(57)【要約】携帯可能な飛行パラメータ測定システムは、例えば、ボールのような、動いている対象物の表面を追跡するスタンドアローン式のスマートカメラであり、速さ、軌道、スピン軸、およびその軸についてのスピン率を決定する。測定システムは、衝撃の際にボールに与えられるスピンの量、およびスピンの方向によって主に決定される飛行中のボールの進路を分析することに特に適している。測定システムは、所望の結果を得るようユーザ、例えば、ゴルファーに対してスイングを変更するための重要なフィードバックを供給する。測定システムは、不精度マーク、クラブによって作られる傷のような表面欠陥、ディンプルまたはこれら全て３つの組み合わせを、ボール飛行特性を決定するために必要な唯一の特徴として利用する。
2005529339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動いている対象物のパラメータを決定する方法であって、
カメラの画像面における全ての（ｘ，ｙ）ピクセルに対する（ｘ，ｙ，ｚ）方向を確立するようカメラレンズを較正するステップと、
アラインメント補正係数を決定するステップと、
上記動いている対象物の複数の画像を捕捉するステップと、
上記複数の画像それぞれにおいて上記対象物を発見するステップと、
上記複数の画像それぞれに対して三次元座標を計算するステップと、
上記三次元座標から上記対象物に対する速度ベクトルを計算するステップと、
複数の回転の組の回転の第１の組によって上記複数の画像の基準画像を回転するステップと、
上記回転された基準画像をターゲット画像にスケーリングするステップと、
複数のスコアのインクリメントスコアを得るよう上記基準画像を上記ターゲット画像に相関させるステップと、
上記複数のスコアの最大のスコアを得るため順次改良するように回転、スケーリング、および相関ステップを繰り返すステップと、
上記動いている対象物の上記パラメータを決定するよう上記複数の回転の組の最大の回転の組を利用するステップと、を有する方法。
【請求項２】
上記動いている対象物は略球形である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記アラインメント補正係数を決定するステップは、更に、加速度計を用いて表面に対する上記カメラのミスアラインメントを示す電気信号を上記カメラに供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記カメラレンズを較正するステップは、更に、
近位置でターゲットを撮像するステップ、
上記近位置において上記画像面における各ピクセルに対する（ｘ，ｙ）座標を記録するステップ、
遠位置で上記ターゲットを撮像するステップ、
上記遠位置において上記画像面における各ピクセルに対する（ｘ，ｙ）座標を記録するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記対象物の画像を捕捉するステップは、上記カメラをトリガリングするステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記複数の画像それぞれにおいて上記対象物を発見するステップは、
上記対象物の中心を発見するステップ、
上記対象物の直径を発見するステップ、および、
上記対象物までの距離を計算するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記複数の画像それぞれに対する上記三次元座標から上記対象物の高度角および方位角を決定するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記回転の第１の組によって上記複数の画像の上記基準画像を回転するステップは、上記基準画像を標準ビューに回転するステップを更に含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記複数の画像からグリントを除去するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記複数の画像を照明正規化するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
動いている対象物の少なくとも一つの特徴を決定する測定システムであって、
複数の画像を捕捉するカメラレンズと、
上記複数の画像を記憶するよう上記カメラレンズに結合されるメモリ手段と、
上記複数の画像の画像キャプチャを開始するトリガリング手段と、
上記メモリ手段に結合されるプロセッサとを有し、上記プロセッサは、
上記複数の画像において上記動いている対象物を発見する手段、
上記複数の画像それぞれに対する三次元座標を計算する手段、
複数の回転の組の一つの回転の組によって複数の画像のうちの基準画像を回転する手段、
上記回転された基準画像を上記複数の画像のターゲット画像にスケーリングする手段、
上記回転された基準画像をスコアを得るように上記ターゲット画像に相関させる手段、および、
上記動いている対象物の少なくとも一つの特徴を決定するよう上記複数の回転の組の最大の回転の組を利用する手段を含む、測定システム。
【請求項１２】
上記カメラの視野における各ピクセルに対するｘ，ｙ座標を決定するために上記カメラを較正する手段を更に有する、請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１３】
上記カメラを較正する手段が、第１の位置に配置されるターゲットの画像を上記カメラの画像面にマッピングして上記第１の位置における上記画像面の各ピクセルに対する（ｘ，ｙ）座標を得、第２の位置に配置される上記ターゲットの画像を上記画像面にマッピングして上記第２の位置における上記画像面の上記各ピクセルに対する（ｘ，ｙ）座標を得る手段を含む、請求項１２に記載の測定システム。
【請求項１４】
上記カメラの視野と交差するよう空間的に較正される構造化された光源を更に有し、上記複数の画像の少なくとも一つが上記構造化された光源によって照射される、請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１５】
上記動いている対象物の少なくとも一つの特徴を出力する表示部を更に有する、請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１６】
少なくとも一つのオプショナル装置を接続するために上記プロセッサに結合される少なくとも一つの入力／出力ポートを更に有する、請求項１１に記載の測定システム。
【請求項１７】
上記少なくとも一つのオプショナル装置が、上記動いている対象物の上記少なくとも一つの特徴を送信するラジオ周波数送受信機である、請求項１２に記載の測定システム。
【請求項１８】
ボールのスピン軸および回転を決定する方法であって、
ａ．少なくとも基準ボール画像およびターゲットボール画像を捕捉するステップと、
ｂ．上記基準ボール画像および上記ターゲットボール画像のリアルワールド座標を決定するステップと、
ｃ．上記リアルワールド座標を用いて上記回転の第１の組によって上記基準ボール画像を標準ビューに回転するステップと、
ｄ．トライアル回転の第２の組によって上記基準ボール画像を回転するステップと、
ｅ．上記ターゲットボール画像の標準ビューに対応する回転の第３の組によって上記基準ボール画像を回転するステップと、
ｆ．上記基準ボール画像を上記ターゲットボール画像にスケーリングするステップと、
ｇ．複数のスコアの一つのスコアを得るよう上記基準ボール画像を上記ターゲットボール画像に相関するステップと、
ｈ．上記複数のスコアの最大のスコアを得るため段階的に改良するようにステップｃ乃至ｇを繰り返すステップと、を有する方法。
【請求項１９】
上記基準ボール画像および上記ターゲットボール画像からグリントを除去するステップを更に有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
上記複数の画像を照明正規化するステップを更に有する請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本願は、本願で参照として組み込む「ゴルフボール飛行監視装置のアラインメント方法（Method for Alignment of a Golf Ball Flight Monitoring Apparatus）」なる名称の２００２年６月６日に出願された米国仮特許出願第６０／３８７，５５６号、「ゴルフボール飛行監視装置の測定開始方法（Method for Initiation of Measurement in a Golf Ball Flight Monitoring Apparatus）」なる名称の２００２年６月１３日に出願された第６０／３８９，３３８号、および「ゴルフボール飛行パラメータ測定方法（Golf Ball Flight Parameter Measurement System）」なる名称の２００２年１０月１７日に出願された第６０／４１９，３８９号に米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般的に飛行パラメータ測定システムに係わり、特に、飛行中の対象物の進路を決定するカメラ測定システムに関わる。
【０００３】
背景技術
飛行中のボールの進路は、衝撃の際にボールに与えられるスピン量およびスピンの方向によって主に決定される。例えば、ゴルフボールの進路は、ゴルフボールがゴルフクラブによって打たれた後の飛行の最初の数フィートにわたって測定される発射状態によって決定される。ゴルフボールの進路を決定するために使用されるパラメータは、発射高度、発射方位、および速さである。ボールスピンの明確な値を知ることにより、ゴルファーに所望のゴルフゲーム結果が得られるようスイングを変えるための重要なフィードバックを提供する。
【０００４】
続けてゴルフボールを例として挙げると、ゴルフボールの最初のスピン状態の即時フィードバックを供給する装置は、トレーニング目的およびゴルファーにゴルフクラブのセットを合わせるためにゴルファーまたはゴルフショッププロフェッショナルによって使用できる。このような装置は、ゴルフボール発射パラメータに対する設計改良の効果を測定することでゴルフクラブおよびゴルフボールの改良の有効性を試験するために使用してもよい。これらの効果を分析することにより、設計改良が評価され改善される。これら装置の他の適用法は、最初のゴルフボール発射状態に基づいてボールの飛行をビデオプレゼンテーションで投影するゴルフシミュレータを含む。前述の従来技術の装置は、一般的なゴルファーおよびゴルフショッププロフェッショナルが使用するには非常に高価で困難な較正／アラインメント（alignment：整列、位置決め）、スピン測定、トリガリング、画像キャプチャ、および軌道測定のための複雑なカメラを必要とする。
【０００５】
較正およびアラインメント。ボール飛行パラメータの正確な測定は、ボールを追跡するために用いられるカメラの光学特性の知識を必要とする。従来のシステムは、カメラを較正するためにフィールドにおける複雑なターゲットまたは他の光学装置を使用する。これら装置は、扱いにくく、壊れやすく、略定期的な間隔で較正する必要がある。典型的には、カメラまたは複数台のカメラの視野にターゲットを位置決めし、正しい照明状態および適切な合焦を得ることは、平均的なゴルファー、ユーザ、および／またはプロフェッショナルの能力を超える容易ではないスキルを必要とする。
【０００６】
従来のシステムで一般的に使用されるカメラまたは複数台のカメラをフィールド較正する方法は様々である。第１の方法は、ボールが当てられる箇所に設定されるドットを含むターゲットを利用する。カメラは、各ドットの中心を探して基準フレームを決定する。ターゲットが除去されプレーヤーがショットを打つ。続いて、カメラは基準フレームを用いてボールがどのように移動するかを決定する。この方法は、レンズ歪みを適切に考慮するには較正点の数が離れすぎており、ターゲットが手動で配置されることによりドットの明確な位置が決定されないため、非常に思わしくない測定結果をもたらす。
【０００７】
より高度な方法では、ターゲットは公知の幾何学的形状を有する四角形または円形のような「基準」として公知の明確な基準マーカーを有する。従来技術のシステムのソフトウェアは各マーカーのエッジまたは中心を決定し、カメラおよびレンズ系によって生ずる歪みを考慮してカメラおよびレンズの数学的モデルを作成する。三次元の較正点の組を提供するようターゲットは２つの公知の位置で撮像される。
【０００８】
従来技術のシステムは、全ての方位および高度測定に使用される空間における基準面を位置探しするために必要な特別な精度光学アラインメントターゲット手順を必要とする。精度アラインメントターゲットは、各システムのセットアップの前にシステムカメラによって撮像しなければならない。かさばる上に簡単に見失われるアラインメントターゲットを必要とするこれら複雑なアラインメント手順は、習得し、セットアップし、ある箇所から別の箇所に移動することが一般の人にとって困難となる。更に、従来技術のアラインメント手順はアラインメントターゲットのために特別な照明および合焦手順を通常必要とする。それにより、固有のコストがありかさばる専門的なアラインメント機器の必要性が従来技術のシステムを一般的使用、例えば、公衆による使用で利用できなくする。
【０００９】
スピン測定。ゴルフボールの最初のスピン状態を測定する様々な従来のシステムがある。典型的なシステムは、戦略的に配置される逆反射のまたは逆反射しないドット、赤道縞模様、または他の特定のマークをボール上で利用する。ボールは、撮像系のカメラに面して整列されなくてはならない。マーキングは、明確に与えられなくてはならず、マーキングされたゴルフボールを繰り返し使用することにより消し去られるか失われる。ボールの既知の位置に対する、または、他のドット／マーキングに対するドット／マーキングの位置は、ゴルフボール飛行パラメータ測定値の測定の精密さに関して重要な役割を担う。したがって、これらマーキングをゴルフボールに適用することは、特別な、高価な機器の使用を必要とする。更に、特別にマーキングされたボールは、ゴルファー自身のゴルフボールの臨時使用を不可能にし、専門の製造業者からマーキングされたボールを購入することが必要となる。
【００１０】
トリガリング。飛行パラメータ測定用の従来技術のシステムは、カメラがいつゴルフボールまたはゴルフクラブ動作のシーケンスを録画し始めるべきか、および、いつ測定機器が測定を始めるべきかを決定する別個のトリガリング機構を必要とする。トリガリング機構は、典型的にはゴルフクラブによるゴルフボールの衝撃の瞬間を検出する音響またはフォト検出器を含む。これら機構は著しい制限を有する。音響トリガリング装置は、ボールに対するゴルフクラブの衝撃の音を検出するためのマイクロホンを使用する。従来技術のシステムで用いられる他のトリガリング装置は、例えば、ゴルフクラブがレーザのような光学面をスイングして通るとき等のイベントを検出する光学センサ技術に基づく。
【００１１】
トリガリングのために追加的な機器を必要とする不都合な点に加えて、従来技術のトリガリング装置は問題があり、平均的なゴルファーにとってこれら装置を非実用的にする不都合な点を有する。例えば、音響ピックアップは、トリガリングイベントを見逃したり無関係な音を受けた際に誤って作動したりすることが多い。トリガリングセンサは、ゴルフボールが自然の生芝から打たれたとき正しく機能しないことが多い。遠隔フォト／光学的トリガリングセンサは、フォトトリガリング装置が典型的には屋外または太陽光環境において正しく機能しないためアラインメントおよび特別なオーバーヘッド照明を必要とすることが多い。更に、レーザベースのセンサは、固定の制限された視野を有する。測定機器から遠隔なトリガリングセンサは、紛失や損傷がしやすく、特別な地表面組立体への取り付けを必要とする。更に、フォトセンサまたはレーザベースのトリガリング装置では精密なゴルフボール配置が必要である。音響および光学センサ両方の更なる不都合な点は、これらセンサを較正しなくてはならず、したがって、別個に較正装置を必要とする点である。
【００１２】
画像キャプチャ。従来技術のカメラは、ボールの飛行を追跡するために多重露光技術を用いる。レンズが開けられ、フラッシュストロボがボールの多重露光のために使用される。しかしながら、この技法は、多画像が互いに対して重畳されるためボールの動きの正確な分析を困難にする。多重露光技術は、飛行中のボールの画像を潜在的に暗くする、強度またはブルームで作り上げられる視野における静止背景対象物の多数の画像も捕捉する。その結果、カメラは、照射されたときにボールとの必要なコントラストを作るために当たり障りのない背景の場所に配置されなくてはならない。
【００１３】
単一カメラによる軌道測定。従来技術の単一カメラ系は、カメラの視野（ＦＯＶ）に対して直交する面におけるスピンおよび発射角を測定する。速さ、スピンおよび発射角は、二次元で計算され、測定された飛行特性に著しいエラーをもたらす。さらに、このようなシステムは方位を測定することができない。
【００１４】
従来技術の例。上述の従来技術のシステムは、単一または複数カメラ系でもよい。図３は、従来技術の典型的なデュアルカメラ測定システム１００を示す。測定システム１００は、ゴルフボールおよびティーのようなターゲット位置１０２に対して２つの角で位置決めされる２つのエリアカメラ１０６、１０８を用いる。典型的には、電荷結合装置（ＣＣＤ）、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の二種類のセンサ技術がカメラ１０６、１０８において使用される。ＣＭＯＳセンサ技術は、カメラ１０６、１０８内のセンサとして同じチップ上で幾つかの処理エレクトロニクスを含むことを可能にする。エリアカメラ１０６、１０８からビジョンプロセッサ１１２にデータを転送するために高帯域幅カメラ専用データケーブル１２２が必要である。典型的な高帯域幅データストリーム転送は毎秒４０００万ピクセル、即ち、８ビットのピクセルに対して毎秒５００メガビットである。メガピクセルデータストリームは、カメラ専用ケーブル１２２をわたってビジョンプロセッサ１１２におけるフレームグラバーモジュール１１４に転送される。フレームグラバーモジュール１１４は、カメラ１０６、１０８からのアナログビデオストリーム画像をデジタル化するために標準的な集積回路（ＩＣ）ボードを利用する。
【００１５】
図３を続けて参照すると、数字の配列で表されるデジタル化された画像は、前処理のためにパイプラインビジョンプロセッサ１１６にストリーミングされる。パイプラインビジョンプロセッサ１１６は、データおよび画像分析のために専用の画像処理ボードを利用する。例えば、パイプラインビジョンプロセッサ１１６は、画像から特定の情報を抽出するよう構成されてもよい。各パイプラインビジョンプロセッサ１１６からの処理された画像は、画像分析プロセッサ１１８に送られ、ゴルフボール１０２の多数の画像を分析し処理する。従来技術のゴルフボールパラメータ測定システム１００は、データ記憶用の画像バッファボード１２０を更に含んでもよい。従来技術のビジョンプロセッサ１１２は、フレームグラバーモジュール１１４、パイプラインビジョンプロセッサ１１６、画像分析プロセッサ１１８、および画像バッファ１２０のＩＣボードを収容するためのシャーシを必要とする。ビジョンプロセッサ１１６からの処理された画像は、ホストコンピュータ１０４のグラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）に表示するためにホストコンピュータ１０４に送られる。ホストコンピュータ１０４は、ゴルフボールを発射するために利用される特定のゴルフクラブと関連付けられるゴルフボール特性を記憶するデータベースを含んでもよい。
【００１６】
従来技術のゴルフボール飛行パラメータ測定システム１００は、幾つかの不都合な点を有する。上述の通り、従来技術のゴルフボール飛行パラメータ測定システム１００は、ゴルフボールに特別なマーキングを必要とする。精度飛行パラメータを実現するために少なくとも２台のカメラ１０６、１０８が使用されなくてはならず、更に、カメラを整列させボールが打たれた後に測定システムを開始するために特別な光学アラインメント機器およびトリガリング機器１２２も必要である。したがって、改良されていないゴルフボール、並びに、簡単なセットアップおよび動作のための単一カメラを利用して精度測定値を供給し、扱いにくくエラーの傾向があるアラインメントおよびトリガリング機器を必要としない、ゴルフボールの飛行中特性を測定する装置および方法が必要である。
【００１７】
発明の概要
本発明の利点は、三次元でゴルフボールの飛行中特性を確立するよう必要な情報全てを捕捉するために単一カメラを利用する飛行パラメータ測定システムを提供することである。
【００１８】
本発明の利点は、特定のマーキングを有さないゴルフボールを用いてゴルフボール飛行特性を測定するシステムを提供することである。
【００１９】
本発明の更なる利点は、工場で較正され、フィールドで簡単にセットアップされ整列されるゴルフボール飛行パラメータ測定システムを提供することである。
【００２０】
本発明の更なる利点は、ボール飛行データの収集を開始するための追加的なトリガリング機器を必要としないゴルフボール飛行パラメータ測定システムを提供することである。
【００２１】
本発明の更なる利点は、ボールとの衝撃の前にゴルフクラブを撮像しゴルフクラブの角情報を提供するゴルフボール飛行パラメータ測定システムを提供することである。
【００２２】
本発明の典型的な実施形態では、単一のスタンドアローン式のカメラが飛行中の対象物の画像を捕捉するために利用される。カメラは、捕捉された画像およびカメラの既知の特性から飛行中の対象物の軌道、方位、高度、スピン軸、および回転の速さを計算する。測定システムは、スピン率およびスピン軸を決定するためにボールにどの特別なマーキングも必要としない。その代わりに、好ましい実施形態の測定システムは不精度マーク、クラブによって作られる傷のような表面欠陥、ディンプルまたはそれら３つ全ての組み合わせを、ボール飛行特性を決定するために必要な唯一の特徴として利用する。
【００２３】
典型的な実施形態のスタンドアローン式スマートカメラは、例えば、ゴルファーに可視であるデジタル表示部に情報を提供し、ゴルフクラブヘッドフェイス角、ゴルフボール発射高度、方位、およびスピンを表示する。スマートカメラは、レンズ、光学エリアセンサ、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、大型のデジタルメモリ、プロセッサ、アラインメント装置、および表示部を駆動するために十分な出力回路を備える。
【００２４】
典型的な実施形態の測定システムは、飛行パラメータを測定するために幾つかのサブシステムおよび関連する方法／手順を有する。スマートカメラは、製造工程中に較正される。カメラは、フィールドにおけるアラインメント補正係数を決定するためにアラインメント装置を利用する。典型的な実施形態のカメラは更に画像キャプチャをトリガリングする処理を含む。飛行中のボールの一連の画像が捕捉され、カメラメモリに記憶される。カメラプロセッサは、各捕捉された画像におけるボールの位置を位置探しし、その中心および直径を識別する。位置、中心、および直径は、各ボールに対する三次元座標および速度ベクトルを計算するためにカメラによって利用される。近隣のピクセルの平均値によって画像における「ホット」スポットを除去するために各ボール画像に対してグリント（glint：輝き、閃光）除去処理が実施される。画像からビジュアルアーチファクトを除去するために照明正規化が続いてボール画像に実施される。画像は、ボールのスピン軸、スピン率、軌道および速さを決定するために繰り返し回転され、スケーリングされ、後続する画像と相関される。
【００２５】
好ましい実施形態の説明
本発明は、同様の参照番号が同様の構成要素に付される以下に簡単に説明される添付の図面とともに本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【００２６】
以下の詳細な説明は、技術において一般的に周知の幾つかの頭文字を用いる。便利上、各頭文字の最初の記載に定義が典型的には提供されるが、以下の表１は頭文字と略記およびそれぞれの定義のリストを提供する。
【００２７】
表１−略語の定義
ＡＤＣ  アナログ−デジタル変換
ＩＣ  集積回路
ＣＣＤ  電荷結合装置
ＣＭＯＳ  相補形金属酸化膜半導体
ＦＯＶ  視野
ＦＰＧＡ  フィールドプログラマブルゲートアレイ
ＧＵＩ  グラフィカル・ユーザ・インタフェース
ＬＯＳ  視野方向
飛行パラメータ測定の好ましい実施形態では、例えば、ボール等の動いている対象物の表面が追跡され、速さ、方向および飛行進路、スピン軸、およびその軸についてのスピン率が決定される。測定システムは、スピン率およびスピン軸を決定するためにボールにどの特別なマーキングも必要としない。その代わり、好ましい実施形態の測定システムは、不精度マーク、クラブによって形成される傷などの表面欠陥、ディンプル、またはこれら全て３つの組み合わせをボール飛行特性を決定するために必要な唯一の特徴として利用する。好ましい実施形態の測定システムの使用は、野球のボールおよびテニスボールを含む、動くよう設定されているまたは動いている全種類のボールにまで拡げられ得る。更に、測定システムは、特定のクラスの対象物の他の非球形の対象物を確立する特性即ち、ルールおよび条件の飛行パラメータを決定するために使用してもよい。
【００２８】
図１は、本発明の好ましい実施形態の飛行パラメータ測定システム１０へのスタンドアローン式スマートカメラアプローチを例示する。測定システム１０は、単一スマートカメラ１２を含む。スマートカメラ１２は、例えば、ゴルファーが見ることができるデジタル表示部２８に情報を提供し、ゴルフクラブヘッドフェイス角、ゴルフボール発射高度、方位およびスピンを表示する。好ましい実施形態では、スマートカメラ１２は、レンズ１４と、光学エリアセンサ１６と、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１８と、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２４と、大型のデジタルメモリ２０と、プロセッサ２２と、アラインメント装置２６と、表示部２８を駆動するために十分な出力回路とを含む。別の実施形態では、表示部２８は、周辺装置としてカメラ１２に取り付けられる。本発明の典型的な実施形態では、スマートカメラは、デジタルメモリに複数の画像を記憶し、その後それらの画像を分析して以下に説明するようにゴルフクラブヘッドおよびゴルフボール動き特性を決定することができる。
【００２９】
スマートカメラ１２は、オプショナル装置３０を接続するための入力／出力ポートを含む。このような装置は、ラジオ周波数送受信機、太陽電池などを含む。本発明の一実施形態では、動いているゴルフボールおよび／またはゴルフクラブヘッドの複数の時間連続型画像のデジタル化された画像を生成するためにパルス化された照明源３２が使用される。
【００３０】
好ましい実施形態の測定システム１０は、飛行パラメータを測定するために幾つかのサブシステムおよび関連する方法／手順を有する。図２は、ボールの飛行パラメータ測定値を決定するための好ましい方法５０を例示する。好ましい方法５０の各ステップは以下に詳細に説明される。図１および図２を参照すると、スマートカメラ１０は、製造処理中に較正される５２。カメラ１０は、フィールドにおけるアラインメント補正係数５４を決定するためにアラインメント装置２６を利用する。好ましい実施形態のカメラ１０は、画像キャプチャをトリガリングする処理５６を含む。飛行中の一連のボールが捕捉され５８、カメラメモリ２０に記憶される。カメラプロセッサ２２は、各捕捉された画像６０におけるボールの位置を位置探しし、その中心および直径を確認する。位置、中心、および直径は、カメラ１０によって各ボール６２に対する三次元座標および速度ベクトル６４を計算するために利用される。
【００３１】
図２を続けて参照すると、近隣のピクセルの平均値によって画像中の「ホット」スポットを除去するために各ボール画像に対してグリント除去処理６６が実施される。画像からビジュアルアーチファクトを除去するためにボール画像に対して照明正規化６８が実施される。画像は、ボールのスピン軸、スピン率、軌道および速さを提供するために回転され、スケーリングされ、後続する画像７０と相関される（ステップ７２）。
【００３２】
１．カメラの較正
本発明の好ましい実施形態は、アラインメント機器および較正手順の必要性を排除し、フィールド、例えば、ゴルフドライビングレンジまたはゴルフショップで熟練されていない人でもセットアップできるボール追跡および測定装置を提供する。好ましい実施形態では、測定システム１０は、工場で、即ち、製造中に正確に較正されている。カメラの較正は、以下に説明するようにピクセル画像面における全ての（Ｘ，Ｙ）に対して（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向を確立する。
【００３３】
図４は、好ましい実施形態のスマートカメラ１５２に対する較正およびアラインメントシステムおよびプロセス１５０を示す図である。カメラ１５２は、面１５４に対して平行に整列される地面に接するテーブルに配置される。カメラ１５２は、カメラレンズ１６２のモデルを作成し、ターゲット、従って、地面の接線に対する真のワールド座標基準、即ち、空間座標を計算するために２つの位置で基準ターゲット１５８を撮像する。カメラレンズ１６２からターゲット１５８までの既知の距離が与えられ、面１５４に対するターゲット１５８の向きが与えられた上で測定システムは、ターゲット１５８上の精度マーク１６０を用いてカメラ１５２の視野の全てのピクセルに対するベクトルを計算する。カメラの視野において対象物が撮像されると、画像の各ピクセルが二次元で既知の位置を有するため該対象物の位置が二次元で分かることとなる。
【００３４】
図５は、スマートカメラ１５２の視野１７０を示す図である。全てのピクセル１７２にはＸおよびＹ座標が割り当てられ、このときｚ１はカメラ１５２からターゲット１５８までの距離である。較正プロセスのピンホールの遠近感は図６に示され、ピンホールＰはカメラ１５２の焦点に対応する。カメラ１５２は、ターゲット１５８がターゲットから距離ＺＮの第１の「近」位置に配置された状態で画像面１７０のターゲット１５８を撮像する。ターゲットの画像の各ピクセルは座標ＸＮ，ＹＮによって定められる。ターゲット１５８はターゲットから距離ＺＦの第２の「遠」位置に移動され、ターゲットの画像の各ピクセルは座標ＸＦ，ＹＦによって定められる。したがって、各ピクセル１７２は「近」および「遠」の２つのワールド位置によって定められる。座標ＸＮ，ＹＮおよびＸＦ，ＹＦは、画像中の各ピクセルに対する基準視野方向（ＬＯＳ）を確立するために利用される。本発明の好ましい実施形態では、カメラ１５２は、各ピクセルに対する視野方向がピンホールＰで収束することを確認する。
【００３５】
２．カメラのアラインメント
図４を再び参照すると、ゴルフボール発射パラメータの分析において必要な幾つかの測定は、ゴルフボールとのクラブの衝撃点において地面の表面に接する面１５４に対して行われる。好ましい実施形態のアラインメント処理の一部は面１５４に対してカメラ１５２または光学測定システムの基部を正確に整列することである。フィールドにおける測定は、地面に対する向きが水平でない場合、例えば、測定システム１５２が平坦でない表面上に配置される場合、オフセットで調節する必要がある。
【００３６】
図４に示される較正処理中、カメラ１５２は平面の表面１５４に対して平行に配置される。二軸、三軸加速度計または傾斜計１５６は、表面１５４とカメラ基部１５２を整列させる好ましい方法において使用される。加速度計または傾斜計１５６は、表面１５４に対するカメラのミスアラインメントの程度を示す電気信号をカメラ１５２に供給することができる。これら電気信号は、ゴルフボール撮像カメラ１５２の完全なアラインメントを必要としないようゴルフボール飛行計算のためのオフセット情報を提供する。較正中、カメラ系１５０のロールおよびピッチが加速度計１５６を用いて測定され、記録される。ユーザ例えば、ゴルファーによって表面にユニットが配置されると、加速度計向き測定値が取られ、較正中に得られる測定値と比較される。全ての差がフィールドにおいて取られた画像における対象物の位置を補償するために利用される。
【００３７】
本発明によって利用される較正およびアラインメントの利点は、飛行測定システム１５２が自然草または泥のような平坦でない表面に配置されてもよく、地面の接平面に自動的に自身を整列させる点である。本方法の別の利点は、飛行測定装置１５２が手動の再アラインメントを必要とすることなくある場所から別の場所に移動されてもよい点である。例えば、ユーザが自然芝からゴルフボールを打つ場合、ゴルフクラブによる衝撃の繰り返しによって芝が破壊されるためユーザは時々新しい位置に移動しなければならない。測定および分析は、装置１５２を移動して新しい場所に配置することで続けられる。装置１５２は、ユーザによるどの介入もなく製造中に形成されるカメラ／レンズモデルを用いて新しいアラインメントを自動的に計算する。更に、アラインメントは共通基準によりフィールドにおける多数のユニット間で統計結果を比較することを可能にする。
【００３８】
別の実施形態では、飛行パラメータ測定は、発射プラットホーム、例えば、練習ティープラットホームに対して行われる。測定システム１５２は、その基部に対して較正される。本実施形態は、切換機構を含み、ユーザがユニットの基部に対する地面接線および測定をオフにすることを可能にする。
【００３９】
飛行パラメータ測定システムの別の実施形態は、地面の表面１５４とカメラの基部を同じ高さにするためにカメラ１５２における二次元バブルレベル（図示せず）を利用する。バブルレベルは、地面の表面１５４上にあり撮像カメラ１５２を支持する調節ねじを用いて調節される。あるいは、バブルのレベルは光学的に撮像され、真のレベルに対するバブルのオフセット画像から得られる電気信号が生成され飛行測定計算に使用される。
【００４０】
飛行パラメータ測定システムと利用できる別のアラインメント方法は、カメラの視野において地面に配置される２つまたは３つの対象物を参照してフィールドでカメラ１５２を整列させることである。地面上の対象物は、カメラ配置に対する地面の接平面を推定するために用いられる。対象物は、方位を較正するために用いられてもよい。対象物は三次元に明確に配置される。空間における３点の間で線が引かれ、方位および高度基準を提供するためにベクトルが生成される。カメラ１５２は、精度ラブ較正値と推定された接平面との間のオフセットを計算する。
【００４１】
地面の表面とゴルフボール撮像カメラ１５２のアラインメントのための別の方法は、振り子のようにカメラを懸垂させることで懸垂されるカメラ１５２に作用する重力により自動的にレベルをカメラ１５２が発見することである。懸垂装置のダンパーが振動の迅速な安定を提供する為に利用される。カメラが地面の表面に対して同じ高さにあるため、精度ラブ較正値は飛行パラメータ計算に用いられる。
【００４２】
カメラ１５２が地面の表面と整列された後、追加的な方位アラインメントが飛行中のゴルフボールを正確に追跡するために必要となる。方位アラインメントは、飛行パラメータシステムの製造中に光学系に予め較正された装置エンクロージャの軸に沿って軸方向に離れた対象物を見ることで得られる。この見られた対象物は基準として使用される。この方位アラインメントは、レーザーポインタまたは望遠照尺装置を用いて、またはカメラレンズを通して離れた対象物を直接的に見ることによって達成される。
【００４３】
本発明の他の実施形態では、ゴルフボール以外の対象物を撮像する飛行パラメータ測定システムは、本発明の方法を利用して整列できる。飛行中に撮像できる対象物の例として、銃器の発射体、野球のボール、テニスボール、サッカーボール、バスケットボール、ホッケーパック、および他のスポーツ具を含む。
【００４４】
３．画像キャプチャのためのカメラのトリガリング
ゴルフボールとの衝撃前にゴルフクラブのスイングの一部分中にゴルフクラブの位置を測定し記録すること、および、ゴルフクラブによる衝撃の後のゴルフボールの位置を測定および記録することは、明確な開始信号を必要とする。飛行パラメータ測定システムの好ましい実施形態は、ボール発射状態をモニタリングするために高速撮像カメラを利用する。追跡を開始するための特別なトリガリング装置の必要性は、リアルタイムで画像を捕捉するためのカメラと同じものを用いることで排除される。捕捉された画像は、画像の記録の明確なトリガリングおよびボールの飛行のその後の追跡に使用される。
【００４５】
静止しているゴルフボールまたは衝撃前／後の発射位置の近傍の領域をモニタリングしているカメラは、画像を連続的に捉え、ゴルフボールおよびその周囲領域の画像を一時的に記録する。カメラは、ゴルフクラブまたはゴルフボールの近付きを検出するために十分に早く画像を捉え、ゴルフクラブまたはゴルフボールの近付きイベントは、ゴルフボールとの衝撃中のゴルフクラブの精密な測定および記録、および、その後のゴルフボールの動きを開始するトリガリング状態を設定するために利用できる。高速な画像分析技法の使用を通じて、得られた画像のある部分が検査される。誤ったトリガリングを除去する特定の基準は、精密な画像を捕捉することを開始するために利用される。
【００４６】
好ましい実施形態では、現在の画像は先行する画像から１ピクセルずつ減算される。画像は、処理要件を減少および／または信号対ノイズ比を増加させるために間引きされてもよい。結果として生ずる減算された画像は、閾値に対して比較され、動きがあった画像内の領域を検出する。これら関心領域は、ゴルフクラブまたはゴルフボールの特定の特性を探すために更に分析される。
【００４７】
図７は、画像キャプチャをトリガリングする方法を例示する。カメラのウィンドウフレーム１８２の「トリガリング」部分１８０は、ゴルフボール１９０またはゴルフクラブが移動するか視野に入るとモニタリングするために利用される。詳しくは、本発明のカメラは、非常に高いフレーム率であるピクセルを走査する。これにより、本発明のシステムは、対象物１９０が所定の視野１８０にいつ入るかを検出することが可能となる。好ましい実施形態では、所定のまたはトリガリング視野１８０は垂直方向のフィールド、即ち、ゴルフプレーヤーに対するカメラの配置に依存するカメラのウィンドウ１８２の左または右にあるボールの始まり位置の面に対して垂直である。一旦対象画像１９２がトリガリング視野１８０で検出されると、対象物１９２は分析され、その速さ、形状、および動き方向が確認される。これらの測定値が予め設定された閾値を超えると、有効なトリガリングイベントが指定され、追跡のための画像キャプチャ処理が開始される。予め設定された閾値は、クラブワッグルまたはボールを構えている際のゴルフファーの動きのような誤ったトリガリングイベントを排除するために使用される。
【００４８】
本発明の他の実施形態では、ゴルフボール以外の対象物を撮像する装置は、本発明の方法を用いてトリガリングできる。飛行中に撮像できる対象物の例は、銃器の発射体、野球のボール、テニスボール、サッカーボール、バスケットボール、ホッケーパック、および他のスポーツ具を含むがこれらに制限されない。エリアカメラまたは単一線走査カメラは、光学撮像装置として利用できる。
【００４９】
４．画像キャプチャ
本発明は、飛行中のボールの個々の画像を捕捉する。図７に示すように、トリガリング視野１８０にボール１９０が入ることによってトリガされると、本発明は、ボールの計算された軌道および速さに基づいてボール画像の位置を予測する。次の予測される位置でボールの画像を捕捉するカメラの視野１８４のサブセットであるウィンドウ１９４が定められる。このウィンドウ１９４がセンサにおいて小さい割合のピクセルを必要とするため、画像は非常に迅速に捕捉され、ウィンドウ１９６、１９８の位置は次の画像ボールの外挿された位置と適合するよう必要に応じて調節される。図７は、画像中のボールの動きを示すために単一の視野１８０に重畳される画像ウィンドウ１９４、１９６、１９８を示す。しかしながら、各ウィンドウ１９４、１９６、１９８は、別の画像１８４、１８６、１８８からのものである。現在のフレーム並びに先行するフレームは、次の画像キャプチャのためにボールの予測される位置を更新するよう連続して使用される。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態は、リアルタイムで周囲光状態を迅速に評価し、画像の質を最適化するようカメラ露光を調節する。例えば、光状態は影、雲等によって屋外では画像毎に変化し得る。露光持続時間は、利用可能な光がセンサの動的レンジにわたって分布されるよう調節される。更に、フラッシュストロボの持続時間は、画像の質を最適化するために十分な光が利用可能となることを確実にするよう露光時間に適合するように調節される。
【００５１】
本発明の別の実施形態では、カメラはフレーム１８４、１８６、１８８全体を用いてボールの飛行を追跡する。この方法は、画像中のボールを隔離させるためにより多くの処理を必要とするため遅い。したがって、ボールのより少ない画像が捕捉され、追跡の正確さが減少される。それにより、追跡の好ましい方法、即ち、ボール画像を含む極めて小さいウィンドウにおける追跡変化はより効率的である。
【００５２】
５．画像中でのボール探し
飛行パラメータ測定システムの好ましい実施形態は、飛行中のボールの２つ以上の高解像度画像を撮影し、真の三次元（３Ｄ）飛行特性を計算する単一カメラを使用する。飛行特性を計算するためには、ボールは画像中で位置探ししなければならない。画像中でボールを位置探しするために、画像中の比較的明るい領域を識別するよう画像は分析される。ボールに対応する明るい領域は、左右対式にボールのエッジに向かって薄暗くなる。したがって、画像中に存在し得る他の明るいスポットがボールと間違えられることはない。画像中で対象物を位置探しするために使用される分析は、対象物の形状および他の特性によって変化することは明らかである。
【００５３】
一旦ボールが画像中で位置探しされると、図８に示すように、最も左にあるピクセル２２２と最も右にあるピクセル２２０は、サブピクセル技法を用いて位置探しされる。画像面上のボールの中心の位置は、最も左と最も右のピクセル２２２、２２０の間の中間であると決定される。
【００５４】
６．３Ｄ座標の計算
図８は、カメラからの画像中のボール２２４の距離を発見する好ましい方法を例示する。システムは、較正情報を用いてカメラの焦点Ｐから各ボールの中心Ｃまでの３Ｄワールド方向ベクトルを計算する。上述した通り、グレースケール画像の最も右にあるピクセル２２０および最も左にあるピクセル２２は、ベクトルＬＲによって示されるボールの直径を決定するためにサブピクセル技法を用いて位置探しされる。ボールが厳しい寸法で直径が一般的に１．６８インチに製造されているため、ボールまでの距離Ｄは、カメラに対する較正モデルを用いて計算される。詳しくは、ベクトルＰＬは最も左のピクセル２２２までの視野方向を表し、ＰＲは最も右にあるピクセル２２０までの視野方向を表す。ボールの直径に対するカメラからボールまでの距離は、ベクトルＰＬおよびＰＲが最も左および最も右にあるピクセル２２２、２２０でボール２２４に事実上接するものである。右および左の視野方向間の角δが既知であり、ボールの標準直径が既知であるため、距離Ｄは式１の余弦の法則から以下のように計算される。
【００５５】
ｃ２＝ａ２＋ｂ２−２ａｂ＊ｃｏｓδ  式１
１．６８２＝Ｄ２＋Ｄ２−２Ｄ２＊ｃｏｓδ＝２Ｄ２＊（１−ｃｏｓδ）および
Ｄ＝ＳＱＲ（１．６８２／（２＊（１−ｃｏｓδ）））  式２
この手順は、各ボールに対して実施され、飛行進路の最小二乗フィットがシステムの正確さを改善するために実施される。ここでボール画像の各ピクセルは、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標を有するとして定義される。
【００５６】
構造化された光源を有する単一カメラ。本発明の好ましい実施形態は、飛行中のボールの２つ以上の高解像度画像を撮影し真の３Ｄ飛行特性を計算する単一カメラを使用する。図９に示すように、別の実施形態のシステムは、単一カメラ１５２の視野と交差するよう空間的に較正されるレーザ面２０４または一連のレーザドットのような構造化された光源２０２を有してもよい。システムは、飛行中にボール２０６の多数の画像を捕捉し、一つ以上の画像はボールが構造化された光源２０２によって照射されている間に撮影される。カメラ系１５２がワールド座標に較正されていると仮定して、システム１５２は、構造化された光源２０２による照明点でボール２０６と交差するカメラ１５２からの線に対する３Ｄベクトルを計算する。カメラ１５２に対する光源１５４の位置および方向の向きが既知であるため、カメラ１５２からの線と光源２０２とのボールの円周上での３Ｄ交点は、標準的な三角測量技法を用いて計算される。レーザ源は、ボール追跡をトリガリングし開始するための照明に使用してもよい。
【００５７】
ボール２０６の表面上の点の３Ｄ位置およびボールの既知の直径が与えられると、ボールの中心の位置は、カメラからのサイトライン１６２に沿わなくてはならない。カメラ１５２からのボールの中心へのレンジも計算される。この方法を用いて、三次元でボール２０６の軌道を計算するためにカメラ１５２からボール２０６までの正確な深度測定値が決定される。これによりゴルフボール飛行特性の計算の正確性が向上され、発射方位を決定することも可能となる。
【００５８】
構造化された光源２０２が一連の点である、または、多数の面を有する場合、どの光ビームまたは面とボールが交差しているかを判断することが困難となる。この問題を解決するために、実際のボール直径を知り、レンジを計算するためにカメラモデルを用いて各ボール２０６に対する大まかなレンジが各ボールの直径を見ることにより計算される。このレンジエンベロープを用い、構造化された光源に対する正しいスペーシングおよび幾何学的形状を選択することで、単一の解決法が計算される。構造化された光源２０２が広角光である場合、ボール２０６上の光と影領域間の境界線がレーザ面と同様に使用される。ボール２０６の表面上の３Ｄ点は、三角測量によって計算され、カメラ１５２からボール２０６の中心までのレンジが先の段落で説明したように計算される。
【００５９】
６．速度ベクトルの計算
各画像中のボールの大きさ、各画像中のボールの位置、および、較正情報は、上述したようにボールの３Ｄ位置を決定するために使用される。実在空間における少なくとも２つのボールの３Ｄ位置および各画像と関連付けられるタイムスタンプは、速度ベクトル、つまりボールの速さおよび方向を計算するために使用される。
【００６０】
図１１Ａに示すように、２つの異なるタイムスタンプにおける撮像されたボールＢ１、Ｂ２の３Ｄ位置は、ボールの軌道Ｔを明らかにする。軌道Ｔは高度および方位を有する。高度角ＥＬは、図１１Ｂに示すように、Ｚ軸回りの回転であり、ボール画像Ｂ１、Ｂ２の垂直方向の位置における変化から決定される。方位角ＡＺは、図１１Ｃに示すように、カメラからのまたはカメラへのボールの逸れである。したがって、方位角は、Ｙ軸回りの回転である。高度角および方位角は、ボールのスピンを計算するために必要である。
【００６１】
７．グリント除去
使用される照明のタイプ、または、周囲光状態に基づき、スペクトル反射またはグリントが画像中に存在し得る。これらグリントは典型的にはカメラに面すボールの表面に形成される。グリントは、本質的に常に明るく、周囲ピクセルよりも一般的に非常に明るい。グリントは、ボールが回転すると位置を変えてもよく、変えなくてもよい。相関は、２つの画像のピクセル毎の適合であるため、照明差または反射される光量における差、または、ボールの回転とともに移動しない表面特徴によるグローバル強度差はシステムでノイズを生成する。したがって、各ボール画像はグリント除去および照明正規化を相関前に実施することで準備される。局部的な平均値またはピクセルの局部的な群の統計的調査に対する簡単な閾値は、全ての他の処理の前に画像からグリントピクセルを検出し除去するために使用される。グリントピクセルは、局部的な平均値に基づいてピクセルで置換される。
【００６２】
８．照明正規化
不均一照明または多数の光源に対する補償は、正しいボールの相関のために実現しなければならない。ピクセル対ピクセルベースのグレースケール相関について、ピクセル強度は可能な限り近く適合する必要がある。異なる空間位置および異なる周囲光条件下で画像が捕捉されるため、照明はボールの可視表面にわたって変化される。均一な光条件の下、ボールの中心の周りで直径が増加する同心リングは、カメラおよび光源からボールの湾曲した表面が角をなして離れるにつれて照明ドロップオフを有する。更に、各同心リングは、リングが直径全体の周りでトレースされるため一定の平均照明を有する。したがって、各ボール画像における同じ直径の各同心リングは、同じ平均グレースケール強度を発揮すべきである。
【００６３】
図１２は、ボール画像２５０を正規化する好ましい方法を例示する。実際のピクセル輝度平均値は、多数の半径方向のバンド２５２、２５４、２５６に対して生成される。各半径方向のバンド２５２、２５４、２５６は、共通値の幅「ｗ」。バンドの長さは、全てのバンドが同様のまたは等しい数のピクセル１７２を有することを確実にするよう変化される。バンドの数は、画像のピクセル輝度の所望の均一性に従って選択される。平均値は、「正規化された」バンドが所望の平均値、即ち、所望の平均ピクセル輝度をピクセルの近傍およびボール全体で有するようパーセンテージでピクセル値を調節するために使用される。各半径方向のバンドについて、強度において大きい変化を表す全ての領域は各リングのプロフィールを均一にするためにスケーリングされる。
【００６４】
９．回転、スケーリング、および相関
本特許の方法の重要な特徴は、マークまたは不精度マークのないゴルフボールの一連の２Ｄ画像に対するスピン率および軸を決定することである。この方法は、飛行中のボールの連続する画像を見て、自然の表面特徴、ディンプル、人造マークまたは欠陥の動き／回転を追跡するために数学的変換および相関関係を用いる。同方法は、ボールにどの精度マーキングを配置することも必要とせず、自然の表面特徴および欠陥以外でボール上に人造マークがない場合にも確実な結果をもたらす。モデルは、カメラの遠近法を考慮し、回転をワールド座標スピン軸およびスピン率に変換する。
【００６５】
図１０に示すように、ゴルフボールで打たれた後の回転するボール２０６の挙動についてある仮定をする。第１に、ゴルフボールは、飛行の方向に対して平行な軸２０８回りの回転として定義されるライフルスピンを有さないまたは無視できる程度に有する。第２に、スピンするゴルフボールは、クラブヘッドで打たれた後、固定スピン軸２１２を有するジャイロスコープのように挙動する。これらの仮定により、スピン軸２１２は飛行の方向または軌道Ｔに対して直交する面２１０になくてはらない。更に、スピン軸２１２はボール２０６の中心を通らなくてはならず、衝撃後に著しく向きを変えない。
【００６６】
ａ．基準フレーム
基本的な基準フレームを本願で説明のために定義する。好ましい実施形態について、カメラまたは複数台のカメラの位置の正しい選択は、歪みの度合いを最小化しスピン分解能を増加させる。最大の分解能のために、カメラまたは複数台のカメラは、発射体のスピン軸に対して可能な限り平行に近いビューを有すべきである。スピン軸がカメラに直接的に向けられている場合、殆どの回転は２Ｄ画像の中心について行われる。これにより、相関ピクセルの数が増加され、表面上の点が視野外で回転しないためより離れたボールと相関される能力が最大化される。本説明の目的のために次を仮定する：Ｙ軸は上方に向けられる画像面、Ｘ軸は右方に向けられる画像面、Ｚはビューアに向けられる画像面への垂線、回転の順番はＸ回り、次に、Ｔ回りそしてＺ回りである。
【００６７】
３Ｄ点を回転させるために次の式が用いられ、このときＣｏｓ１およびＳｉｎ１、Ｃｏｓ２およびＳｉｎ２、Ｃｏｓ３およびＳｉｎ３は、それぞれＸ、ＹおよびＺについての回転角である。
【００６８】
Ｘについての回転点
Ｘ１＝Ｘ  式３
Ｙ１＝Ｙ＊Ｃｏｓ１−Ｚ＊Ｓｉｎ１  式４
Ｚ１＝Ｚ＊Ｃｏｓ１＋Ｙ＊Ｓｉｎ１  式５
Ｙについての回転点
Ｘ１＝Ｘ＊Ｃｏｓ２＋Ｚ＊Ｓｉｎ２  式６
Ｙ１＝Ｙ  式７
Ｚ１＝Ｚ＊Ｃｏｓ２−Ｘ＊Ｓｉｎ２  式８
Ｚについての回転点
Ｘ１＝Ｘ＊Ｃｏｓ３＋Ｙ＊Ｓｉｎ３  式９
Ｙ１＝Ｙ＊Ｃｏｓ３−Ｘ＊Ｓｉｎ３  式１０
Ｚ１＝Ｚ  式１１
ｂ．スピン軸を決定する好ましい方法
図１３に示すようにスピン軸およびその軸についてのボールの回転を決定する好ましい実施形態の方法は、基準ボール画像Ｂ１およびターゲットボール画像Ｂ２の選択を必要とする。これら各画像は、上述したように方位の角、高度の角、ボールの中心およびボールの直径を含むそれらと関連付けられる情報を有する。更に、画像からグリントが除去され、画像は照明正規化される。
【００６９】
図１８は、スピン軸およびスピン軸についてのボールの回転速さを決定する好ましい方法のフローチャートである。第１のステップ３００では、基準ボールＢ１の標準ビューが決定される。「標準」ビューは、本願では、全ての画像を別の画像に一対一でマッピングするために全てのボール画像が変形される最も簡単なまたは最も対称的なビューを説明するために用いられる。第２のステップ３０１では、回転エンベロープまたはレンジは、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸、並びに、各回転に対するインクリメントステップレンジｉ、ｊおよびｋに対して決定される。ＸＹ標準面にある標準画像Ｂ１のスピン軸はステップ３０２で回転され、ステップ３０４で標準Ｚ軸について回転される。ステップ３０４において標準画像Ｂ１はターゲットボール画像Ｂ２のＸ、Ｙ、Ｚ座標で回転される。ステップ３０５において、結果として得られる基準ボール画像Ｂ１がボール画像Ｂ２にスケーリングされる。ステップ３０６では、結果として得られる基準ボール画像Ｂ１がターゲットボール画像Ｂ２と相関される。ステップ３０７において相関性のスコアが先の相関スコアと比較される。スコアが改善されると、つまり、よりよい相関結果の場合、回転Ｘ（ｉ）、Ｙ（ｊ）、Ｚ（ｋ）が記憶される。ステップ３０９で決定されるようにレンジ内の全てのインクリメントが試されていない場合、回転の次のインクリメント値が基準ボール画像Ｂ１に適用される。ステップ３１１において、回転、スケーリング、および相関のステップは、回転の所望の最小のインクリメントレンジが完成され最大の相関が確実となるまで段階的に改良されるように繰り返される。
【００７０】
ｃ．基準ボール画像Ｂ１の標準ビューへの変換
相関が２Ｄ画像面において実施されるため、基準ボール画像Ｂ１は３Ｄワールド座標系から２Ｄ画像面に変換しなければならない。これは、カメラから発生し、各ボールの中心を通る３Ｄワールドベクトルを用いて実現される。各ベクトルに対して、公称のスピン軸に対する該ベクトルの方位および高度が計算され、２Ｄスピン軸検索に対するオフセットとして使用され、このとき公称のスピン軸は地面接平面に対して平行で且つ飛行の方向に対して直交する軸である。図１３は、撮像位置からスピン軸Ｚｃ１およびＺｃ２の線に沿う位置まで整列された仮想カメラ「ｃ１」および「ｃ２」によって見られるボール画像Ｂ１およびＢ２の標準カメラビューを示す。図１４Ａは、標準画像Ｂ１の正面図を示し、このとき軌道Ｔｃは標準ビューのＸ軸方向にある。図１４Ｂは、図１４Ａの標準ボール画像Ｂ１の側面図である。図１４Ｂにおいて、スピン軸２１２は仮想角で示される。
【００７１】
ｄ．回転レンジおよびインクリメントの決定
図１８のステップ３０１の回転レンジおよびインクリメントの決定は、スピンを発見するために相関を使用することに要求される計算の数を著しく減少させる。スピン軸２１２についてある仮定がなされる。ゴルフボールのようなボールがライフルスピンを無視できる程度有するまたは全く有さず、ゴルフボールがクラブヘッドを一旦離れると固定スピン軸２１２を有する本質的にジャイロスコープとなることが既知である。更に、クラブフェイスはボール２０６に衝撃を与える際に上方に角が付けられているため、クラブフェイスによってボールに与えられるスピンは通常のゴルフショットについて常にバックスピンである。これらの仮定により、図１３に示すようにスピン２１２の軸は飛行２０８の方向に対して直交する面２１０の一部分に推定される。更に、スピン軸がボールの中心を通り、衝撃後に略移動しないことが仮定される。可能なスピン率の範囲は、スピン率対ショット速さおよび発射角を経験的に決定し、このデータを用いて軸の推定値および回転検索範囲の量を改善することで更に減少される。
【００７２】
ｅ．グレースケール画像の回転、スケーリング、並進、および相関
相関は、一連の連続的な比較を行うことによって２つの画像間の最適な空間適合を発見するための一般的な二次元画像処理技法である。画像は、最小限の差を有する空間的向きが検出されるまでコンピュータによってインクリメント的に並進され、回転され、スケーリングされ、差分（ピクセル毎）される。システム解像度を最大化するために、ボールの最初の飛行中に可能な限り多くの画像が捕捉されるべきである。これは、スピン範囲のより良い推定によるより離れたボールを相関するときに誤った相関の機会を減少し、速さを改善する。概算が展開された後、解像度を増加させるためにより離れたボール間で相関が実施される。最小二乗フィットまたは平均化が、全ての利用可能な情報を利用して可能な限り最良の精度測定を実現するよう適宜使用される。
【００７３】
軌道における異なる点でカメラによって捕捉される２つのボール画像を相関させるために、図１８のステップ３００の「標準ビュー」として上述したように第１のボール画像が数学的に変換され、カメラが第２のボール画像と同じ位置で撮像した場合に現れるであろうボールの新しい画像が形成される。ＲｘがＸ軸回りの回転として定義され、ＲｙがＹ軸回りの回転として定義され、ＲｚがＺ軸回りの回転として定義されると、基準ボール画像Ｂ１の標準ビューは、次の：Ｒｘ（−Ｘ１）；Ｒｙ（−［ｙ１＋ＡＺ］；およびＲｚ（−ＥＬ）として回転の第１の組によって決定され、このとき「ＡＺ」および「ＥＬ」はそれぞれ方位角および高度角を表す。
【００７４】
図１５Ａに示すように一旦画像が標準形式になると、トライアルスピン軸が選択され、このとき理想的な選択はスピン軸をカメラへの視野方向と整列することである。図１５Ｂは、スピンが視野方向に対して平行な側面図を示す。図１６Ａおよび１６Ｂは、３Ｄ空間におけるスピン軸Ｚｃについての球形のトライアル回転を示す。図１８のステップ３０２および３０３のこのトライアル回転の第２の組は、次の通りに説明される：−２０＜Ｘｉ＜２０の例示的範囲においてＲｘ（Ｘｉ）；−１０＜Ｙｊ＜１０の例示的範囲においてＲｙ（Ｙｊ）；−２０＜Ｚｋ＜０の例示的範囲においてＲｚ（Ｚｋ）。
【００７５】
図１７Ａおよび１７Ｂに示すように、Ｂ２の第２の画像に対応する外挿された位置においてカメラに現れるであろう２Ｄ画像空間に画像が再びマッピングされる。図１８のステップ３０４のこの回転の第３の組は、次の通りに説明され：Ｒｘ（Ｘ２）；Ｒｙ［Ｙ２＋ＡＺ］；およびＲｚ（ＥＬ）］、このとき「ＡＺ」および「ＥＬ」はそれぞれ方位角および高度角を表す。
【００７６】
変換後、回転された基準画像Ｂ１とターゲット画像Ｂ２のグレースケール画像間で標準２Ｄ相関が直接的に実施される。このトライアルスピン軸を選択する、３Ｄ空間でトライアル回転を実施する、および、相関のために２Ｄ空間に画像を再びマッピングする処理は、最小限の差の相関が見つけられるまで繰り返される。
【００７７】
回転の組は別々のステップとして上述されるが、技術において公知の通り、各ステップに対する「回転マトリクス」を作成し、ピクセルを回転するために使用される係数を含む単一の「組み合わされた」回転にマトリクスを乗算することで３Ｄ回転が実現されることが理解されるであろう。
【００７８】
ｆ．リアルワールド座標への相関結果の変換
一旦スピンが相関から決定されると、回転軸および大きさは、飛行の線に変換され、続いて飛行の線がワールド座標に変換される。これら回転は、式３−１１を用いて簡単に実施される。ショットの時間的情報も既知であるため、スピンの大きさも全ての所望の単位でスピン率に変換できる。
【００７９】
ｇ．追加的な相関技法およびディンプル追跡
グレースケール相関と共にまたは無関係に使用される更なる技法がある。ボール上のロゴまたは他のタイプの高コントラストマークが相関の正確性を向上するために使用される。これらピクセルは隣接するピクセルよりも非常に暗く、ディンプルの影によって生ずる暗いピクセルから分離される。局部的な平均値またはピクセルの局部的な群の統計的調査に対する簡単な閾値がロゴピクセルを検出してラベル付けするために使用される。これにより、それらは特別なケースとして処理されるか相関中に用いられる他の表面特徴よりもより多く重み付けされる。ロゴだけを用いる利点は、ボール上で特定のロゴを発見する際に追跡処理が不確かにされる点である。可能性としてロゴを表すより暗いピクセルは、適合を検出するために既知のロゴパターンと比較される。ロゴパターンは、相関が実施される前にボール上の潜在的なロゴの位置と適合するよう前述したように数学的に変換される。ロゴが位置探しされない場合、前述したグレースケール相関処理を使用するよう追跡処理が一時的に中断されるかデフォルトされる。
【００８０】
各ゴルフボールのディンプルの中心を検出することは、グレースケール相関と共にまたは別々に使用される別の方法である。ディンプルは、本質的に３Ｄであり、ボールの表面上のその位置が画像のエッジの方に移動するにつれて外観が暗くまたは明るくなる影を形成する。ディンプルの中心を位置探しするために様々なディンプルの大きさおよび影のパターンに対応する一連のフィルタが使用される。フィルタは、ボールの中心からの様々な距離にあるディンプルの特徴的な影パターンを位置探しするために使用される。フィルタは、ボール画像のエッジが近づくにつれてボール直径、ディンプルの大きさにおける変化、および楕円形歪みを調節する。フィルタは、半径方向の線に沿ってボールの中心から外方に適用されるに従いディンプルの画像特徴における暗から明への移行を識別する。カメラに直接的に面す領域について、フィルタは、光源に面するディンプルの特徴である明るい中心を有する暗い円を抽出する。一旦可能な限り多くのディンプルの位置が決定されると、数学的中心が相関される。ディンプルの検出正確性は、検出処理がボールの中心から外方に向かうにつれてなくなる。従って、半径方向に測定されるボールの中心に最も近いディンプルに関わる相関に対してより多くの重みがおかれる。
【００８１】
本発明の好ましい実施形態は、例としてだけ説明されるが、この分野の当業者には添付の特許請求の範囲に定められる本発明の範囲から逸脱することなく開示する実施形態を変更し得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】動いている対象物の飛行パラメータを決定する好ましい実施形態のスタンドアローン式カメラ系のブロック図である。
【図２】動いているボールの飛行パラメータを決定する好ましい方法である。
【図３】典型的な従来技術のゴルフボール飛行分析システムのブロック図である。
【図４】好ましい実施形態の較正およびアラインメント方法のブロック図である。
【図５】リアルワールド三次元ビューを二次元にマッピングするカメラの視野を示す図である。
【図６】図５に示すカメラの視野の各ピクセルに対する視野方向を決定する方法を示す図である。
【図７】トリガリングおよび画像キャプチャのためのカメラのウィンドウフレームを示す図である。
【図８】カメラからボールまでの距離を見つけるための好ましい方法を示す図である。
【図９】構造化された光源を用いるゴルフボール測定システムを示す図である。
【図１０】飛行中のボールを撮像する好ましい実施形態の飛行パラメータ測定システムを示す図である。
【図１１Ａ】ボールＢ１を第１の位置、ボールＢ２を第２の位置で示すボールの三次元軌道進路を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａのボールの軌道のＸＹ面における高度角を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａのボールの軌道のＸＺ面における方位角を示す図である。
【図１２】ボールの画像のピクセルを正規化する好ましい実施形態の方法を示す図である。
【図１３】ボールの標準画像を確立する方法を方法を示す図である。
【図１４Ａ】ボールの標準画像Ｂを捕捉するために位置決めされる仮想カメラＣ１のＺ軸に対して平行に整列される正面図である。
【図１４Ｂ】スピン軸が軌道に対して垂直な面にある図１４Ａの画像の側面図である。
【図１５Ａ】仮想カメラのＺ軸と対向するようなスピン軸の回転を示す図である。
【図１５Ｂ】Ｚ軸とスピン軸が同じである図１５Ａの画像の側面図である。
【図１６Ａ】スピン軸についてのボールＢ１の回転を示す図である。
【図１７Ａ】ボールの標準画像Ｂ２を捕捉するために位置決めされる仮想カメラＣ２のＺ軸に対して平行に整列される正面図である。
【図１７Ｂ】スピン軸が軌道に対して垂直な面にある図１７Ａの画像の側面図である。
【図１８】ボールの画像を回転し、スケーリングし、相関する好ましい方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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