TWI550560B - 供感測移動球體的裝置及其方法 - Google Patents

Description

供感測移動球體的裝置及其方法

本發明係有關供感測移動球體的裝置及其方法，用以獲取移動球體的影像，並處理及分析該影像以計算球體的旋轉。

關於運動遊戲，具體而言，高爾夫，一直以來都在試圖精確感測被高爾夫者敲擊的移動球體的物理特性，藉以分析飛行中的球體，或使用感測數值以影像形式實現飛行中的球體，藉以將結果應用至模擬高爾夫，比如所謂的螢幕高爾夫。

尤其是，當球體被敲擊而飛行時，球體相對於三維(3D)空間的軸是以飛常快的速度轉動，因而很難量測球體旋轉，並需要很昂貴的設備以精確量測球體的旋轉。用以量測球體旋轉的代表性方法是使用雷達感測器的方法。

然而，這種昂貴的感測設備不適合在所謂螢幕高爾夫中或在練習場上用於分析飛行中球體的一般用途感測裝置，是依據高爾夫球桿的揮擊以感測飛行中的球體，計算球體軌跡，並依據所計算的軌跡提供虛擬高爾夫球場上的高爾夫模擬。需要一種快速且精確感測球體旋轉的技術，而且是在相當不貴且低性能系統中。

因此，本發明有鑒於上述問題而做成，並且本發明的目的在於提供一種供感測移動球體的裝置及其方法，是從移動球體的連續影像中提 取標示於球體上之例如商標、標記等的特徵部，而連續影像是以預設照相機實現之影像獲取器而獲取，並且快速且精確計算球體的旋轉，具體而言，即使當只有一部分標示在球體上的特徵部因球體的轉動而留下，依據特徵部計算移動球體轉動的旋轉軸及旋轉量，從而快速且精確計算球體的旋轉，因此在相當低性能的系統中達成快速且穩定的球體計算。

依據本發明的特點，上述及其他目的達成是藉提供一種供感測移動球體的裝置，用以獲取並分析移動球體的影像以計算移動球體的旋轉，該裝置包含：一影像獲取器，用以依據一球體的移動，獲取球體的連續影像，該球體具有標示於其上的一預設特徵部的一表面；一影像處理器，用以提取在一第一影像上的一球體部的一特徵部、以及在一第二影像上的一球體部的一特徵部，且該第一影像是當作二連續所獲取影像中一先前獲取的影像，而該第二影像是當作一後續獲取的影像；以及一旋轉計算器，用以依據球體從該第一影像至該第二影像的移動，計算一旋轉軸及一旋轉量，係藉依據預設資訊而選擇性地進行一正向操作分析及一反向操作分析的任何其中之一，該正向操作分析是比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第一影像的球體部的特徵部以及該第二影像的特徵部所獲得的結果，而該反向操作分析是比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第二影像的球體部的特徵部以及該第一影像的特徵部所獲得的結果。

依據本發明的另一特點，提供一種感測移動球體的方法，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該方法包括：依據一球體的移動獲取連續影像，該球體具有一表面，該表面具有標示於其上的一預設特徵部；提取一第一特徵部以及一第二特徵部，該第一特徵部是當作在一第一影像上的一球體部的一特徵部，該第一影像是所獲取的該二連續影像中的一先前獲取的影像，該第二特徵部是當作在一第二影像上的一球體部的的一特徵部，該第二影像是所獲取的該二連續影像中的一後續獲取的影像；決定旋轉是否使用正向操作分析而計算，用以比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第一特徵部的結果與該第二特徵部，或是使用反向操作分析而計算，用以比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第二特徵部的一結果與該第一特徵部；以及依據一球體從該第一影像至 該第二影像的移動，藉基於所決定的結果可選擇地進行該正向操作分析及該反向操作分析的任意其中之一，以計算一旋轉軸及旋轉量。

依據本發明的另一特點，提供一種感測移動球體的方法，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該方法包括：依據一球體的移動獲取連續影像，該球體具有一表面，該表面具有標示於其上的一預設特徵部；備製一第一特徵部以及一第二特徵部，該第一特徵部是當作在一第一影像上的一球體部的一特徵部，該第一影像是所獲取的該二連續影像中的一先前獲取的影像，該第二特徵部是當作在一第二影像上的一球體部的的一特徵部，該第二影像是所獲取的該二連續影像中的一後續獲取的影像；比較該第一特徵部影像上當作第一特徵部的該第一特徵部以及該第二特徵部影像上當作第二特徵部的該第二特徵部，藉以選擇一旋轉操作方式；以及選擇性地進行正向操作分析及反向操作分析的任意其中之一，該正向操作分析用以使用隨機旋轉資訊至該第一特徵部，並比較該第一特徵部及該第二特徵部，該反向操作分析用以使用隨機反向旋轉資訊至該第二特徵部，並比較該第一特徵部及該第二特徵部，依據選擇結果，尋找3D空間中的一旋轉軸及旋轉量，用以使該第一特徵部影像被轉換成該第二特徵部影像。

依據本發明之供感測移動球體的裝置及其方法可從移動球體的連續影像中提取標示於球體上之例如商標、標記等的特徵部，而連續影像是以預設照相機實現之影像獲取器而獲取，並且快速且精確計算球體的旋轉，具體而言，即使當只有一部分標示在球體上的特徵部因球體的轉動而留下，依據特徵部計算移動球體轉動的旋轉軸及旋轉量，從而快速且精確計算球體的旋轉，因此在相當低性能的系統中達成快速且穩定的球體計算。

10‧‧‧球體

21、22、23‧‧‧球體部

100‧‧‧影像獲取器

110‧‧‧第一照相機

120‧‧‧第二照相機

200‧‧‧影像處理器

210‧‧‧球體影像提取器

211、212、213‧‧‧球體影像

230‧‧‧球體特徵部提取器

300‧‧‧旋轉計算器

350‧‧‧操作方式選擇器

360‧‧‧正向操作分析器

370‧‧‧反向操作分析器

C‧‧‧中心點

D‧‧‧方向

F1、F2、F3‧‧‧特徵部

G‧‧‧地表面

FC1、FC2‧‧‧特徵部

S10~S270‧‧‧步驟

藉由參考以下詳細說明連結所附圖式將會更加了解本發明的特點以及許多優點，其中：第1圖是顯示依據本發明實施例供感測移動球體的裝置的方塊示意圖； 第2圖是使用第1圖所示元件由影像擷取以計算球體旋轉的元件功能的解釋的示意圖；第3圖是顯示依據本發明實施例的移動球體以及當作影像獲取器以立體方式配置的二照相機的示意圖；第4圖(a)、第4圖(b)及第4圖(c)是連續獲取影像的來源影像；第5圖(a)、第5圖(b)及第5圖(c)是用於從第4圖(a)、第4圖(b)及第4圖(c)所示來源影像中分別提取球體部的程序的解釋的示意圖；第6圖是用於用以提取第5圖的球體部的示範的提取方法的解釋的示意圖；第7圖(a)、第7圖(b)及第7圖(c)是分別顯示第5圖(a)、第5圖(b)及第5圖(c)所示提取球體部影像的正規化影像；第8圖(a)及第8圖(b)是分別從連續二來源影像中提取的球體部影像的正規化影像，而第8圖(c)及第8圖(d)顯示從第8圖(a)及第8圖(b)所示的影像中提取的特徵部影像；第9圖是用於計算移動球體旋轉的解釋的示意圖；第10圖及第11圖顯示影像上的特徵部因移動球體轉動而部分失去；第12圖是用於用以對照相機的位置及方向進行校正的原理而計算球體的旋轉的解釋的示意圖；以及第13圖及第14圖是用以依據本發明實施例供感測移動球體的方法的解釋的流程圖。

[最佳模式]

下文中，將參考所附圖式詳細說明供感測移動球體的方法及裝置的示範性實例。

本發明可基本上配置成經由預設的照相機，對被使用者的高爾夫球桿敲擊的高爾夫球(此後稱作球體)照像，藉以分析擷取影像並計算飛行中球體的旋轉。在此，照相機可為三維(3D)照相機或立體照相機，是用複數個照相機以立體方式而配置，並可配置成將球體影像的二維(2D)座標轉換成3D座標，反之亦然。

此外，依據本發明供感測移動球體的方法及裝置可應用到不同領域，例如依據使用者的高爾夫揮桿分析敲擊球體，使用虛擬實境模擬器的虛擬高爾夫等等。

首先，參考第1圖及第2圖說明依據本發明實施例之供感測移動球體的裝置。

如第1圖及第2圖所示，依據本發明實施例之供感測移動球體的裝置包括影像獲取器100、影像處理器200以及旋轉計算器300。

影像獲取器100可為照相機裝置，也可為經由3D照相機裝置或包含多個照相機之立體照相機而實現，如背景技術中所述。第1圖顯示影像獲取器100是用包含第一照相機110及第二照相機120之立體照相機實現。

影像處理器200是一種從影像獲取器100所獲取的每個影像中提取球體影像的元件，而球體影像是對應於球體部的影像，並從球體影像中移除凹紋部及不同雜訊部，用以提取球體影像的特徵部，亦即例如標示於在球體上的商標或標記、刮痕等等未指定的標示。

影像處理器200可包含球體影像提取器210及球體特徵部提取器230。

球體影像提取器210配置成從來源影像中提取球體影像，是對應於球體部的影像，而來源影像是藉影像獲取器100所獲得的影像，並提取球體部的中心座標，將詳述於後。

球體特徵部提取器230是一種對球體影像提取器210所提取之每個球體影像的大小、亮度等等進行正規化處理提取標示於影像上的特徵部(亦即未指定的標示，例如標示於球體上的商標或標記、刮痕等等)的元件，將詳述於後。

旋轉計算器300是配置成分析從二隨意連續球體影像中分別提取的特徵部的位置變化，亦即分析預設三維(3D)空間中的旋轉軸及旋轉量，藉此，預先獲取影像的特徵部被轉換成下一獲取影像上的特徵部，藉以計算球體的最終旋轉軸及旋轉量資訊。如第1圖及第2圖所示，旋轉計算器300包括操作方式選擇器350、正向操作分析器360及反向操作分析器370。

依據本發明，分析基本上是以連續照像移動球體的影像中的影像為單位而進行。當預先獲取影像是指第一影像而下一獲取影像是指第二影像時，用以擷取第一影像的某一點的球體狀態被轉換成用以擷取第二影像的某一點的球體狀態時的旋轉可被計算，而且詳細而言，可使用計算旋轉軸及旋轉量的方法，用以使第一影像中的特徵部的位置被轉換成第二影像中的特徵部的位置而計算，或基於藉再次轉換第二影像上的特徵部成第一影像上的特徵部所獲得的結果而計算。

亦即，依據球體從第一影像到第二影像的移動的旋轉軸及旋轉量可使用任何一種方式而計算，包含用以比較並分析藉使用隨機旋轉軸及旋轉量至第一影像上的特徵部所獲得的結果與第二影像上的特徵部的方式，以及用以比較並分析藉使用隨機反向旋轉軸及旋轉量至第二影像上的特徵部所獲得的結果與第一影像上的特徵部的方式，是可選擇性地依據預設的設定進行而計算。

下文中，前一旋轉操作方式將當作正向操作分析方式，而後一旋轉操作方式將當作反向操作分析方式。

操作方式選擇器350是選擇用以使用從連續獲取影像中球體的特徵部而計算旋轉的元件，比較當作目標分析的連續獲取影像的特徵部，並依據比較結果，從正向操作分析方式及反向操作分析方式中選擇旋轉操作方式，稍後將詳細說明。

正向操作分析器360使用正向操作分析方式以計算移動球體的旋轉資訊，而反向操作分析器370使用反向操作分析方式以計算移動球體的旋轉資訊，稍後將詳細說明。

如第3圖所示，位置資訊可從球體影像中基於地表面G的i、j、k座標系統，依據球體10的移動，在球體影像被第一照相機110及第二照相機120個別獲取時的位置而獲得。

亦即，每個第一照相機110及第二照相機120可為具有立體配置的影像擷取裝置，且可從經由二照相機藉相同物體照像所獲取的影像中，提取物體的3D座標資訊，亦即，第3圖中的第一照相機110及第二照相機120，隨著球體10從第一位置移動到第二位置，第一位置的座標資訊(x,y,z)以及第二位置的座標資訊(x’,y’,z’)可被提取。

此時，第一照相機110及第二照相機120是固定。因此，第一照相機110及第二照相機120的座標資訊可被辨識，並可一直固定。

在此狀態中，任一照相機的某些連續獲取影像可顯示於第4圖(a)、第4圖(b)及第4圖(c)。

第4圖(a)、第4(b)圖及第4圖(c)顯示只有球體部21、22、23留下時的影像，是從對移動球體在某一視角內經由固定照相機在預設時間間隔下照像所獲取的影像中，藉使用差分影像以移除背景部等等。

如第4圖(a)、第4圖(b)及第4圖(c)所見，目前的狀態是球體在左對角方向上飛行。如第4圖(a)、第4圖(b)及第4圖(c)所見，當球體靠近照相機時，觀看到的球體被放大成如第4圖(a)所示的球體部21，接著球體逐漸離開照相機，觀看到的球體變得更小，如第4圖(b)及第4圖(c)所示的球體部22、23。

在此，第4圖(a)、第4圖(b)及第4圖(c)所示的影像，亦即，當作移動部的球體部的影像，從一開始獲取的影像中經由差分影像等等除移背景部及許多干擾部後所留下，是當作來源影像。

關於來源影像上的球體部21、22、23，標示在球體表面上的特徵部F1、F2、F3的位置是隨球體轉動而改變。

在此，所關注的物體是球體上的特徵部F1、F2、F3。對此，特徵部F1、F2、F3可被精確提取，且特徵部F1、F2、F3的位置改變可被分析以計算球體的旋轉。

為此，必須有效的只提取球體部21、22、23的影像，亦即只有來自來源影像的球體影像，如第4圖所示。

第5圖(a)、第5圖(b)及第5圖(c)顯示從每個來源影像中只提取球體部的程序。首先，球體部21、22、23被精確的從來源影像中提取，使得球體部21的中心點C是球體影像211的中心部，而球體部21的輪廓本質上是對應到球體影像211的輪廓，如第6圖所示。

從個別來源影像中只提取球體部21、22、23所獲得的影像，亦即球體影像211、212、213，具有對應於個別來源影像上球體位置的大小，並且因此具有不同大小。標示在個別來源影像上的球體影像211、212、213 依據與照相機的距離藉照明而有不同的影響，並且因此對於每個個別球體影像，亮度也變動。

為了精確提取球體特徵部，必須均等化球體影像211、212、213的大小，並正規化球體影像211、212、213的亮度。

第7圖(a)、第7圖(b)及第7圖(c)顯示包含對應於第5圖(a)、第5圖(b)及第5圖(c)的球體影像的影像，而其大小及亮度已被正規化。

亦即，球體影像211、212、213可依據個別預設大小而被放大或縮小，或者留下的球體影像可基於球體影像211、212、213的任意其中之一而被放大或縮小，亦即，正規化處理可對每個球體影像進行，藉以均等化球體影像211、212、213的大小。

此外，正規化處理可使用構成球體部的所有像素的平均值而對每個球體影像進行，藉以均等化球體影像的整個亮度。

如上所述，在對每個球體影像完成正規化後，使用球體特徵部提取器的球體特徵部提取是對每個正規化球體影像進行，如第8圖所示。

亦即，當第8圖(a)的球體影像是第一球體影像且第8圖(b)的球體影像是第二球體影像時，第一球體影像是二連續獲取影像中的第一獲取影像，而第二球體影像是二連續獲取影像中的第二獲取影像。第8圖(c)顯示具有從第一球體影像中完全提取特徵部F1所獲得的特徵部FC1的第一特徵部影像。第8圖(d)顯示具有從第二球體影像中完全提取特徵部F2所獲得的特徵部FC2的第二特徵部影像。

在此，特徵部可使用不同影像處理方式而提取，例如差分影像方式等等。

當具有提取特徵部FC1、FC1的特徵部影像已備妥時，計算移動球體旋轉資訊的程序是使用旋轉計算器而進行。

在此，藉由計算基於在i軸、j軸及k軸座標系統的3D空間的旋轉軸的座標資訊，球體旋轉以及轉動與旋轉軸所夾的角度可被計算，也就是旋轉量的資訊，如第9圖所示。

如第9圖所示，在3D空間中用以代表轉動運動的成分包括傾斜角(pitch)、擺動角(yaw)、滾動角(roll)(例如，當旋轉軸對應於k軸時，球體只具有側面旋轉，而當旋轉軸對應於i軸時，球體只具有向後旋轉或向前旋 轉)。此外，當i軸方向的轉動成分為θ，j軸方向的轉動成分為λ且k軸方向的轉動成分為ρ時，目標旋轉的向量可依據以下的方程式1表示。

基於旋轉向量(ω)，旋轉軸資訊及旋轉量資訊可分別依據以下的方程2及方程式3計算。在此，α是旋轉量資訊。

因此，旋轉軸及旋轉量資訊可藉計算θ當作移動球體的旋轉的擺動角(yaw)轉動成分，λ是滾動角(roll)轉動成分且ρ是傾斜角(pitch)轉動成分而獲得。

旋轉軸及旋轉量資訊可從球體影像中提取的特徵部而獲得，如第7圖所示。

亦即，如第8圖所示，旋轉軸及旋轉量資訊可使用該二連續球體影像的特徵部影像(第8圖(c)及第8圖(d))而提取。

在此，可依據二特徵部影像的特徵部，決定正向操作分析及反向操作分析的任意其中之一為旋轉操作方式。

參考第10圖及第11圖，以下將說明用以決定正向操作分析及反向操作分析的任意其中之一為旋轉操作方式的參考。在此，第10圖(a)、第10圖(b)、第11圖(a)及第11顯(b)示第8圖(c)及第8圖(d)所示的特徵部影像，並顯示球體形狀一起幫助了解。

在第10圖中，第一特徵部影像上的第一特徵部FC1是完全顯示，但第二特徵部影像上的第二特徵部FC2是部分顯示，因為一部分的第二特徵部FC2因球體的轉動而向後移動。

此時，比較第一特徵部FC1的大小以及第二特徵部FC2的大小，或每個特徵部的像素的數目，第一特徵部FC1是大於第二特徵部FC2， 或第一特徵部FC1的像素的數目是大於第二特徵部FC2的像素的數目，因而旋轉是使用正向操作分析方式而計算。

然而，在第11圖中，第一特徵部影像上的第一特徵部FC1的大小是小於第二特徵部影像上的第二特徵部FC2的大小，或第一特徵部影像上的第一特徵部FC1的像素的數目是小於第二特徵部影像上的第二特徵部FC2的像素的數目。

此時，經由正向操作分析方式，如果第一特徵部FC1的像素位置資訊(參考第11圖(a))被轉換，且與第二特徵部FC2的像素位置資訊(參考第11圖(a))比較，則關於像素是否對應的資訊可相對於只有一部分的第二特徵部FC2而獲得，但相對於整個第二特徵部FC2則無法獲得。亦即，使用正向操作分析方式是很不精確地計算。

因此，如第11圖(a)及第11圖(b)所示，比較先前獲取影像的特徵部的大小或像素數目以及後續獲取影像的特徵部的大小或像素數目，當前者的大小小於後者的大小，或是前者的像素數目小於後者的像素數目，旋轉資訊可藉使用反向操作分析方式以反向尋找旋轉軸及旋轉量而計算。

首先，將參考方程式以說明使用正向操作分析方式的旋轉計算處理。正向操作分析方式是使用於當二特徵部的大小或像素數目是幾乎相同時的情形，如第8圖(c)及第8圖(d)所示，或當第一特徵部的大小是大於第二特徵部的大小，或第一特徵部的像素數目是大於第二特徵部的像素數目時，如第10圖(a)及第10圖(b)所示。

依據方程式4及5，構成每個第一及第二特徵部的像素的位置資訊可被轉換成3D位置資訊，並代表。

方程式4PC1set_3D=C1*P1set_3D

方程式5PC2set_3D=C2*P2set_3D

在方程式4及5中，PC1set_3D是藉轉換PC1set成3D座標資訊所獲得的矩陣，其中PC1set是第一特徵部FC1上每個像素的座標(2D座標)之矩陣(參考第8圖)。

PC2set_3D是藉轉換PC2set成3D座標資訊所獲得的矩陣，其中PC2set是第二特徵部FC2上每個像素的座標(2D座標)之矩陣(參考第8圖)。

C1及C2是依據第10圖及第11圖所示的原理計算以當作位置校正資訊的轉動矩陣，C1是用以校正第一特徵部的像素的位置座標，而C2是用以校正第二特徵部的像素的位置座標。

PC1set_3D是藉校正第一特徵部的像素的3D座標之位置所獲得的矩陣，而PC2set_3D是藉校正第二特徵部的像素的3D座標之位置所獲得的矩陣。

現在將說明C1及C2的位置校正資訊。關於藉照相機所獲取的影像上的球體之位置，旋轉軸及旋轉量是依據照相機導引的方向而被不同的觀看，並且因此必須精確建立參考，並基於該參考計算絕對旋轉軸及旋轉量。為此，照相機的位置及方向資訊可被校正，如同連續獲取影像上的個別球體是相對於照相機在相同位置及方向觀看，藉以精確計算球體的旋轉資訊。

例如，如第11圖所示，必須產生位置校正資訊，用以校正照相機110的位置及方向，並使用位置校正資訊至旋轉計算，如同球體10是在Bi方向上被觀看到，Bi方向是平行於地表面G並正交於向量成分Bj，向量成分Bj是相對於每個位置對應於球體10前進的方向，其中照相機11拍攝球體10而球體10是在方向d上移動。

事實上，當照相機固定且球體飛出時，影像被獲取，如同球體是在固定位置上看到。從該影像，旋轉是針對球體的個別位置而變動，並且因此所計算的旋轉也變動。因此，很難精確計算旋轉。同樣的，進行位置校正，如同球體是被照相機拍攝而一直與球體分隔開一段預設距離的照相機一起移動，然後進行用以使用隨機旋轉資訊及決定最終旋轉的程序，藉以精確計算球體的旋轉資訊。

當作目標最終旋轉資訊的旋轉軸向量是ω而且旋轉量是α時，轉動矩陣R(ω,α)可使用ω以及α而計算。R(ω,α)的關聯，以及藉轉換個別特徵部的像素的位置成3D座標資訊所獲得的PC1set_3D與PC2set_3D，滿足以下的方程式6。

方程式6R(ω,α)*PC1set_3D=PC2set_3D

上述的方程式4及5可被取入上述的方程式6而獲得以下方程式7所代表的關聯。

方程式7PC2set_3D=C2T*R(ω,α)*C1*P1set_3D

在此，C2T是矩陣C2的轉置。

依據上述方程式7，第一特徵部的像素的位置資訊可被轉換成3D位置資訊，且最後數值可藉使用位置校正資訊並使用旋轉資訊至3D位置資訊而獲得。亦即，隨機旋轉資訊可被代入R(ω,α)，當作上述方程式7中的最終旋轉資訊。

當Tset_3D是藉將使用隨機旋轉軸ω'及隨機旋轉量α'當作隨機旋轉資訊所計算的轉動矩陣R(ω',α')代入上述方程式7中所獲的結果時，以下的方程式8被滿足。

方程式8Tset_3D=C2T*R(ω',α')*C1*P1set_3D

當Tset是藉轉換依據上述方程式8所計算的Tset_3D成2D座標而獲得時，如果Tset及P2set相互對應，則R(ω',α')及R(ω，α)具有相同的數值，因而R(ω',α')當作隨機旋轉資訊，R(ω',α')可被決定成最終旋轉資訊。

亦即，使用至最靠近P2set的Tset的隨機旋轉資訊，亦即，在使用不同隨機旋轉資訊的複數個Tset中具有最高相似度是可被決定成最終旋轉資訊。

如果比較Tset及P2set並計算具有相對應位置座標的像素的數目，而當相對應像素的數目等於或大於預設程度，或如果Tset的像素以及P2set的像素之間的相似度是依據預設函數而計算，是等於或大於預設程度，則使用到相對應Tset的隨機旋轉資訊是最終旋轉資訊。

在此，相似度可被決定，例如，基於相對應像素的數目對所有像素的比例。

關於從二連續獲取影像中所提取的特徵部，第一特徵部FC1的大小是小於第二特徵部FC2的大小，或第一特徵部FC1的像素數目是小於第二特徵部FC2的像素數目，如第11圖(a)及第11圖(b)所示，是無法使用上述的正向操作方析方式計算旋轉。

因此，在這種情形下，旋轉可使用反向操作分析方式而計算。

亦即，依據正向操作方析方式，隨機旋轉資訊R(ω',α')是使用至是構成第一特徵部的像素的位置座標的P1set。另一方面，依據反向操作方析方式，P2set是構成第二特徵部的像素的位置座標，而第二特徵部是當作後續獲取影像的特徵部，是相對於P2set反向轉動，並與是構成第一特徵部的像素的位置座標的P1set比較。

上述的方程式7可修改成以下的方程式9。

方程式9P1set_3D=C1T*R(ω,α)T*C2*P2set_3D

在此，相對於隨機旋轉軸向量ω'及隨機旋轉量α'的轉動矩陣R(ω',α')可被提取。此外，當用隨機旋轉量反向轉動繞著隨機旋轉軸的P2set_3D而獲得的特徵部的位置座標是inv_Tset_3D時，以下的方程式10可被滿足。

方程式10inv_Tset_3D=C1T*R(ω',α')T*C2*P2set_3D

在上述的方程式10中，方程式10可被轉換成2D座標。此外，當已轉換的2D座標是被指為inv_Tset時，如果R(ω',α')是相同於R(ω,α)，則inv_Tset及P1set具有相同數值。因此，藉反向計算隨機反向旋轉資訊R(ω',α')T所獲得的R(ω',α')可被決定成最終旋轉資訊。

亦即，藉反向計算使用至最靠近P1set的inv_Tset的隨機反向旋轉資訊所獲得的旋轉資訊可被決定為最終旋轉資訊，亦即具有在使用不同隨機反向旋轉資訊的複數個Tset中具有最高相似度。

如果inv_Tset及P1set相比較且具有相對應位置座標的像素數目被計算，則當相對應位置座標的像素數目等於或大於預設程度時，或如果inv_Tset的像素以及P1set的像素之間的相似度依據預設函數計算而等於或 大於預設程度時，藉反向計算使用至inv_Tset的隨機反向旋轉資訊所獲得的旋轉資訊為最終旋轉資訊。

將參考第13圖及第14圖說明上述計算移動球體的旋轉的程序。

第13圖及第14圖是分割單一流程所獲得的流程圖，而第13A圖及第13B圖是連接至第14A圖及第14B圖。

如第13圖及第14圖所示，移動球體的連續影像被獲取(S10)，且背景部等從所獲取的影像中移除以提取個別來源影像(S12)。

此外，球體部從每個來源影像中找出，以提取球體影像(S14)，且球體特徵部從每個球體影像中提取以備妥個別特徵部影像(S16)。

當連續特徵部影像中的二影像的先前影像被指定成第一特徵部影像且該二影像中的下一影像被指定成第二特徵部影像時，可使用構成第一特徵部影像上第一特徵部FC1的像素的位置資訊以及構成第二特徵部影像上第二特徵部FC2的像素的位置資訊，計算旋轉。

在此，比較第一特徵部FC1及第二特徵部FC2，當第一特徵部FC1的大小等於或大於第二特徵部FC2的大小時，或第一特徵部FC1的像素數目等於或大於第二特徵部FC2的像素數目時(S22)，使用正向操作分析方式以計算旋轉(S100)。當第一特徵部FC1的大小小於第二特徵部FC2的大小時，或第一特徵部FC1的像素數目小於第二特徵部FC2的像素數目時，使用反向操作分析方式以計算旋轉(S200)。

當旋轉使用正向操作分析方式而計算時，構成第一特徵部的像素的位置資訊被轉換成3D位置資訊(S110)。此時，位置校正資訊可如上述使用。

此外，隨機旋轉軸及旋轉量被提取以計算隨機旋轉資訊(S120)，隨機旋轉資訊使用至已轉換的3D位置資訊(S130)，且已轉換的3D位置資訊再次轉換成2D位置資訊(S140)。

在S140中轉換的2D位置資訊與構成第二特徵部的像素的位置資訊作比較(S150)。當具有相對應位置座標的像素數目被計算，而如果數目等於或大於預設數目(S160)，則所使用的隨機旋轉軸及旋轉量被決定成最終旋轉軸及旋轉量(S170)。

當所計算的「相對應像素數目」未達到預設數目時，使用關於其他隨機旋轉軸及旋轉量的隨機旋轉資訊以重複S130、S140、S150、S160等的操作，而當「相對應像素數目」為最高時，隨機旋轉資訊被決定成最終旋轉資訊。

當旋轉使用反向操作分析方式而計算時，構成第二特徵部的像素的位置資訊被轉換成3D位置資訊(S210)。此時，位置校正資訊可如上述使用。

隨機旋轉軸及旋轉量被提取，且藉反向計算隨機旋轉軸及旋轉量所獲得的隨機反向旋轉資訊被計算(S220)，隨機反向旋轉資訊使用至已轉換的3D位置資訊(S230)，且已轉換的3D位置資訊再次轉換成2D位置資訊(S240)。

在S240中轉換的2D位置資訊與構成第一特徵部的像素的位置資訊作比較(S250)。當具有相對應位置座標的像素數目被計算，而如果數目等於或大於預設數目(S260)，則藉反向計算所使用的隨機反向旋轉資訊所獲得的旋轉軸及旋轉量被決定成最終旋轉軸及旋轉量(S270)。

當所計算的「相對應像素數目」未達到預設數目時，隨機反向旋轉資訊相對於其他隨機旋轉軸及旋轉量而被計算，藉以重複S230、S240、S250、S260等等的操作，而當「相對應像素數目」為最高時，藉反向計算隨機反向旋轉資訊所獲得的隨機旋轉資訊被決定成最終旋轉資訊。

依據上述本發明的感測裝置及感測方法，當從獲取影像中提取的特徵部是部分隱藏以及當特徵部是完全顯示時，正向操作分析方式或反向操作分析方式可適當進行，藉以穩定地計算移動球體的旋轉。

[發明模式]

用以實現本發明的不同實施例是已經用實現本發明的最佳模式而說明。

[產業利用性]

依據本發明供感測移動球體的裝置及其方法可應用於關於高爾夫訓練的工業領域，包含依據高爾夫揮桿分析飛行中的高爾夫球，是一種所謂的螢幕高爾夫工業領域，提供虛擬實境模擬，讓使用者遊玩虛擬高爾夫遊戲等等。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

100‧‧‧影像獲取器

110‧‧‧第一照相機

120‧‧‧第二照相機

200‧‧‧影像處理器

210‧‧‧球體影像提取器

230‧‧‧球體特徵部提取器

300‧‧‧旋轉計算器

350‧‧‧操作方式選擇器

360‧‧‧正向操作分析器

370‧‧‧反向操作分析器

Claims (10)

1. 一種供感測移動球體的裝置，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該裝置包括：一影像獲取器，用以依據一球體的移動，獲取連續影像，該球體具有於其上標示一預設特徵部的一表面；一影像處理器，用以提取在一第一影像上的一球體部的一特徵部、以及在一第二影像上的一球體部的一特徵部，且該第一影像是當作二連續所獲取影像中一先前獲取的影像，而該第二影像是當作一後續獲取的影像；以及一旋轉計算器，用以依據球體從該第一影像至該第二影像的移動，計算一旋轉軸及一旋轉量，係藉依據預設資訊而選擇性的進行一正向操作分析及一反向操作分析的任何其中之一，該正向操作分析是比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第一影像的球體部的特徵部所獲得的結果與該第二影像的特徵部，而該反向操作分析是比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第二影像的球體部的特徵部所獲得的結果與該第一影像的特徵部，其中該旋轉計算器包含一操作方式選擇器，用以比較當作該第一影像上的球體部的特徵部之一第一特徵部的像素數目與當作該第二影像上的球體部的特徵部之一第二特徵部的像素數目，用以當該第一特徵部的像素數目大於該第二特徵部的像素數目時，決定旋轉是使用該正向操作分析器而被計算，並用以當該第一特徵部的像素數目小於該第二特徵部的像素數目時，決定旋轉是使用該反向操作分析器而被計算。
2. 一種供感測移動球體的裝置，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該裝置包括：一影像獲取器，用以依據一球體的移動，獲取連續影像，該球體具有於其上標示一預設特徵部的一表面；一影像處理器，用以提取在一第一影像上的一球體部的一特徵部、以及在一第二影像上的一球體部的一特徵部，且該第一影像是當作二連續所 獲取影像中一先前獲取的影像，而該第二影像是當作一後續獲取的影像；以及一旋轉計算器，用以依據球體從該第一影像至該第二影像的移動，計算一旋轉軸及一旋轉量，係藉依據預設資訊而選擇性的進行一正向操作分析及一反向操作分析的任何其中之一，該正向操作分析是比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第一影像的球體部的特徵部所獲得的結果與該第二影像的特徵部，而該反向操作分析是比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第二影像的球體部的特徵部所獲得的結果與該第一影像的特徵部，其中：該旋轉計算器包含一操作方式選擇器，用以比較當作該第一影像上的球體部的特徵部之一第一特徵部的大小與當作該第二影像上的球體部的特徵部之一第二特徵部的大小，並用以決定旋轉是否使用該正向操作分析器或該反向操作分析器而被計算；以及當該第一特徵部的大小大於該第二特徵部的大小時，該操作方式選擇器決定旋轉係使用該正向操作分析器而被計算，以及該第一特徵部的大小小於該第二特徵部的大小時，該操作方式選擇器決定旋轉係使用該反向操作分析器而被計算。
3. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之供感測移動球體的裝置，其中該旋轉計算器包括：一正向操作分析器，用以將構成該第一特徵部上球體部的每個像素的位置資訊轉換成三維(3D)位置資訊，使用關於該隨機旋轉軸及旋轉量的隨機旋轉資訊至該3D位置資訊，再次將該3D位置資訊轉換成二維(2D)位置資訊，以及比較並分析該2D位置資訊與該第二特徵部的球體部的特徵部的每個像素的位置資訊，藉以計算旋轉軸及旋轉量資訊；以及一反向操作分析器，用以將構成該第二特徵部上的球體部的每個像素的位置資訊轉換成3D位置資訊，使用藉反向計算隨機旋轉軸及旋轉量所得到的隨機反向旋轉資訊至該3D位置資訊，再次將該3D位置資訊轉換成2D位置資訊，以及比較並分析該2D位置資訊以及該第一特徵部的球體部的特徵部的每個像素的位置資訊，藉以計算旋轉軸及旋轉量資 訊。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之供感測移動球體的裝置，其中該旋轉計算器包含：一正向操作分析器，是當該第一特徵部的像素數目大於該第二特徵部的像素數目時，由該操作方式選擇器所驅動，用以將構成該第一特徵部的每個像素的位置資訊轉換成三維(3D)位置資訊，使用關於一隨機旋轉軸及旋轉量的隨機旋轉資訊至該3D位置資訊，再次將該3D位置資訊轉換成二維(2D)位置資訊，以及當該2D位置資訊與構成該第二特徵部的像素的位置資訊作比較而如果相對應像素的數目等於或大於一預設數目時，決定一相對應旋轉軸及旋轉量當作一最終旋轉軸及旋轉量；以及一反向操作分析器，是當該第一特徵部的像素數目小於該第二特徵部的像素數目時，由該操作方式選擇器所驅動，用以將構成該第二特徵部的每個像素的位置資訊轉換成3D位置資訊，使用藉反向計算一隨機旋轉軸及旋轉量所獲得的隨機反向旋轉資訊至該3D位置資訊，再次將該3D位置資訊轉換成2D位置資訊，以及當該2D位置資訊與構成該第一特徵部的像素的位置資訊作比較而如果相對應像素的數目等於或大於一預設數目時，決定藉反向計算該隨機反向旋轉資訊所獲的旋轉軸及旋轉量資訊當作最終旋轉軸及旋轉量資訊。
5. 一種感測移動球體的方法，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該方法包括：依據一球體的移動獲取連續影像，該球體具有一表面，該表面具有標示於其上的一預設特徵部；提取一第一特徵部以及一第二特徵部，該第一特徵部是當作在一第一影像上的一球體部的一特徵部，該第一影像是所獲取的該二連續影像中的一先前獲取的影像，該第二特徵部是當作在一第二影像上的一球體部的的一特徵部，該第二影像是所獲取的該二連續影像中的一後續獲取的影像；決定旋轉是否使用正向操作分析而計算，用以比較並分析藉使用一隨機 旋轉軸及旋轉量至該第一特徵部的結果與該第二特徵部，或是使用反向操作分析而計算，用以比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第二特徵部的結果與該第一特徵部；以及依據一球體從該第一影像至該第二影像的移動，藉基於所決定的結果可選擇地進行該正向操作分析及該反向操作分析的任意其中之一，以計算一旋轉軸及旋轉量，其中該決定包括當該第一特徵部及該第二特徵部的大小被比較而如果該第一特徵部的大小大於該第二特徵部的大小時，決定旋轉是使用正向操作分析而計算，以及當該第一特徵部的大小小於該第二特徵部的大小時，決定旋轉是使用反向操作分析而計算。
6. 一種感測移動球體的方法，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該方法包括：依據一球體的移動獲取連續影像，該球體具有一表面，該表面具有標示於其上的一預設特徵部；提取一第一特徵部以及一第二特徵部，該第一特徵部是當作在一第一影像上的一球體部的一特徵部，該第一影像是所獲取的該二連續影像中的一先前獲取的影像，該第二特徵部是當作在一第二影像上的一球體部的的一特徵部，該第二影像是所獲取的該二連續影像中的一後續獲取的影像；決定旋轉是否使用正向操作分析而計算，用以比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第一特徵部的結果與該第二特徵部，或是使用反向操作分析而計算，用以比較並分析藉使用一隨機旋轉軸及旋轉量至該第二特徵部的結果與該第一特徵部；以及依據一球體從該第一影像至該第二影像的移動，藉基於所決定的結果可選擇地進行該正向操作分析及該反向操作分析的任意其中之一，以計算一旋轉軸及旋轉量，，其中該決定包括當該第一特徵部的像素數目及該第二特徵部的的像素數目被比較而如果該第一特徵部的的像素數目大於該第二特徵部的的像素數目時，決定旋轉是使用正向操作分析而計算，以及當該第一特徵 部的的像素數目小於該第二特徵部的像素數目時，決定旋轉是使用反向操作分析而計算。
7. 依據申請專利範圍第5項或第6項所述之感測移動球體的方法，其中該使用正向操作分析計算該旋轉軸及旋轉量包括：將構成該第一特徵部的每個像素的位置資訊轉換成3D位置資訊；提取關於一隨機旋轉軸及旋轉量的隨機旋轉資訊，並使用該隨機旋轉資訊至已轉換的該3D位置資訊；將已使用該隨機旋轉資訊的3D位置資訊轉換成2D位置資訊；比較已轉換的該2D位置資訊與構成該第二特徵部的每個像素的位置資訊，並計算一相對應像素的數目；以及如果該相對應像素的數目等於或大於一預設數目，則決定關於該隨機旋轉資訊的旋轉軸及旋轉量資訊當作最終旋轉軸及旋轉量資訊。
8. 依據申請專利範圍第5項或第6項所述之感測移動球體的方法，其中該使用反向操作分析計算該旋轉軸及旋轉量包括：將構成該第二特徵部的每個像素的位置資訊轉換成3D位置資訊；提取藉反向計算一隨機旋轉軸及旋轉量所獲得的隨機反向旋轉資訊，並使用該隨機旋轉資訊至已轉換的該3D位置資訊；將已使用該隨機反向旋轉資訊的3D位置資訊轉換成2D位置資訊；比較已轉換的該2D位置資訊以及構成該第一特徵部的每個像素的位置資訊，並計算一相對應像素的數目；以及如果該相對像素的數目等於或大於一預設數目，則決定藉反向計算該隨機反向旋轉資訊所獲得的旋轉軸及旋轉量資訊當作最終旋轉軸及旋轉量資訊。
9. 一種感測移動球體的方法，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該方法包括：依據一球體的移動獲取連續影像，該球體具有一表面，該表面具有標示於其上的一預設特徵部； 備製一第一特徵部以及一第二特徵部，該第一特徵部是當作在一第一影像上的一球體部的一特徵部，該第一影像是所獲取的該二連續影像中的一先前獲取的影像，該第二特徵部是當作在一第二影像上的一球體部的的一特徵部，該第二影像是所獲取的該二連續影像中的一後續獲取的影像；比較在該第一特徵部影像上當作第一特徵部的該第一特徵部以及在該第二特徵部影像上當作第二特徵部的該第二特徵部，藉以選擇一旋轉操作方式；以及選擇性地進行正向操作分析及反向操作分析的任意其中之一，該正向操作分析係用以使用隨機旋轉資訊至該第一特徵部，並比較該第一特徵部及該第二特徵部，該反向操作分析係用以使用隨機反向旋轉資訊至該第二特徵部，並比較該第一特徵部及該第二特徵部，依據選擇結果，尋找3D空間中的一旋轉軸及旋轉量，用以使該第一特徵部影像被轉換成該第二特徵部影像，其中在選擇旋轉計算方式中當該第一特徵部及該第二特徵部被比較而該第一特徵部的大小或像素數目大於該第二特徵部的大小或像素數目時，該尋找該旋轉軸及旋轉量包括：使用關於一隨機旋轉軸及旋轉量的隨機旋轉資訊至構成該第一特徵部的每個像素的位置資訊；比較已使用該隨機旋轉資訊的像素的位置資訊與構成該第二特徵部的每個像素的位置資訊；以及當已使用該隨機旋轉資訊的像素的位置資訊以一預設程度對應到構成該第二特徵部的每個像素的位置資訊時，決定該隨機旋轉資訊當作最終旋轉資訊。
10. 一種感測移動球體的方法，用以獲取並分析移動球體之影像而計算移動球體之旋轉，該方法包括：依據一球體的移動獲取連續影像，該球體具有一表面，該表面具有標示於其上的一預設特徵部；備製一第一特徵部以及一第二特徵部，該第一特徵部是當作在一第一影 像上的一球體部的一特徵部，該第一影像是所獲取的該二連續影像中的一先前獲取的影像，該第二特徵部是當作在一第二影像上的一球體部的的一特徵部，該第二影像是所獲取的該二連續影像中的一後續獲取的影像；比較在該第一特徵部影像上當作第一特徵部的該第一特徵部以及在該第二特徵部影像上當作第二特徵部的該第二特徵部，藉以選擇一旋轉操作方式；以及選擇性地進行正向操作分析及反向操作分析的任意其中之一，該正向操作分析係用以使用隨機旋轉資訊至該第一特徵部，並比較該第一特徵部及該第二特徵部，該反向操作分析係用以使用隨機反向旋轉資訊至該第二特徵部，並比較該第一特徵部及該第二特徵部，依據選擇結果，尋找3D空間中的一旋轉軸及旋轉量，用以使該第一特徵部影像被轉換成該第二特徵部影像，其中在選擇旋轉計算方式中當該第一特徵部及該第二特徵部被比較而該第一特徵部的大小或像素數目小於該第二特徵部的大小或像素數目時，該尋找該旋轉軸及旋轉量包括：使用藉反向計算一隨機旋轉軸及旋轉量所獲得的隨機反向旋轉資訊至構成該第二特徵部的每個像素的位置資訊；比較已使用該隨機反向旋轉資訊的像素的位置資訊與構成該第一特徵部的每個像素的位置資訊；以及當已使用該隨機反向旋轉資訊的像素的位置資訊以一預設程度對應到構成該第一特徵部的每個像素的位置資訊時，決定藉反向計算該隨機旋轉軸及旋轉量所獲得的該旋轉資訊當作最終旋轉資訊。