(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の被写体までの距離を、該第１の被写体の大きさに基づいて算出する測距手段と、
移動している第２の被写体を所定の時間間隔で連続撮影して複数の静止画像を生成する静止画像生成手段と、
前記複数の静止画像のそれぞれから、前記第２の被写体の当該静止画像内における位置を検出する位置検出手段と、
前記第１の被写体までの距離、前記複数の静止画像のそれぞれで検出された前記第２の被写体の位置の差、及び前記所定の時間間隔に基づいて、前記第２の被写体の移動速度を算出する算出手段と、
前記第１の被写体を表示する表示手段と、を備え、
該表示手段は、前記測距手段が前記第１の被写体までの距離を算出する際に、前記第１の被写体の位置を特定するための枠を表示し、
前記枠は、前記第２の被写体の第一の方向への移動用と前記第一の方向とは逆の第二の方向への移動用から選択していずれかを表示可能であることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記枠の付近のコントラストが強くなるように調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
第１の被写体までの距離を、該第１の被写体の大きさに基づいて算出する測距工程と、
移動している第２の被写体を所定の時間間隔で連続撮影して複数の静止画像を生成する静止画生成工程と、
前記複数の静止画像のそれぞれから、前記第２の被写体の当該静止画像内における位置を検出する位置検出工程と、
前記第１の被写体までの距離、前記複数の静止画像のそれぞれで検出された前記第２の被写体の位置の差、及び前記所定の時間間隔に基づいて、前記第２の被写体の移動速度を算出する算出工程と、
前記第１の被写体を表示手段に表示する表示工程と、を備え、
該表示工程は、前記測距工程で前記第１の被写体までの距離を算出する際に、前記第１の被写体の位置を特定するための枠を表示し、
前記枠は、前記第２の被写体の第一の方向への移動用と前記第一の方向とは逆の第二の方向への移動用から選択していずれかを表示可能であることを特徴とする撮像方法。
【請求項４】
前記枠の付近のコントラストが強くなるように調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体の移動速度を測定する撮像装置及び撮像方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ゴルフショップやゴルフ練習場等に、プレイヤーのゴルフスイングからゴルフクラブヘッドスピードを計測するゴルフクラブヘッドスピード計測装置が設置されている。
プレイヤーは、スイングごと（ゴルフクラブごと）に客観的なデータを得ることができるので、購入の際の参考にしたりゴルフスイングの上達に役立てたりすることができる。
【０００３】
ここで、ゴルフクラブヘッドスピード計測装置として、複数のカメラでスイングを撮影し、３次元空間での移動量から速度を算出する仕組みのものが従来から知られている。（例えば、特許文献１参照。）
しかしながら、従来のゴルフクラブヘッドスピード計測装置は、複数台のカメラを要するため、簡易な装置で測定することができないという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、簡易な装置で被写体の移動速度を測定することができる撮像装置及び撮像方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、第１の被写体までの距離を、該第１の被写体の大きさに基づいて算出する測距手段と、移動している第２の被写体を所定の時間間隔で連続撮影して複数の静止画像を生成する静止画像生成手段と、前記複数の静止画像のそれぞれから、前記第２の被写体の当該静止画像内における位置を検出する位置検出手段と、前記第１の被写体までの距離、前記複数の静止画像のそれぞれで検出された前記第２の被写体の位置の差、及び前記所定の時間間隔に基づいて、前記第２の被写体の移動速度を算出する算出手段と、前記第１の被写体を表示する表示手段と、を備え、該表示手段は、前記測距手段が前記第１の被写体までの距離を算出する際に、前記第１の被写体の位置を特定するための枠を表示し、前記枠は、前記第２の被写体の第一の方向への移動用と前記第一の方向とは逆の第二の方向への移動用から選択していずれかを表示可能であることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために本発明に係る撮像方法は、第１の被写体までの距離を、該第１の被写体の大きさに基づいて算出する測距工程と、移動している第２の被写体を所定の時間間隔で連続撮影して複数の静止画像を生成する静止画生成工程と、前記複数の静止画像のそれぞれから、前記第２の被写体の当該静止画像内における位置を検出する位置検出工程と、前記第１の被写体までの距離、前記複数の静止画像のそれぞれで検出された前記第２の被写体の位置の差、及び前記所定の時間間隔に基づいて、前記第２の被写体の移動速度を算出する算出工程と、前記第１の被写体を表示手段に表示する表示工程と、を備え、該表示工程は、前記測距工程で前記第１の被写体までの距離を算出する際に、前記第１の被写体の位置を特定するための枠を表示し、前記枠は、前記第２の被写体の第一の方向への移動用と前記第一の方向とは逆の第二の方向への移動用から選択していずれかを表示可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、簡易な装置で被写体の移動速度を測定することができる撮像装置及び撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る撮像装置の一実施の形態におけるデジタルカメラの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る撮像装置における測距動作を説明するフロー図である。
【図３】本発明に係る撮像装置における測距動作時の液晶モニタ（ＬＣＤ）表示について説明する図である。
【図４】本発明における距離測定原理について説明する図である。
【図５】本発明に係る撮像装置における測距動作時において、飛球方向が向かって右側の場合の液晶モニタ（ＬＣＤ）表示について説明する図である。
【図６】本発明に係る撮像装置におけるクラブヘッドのスピード算出動作を説明するフロー図である。
【図７】クラブヘッドのスピード算出動作時のフレーム差分画像作成について説明する図である。
【図８】クラブヘッドのスピード算出動作時において参照フレームを用いたフレーム差分画像作成について説明する図である。
【図９】本発明におけるクラブヘッドの測定箇所を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る撮像装置は、第１の被写体までの距離を、該第１の被写体の大きさに基づいて算出する測距手段と、移動している第２の被写体を所定の時間間隔で連続撮影して複数の静止画像を生成する静止画像生成手段と、前記複数の静止画像のそれぞれから、前記第２の被写体の当該静止画像内における位置を検出する位置検出手段と、前記第１の被写体までの距離、前記複数の静止画像のそれぞれで検出された前記第２の被写体の位置の差、及び前記所定の時間間隔に基づいて、前記第２の被写体の移動速度を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、あらかじめ被写体（第１の被写体としてのゴルフボール）の大きさが分かっているものであれば、この被写体の大きさとデジタルカメラ（撮像装置）の視野角とを用いれば、被写体までの距離が算出できる。被写体までの距離が分かれば、画像中での他の被写体（第２の被写体としてのゴルフクラブのヘッド）の移動距離（ピクセル数）から、同一平面での移動距離が算出できる。このため、１台の撮像装置でゴルフクラブのヘッドのスイングスピード（移動速度）が計測できる。
なお、本発明では、第２の被写体の移動（ゴルフクラブのスイング）が、撮像装置としてのデジタルカメラの光軸と垂直かつ第１の被写体（ゴルフボール）を通る平面を移動するものと見做して（即ち、撮像装置と第１の被写体との距離と概略同一距離の位置において第２の被写体が移動するものと見做して）、移動速度（スイングスピード）を算出する。
【００１０】
次に、本発明に係る撮像装置についてさらに詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。即ち、第１の被写体はゴルフボールに限られるものではなく、その他の既知の大きさの被写体を利用しても良く、第２の被写体はゴルフクラブのヘッドに限られるものではなくその他の物体にも適用可能であることは言うまでもない。
【００１１】
（デジタルカメラのシステム構成）
本発明に係る撮像装置の一実施の形態におけるデジタルカメラの構成を図１に示す。このデジタルカメラは、複数のレンズ群を有する撮影レンズ１、シャッタ機能を有する絞りユニット２、撮影レンズ１を通して入射される被写体像が受光面上に結像する固体撮像素子としてのＣＭＯＳイメージセンサ３、ＣＭＯＳイメージセンサ３から出力される画素出力信号（電気信号）をデジタル処理して取り込み、表示や記録が可能な画像データに変換処理する信号処理部４、操作部５（図示を省略するレリーズボタン、撮影モード切換ボタン等）からの操作入力情報に基づき、ＲＯＭ（不図示）に記憶された制御プログラムに基づいてデジタルカメラ全体のシステム制御等を行う制御部６、信号処理部４で生成された画像データを表示する表示手段としての液晶モニタ（ＬＣＤ）７、撮影レンズ１のフォーカスレンズ群を駆動するフォーカスレンズ駆動部８、撮影レンズ１のズームレンズ群を駆動するズームレンズ駆動部９、絞りユニット２を駆動する絞りユニット駆動部１０、を備えている。信号処理部４で生成された画像データは、着脱自在なメモリカード１１に記録される。
【００１２】
（測距動作）
本発明における測距動作のフローチャートを図２に示す。
前記デジタルカメラで第１の被写体としてのゴルフボールまでの距離を測定する、測距動作について説明する。
電源スイッチ（不図示）をＯＮしてゴルフクラブのスイング速度の測定モードに設定すると、制御部６は液晶モニタ（ＬＣＤ）７に、ＣＭＯＳセンサから取り込み、信号処理部４で生成された画像データと、その画像データにゴルフボールの境界線を模した（第１の被写体の境界線を模した）円形の枠を重ねて表示する（Ｓ１０１）（図３）。
【００１３】
この円形の枠は、ユーザに対してゴルフボールの境界線がその枠に合致するように、デジタルカメラを縦横に動かすことを促す役割を持つ。制御部６は画面中から、ゴルフボールの領域を抽出する（Ｓ１０２）。ボールが見つからない場合や、大きく枠から外れている場合には、枠付近にボールが納まるよう調整を促す警告を液晶モニタ（ＬＣＤ）７に表示する。
【００１４】
制御部６は画像中に円形の枠付近のゴルフボールを検出した場合、ボールと枠の大きさが合致するまで、ズームレンズを動作させる（Ｓ１０３）。フォーカス駆動部８はゴルフボールの境界線のコントラストがはっきり写るように、焦点を調整する（Ｓ１０４）。
【００１５】
これらの動作にて、ゴルフボールと円がほぼ一致した時点で、制御部６は液晶モニタ７（あるいはスピーカー）を通じて、一致したことを通知し（Ｓ１０５）、デジタルカメラを固定させる。制御部は、ズーム位置の情報から、現在の画角情報を取得し、ゴルフボールまでの距離を算出する（Ｓ１０６）。デジタルカメラとゴルフボールの距離Ｌ（ｍ）は、第１の被写体としてのゴルフボールの大きさが予め４．２６７２ｃｍ（１．６８インチ）と決まっているため、水平画角（θ）を使って以下の式（１）で求められる。
【００１６】
Ｌ＝（Ｗ／２）／ｔａｎ（θ／２）  ・・・  式（１）
【００１７】
ここで、Ｗ（ｍ）は、ゴルフボールを通る平面での画像の左右端の水平距離で、画像の水平ピクセル数ｗとゴルフボールの直径ｄ（ピクセル数）を用いて、以下の式（２）で求められる（図４参照）。
【００１８】
Ｗ＝（ｗ×０．０４２６７２）／ｄ  ・・・  式（２）
【００１９】
ここで、ゴルファーが求めているのは、第２の被写体としてのゴルフクラブのヘッドがゴルフボールにインパクトする直前の速度である。このため、ゴルフクラブのスイングの向きに応じて、右寄り、あるいは左寄りに枠を表示し、インパクト直前のフレームが多数取得できるようにすることにより、より確実にスイング直前の速度が求めることが可能となる（図５）。
【００２０】
なお、図５に示すような右寄りの枠は、左から右にゴルフクラブのヘッドが移動するため、一般的に右利きのゴルファー（及び第２の被写体としてのゴルフクラブのヘッド）の正面側からデジタルカメラにより撮像する場合に好ましく用いられる。一方、左よりの枠は、一般的に左利きのゴルファーに好ましく用いられる。
この右利き用と左利き用とのいずれかをユーザが選択して、液晶モニタ７に枠を表示することが好ましい。なお、枠の付近のコントラストが強くなるように調整可能であることが好ましい。
【００２１】
測距を行う際は、スイング動作を行う人ではないもう一人の補助の人物に撮影してもらってもよいが、どうしても手振れや姿勢の変化があるため、測距時とスイング時で距離が若干変わってしまうことがある。この問題を解決するため、三脚を使うことによって、より正確に距離が算出できる。三脚を使用する場合、デジタルカメラを装着した三脚を地面に設置し、左右上下方向だけ調整できるようにしておき、図２のフローチャートで示すステップＳ１０２での調整後に完全に固定するとよい。
【００２２】
（撮影）
ゴルフスイングの撮影は、前述の測距動作と同じ位置から行う。前述の調整にてゴルフボールに焦点を合わせているため、デジタルカメラからほぼ同一距離を通るゴルフクラブにも焦点が合致する。
【００２３】
撮影はインパクトの瞬間の直前までのフレームが納まるように撮影する。近年のデジタルカメラにはタイマー機能がついているためタイマー機能を利用して撮影してもよく、あるいは補助の撮影者に依頼して、インパクト直前に、ボタンを押下して撮影しても取得可能である。
【００２４】
撮影のフレームレートは、速いほどよい。換言すると、移動している第２の被写体を連続撮影して複数の静止画像を静止画像生成手段により生成する際には、所定の時間間隔で撮像するが、この所定の時間間隔は短いほどよい。
【００２５】
例えば、距離０．５ｍ、画角６５．５ｄｅｇを想定すると、横幅約０．６４ｍの範囲がカメラのＣＭＯＳイメージセンサにより撮影されていることになる。この範囲（約０．６４ｍ）をゴルフクラブがヘッドスピード３０ｍ／ｓｅｃの速度で通過するとした場合、１／１２０秒間には０．２５ｍ（＝３０／１２０）移動するためヘッドが映っている画像は２，３枚しかないことになる。プロゴルファーだとヘッドスピードは５０ｍ／ｓｅｃにも達するため、できれば高速連写は１２０コマ／秒よりも２４０コマ／秒の方が望ましく、１秒あたりのコマ数がさらに多い方がより望ましい。２４０コマ／秒のような高速連写するためにはシャッタースピードを高速化しなければならないが、補助光を発光させたり、ＩＳＯ感度を高感度化させたりすれば、シャッタースピードは高速化可能である。
【００２６】
ゴルフクラブのヘッドが映っている画像をより確実に抽出するための技術として、「ムーブイン連写」「ムーブアウト連写」と呼ばれるオートシャッター機能がある。この機能は被写体がフレームに出入りする瞬間を検知し、その前後を記録するという機能である。ゴルフクラブのヘッドが振り下ろされてボールを打つ手前でＣＭＯＳイメージセンサのフレーム内に入ってきた時にシャッタがＯＮになりその後の画像を高速連写したり、ボールを打った後にヘッドがフレーム外に去った時にシャッタがＯＮになりその後の画像を高速連写したりすることができる。
【００２７】
あるいは、前述した測距動作にて示したように、あらかじめゴルフボールの位置が分かっているため、ゴルフボールの領域の色が大きく変化したことをトリガにすることも可能である。一般的にゴルフボールは白いため、色表現の一つとして知られているＲＧＢ空間での各輝度値は全て高い。したがって、ゴルフボールが消失した瞬間、ＲＧＢ空間での各輝度値が急激に低く変化する。あらかじめ輝度値変化の閾値を決めておき、高速アクセスメモリにリングバッファ状に画像を撮りためて、ゴルフボールの領域の輝度値変化が閾値を上回った瞬間に、撮りためた画像を保存するとインパクトの瞬間の画像が取得可能である。
【００２８】
（ヘッドスピード算出）
図６にヘッドスピード算出のフローを、図７にクラブヘッドのスピード算出動作時のフレーム差分画像作成について説明する図を示す。
制御部６は、メモリカード１１から、時系列に並ぶ画像列（複数の静止画像）を順に読み込み、フレーム間差分画像を作成する（Ｓ２０１）。フレーム間差分画像作成の説明図を図７に示す。まず、ｔ−１フレームとｔフレームの各画素同士の差分を算出し、ある一定の閾値ｔｈ以上の画素とｔｈに満たない画素に対して２種類の画素値を割り当てる（Ｄ（ｔ−１，ｔ））。（このような画像を二値画像と呼ぶ。）
【００２９】
Ｄ（ｔ−１，ｔ）とＤ（ｔ，ｔ＋１）において、両方閾値を超えた領域を算出すると、ｔフレームで変動した部分が抽出可能である。ゴルフクラブのヘッドスピードを求めるには、２フレームのヘッド領域が必要であるため、各フレームのゴルフクラブ領域（静止画像内における第２の被写体の位置）を求めるのに、それぞれ３枚必要で、２フレーム分を求めるには４枚の画像が必要である。
【００３０】
ゴルフクラブ領域算出は、ゴルフクラブが写っていない参照フレームを用いる方法でも抽出可能である（図８）。この方法では、ゴルフクラブが全く写っていない画像を一枚用意し、上記方法と同様に各フレームの差分Ｄ’（ｔ）を算出することによってゴルフクラブ領域（静止画像内における第２の被写体の位置）を抽出可能である。参照フレームを利用する方法では、速度を求めるために、参照フレーム１枚、インパクト直前のフレームとその前のフレームの３枚で算出可能である。ただし、時間的変化が大きいとノイズが発生しやすくなるため、なるべく２枚の画像に時間的に近い画像を選ぶ。
【００３１】
次に制御部６は、ゴルフクラブ領域をラベリングと呼ばれる閉領域抽出アルゴリズムにより、抽出する（Ｓ２０２）。ラベリング処理を行うと、画像上に存在する閉領域の個数とそれぞれの面積が算出できる。本発明では、非常に、高速なフレームレートにて、画像取得を行っているため、低速で動く物体などは差分として現れない。したがって、最も動きが大きい領域をゴルフクラブであると推定できる。このとき、ゴルファーの動きも差分として抽出されてしまうため、ゴルファーの領域をあらかじめ除去しておくと誤抽出が軽減される。
【００３２】
次に制御部６は、ゴルフクラブ領域から、ヘッドの測定箇所を検出する（Ｓ２０３）。ヘッドの測定箇所は、ゴルフクラブ領域のうち、ボールの中心に最も近い画素位置とする（図９）。また、形状認識を行い、ヘッドの特定の箇所を測定箇所としてもよい。
連続する２フレームのゴルフクラブのヘッドの抽出に成功した場合、スイング速度を計算する（Ｓ２０４）。連続する２フレームの抽出点の距離（第２の被写体としてのゴルフクラブのヘッドの位置の差）ｓと、水平画素数ｗ、（第１の被写体までの）距離Ｌ、（所定の）時間間隔ｔ、水平画角θを用いて、第２の被写体としてのゴルフクラブのヘッドスピードは以下の式で算出可能である。
【００３３】
ヘッドスピード＝ｓ×Ｌ×ｔａｎ（θ／２）×２／（ｔ×ｗ）
【００３４】
（ヘッドスピード算出の一例：下記条件の場合）
・カメラとボールの距離（Ｌ）    ０．５０ｍ
・水平画角（θ）                ６５．５ｄｅｇ  （２８ｍｍ相当）
・ＣＭＯＳイメージセンサ画像    ＶＧＡ（６４０×４８０）
・撮影間隔                      １／１２０秒（１２０コマ／秒）
【００３５】
ヘッドスピード＝距離／時間＝２５０（画素）／６４０（画素）×０．５（ｍ）×ｔａｎ（θ／２）×２／（１／１２０）＝３０．１５ｍ／ｓｅｃ
【００３６】
以上のように、既知の第１の被写体の大きさ（ゴルフボールの大きさ）から距離を算出し、ＣＭＯＳイメージセンサの高速連写機能により高速連写を行えば、第１の被写体と概略同一距離上を移動する第２の被写体（ゴルフクラブのヘッド）のスピードを正確に計測することができる。
これにより、専用のゴルフクラブヘッドスピード計測装置を購入しなくてもデジタルカメラを用いて手軽かつ正確にゴルフクラブのヘッドスピードを計測できるようになる。
【符号の説明】
【００３７】
１  撮影レンズ
２  絞りユニット
３  ＣＭＯＳイメージセンサ
４  信号処理部
５  操作部
６  制御部
７  液晶モニタ（ＬＣＤ）
８  フォーカスレンズ駆動部
９  ズームレンズ駆動部
１０  絞りユニット駆動部
１１  メモリカード
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特開２０１０−１２７６３９号公報
【図１】
0005849622.tif 000002
【図２】
0005849622.tif 000003
【図４】
0005849622.tif 000004
【図６】
0005849622.tif 000005
【図７】
0005849622.tif 000006
【図８】
0005849622.tif 000007
【図３】
0005849622.tif 000008
【図５】
0005849622.tif 000009
【図９】
0005849622.tif 000010