Ｂ・・・ゴルフボール
Ｔ・・・弾道

Claims (2)

1. 飛行するボールを後方から撮影するための第一カメラと、
   このボールを前方から撮影するための第二カメラと、
   第一カメラと第二カメラとを結ぶ線分から離れた位置に存在する第三カメラと、
   演算部とを備えており、
   まず第一カメラ及び第二カメラで飛行するボールが撮影され、次に第二カメラでの撮影が第三カメラでの撮影へとリレーされて第一カメラ及び第三カメラで飛行するボールが撮影されるように構成されており、
   第一カメラで得られた画像及び第二カメラで得られた画像に基づき、第一カメラの位置及び第二カメラの位置におけるボールの仰角並びにこれら仰角に基づいて算出されるボールの位置座標が、演算部で算出され、
   第一カメラで得られた画像及び第三カメラで得られた画像に基づき、第一カメラの位置及び第三カメラの位置におけるボールの仰角並びにこれら仰角に基づいて算出されるボールの位置座標が、演算部で得られるボール弾道計測装置。
2. 飛行するボールを後方から撮影するための第一カメラと、
   このボールを前方から撮影するための第二カメラと、
   第一カメラと第二カメラとを結ぶ線分から離れた位置に存在する第三カメラと、
   演算部とを備えており、
   まず第三カメラ及び第二カメラで飛行するボールが撮影され、次に第三カメラでの撮影が第一カメラでの撮影へとリレーされて第一カメラ及び第二カメラで飛行するボールが撮影されるように構成されており、
   第三カメラで得られた画像及び第二カメラで得られた画像に基づき、第三カメラの位置及び第二カメラの位置におけるボールの仰角並びにこれら仰角に基づいて算出されるボールの位置座標が、演算部で算出され、
   第一カメラで得られた画像及び第二カメラで得られた画像に基づき、第一カメラの位置及び第二カメラの位置におけるボールの仰角並びにこれら仰角に基づいて算出されるボールの位置座標が、演算部で得られるボール弾道計測装置。

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