JPH05159058A

JPH05159058A - 動的物体の軌跡解析装置

Info

Publication number: JPH05159058A
Application number: JP3320597A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Segawa; 智子瀬川; Satoshi Naoi; 聡直井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】通常のＴＶカメラなどの入力機器を用いて動
的物体の滑らかな軌跡を得る。【構成】画像入力手段１より移動する対象物体を入力
し、位置計測手段２によって入力した対象物体の重心を
計測する。このようにして計測された重心の時系列を軌
跡の補完手段３で補完して軌跡を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動物体の軌跡を得る
軌跡解析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、人や動物を対象とした歩行解析や
スポーツ分野における人体各部の動きを細かく解析する
技術が開発されつつある。

【０００３】特にスポーツなどのように激しい運動を解
析する場合、高速ビデオカメラにより画像を録画した
後、解析装置で解析する方法が用いられている。図２
は、このような運動解析方式の原理ブロック図である。
まず、対象物体の運動状態を高速ビデオカメラなどの画
像入力機器で読み取る。次に、このように得られた画像
からデジタイザ（画面などの任意の点の位置をデジタル
化した座標値に変換する装置）により運動している対象
物体の軌跡を求め、解析する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した方法は、高速
な動的物体の軌跡を細かく捕えるために、サンプリング
間隔を短くする必要があり、このため、非常な高価な高
速ビデオカメラが必要となる。また、対象物体の位置を
得るために手間のかかるデジタイザを使用しなければな
らず、滑らかな軌跡を得ることが困難であるなど問題が
多い。

【０００５】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、通常のＴＶカメラなどの入力機器を用いて動的
物体の滑らかな軌跡を得ることのできる軌跡解析装置を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
ある。１は移動する対象物体を入力する画像入力手段、
２は入力した対象物体の重心を計測する位置計測手段、
３は計測した重心の時系列を補完して軌跡を算出する軌
跡の補完手段である。

【０００７】また、前記軌跡の補完手段３は、隣接する
重心間の距離を算出し、この距離に応じて重心を間引き
して得た重心列を補完し軌跡を算出するようにする。

【０００８】また、前記間引きするに際し、連続して削
除される重心が所定数以上となるとき、この所定数以下
の重心までを削除するようにし、この所定数目の重心を
補完対象点として用いるようにする。

【０００９】また、前記軌跡の補完手段３は、補完して
得た軌跡の円形度を算出し、この円形度により対象物体
の運動性を評価する。

【００１０】

【作用】画像入力手段１より移動する対象物体を入力
し、位置計測手段２によって入力した対象物体の重心を
計測する。このようにして計測された重心の時系列を軌
跡の補完手段３で補完して軌跡を得る。これにより対象
物体の移動速度に対してサンプリング間隔が大きすぎた
り、小さすぎるような場合でも、得られた重心を補完し
て滑らかな軌跡を得ることができる。

【００１１】軌跡の補完手段３は隣接する重心間距離を
算出する。対象物体の移動速度が遅い場合は、一定周期
でサンプリングしているので、計測される重心の数が多
くなる。計測された重心位置には、雑音などの影響によ
り正しい重心位置よりずれたものもある。このため短い
距離の間に多くの重心が計測された場合、これらの重心
から滑らかな軌跡を得ることは困難となる。そこで、重
心間距離が判定値より小さい場合は、重心列を間引きし
て補完することにより滑らかな軌跡を得ることができ
る。

【００１２】しかし、このようにして間引きするとき、
連続して削除される重心が多くなると軌跡を得るに必要
なデータまで削除する恐れがあるので、連続して削除さ
れる重心の数が所定値を越えるときはこの所定数目の重
心を補完対象として残すようにする。これにより滑らか
な軌跡が得られる可能性が大きくなる。

【００１３】ゴルフやテニス、野球のバッティングなど
の動作には部分的に円運動が必要となる。それ故これら
の運動の運動性の解析を行う場合、該当する円運動部に
つき、得られた軌跡の円形度を評価して運動性を解析す
ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。本発明の一実施例としてゴルフクラブの選択に用
いるシステムを説明する。図３はゴルフクラブ選択シス
テムであり、ゴルフプレイヤーがクラブを実際にスイン
グする様子を２台のＴＶカメラ10でとらえ、その画像か
らクラブヘッドの動き、体の各部（頭、肩、腰、手、膝
など）の動きを解析する。

【００１５】具体的には、解析したい各部の位置を位置
計測装置20により算出し、２台のＴＶカメラ10で算出し
た位置情報により各部の３次元座標を３次元座標算出部
31で算出する。この座標値を基に、軌跡、速度、加速度
などを運動定量化部32で算出し、その結果を運動解析辞
書34と比較して運動解析部33で解析し、望ましいフォー
ムとの差異を算出する。

【００１６】基準値決定部35は、運動解析辞書34に格納
されるべき見本データ（基準値）を決定する。運動解析
辞書34には、年令別、経験年数別、ハンディキャップ別
のデータおよび、種々のブロゴルファーのデータ等を格
納しておく。クラブ選択ルール37は解析項目を入力して
どのクラブが適切であるかのルールを格納しておく。こ
のルールと運動解析部33で得られる解析結果よりクラブ
選択部36でゴルフプレイヤーに適切なクラブを指示す
る。そして最後に、その結果をディスプレイ又はプリン
タ40に出力する。

【００１７】図３において30で示す枠内に囲まれた３次
元座標算出部31、運動定量化部32、運動解析部33、運動
解析辞書34、基準値決定部35、クラブ選択部36、クラブ
選択ルール37はパーソナルコンピュータ上でのソフトウ
ェアで実現する。以下各ブロックを詳細に説明する。

【００１８】図４は、ゴルフクラブ選択システムにおけ
る位置計測装置20の一実施例である。図４において、ゴ
ルフクラブの位置や体の各位置を１／60秒で計測でき、
それを用いてフォームの解析が実現できる。なお、１／
60秒はテレビ画面の１フィールド期間に対応しているの
で、ＴＶカメラからの入力画像をリアルタイムに処理で
きる。

【００１９】まず、色マーカを位置計測したい部分に付
着させる。ここでは、体の頭、肩、腰、手、膝に付け
る。Ａ／Ｄ変換部21では、カラービデオカメラ10から入
力した画像信号をＲＧＢディジタル信号に換える。この
とき、カメラ10からの画像はＡ／Ｄ変換部内で作られる
外部同期信号に同期して入力される。この外部同期信号
は２台の位置計測装置20で同期がとれるようにしてお
く。また、カメラ内で作られる同期信号を２台の位置計
測装置20で使用してもかまわない。

【００２０】色抽出回路22では、図５に示すようにＴＶ
カメラ10の出力をＲ，Ｇ，Ｂ（Ｒｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂ
ｌｕｅ）の画素データに対してルックアップテーブル
（ＬＵＴ）を使用してデータ変換を行い、複数の特定色
の画像データのみ画素値をその色に相当する特定値にし
て出力し、他の色に対しては、画素値を０にして出力す
る。このような装置について、例えば特開昭63−314988
号公報「ビデオレート色抽出装置」に詳細に説明されて
いる。

【００２１】雑音除去回路23では、例えば３×３の論理
フィルタを用いて孤立点除去を行い、４連結などドット
が連続する連結パターンを抽出する。図６は３×３の入
力パターンに対する出力値のテーブルの例を示す。

【００２２】投影算出回路24は、図７に示すように、雑
音が除去された２値パターンに対して各行ごとの水平投
影、各列ごとの垂直投影を求める。投影算出回路24は識
別する色の数だけ用意する。投影値算出については、た
とえば、特開昭63−140381号公報「ビデオレート投影算
出回路」に詳細に説明されている。

【００２３】重心算出回路25はＤＳＰ（Digital Signal
Processor）を使って実現する。図８はＤＳＰ25の外部
ＲＡＭとプログラムの処理ブロックを示す。

【００２４】図８の処理で得られた水平投影、垂直投影
の結果をＤＳＰ25の外部ＲＡＭに格納する。ホスト計算
機から対象物体の移動領域の最大値と最小値を投影有効
区間として外部ＲＡＭに格納しておく。さらに対象物体
の大きさの２倍程度の値を区間幅として外部ＲＡＭの任
意区間幅の領域に格納しておく。水平投影、垂直投影、
投影有効区間、任意区間幅の値を使って順々に各区間の
投影値の累積値を算出する。

【００２５】次々に算出される区間投影値は、前に算出
された最大の区間投影値と比較して、もしそれ以上であ
ればその区間投影値を新たな区間最大投影値とする。同
時にその区間の開始点と終了点を記憶する。この処理の
繰り返しにより、投影値が最大の区間、その区間の開始
点、終了点が得られ、外部ＲＡＭに格納する。

【００２６】図９は区間最大投影値を示す。ホスト計算
機において投影有効区間を、開始点10行、終了行97行、
区間幅４行と設定する。各区間幅の各行の投影値の累積
を計算し最大の投影値となる区間とその最大値を求め
る。最大の区間幅は14行〜17行の区間で区間最大投影値
は312 となる。

【００２７】次に、最大投影値をもつ区間内で重心を算
出する。水平投影において最大投影値をもつ区間の開始
点をｓｔｈ、終了点をｅｄｈとし、垂直投影において最
大投影値をもつ区間の開始点をｓｔｖ、終了点をｅｄｖ
とすると、重心は次式で算出できる。

【００２８】

【数１】

【００２９】次に、任意区間の設定方法について説明す
る。図10（ａ）のように、任意区間を重複なしで等間隔
でとると、対象物Ａの場合は、区間内に位置するため所
望の重心を算出できるが、対象物Ｂの場合は、区間にま
たがり算出した重心の誤差が大きくなってしまう。そこ
で、図10（ｂ）のように、任意区間を半周期ずらしなが
ら重複させる。これにより、図10（ａ）で正確に算出で
きなかった対象物Ｂの重心も区間で算出できる。

【００３０】次に別の位置計測装置の実施例を図11に示
す。カメラ２台を同期させて画像をＶＴＲに記録する。
具体的には、一方のカメラの内部同期信号をもう一方の
カメラの外部同期信号に入力する。これにより２台のカ
メラの画像の同期がとれ、物体の３次元計測ができる。
ホスト計算機とＶＴＲをＲＳ−２３２Ｃ経由で接続して
ホスト計算機からＶＴＲを録画、再生、巻き戻しを実行
する。

【００３１】ゴルファーのスイングが始まる前にＶＴＲ
を録画状態にし、スイングが終了後、ＶＴＲを巻き戻
す。その後、１フレームずつ再生し、ホスト計算機で画
像処理を行う。ホスト計算機ではビデオ入力ができ、Ａ
／Ｄ変換の結果を格納するフレームメモリが必要であ
る。（現状ではパーソナルコンピュータでもこれらの機
能を有するビデオカードが存在する。）ホスト計算機で
の画像処理は、図４に示す位置計測装置のハードウェア
で実行する内容をソフトウェアで行えばよい。

【００３２】次に、図３の３次元座標算出部31について
説明する。２台のカメラの位置をそれぞれ（X1，Y1，Z
1），（X2，Y2，Z2）とし、それらの回転角をそれぞれ
（w1，f1，k1），（w2，f2，k2）とする。画面上の中心
をそれぞれ（ｘ01，ｙ01），（ｘ02，ｙ02）、焦点距離
をｃ01，ｃ02とする。これら全ての値はカメラ検定によ
りあらかじめ算出しておく。物体の位置（Ｘ，Ｙ、Ｚ）
は、それぞれのカメラの画面上の位置（xx1 ，yy1 ），
（xx2 ，yy2 ）より、次のように算出できる。

【００３３】

【数２】

【００３４】次に、運動定量化部32について説明する。
前述の物体の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の算出結果より、図12
に示すような物理量を求める。たとえば、図12の速度Ｖ
は、時刻ｔ１の物体の位置を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、時
刻ｔ２（但し、ｔ２＞ｔ１）の物体の位置を（Ｘ２，Ｙ
２，Ｚ２）とすると、次式のようになる。

【００３５】

【数３】

【００３６】次に運動定量化部32における補完候補点選
択手段について説明する。対象物体の速度が極端に変化
する場合の軌跡の補完をするに当って、隣接する重心の
重心間距離を算出し、この重心間距離に基づき次のよう
に補完対象となる重心を選択する。

【００３７】補完対象となる重心と、この重心より後
から得られた重心との間の距離ｄが、最小制限距離dmin
よりも大きくない場合は、次の重心との間の距離ｄを計
算する。距離ｄがdminより大きい場合は、この距離ｄを算出す
るのに用いた後から得られた重心を補完対象の重心とす
る。距離ｄがdminより大きくないため連続して削除された
重心の個数が所定数jmaxよりも多くなるときはjmax個目
の点を補完対象とする。距離ｄ１を重心ａ１とａ２より算出し、このｄ１がdm
inより小さいが、ａ１とａ３の距離ｄ２がdmaxより大き
いときは、ａ２を補完対象の重心とする。

【００３８】図13は上述した補完対象選択手順を表わす
フロー図である。同図において、ｘ〔〕，ｙ〔〕，ｚ〔〕：重心の座標，ａ，ｂは
重心を表すパラメータ dmin ：最小制限値 dmax ：最大制限値 jyokyo ：連続除去回数のカウンタ hikaku ：比較回数のカウンタ counter ：重心のカウンタ jmax ：連続除去回数の最大数

【００３９】まず、dmin，dmax，jmaxを設定する。ａは
距離ｄを計算する重心のうち先に計測された方の重心を
表わし、ｂは後に計測された方の重心を表わす。初期点
の補間候補を定めａ＝０とする。counter はａに対して
選択したｂの数をカウントする。counter の初期値を０
とする。以上の動作をステップ51で行う。

【００４０】次に距離ｄがdmaxを越えるとき、１つ前の
重心を用いるか否か検討するための比較カウンタhikaku
を０にし、ｄがdmin以下のため連続して除去する重心の
数を計数する除去カウンタjyokyoを０に初期化し、ｂ＝
ａ＋１に設定する（ステップ52）。

【００４１】ａ，ｂで表される重心間の距離ｄを計算
し、比較カウンタhikakuをインクリメントし（ステップ
53）、hikakuカウンタが２以上で距離ｄがdmax以上か調
べ（ステップ54）、この条件を満さないときは距離ｄが
dminを越えているか又は除去カウンタjyokyoがjmax以上
か調べ（ステップ56）、このいずれかの条件を満たして
いるときは、対象となっている点、つまりｂで表される
重心を補完点として登録し、ａをインクリメント（ステ
ップ55）、ステップ52に戻る。

【００４２】ステップ56で条件を満たさないときは、ｂ
で表される重心を補完点の候補から外し、次の重心を取
り出す。つまり次の重心にｂを移し、カウンタcounter
と除去カウンタjyokyoをインクリメントする（counter
58）。次にカウンタcounterの値がdataの値より大きく
なったか調べ（ステップ59）、条件を満たせば終了し、
満たさなければステップ53に戻る。

【００４３】ここで、dataは、動的物体の重心を計測し
ながらリアルタイムに軌跡を求めてゆく場合は、予め想
定した予定重心数であり、重心を全て計測した後、軌跡
を求める場合は、計測した重心の数である。

【００４４】次にステップ54に戻ったときはカウンタhi
kakuの条件を満している。このとき距離ｄがdmaxを越え
ている場合は、１つ前の重心を補完点として登録する。
つまりａ，ｂ１，ｂ２で表される重心列があり、ａとｂ
１で表される重心の距離ｄ１はdminより小さかったため
ｂをｂ２に移し、ａとｂ２で表される重心の距離ｄ２が
dmaxを越えた場合は１つ前点、つまりｂ１で表される重
心を補完点として登録し、次にｂ１をａにし、カウンタ
counter をインクリメントする。（ステップ55）。

【００４５】また、ａ，ｂ１，ｂ２，…，bjmax ，…
で、ａとｂｋで表される重心の距離をｄｋとした場合、
ｄ１，ｄ２，…，djmax が全てdmin以下の場合は、ステ
ップ56のjyokyo＞jmaxの条件に該当し、ステップ57でbj
max を補完点に登録し、bjmaxをａとしカウンタcounter
をインクリメントする（ステップ57）。

【００４６】上述のフロー図によって得られた補完点列
より３次元位置座標にスプライン補完関数などを使って
曲線近似する。図14は軌跡を表わす３次元位置座標を表
わす。

【００４７】次にスプライン補完関数を用いて軌跡を求
める場合を説明する。今、４個の標本点（ｘ１，ｙ１，
ｚ１），（ｘ２，ｙ２，ｚ３），（ｘ４，ｙ４，ｚ４）
を通る曲線は、次式に示すように各標本点に１つずつ項
を割り当てて、これらの項の和で表される。

【００４８】

【数４】

【００４９】近似曲線上の点はｕの値（０と１の間）を
代入すれば求められる。例えば、近似曲線を、第２と第
３の標本点間で３つの直線分で近似したいとする。標本
点として、ｕ＝０とｕ＝１における点の座標をもってい
る。ここで上の方程式を使って、ｕ＝１／３とｕ＝２／
３における点を求めれば、３本の近似線分の端点の役を
する４個の点が求まる。曲線全体はこの操作を各区間で
繰り返せば近似できる。

【００５０】連続した４つの標本点（１，２，３，４）
をとり中間２点（２，３）で曲線を近似する。次に標本
点を１歩前進させ、新しい標本点を１つ取り込み、端の
古い標本点を１つ捨て（２，３，４，５）とする。そう
すると、曲線の次の部分（３，４）が近似できる。以下
順々に曲線全体が書かれるまで、標本点を渡り操作を続
ける。曲線の先頭部分と最終部分は特別の扱いが必要で
ある。最初の４点（１，２，３，４）に対してはｕの値
が−１と０の間にある。点１と点２の間の領域を描く必
要がある。同様に、曲線の最後の部分に対する混合関数
は１と２の間のｕで値を求める必要がある。

【００５１】具体的には、曲線の中間でのスプライン関
数は次のようになる。

【００５２】

【数５】

【００５３】３次スプライン混合関数は、始と終わりに
それぞれ２つの特別な曲線区間を必要とする。次の関数
は曲線の先頭区間で使われる。

【００５４】

【数６】

【００５５】曲線の最終区間では次のようにこれらの関
数を逆転させる。

【００５６】

【数７】

【００５７】曲線の第２区間も特別な次のような混合関
数を持つ。

【００５８】

【数８】

【００５９】さらに、最終区間の１つ手前の区間は次の
ようにこれらの関数を逆転した関数を使う。

【００６０】

【数９】

【００６１】なお、以上に示した補完関係は一例であ
り、状況に応じて適切な補完関係を使うようにする。

【００６２】次に補完して得られた軌跡より円形度を算
出する方法について説明する。この円形度とは、ゴルフ
クラブのスイングアーク、テニスのラケットのスイング
アーク、野球のバットのスイングアークなどで理想的な
スイングをするときは、スイングの一部では円弧を描く
が、実際のスイングでは必ずしも円弧とならず、ずれる
ことが多い。故に円弧にどれだけ近いかを表わす指標と
して円形度を用いる。

【００６３】図15は円形度算出方法を説明する図で、角
度θまたは時間ｔに対する軌跡の曲率半径ｒの長さを示
す。（ａ）に示すように軌跡を表わす補完曲線の内部に
１点Ｐをとる。補完曲線上の点を横軸からの角度θに対
するＰからの長さｒ（θ）で表わす。Ｐは補完曲線で囲
まれた図形の重心にとる。

【００６４】動的物体の軌跡解析の場合は時間の情報が
加わるので（ｂ）に示すように横軸を時間軸として扱
う。（ｂ）において、ｒの平均、分散を求める。分散が
小さい程、円に近く大きくなる程、軌跡が円弧より外れ
ることになる。このように補完軌跡の特徴量を求めるこ
とにより、フォームの解析を行うことができる。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は動的物体の重心を計測し、これを補完して軌跡を得る
ので、高速ビデオカメラやデジタイサを使用しなくも運
動解析することができる。また求めた補完曲線の円形度
を得ることにより運動フォームなどの解析ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】従来の運動解析方式の原理ブロック図である。

【図３】本実施例のゴルフクラブ選択システムのブロッ
ク図である。

【図４】位置計測装置の構成図である。

【図５】色抽出の説明図である。

【図６】３×３の論理フィルタを示す図である。

【図７】色マーカの投影算出方法を説明する図である。

【図８】重心算出処理手順を示す図である。

【図９】区間最大投影値算出方法説明図である。

【図１０】任意区間の設定を説明する図である。

【図１１】位置計測システムの他の実施例を示すブロッ
ク図である。

【図１２】運動定量化の一例を示す図である。

【図１３】補完候補選択フロー図である。

【図１４】軌跡の３次元位置座標を示す図である。

【図１５】軌跡の円形度を解析する図である。

【符号の説明】

10 ＴＶカメラ 20 位置計測装置 21 Ａ／Ｄ変換器 22 色抽出回路 23 雑音除去回路 24 投影算出回路 25 ＤＳＰ 31 ３次元座標算出部 32 運動定量化部 33 運動解析部 34 運動解析辞書 35 基準値決定部 36 クラブ選択部 37 クラブ選択ルール 40 クラブ選択結果表示部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動する対象物体を入力する画像入力手
段（１）と、入力した対象物体の重心を計測する位置計
測手段（２）と、計測した重心の時系列を補完して軌跡
を算出する軌跡の補完手段（３）とを備えたことを特徴
とする動的物体の軌跡解析装置。
【請求項２】前記軌跡の補完手段（３）は、隣接する
重心間の距離を算出し、この距離に応じて重心を間引き
して得た重心列を補完し軌跡を算出するようにしたこと
を特徴とする請求項１記載の動的物体の軌跡解析装置。
【請求項３】前記間引きするに際し、連続して削除さ
れる重心が所定数以上となるとき、この所定数以下の重
心までを削除するようにし、この所定数目の重心を補完
対象点として用いるようにしたことを特徴とする請求項
２記載の動的物体の軌跡解析装置。
【請求項４】前記軌跡の補完手段（３）は、補完して
得た軌跡の円形度を算出し、この円形度により対象物体
の運動性を評価するようにしたことを特徴とする請求項
１〜３のいずれかに記載の動的物体の軌跡解析装置。