TWI650735B - 移動球體的感測裝置及感測方法 - Google Patents

移動球體的感測裝置及感測方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種移動球體的感測裝置及感測方法，用於連續取得移動球體的影像並對其分析，根據該分析的結果計算出前述移動球體的自旋資訊，即使不在球體上標示特定標記等，也能夠計算出移動球體的自旋，除了在球體上存在的標誌或品牌標示等外，存在凹紋部、傷痕等在影像上特徵性地顯示的部分，則能夠利用它們，簡單、迅速、準確地計算出移動球體的自旋。

Description

移動球體的感測裝置及感測方法
本發明涉及一種移動球體的感測裝置及感測方法，用於獲得移動球體的影像並對其進行預定處理、分析，來計算出球的自旋。
利用球的體育比賽，特別是高爾夫球而言，一直試圖準確地感測被高爾夫球員擊打而移動的球體的物理物質，利用該感測的值，進行擊球分析，或將其體現為影像，應用于諸如所謂螢幕高爾夫的類比高爾夫領域。
特別是藉由擊打而飛出的球的自旋(Spin)，以三維空間上的軸為中心，以極高的速度旋轉，因而對其進行測量相當困難，另外，為了準確測量，需要相當高價的設備，代表性的有利用雷達感測器(Radar Sensor)的方式。
螢幕高爾夫或高爾夫練習場中的感測裝置感測使用者藉由高爾夫揮杆擊打的球並計算出球的軌跡，由此實現在虛擬高爾夫球場中的高爾夫模擬，但是，這種高價的感測裝置不適合作為通用的所謂螢幕高爾夫或高爾夫練習場中的擊球分析等的感測裝置，因而需要開發一種即使在比較廉價、低性能的系統中，也可以迅速、準確地感測球的自旋的技術。
因此，在現有的美國註冊專利第5471383號(Monitoring system to measure and display flight characteristics of moving sports object)等現有技術文獻中，公開了一種關於製成便攜形態並能夠計算出擊打的球的自旋的Launch Monitor，但前述美國註冊專利第5471383號公開了在球體上人為地標示特定的螢光標記，在拍攝的影像中，識別該螢光標記部分，以對該識別的螢光標記部分的變化進行分析的方式，計算出球的自旋的方法。
但是，只有在球體上標示人為的特定標記才能識別球的自旋，這表示使用者必須始終只利用標示了該特定標記的球進行高爾夫揮杆練習，因而不僅使使用者感到非常不便，而且在球上標示的特定標記由於多次反復的高爾夫揮杆而損毀或剝落的情況下，存在無法計算出自旋的問題。
另一方面，在日本特開2004-184236號(測量球體的旋轉特性和飛行特性的方法)中，公開了利用高爾夫球上原來標示的諸如品牌標示等的非人為標示的不特定的特徵部而計算出自旋的方式，但前述日本特開2004-184236號公開了將以二維拍攝的各影像全部變換成三維空間上的虛擬球體，以在該三維空間上計算各個虛擬球體的旋轉資訊的方式算出計自旋的方法。
在準確計算移動球體的自旋時，前述日本特開2004-184236號所公開的技術較理想。雖然能夠準確計算球的自旋，但如果其計算速度過慢，則能計算出自旋的感測裝置的可利用範圍必然極為受限，如虛擬高爾夫類比裝置等那樣，與使用者擊打高爾夫球幾乎同時計算出自旋，實現對此的球體軌跡的影像類比的情況下，存在絕對無法利用的問題。
本發明用於對連續取得的移動球體的影像進行分析，基於該分析結果，計算出前述球體移動的自旋資訊，提供一種即使不在球體上標示特定標記等，也能夠迅速、準確地計算出移動球體的自旋的移動球體的感測裝置及感測方法。
本發明一個實施例的感測裝置，取得移動球體的影像並進行分析，計算出移動球體的自旋，該移動球體的感測裝置包括：影像取得部，其取得移動球體的連續的影像；影像處理部，其分別對藉由前述影像取得部連續取得的第1影像及第2影像進行影像處理，分別生成用於計算前述移動球體的自旋資訊的特徵資訊；以及自旋計算部，其利用對前述第1影像的特徵資訊應用任意自旋而得的結果和前述第2影像的特徵資訊，按照預先設定的事項，判斷將前述任意自旋資訊決定為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊。
另外，較理想地，前述影像處理部包括：特徵資訊生成部，其對從前述第1影像提取出的第1球體影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第1特徵資訊，對從前述第2影像提取出的第2球體影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第2特徵資訊。
另外，較理想地，該移動球體的感測裝置包括：影像預處理部，其從前述第1影像提取球體影像，生成第1球體影像，從前述第2影像提取球體影像，生成第2球體影像，按照預先設定的事項，對前述提取出的第1球體影像及第2球體影像執行影像預處理；影像正規化部，其對前述第1球體影像和第2球體影像執行大小和亮度的正規化，從前述第1球體影像生成第1基準影像，從前述第2球體影像生成第2基準影像；以 及特徵資訊生成部，其從前述第1基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第1特徵資訊，從前述第2基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第2特徵資訊。
另外，較理想地，從前述影像邊緣資訊生成的第1特徵資訊及第2特徵資訊，包括前述球體的凹紋部的影像邊緣資訊、在前述球體上形成的標誌或特定標記的影像邊緣資訊、及前述球體上的傷痕或異物的影像邊緣資訊中至少一種。
另外，較理想地，前述第1特徵資訊及第2特徵資訊包括按照預先設定的邊緣檢測條件檢測出的各個像素的座標值及邊緣強度值。
另外，較理想地，前述第1特徵資訊及第2特徵資訊，包括在按照預先設定的邊緣檢測條件檢測出的像素中，提取出的相當於預先設定的邊緣強度值範圍的各個像素的座標值及邊緣強度值。
另外，較理想地，前述自旋計算部包括：任意自旋應用部，其將相當於前述第1特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標資訊，對該變換後的三維座標資訊應用任意自旋資訊，將應用了前述任意自旋資訊的像素變換成二維座標資訊，來生成任意旋轉特徵資訊；以及自旋決定部，其比較前述任意旋轉特徵資訊的邊緣強度值與從前述第2特徵資訊提取出的目標特徵資訊的邊緣強度值，計算出類似度資訊，利用前述計算出的類似度資訊，判斷將前述任意自旋資訊作為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊。
另一方面，本發明一個實施例的感測方法取得移動球體的影像並進行分析，計算出移動球體的自旋，該移動球體的感測方法包括：取 得移動球體的連續的影像的步驟；分別對連續取得的第1影像及第2影像進行影像處理，分別生成用於計算前述移動球體的自旋資訊的特徵資訊的步驟；以及利用對前述第1影像的特徵資訊應用任意自旋而得的結果和前述第2影像的特徵資訊，按照預先設定的事項，判斷將前述任意自旋資訊決定為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊的步驟。
另外，較理想地，分別生成用於計算前述球體的自旋資訊的特徵資訊的步驟包括：對從前述第1影像提取出的第1球體影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第1特徵資訊的步驟；以及對從前述第2影像提取出的第2球體影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第2特徵資訊的步驟。
另外，較理想地，分別生成用於計算前述球體的自旋資訊的特徵資訊的步驟包括：按照預先設定的事項，針對從前述第1影像提取出的第1球體影像及從前述第2影像提取出的第2球體影像執行大小和亮度的正規化的步驟；藉由前述正規化，從前述第1球體影像生成第1基準影像，藉由前述正規化，從前述第2球體影像生成第2基準影像的步驟；從前述第1基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第1特徵資訊的步驟；以及從前述第2基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第2特徵資訊的步驟。
另外，較理想地，該移動球體的感測方法還包括：利用前述第1特徵資訊，應用針對取得移動球體的影像的照相機的位置及方向的位置修正資訊及三維空間上的任意自旋資訊，生成任意旋轉特徵資訊的步驟；利用前述第2特徵資訊，應用前述位置修正資訊，生成目標特徵資訊的步驟；以及比較前述任意旋轉特徵資訊的邊緣強度值與前述目標特徵資訊的邊緣強度值，計算出類似度資訊，利用前述計算出的類似度資訊，判 斷將前述任意自旋資訊作為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊的步驟。
另外，較理想地，生成前述任意旋轉特徵資訊的步驟包括：將基於前述第1特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標的步驟；對變換成前述三維座標的像素應用前述位置修正資訊的步驟；對應用了前述位置修正資訊的各像素座標資訊，應用任意自旋資訊的步驟；以及將應用了前述任意自旋資訊的像素變換成二維座標資訊，來生成任意旋轉特徵資訊的步驟。
另外，較理想地，決定前述最終自旋資訊的步驟包括：針對互不相同的任意自旋資訊，反復執行預先設定的次數的生成前述任意旋轉特徵資訊的步驟，來分別計算出類似度資訊的步驟；以及將反復執行而計算出的各個類似度資訊中具有最大值時的任意自旋資訊決定為最終自旋資訊的步驟。
另外，較理想地，決定前述最終自旋資訊的步驟還包括：預先設定用於決定為最終自旋資訊的前述類似度資訊的基準值的步驟；該移動球體的感測方法包括：前述計算出的類似度資訊為前述預先設定的基準值以上或直到比之大為止反復應用前述任意自旋資訊，將為預先設定的基準值以上或前述計算出更大的類似度資訊時的任意自旋資訊決定為最終自旋資訊的步驟。
本發明的移動球體的感測裝置及感測方法用於對連續取得的移動球體的影像進行分析，基於該分析結果，計算出前述球體移動的自旋資訊，即使不在球體上標示特定標記等，也能夠計算出移動球體的自旋， 只要在球體上存在標誌或品牌標示等，或在凹紋部、傷痕等影像上特徵性地顯示的部分，則能夠利用它們簡單、迅速、準確地計算出移動球體的自旋。
10‧‧‧球體
21‧‧‧球體部
22‧‧‧球體部
23‧‧‧球體部
100‧‧‧影像取得部
110‧‧‧第1照相機
120‧‧‧第2照相機
200‧‧‧影像處理部
210‧‧‧影像預處理部
211‧‧‧球體影像
212‧‧‧球體影像
213‧‧‧球體影像
220‧‧‧影像正規化部
230‧‧‧特徵資訊生成部
300‧‧‧自旋計算部
310‧‧‧位置修正部
320‧‧‧任意自旋應用部
330‧‧‧自旋決定部
C‧‧‧中心點
圖1是簡要表示本發明一個實施例的移動球體的感測裝置的結構的方塊圖。
圖2是用於說明利用圖1所示的結構取得影像至計算出球體的自旋為止的各構成要素的功能的圖。
圖3是用於表示作為本發明影像取得部而立體構成的兩台照相機和移動球體的圖。
圖4是用於說明本發明一個實施例的移動球體的感測方法的流程圖。
圖5(a)至圖5(c)表示針對藉由本發明一個實施例的感測裝置的照相機以預定時間間隔取得的其視場角內的移動球體的影像，只分別提取球體部的狀態的影像。
圖6是用於說明圖5所示的球體部提取的較理想提取方法的圖。
圖7(a)至圖7(c)表示分別對與圖5(a)至圖5(c)的球體影像的大小及亮度實現正規化而得的影像。
圖8(a)表示從源影像提取的球體影像的一個示例，圖8(b)表示針對圖8(a)所示的球體影像進行影像正規化而得的基準影像的一個示例，圖8(c)表示針對圖8(b)所示的基準影像，按照預先設定的基準檢測出邊緣(Edge)的狀態，圖8(d)是表示按照預先設定的條件從上述圖8(c)所示的檢測出的邊緣資訊提 取並生成的特徵資訊的圖。
圖9(a)是表示從第1球體影像生成第1基準影像，從該第1基準影像檢測出邊緣的狀態的圖，圖9(b)是表示從如上述圖9(a)所示地檢測出的邊緣資訊，檢測出相當於預先設定的相位範圍的像素而生成的第1特徵資訊的圖，圖9(c)是表示從第2球體影像生成第2基準影像，從該第2基準影像檢測出邊緣的狀態的圖，圖9(d)是表示從如上述圖9(c)所示地檢測出的邊緣資訊，檢測出相當於預先設定的相位範圍的像素而生成的第2特徵資訊的圖。
圖10是用於說明計算移動球體的自旋的圖。
圖11及圖12是用於說明為了計算球體的自旋而對照相機的位置及方向進行修正的原理的圖。
參照圖式，說明本發明的移動球體的感測裝置及感測方法的具體內容。
本發明基本上利用預定的照相機拍攝使用者用高爾夫球杆擊打高爾夫球(以下簡稱“球體”)並分析該拍攝的影像，從而計算出被擊打的球體的自旋，因此前述照相機作為多個照相機以立體方式構成的立體照相機或3D照相機，較理想能夠將球體的二維影像上的座標變換成三維座標或進行相反變換的構成。
並且，本發明的移動球體的感測裝置及感測方法可以應用於使用基於使用者的高爾夫揮杆的球體的擊球分析或虛擬實境的模擬的虛擬高爾夫等各種領域。
首先，參照圖1及圖2，針對本發明一個實施例的移動球體 的感測裝置進行說明。
如圖1及圖2所示，本發明一個實施例的移動球體的感測裝置包括影像取得部100、影像處理部200及自旋計算部300。
前述影像取得部100為照相機裝置，如上所述，可以由立體方式的照相機裝置或3D照相機裝置實現。在圖1中，示出了作為立體方式的照相機裝置，藉由第1照相機110及第2照相機120實現影像取得部100的情況。
前述影像處理部200作為針對藉由前述影像取得部100取得的影像執行預定的影像處理的構成要素，可以包括影像預處理部210、影像正規化部220、特徵資訊生成部230。
前述影像預處理部210執行如下的預處理(Pre-Processing)：從藉由前述影像取得部100連續取得的各個影像分別提取出針對球體部的影像即球體影像，提取並生成針對該提取出的各個球體影像的特徵性部分。
另一方面，在針對移動球體取得的影像中，球體的亮度因球體的位置、照明的照度、照相機鏡頭的特性、外部光、球體的顏色、球體的材質等而不同。
為了根據本發明的影像處理方法計算出移動球體的自旋，應在相同的條件下，相互比較連續的兩個影像上的各個球體影像，因此，需要使如上所述的球體的位置、照度等的影響均勻，由此前述影像正規化部220執行使藉由前述影像預處理部210進行預處理而得的球體影像的大小及亮度變得均勻的影像正規化(Normalization)。
以下說明與藉由前述影像預處理部210進行的影像預處理 及藉由前述影像正規化部220進行的影像正規化相關的更具體的細節。
另一方面，前述特徵資訊生成部230從如上所述地完成了前述影像預處理部210的影像預處理及前述影像正規化部220的影像正規化的球體影像(以下簡稱“基準影像”)，提取出邊緣(Edge)資訊而生成“特徵資訊”，更具體的細節將在後面敘述。
另一方面，前述自旋計算部300是如下的構成要素：利用從任意連續的兩個球體影像分別生成的“特徵資訊”，找出移動球體根據哪個自旋軸進行何種程度的旋轉，即找出移動球體的自旋的與自旋軸及自旋量相關的資訊。
如圖1所示，前述自旋計算部300可以包括位置修正部310、任意自旋應用部320及自旋決定部330。
前述位置修正部310為了計算出球體的自旋而在連續的兩個影像上的球體在相互相同的相對座標系中，以相同角度觀察球體的狀態下計算自旋，使得能夠準確計算出自旋，具體細節將在後面敘述。
另一方面，本發明基本上對連續拍攝的移動球體的影像中的每2個影像進行分析，將連續取得的影像中的先取得的影像稱為第1影像，將後取得的影像稱為第2影像時，計算出從取得前述第1影像時的球體狀態到取得前述第2影像時的球體狀態的自旋。
針對前述第1影像上的球體，藉由預定的影像處理，提取第1特徵資訊，針對前述第2影像上的球體，藉由預定的影像處理，提取第2特徵資訊，計算出如下的函數值：針對前述第1特徵資訊應用任意自旋，利用應用了該任意自旋資訊的結果和前述第2特徵資訊，用於判斷將前述 任意自旋資訊決定為最終自旋資訊是否適合的函數值。
反復應用預先設定的次數的前述任意自旋資訊，把各個計算出的函數值中具有最大值時的任意自旋資訊決定為最終自旋資訊，或預先設定針對前述函數值的適當的基準值，在應用前述任意自旋資訊而計算出的函數值為前述基準值以上或比前述基準值大的情況下，把相應任意自旋資訊決定為最終自旋資訊，以這種方式計算出針對移動球體的自旋。
如上所述，前述任意自旋應用部320為了找出第1影像上的球體藉由自旋而位置變化為第2影像上的球體的自旋軸及自旋量，提取任意自旋軸及自旋量資訊並對其進行應用，前述自旋決定部330判斷如上所述地藉由任意自旋應用部320應用的任意自旋軸及自旋量資訊是否接近要找的自旋軸及自旋量資訊，從而能夠計算出最終的自旋資訊。
即，前述任意自旋應用部320直至計算出最終的自旋資訊之前，每次提取新的任意自旋軸及自旋量資訊並應用，前述自旋決定部330檢查該應用的結果，把最合適的任意自旋資訊決定為最終自旋資訊。具體細節將在後面敘述。
如圖3所示，以相對於地面G的i、j、k坐標系為基準，從第1照相機110及第2照相機120分別取得的球體影像，可以獲知基於球體10移動的各影像取得位置的位置資訊。
即，第1照相機110及第2照相機120為具有立體方式(Stereoscopic)構成的影像取得裝置，因而可以從兩個照相機對同一被攝體取得的影像提取出被攝體的三維座標資訊，在圖3中，隨著球體10從第1位置移動到第2位置，可以分別提取出第1位置的座標資訊(x,y,z)及第2位置 的座標資訊(x’,y’,z’)。
此時，第1照相機110及第2照相機120被固定。因此，可以獲知前述第1照相機110及第2照相機120的位置座標，該位置座標始終被固定。
另一方面，就本發明一個實施例的影像處理方法，參照圖4所示的流程圖進行說明。為了說明圖4所示的流程圖的影像處理方法，參照圖5至圖12所示的圖式進行說明。
首先，藉由影像取得部，取得移動球體的連續影像(S10)。
其中，如前述圖3所示，藉由圖5(a)至圖5(c)，可以用某一個照相機確認對移動球體連續取得的影像中的一部分。
即，圖5(a)至圖5(c)表示針對藉由固定的照相機以預定的時間間隔取得的其視場角內的移動球體的影像，藉由差值影像等去除背景部分等後只留有球體部21、22、23的狀態的影像。
藉由圖5(a)、圖5(b)及圖5(c)可知球體為向左側對角線方向飛去的狀態，可知在球體接近照相機時，如圖5(a)所示，球體21看起來較大，而越來越遠離照相機時，如圖5(b)及圖5(c)所示，球體22、23看起來逐漸變小。
其中，源影像是指，藉由差值影像等從圖5(a)、圖5(b)及圖5(c)所示的影像中，即從最終取得的影像中去除背景部分及各種雜訊部分，只留下移動部分即球體部的狀態的影像。
為了應用如上所述的任意自旋資訊，以判斷該應用的任意自旋資訊是否為真正的自旋資訊的方式計算出球體的自旋，首先需要從圖5 所示的各個源影像，有效地只提取出球體部21、22、23的影像，即球體影像。
圖5(a)至圖5(c)示出了從各個源影像只提取球體部的過程，較理想地，首先在源影像中找到球體部21、22、23，如圖6所示，使球體部21的中心點C成為所提取的影像211的中心點，球體部21的外廓線實質上與所提取的影像211的外廓線相接，從而準確地進行提取。
即，根據本發明一個實施例的影像處理方法，可以從藉由前述S10步驟連續取得的兩個影像分別提取源影像，由此分別提取第1球體影像及第2球體影像(S12)。
其中，把從先取得的影像的源影像提取出的球體影像稱為第1球體影像，把從後取得的影像的源影像提取出的球體影像稱為第2球體影像。
以這種方法，從各源影像只提取球體部21、22、23而得的影像，即球體影像211、212、213的大小與各個源影像上的球體的大小相對應，因此具有互不相同大小，在各源影像上示出的球體部21、22、23因照明的影響根據與照相機的距離而不同，因而每個球體影像的亮度也不同。
為了提取準確的特徵資訊，需要使各個球體影像211、212、213的大小相同，並對亮度進行正規化。
其中，根據本發明一個實施例的影像處理方法，可以分別針對藉由前述S12步驟而提取的第1球體影像及第2球體影像執行影像預處理(Pre-Processing)及影像正規化(Normalization)，從前述第1球體影像生成第1基準影像，從前述第2球體影像生成第2基準影像(S14)。
如果針對此部分進行說明，圖7(a)對應於圖5(a)所示的球體影像211，圖7(b)對應於圖5(b)所示的球體影像212，圖7(c)對應於圖5(c)，分別示出了以相同大小及亮度實現正規化(Normalization)的狀態的球體影像。
即，可以針對圖5(a)至圖5(c)所示的各個球體影像211、212、213，根據預先設定的大小進行放大或縮小，或以前述球體影像211、212、213中的某一球體影像為基準，與之對應地對其他球體影像進行放大或縮小，從而使球體影像的大小相互相同。
並且，尤其從各個球體影像中去除出現於球體的中心部分的熱像素(hotpixels)，利用構成球體部的所有像素的平均值對各個球體影像進行正規化處理，從而使各球體影像的整體亮度相互相同。
如上所述，如同把圖5(a)至圖5(c)示出的各球體影像211、212、213處理成圖7(a)至圖7(c)示出的各球體影像一樣，在完成對球體影像的正規化後，針對各個正規化後的球體影像(下面把如上所述實現對大小及亮度的正規化的球體影像稱為“基準影像”)，如圖8(d)所示，藉由特徵資訊生成部生成特徵資訊。
即，根據本發明一個實施例的影像處理方法，可以從藉由前述S14步驟而提取的第1基準影像及第2基準影像分別生成第1特徵資訊及第2特徵資訊(S16)。可以藉由檢測影像邊緣(Edge)資訊來生成前述特徵資訊。
如果針對此部分進行說明，圖8(a)示出了從源影像提取的球體影像的一個示例，圖8(b)示出了針對圖8(a)所示的球體影像進行了影像正規化的基準影像的一個示例，圖8(c)示出了針對圖8(b)所示的基準影像按照 預先設定的基準檢測邊緣(Edge)的狀態，圖8(d)示出了按照預先設定的條件從前述圖8(c)所示的檢測出的邊緣資訊中提取並生成的特徵資訊。
在圖8(c)中，圓圈內的以最亮顏色示出的部分是相當於影像邊緣的部分，在圖8(d)中，圓圈內的以最深的黑色顯示的部分是相當於從前述邊緣資訊提取出的特徵資訊的部分。
前述移動球體為高爾夫球時，前述邊緣資訊既可以是凹紋部(dimple)的影像邊緣資訊，也可以是在前述凹紋部中全部示出高爾夫球的傷痕等的影像邊緣資訊，還可以是在前述凹紋部中示出高爾夫球的標誌或特定標記等的影像邊緣資訊。
圖8(c)示出了針對球體上的凹紋部和標誌檢測出的邊緣資訊。
其中，邊緣(Edge)是指在預定區域內亮度急劇變化的位置，可以預先設定用於邊緣檢測的預定條件，如前述圖8(c)所示地從基準影像檢測出邊緣。
前述邊緣資訊具有以檢測出的像素的座標資訊和該像素的亮度來體現的邊緣強度(Edge Intensity)值。
在此，本發明利用前述邊緣強度值生成如圖8(d)所示那樣的特徵資訊，雖然也可以把檢測為邊緣的所有像素的座標資訊及邊緣強度值用作特徵資訊，但為了合理地減小計算自旋所需的計算量，較理想是只提取相當於前述檢測出的邊緣的像素中的一部分像素，生成該提取出的像素的座標資訊及邊緣強度值作為特徵資訊。
在圖8(d)中，為了從視覺上表現從檢測出的邊緣資訊中提取 出的特徵資訊，出於便利，在圓圈內用最深的黑色標示相當於特徵資訊的部分。
可以根據邊緣強度值，即構成邊緣的像素的亮度值選定生成為前述特徵資訊的像素，例如，可以在前述檢測出的邊緣資訊中選定邊緣強度值相當於預先設定的相位範圍的像素而用作特徵資訊，也可以預先定義邊緣強度值的預定範圍，提取具有相當於該定義範圍的邊緣強度值的像素而用作前述特徵資訊。可以根據大量試驗和經驗等適當地設置前述邊緣強度值的範圍。
如上所述地生成特徵資訊後，該生成的特徵資訊包括根據前述邊緣強度值提取出的各個像素的座標資訊和該像素的邊緣強度值的資訊。
在本發明中，從針對移動球體連續取得的多個影像中連續的兩個影像中分別提取第1球體影像及第2球體影像，分別針對第1球體影像和第2球體影像進行影像預處理(pre-processing)及正規化(normalization)而生成第1基準影像及第2基準影像，從前述第1基準影像檢測邊緣而生成第1特徵資訊，從前述第2基準影像檢測邊緣而生成第2特徵資訊，利用前述第1特徵資訊和第2特徵資訊計算出相互間的類似度(Similarity)，從而決定最終的自旋資訊。
其中，前述類似度的計算是基於預先定義的函數的值，這相當於前面說明的“針對第1特徵資訊應用任意自旋，利用應用了該任意自旋資訊的結果和第2特徵資訊，判斷將前述任意自旋資訊決定為最終自旋資訊是否合適的函數值”的一個示例。
在圖9(a)中示出了從如上所述的第1球體影像生成第1基準影像，從該第1基準影像檢測出邊緣的狀態。
並且，在圖9(c)中示出了從如上所述的第2球體影像生成第2基準影像，從該第2基準影像檢測出邊緣的狀態。
圖9(b)示出了如前述圖9(a)所示那樣從檢測出的邊緣資訊檢測相當於預先設定的相位範圍的像素並生成的第1特徵資訊(圖9(b)所示的圓圈內的以最深的黑色標示的部分)，圖9(d)示出了如前述圖9(c)所示那樣從檢測出的邊緣資訊檢測相當於預先設定的相位範圍的像素並生成的第2特徵資訊(圖9(d)所示的圓圈內的以最深的黑色標示的部分)。
本發明利用如圖9(b)所示的第1特徵資訊和如圖9(d)所示的第2特徵資訊，計算出移動球體的自旋資訊。
如上所述，若有第1特徵資訊和第2特徵資訊，則進行自旋計算部利用這些特徵資訊計算出移動球體的自旋資訊的步驟。
即，如果參照圖4所示的流程圖，把前述第1特徵資訊及第2特徵資訊的像素的位置資訊分別變換成三維位置資訊(S22)，應用對該變換後的三維位置資訊的位置修正資訊(S24)。
並且，提取任意自旋軸及自旋量，應用於從前述第1特徵資訊變換的三維位置資訊(S26)，把應用了任意自旋軸及自旋量的三維位置資訊變換成二維位置資訊，生成“任意旋轉特徵資訊”(S28)，把從前述第2特徵資訊變換的三維位置資訊變換成二維位置資訊，生成“目標特徵資訊”(S32)。
以下，針對分別生成前述“任意旋轉特徵資訊”及“目標特 徵資訊”的步驟進行說明。
在此，如圖10所示，藉由計算出i軸、j軸及k軸坐標系的三維空間上的自旋軸相關座標資訊及以前述自旋軸為中心旋轉的角度，即自旋量相關資訊，來求出球體的自旋。
如圖10所示，三維空間上的旋轉移動可以分別包括俯仰角、偏航角、翻滾角(pitch,yaw,roll)成分(例如，在自旋軸與k軸一致的情況下，球體只具有側面自旋(Side Spin)，在自旋軸與i軸一致的情況下，球體只具有向後自旋(Back Spin)或向前自旋(Forward Spin))，如果把i軸方向的旋轉成分設為θ，把j軸方向的旋轉成分設為λ，把k軸方向的旋轉成分設為ρ，則可以如下式[式1]所示那樣表示所要求出的自旋向量(ω)。
可以從前述自旋向量(ω)，如下式[式2]那樣計算出自旋軸資訊，如[式3]那樣計算出自旋量資訊。其中，α代表自旋量資訊。
因此，藉由找出移動球體的自旋的偏航角(yaw)旋轉成分θ值、翻滾角(roll)旋轉成分λ值，以及俯仰角(pitch)旋轉成分ρ值，可以求出自旋軸及自旋量資訊。
找出這種自旋軸及自旋量資訊的工作，可以利用如圖9(b)及圖9(d)分別示出的第1特徵資訊及第2特徵資訊來實現。
為此，首先需要對構成前述第1特徵資訊及第2特徵資訊的各像素的位置資訊進行修正。
即，藉由照相機取得的影像上的球體的位置因照相機觀察的方向不同，而觀察到的自旋軸及自旋量不同，因此需要準確地建立基準，根據該基準計算出絕對的自旋軸及自旋量，為此如在連續取得的每個影像中相對於球體，照相機以相同位置及方向觀察球體那樣，對照相機的位置及方向資訊進行修正，從而計算出準確的自旋資訊。
圖11及圖12是用於說明前述位置修正原理的圖。
本發明的感測裝置及感測方法，利用連續的兩個影像，從構成特徵資訊的各像素的位置變化計算出自旋資訊，為了計算出準確的自旋資訊，分析的各個連續的一對影像應為在相同位置及方向觀察球體的狀態。
即，需要針對連續取得的各個影像(始終固定的照相機觀察並拍攝經過的球體)，如照相機與球體一同移動並始終在相對相同的位置及方向觀察球體一樣，修正各個影像。
作為用於確定照相機位置及方向的基準的一個示例，如圖11所示，當球體10沿d方向移動時，將包含於相對於球體前進方向的向量成分Bj垂直的平面p，且從與地面G平行的向量成分的Bi方向觀察球體10的方向作為基準。
即，如圖12所示，如在球體沿d方向前進並在照相機110拍攝的各個位置與球體10前進的方向向量Bj垂直，且從平行於地面G的 方向向量Bi方向觀察球體那樣，需要生成用於修正照相機110的位置及方向的位置修正資訊，將其應用於自旋計算。
這種位置修正可以藉由利用已知的固定的照相機的座標資訊和球體的中心座標資訊來修正照相機觀察球體的角度而實現，實際上並不如此修正影像，而是藉由把該修正部分的資訊應用於分別構成前述第1特徵資訊及第2特徵資訊的各個像素的位置座標而實現。
另一方面，把構成前述第1特徵資訊的各個像素的位置資訊變換成三維位置資訊，應用如上所述的位置修正資訊後，並對其應用任意自旋軸及自旋量資訊，並再次將其變換成二維位置資訊。以下，將其稱為“任意旋轉特徵資訊”。
把構成前述第2特徵資訊的各個像素的位置資訊變換成三維位置資訊，應用如上所述的位置修正資訊後，將其變換成二維位置資訊。以下，將其稱為“目標特徵資訊”。
如上所述地分別生成“任意旋轉特徵資訊”和“目標特徵資訊”後，可以相互比較前述任意旋轉特徵資訊與目標特徵資訊來計算出類似程度，即根據預先設置的函數將類似度計算為值(參照圖4所示的流程圖中的S34步驟)。
並且，可以針對該計算出的類似度值，選擇最大值或超過預先設定的基準值的值，把該選擇的值的應用於任意旋轉特徵資訊中的任意自旋軸及自旋量資訊決定為最終的自旋軸及自旋量資訊(參照圖4所示的流程圖中的S36步驟)。
在此，可以根據任意旋轉特徵資訊的各像素所具有的邊緣強 度值和目標特徵資訊的各像素所具有的邊緣強度值，計算出前述任意旋轉特徵資訊與目標特徵資訊的類似度。
即，關於前述類似度，可以針對任意旋轉特徵資訊與目標特徵資訊，比較相互所對應的像素的邊緣強度值，藉由預先設定的函數，計算出存在何種程度的類似性的值。
為了判斷該計算出的類似度的值是否為最大值，需要應用多次任意自旋軸及自旋量，可以預先設定其應用次數等。
另外，也可以藉由大量試驗和經驗，對類似度設定適當的基準值，比較任意旋轉特徵資訊與目標特徵資訊，當計算出的類似度值超過該基準值時，把應用於該任意旋轉特徵資訊的自旋軸及自旋量決定為最終的自旋軸及自旋量。
另一方面，在圖4的S26步驟中應用任意自旋軸時，如圖10所示，俯仰角(pitch)旋轉成分、偏航角(yaw)旋轉成分及翻滾角(roll)旋轉成分都要考慮，這表示在提取任意自旋軸及自旋量時，需要考慮相當多的情形數，因而能夠相當合理地設定對此的限定範圍，在應用任意自旋量時，也可以設定這種合理的限定範圍，在如此限定的範圍內，主要提取任意自旋軸及自旋量資訊，從而能夠大幅減少情形數，能夠使計算量大幅減小，能夠迅速計算出自旋。
即，可以考慮球體的移動特性及照相機的幀速度，設定任意自旋軸及自旋量提取的設定條件，能夠迅速計算出自旋。
當利用高爾夫球杆擊打高爾夫球時，在如圖9所示的自旋的3種旋轉成分中，主要是俯仰角(pitch)旋轉成分及偏航角(yaw)旋轉成分表現 得較強，與此相對，翻滾角(roll)旋轉成分沒有或幾乎可以被忽略。
當擊打高爾夫球時，實現左右側自旋和前後自旋，以球體的前進方向為基準進行翻滾(rolling)的旋轉成分沒有或幾乎可以被忽略。
因此，當可以選擇為任意自旋軸時，可以忽略翻滾角(roll)旋轉成分，只考慮俯仰角(pitch)旋轉成分及偏航角(yaw)旋轉成分來進行選擇，因而能夠大幅降低任意自旋軸的情形數。
另一方面，當利用高爾夫球杆擊打高爾夫球時，在從一幀的拍攝影像的球體狀態到隨後一幀的拍攝影像的球體狀態的旋轉程度上存在限制。
即，藉由人的擊打而能夠旋轉的最大自旋具有限制，取得影像的照相機的幀速率也有限制，由此藉由這些限制可以大幅限定任意自旋量的情形數。
因此，藉由如上所述預先設定任意自旋軸及自旋量的限制範圍，可以減小計算量，能夠迅速計算出自旋。
另一方面，到此為止說明了只對連續取得的影像中的兩個影像計算自旋資訊的步驟，根據照相機的不同，每秒可以取得數十幀至數千幀，對這些取得的多個連續影像的全部或一部分進行如上所述的自旋計算步驟。
即，可以把連續的兩個影像中的先取得的影像和後取得的影像稱為一對影像，針對多對分別進行如上所述的自旋計算步驟而計算出的多個自旋資訊有可能會稍微不同，既可以根據預先設定的函數(例如，取平均值或只對類似度最高的幾個自旋資訊取平均值等)進行匯總，計算出最終 的自旋資訊，也可以把前述計算出的多個自旋資訊中的類似度最高的自旋資訊選擇為最終的自旋資訊。
發明模式
具體記載在發明的最佳實施方式中。
工業應用性
本發明的移動球體的感測裝置及感測方法，可以實現基於高爾夫揮杆的擊球分析等的高爾夫訓練相關產業領域，以及藉由實現基於虛擬實境的高爾夫模擬而能夠使使用者可以進行虛擬高爾夫比賽的所謂螢幕高爾夫產業領域等。

Claims (12)

  1. 一種移動球體的感測裝置，取得移動球體的影像並進行分析，計算出移動球體的自旋，該移動球體的感測裝置的特徵在於，包括：影像取得部，其取得移動球體的連續的影像；影像處理部，其對於藉由前述影像取得部連續取得的第1影像及第2影像，分別生成提取前述第1影像上的球體部而得到的第1球體影像和提取前述第2影像上的球體部而得到的第2球體影像，藉由檢測前述第1球體影像和第2球體影像的各個的影像邊緣資訊，從前述第1球體影像和第2球體影像分別檢測球體的凹紋部、在球體上形成的標誌或特定標記、球體上的傷痕或異物中至少一種的影像邊緣資訊，提取從前述第1球體影像檢測出的影像邊緣資訊中按照預先設定的條件而得的像素來生成前述第1特徵資訊，並提取從前述第2球體影像檢測出的影像邊緣資訊中按照預先設定的條件而得的像素來生成前述第2特徵資訊；以及自旋計算部，將相當於前述第1特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標資訊，對該變換後的三維座標資訊應用任意自旋資訊，將應用了前述任意自旋資訊的像素變換成二維座標資訊，來生成任意旋轉特徵資訊，比較前述任意旋轉特徵資訊的像素的邊緣強度值與前述第2特徵資訊的像素的邊緣強度值，計算出類似度資訊，利用前述計算出的類似度資訊，判斷將前述任意自旋資訊作為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的移動球體的感測裝置，其中，前述影像處理部包括：影像預處理部，按照預先設定的事項，對前述提取出的第1球體影像及第2球體影像執行影像預處理；影像正規化部，其對前述第1球體影像和第2球體影像執行大小和亮度的正規化，從前述第1球體影像生成第1基準影像，從前述第2球體影像生成第2基準影像；以及特徵資訊生成部，其從前述第1基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成前述第1特徵資訊，從前述第2基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成前述第2特徵資訊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的移動球體的感測裝置，其中，前述第1特徵資訊及第2特徵資訊包括按照預先設定的邊緣檢測條件檢測出的各個像素的座標值及邊緣強度值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的移動球體的感測裝置，其中，前述第1特徵資訊及第2特徵資訊，包括在按照預先設定的邊緣檢測條件檢測出的像素中，提取出的相當於預先設定的邊緣強度值範圍的各個像素的座標值及邊緣強度值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的移動球體的感測裝置，其中，前述自旋計算部具備：位置修正資訊計算部，計算出位置修正資訊，前述位置修正資訊用於在前述連續取得的各個影像中照相機相對於球體以相同位置及方向觀察球體那樣，對前述照相機的位置及方向資訊進行修正，任意旋轉特徵資訊生成部，將相當於前述第1特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標資訊，對該變換後的三維座標資訊應用前述算出的位置修正資訊，對應用了前述位置修正資訊的三維座標資訊應用任意自旋資訊，將應用了前述任意自旋資訊的像素變換成二維座標資訊，來生成任意旋轉特徵資訊，目標特徵資訊生成部，將相當於前述第2特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標資訊，對該變換後的三維座標資訊應用前述算出的位置修正資訊變換成二維座標，來生成目標特徵資訊，最終自旋資訊決定部，比較前述任意旋轉特徵資訊的邊緣強度值與前述目標特徵資訊的邊緣強度值，計算出類似度資訊，利用前述計算出的類似度資訊，判斷將前述任意自旋資訊作為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊。
  6. 一種移動球體的感測方法，取得移動球體的影像並進行分析，計算出移動球體的自旋，該移動球體的感測方法特徵在於，包括：取得移動球體的連續的影像的步驟；對於連續取得的第1影像及第2影像，提取前述第1影像上的球體部來生成第1球體影像，並提取前述第2影像上的球體部來生成第2球體影像的步驟；藉由檢測前述第1球體影像和第2球體影像的各個的影像邊緣資訊，分別從第1球體影像和第2球體影像檢測球體的凹紋部、在球體上形成的標誌或特定標記、球體上的傷痕或異物中至少一種的影像邊緣資訊的步驟；提取從前述第1球體影像檢測出的影像邊緣資訊中按照預先設定的條件而得的像素來生成前述第1特徵資訊，並提取從前述第2球體影像檢測出的影像邊緣資訊中按照預先設定的條件而得的像素來生成前述第2特徵資訊的步驟；將相當於前述第1特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標資訊，對該變換後的三維座標資訊應用任意自旋資訊，將應用了前述任意自旋資訊的像素變換成二維座標資訊，來生成任意旋轉特徵資訊的步驟；以及比較前述任意旋轉特徵資訊的像素的邊緣強度值與前述第2特徵資訊的像素的邊緣強度值，計算出類似度資訊，利用前述計算出的類似度資訊，判斷將前述任意自旋資訊作為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊的步驟。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的移動球體的感測方法，其中，分別生成用於計算前述球體的自旋資訊的特徵資訊的步驟包括：對從前述第1影像提取出的第1球體影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第1特徵資訊的步驟；以及對從前述第2影像提取出的第2球體影像檢測影像邊緣資訊，由此生成第2特徵資訊的步驟。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的移動球體的感測方法，其中，生成前述第1球體影像和前述第2球體影像的步驟包括：按照預先設定的事項，針對前述第1球體影像及前述第2球體影像執行大小和亮度的正規化的步驟；以及藉由前述正規化，從前述第1球體影像生成第1基準影像，藉由前述正規化，從前述第2球體影像生成第2基準影像的步驟；生成前述第1特徵資訊和前述第2特徵資訊的步驟包括：從前述第1基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成前述第1特徵資訊的步驟；以及從前述第2基準影像檢測影像邊緣資訊，由此生成前述第2特徵資訊的步驟。
  9. 如申請專利範圍第6或8項所述的移動球體的感測方法，其中，該移動球體的感測方法還包括：利用前述第1特徵資訊，應用針對取得移動球體的影像的照相機的位置及方向的位置修正資訊及三維空間上的任意自旋資訊，生成任意旋轉特徵資訊的步驟；利用前述第2特徵資訊，應用前述位置修正資訊，生成目標特徵資訊的步驟；以及比較前述任意旋轉特徵資訊的邊緣強度值與前述目標特徵資訊的邊緣強度值，計算出類似度資訊，利用前述計算出的類似度資訊，判斷將前述任意自旋資訊作為最終自旋資訊是否合適，來決定最終自旋資訊的步驟。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的移動球體的感測方法，其中，生成前述任意旋轉特徵資訊的步驟包括：將基於前述第1特徵資訊的各個像素的座標變換成三維座標的步驟；對變換成前述三維座標的像素應用前述位置修正資訊的步驟；對應用了前述位置修正資訊的各像素座標資訊，應用任意自旋資訊的步驟；以及將應用了前述任意自旋資訊的像素變換成二維座標資訊，來生成任意旋轉特徵資訊的步驟。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的移動球體的感測方法，其中，決定前述最終自旋資訊的步驟包括：針對互不相同的任意自旋資訊，反復執行預先設定的次數的生成前述任意旋轉特徵資訊的步驟，來分別計算出類似度資訊的步驟；以及將反復執行而計算出的各個類似度資訊中具有最大值時的任意自旋資訊決定為最終自旋資訊的步驟。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的移動球體的感測方法，其中，決定前述最終自旋資訊的步驟還包括：預先設定用於決定為最終自旋資訊的前述類似度資訊的基準值的步驟；該移動球體的感測方法包括：前述計算出的類似度資訊為前述預先設定的基準值以上或直到比之大為止反復應用前述任意自旋資訊，將為預先設定的基準值以上或前述計算出更大的類似度資訊時的任意自旋資訊決定為最終自旋資訊的步驟。
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