(57)【要約】【課題】  ゴルフクラブあるいは運動用具一般における鉛直、水平両平面上の運動を一台のカメラで計測する方法、装置を提供しようとするものである。特に、ゴルフスイングにおけるゴルフクラブヘッドの挙動、ブロー角とヘッド軌道の計測を容易にするものである。【解決手段】  別途計測した主たる運動方向の速さvやヘッドスピードHSからゴルフクラブヘッドその他の計測対象物の奥行き方向位置を計測することで、キャリブレーションポイントの画像座標値を計算により求め、キャリブレーション平面から外れた位置の計測対象点の二次元空間座標を計測可能にする。【選択図】図１
2011130964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動用具のスイング挙動の画像計測装置であって、
運動用具の主たる運動方向の速さv（m毎秒）を計測するスピード計測部と、
打撃のt（秒）前の運動用具の静止画像を、後方から主たる運動方向に向けて撮影する撮影部と、
前記撮影部が撮影した静止画像上の点について、撮影方向を除く実空間での二次元座標を算出する座標算出部を有し、
座標算出部は、打撃位置で主たる運動方向を法線とする平面上でのキャリブレーションポイントの画像座標と、該キャリブレーションポイントを主たる運動方向へ平行移動した場合の画像座標を取得して、この平行移動距離を変数とするキャリブレーションポイントの座標関数を予め算出し、
計測にあたっては、撮影された運動用具の打撃位置からの距離Lを、計測対象たる運動用具の主たる運動方向の速さと時間の積v×tとして求め、
これを変数として前記座標関数に代入して、撮影された運動用具を含む平面での仮想キャリブレーションポイント座標値を算出し、
仮想キャリブレーションポイント座標値を用いて画像座標から空間座標への変換関数を算出し、
これを用いて運動用具の二次元座標値を得る画像計測装置。
【請求項２】
ゴルフスイング挙動の画像計測装置であって、
ゴルフクラブのヘッドスピードHS（m毎秒）を計測するスピード計測部と、
インパクトのt（秒）前の運動用具の静止画像を、後方から飛球水平方向に向けて撮影する撮影部と、
前記撮影部が撮影した静止画像上の点について、撮影方向を除く実空間での二次元座標を算出する座標算出部を有し、
座標算出部は、インパクト位置で飛球水平方向を法線とする平面上でのキャリブレーションポイントの画像座標と、該キャリブレーションポイントを飛球水平方向へ平行移動した場合の画像座標を取得して、この平行移動距離を変数とするキャリブレーションポイントの座標関数を予め算出し、
計測にあたっては、撮影された運動用具の打撃位置からの距離Lを、計測対象たる運動用具のヘッドスピードと時間の積HS×tとして求め、
これを変数として前記座標関数に代入して、撮影された運動用具を含む平面での仮想キャリブレーションポイント座標値を算出し、
仮想キャリブレーションポイント座標値を用いて画像座標から空間座標への変換関数を算出し、
これを用いてゴルフクラブの二次元座標値を得る画像計測装置。
【請求項３】
打撃又はインパクトの瞬間の画像も撮影して計測対象点の二次元空間座標値も計測、
これとt（秒）前の二次元空間座標値との差により主たる運動方向又は飛球水平方向を除く二方向の変位を、
更に時間tと速さ積t×v又はt×HSより、主たる運動方向又は飛球水平方向の変位を算出することで、
打撃又はインパクト直前のt（秒）間における対象点の変位を三次元的に算出する請求項１または２に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゴルフクラブその他の運動用具のスイング中の挙動を計測する方法及び計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ゴルフクラブや運動用具のスイング中の挙動を知る方法として、２以上の方向から撮影した静止画像を解析してその位置を計測し、更に角度姿勢や変位、速度、角速度、加速度、角加速を算出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは三次元ＤＬＴ法と呼ばれる画像計測の方法を利用してゴルフクラブ上の計測対象点の空間三次元座標を計測するものであり、複数のカメラを同期させて撮影しなければならない。
【０００３】
また、上記三次元ＤＬＴ法を用いず、鉛直平面上の運動、水平平面上の運動、それぞれを別途画像計測する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、必ずしもそれぞれのカメラを同期させる必要はないものの、鉛直、水平両面上でのゴルフクラブの挙動を把握しようとすると、複数のカメラが必要となる点は、前述の方法と同じである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４５４９５公報
【特許文献２】特開平９−２１５８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ゴルフクラブや運動用具のスイング挙動においては、鉛直、水平、どちらの面上における運動も共に重要である。たとえば、鉛直平面上で着目される挙動の一つはブロー角と呼ばれるものがある。これは、インパクトの瞬間におけるゴルフクラブヘッドの運動の上下角度であって、ダウンブローと呼ばれる下方向運動の場合、打球は飛び出しが低くてバックスピンが多くなり、アッパーブローと呼ばれる上方向運動の場合、打球は飛び出しが高くてバックスピンが少なくなる場合が多い。また水平面上での着目点の一つは、ヘッド軌道と呼ばれるものがある。これは、インパクトの瞬間におけるゴルフクラブヘッドの運動の水平左右方向の角度である。ゴルファーから見て、近くから遠くへ運動する場合をインサイドアウト軌道と呼び、打球はいわゆるフックスピンがかかり、逆に遠くから近くへ運動する場合をアウトサイドイン軌道と予備、打球はいわゆるスライススピンがかかりやすくなる。
【０００６】
前述のとおり、従来の方法、装置で、鉛直、水平両平面上の運動を計測しようとすると少なくとも２台以上のカメラが必要となり、装置の大型化や高価格化と共に、設置や使用に制約が生じて、屋外フィールドなど、スポーツで重要な場面での使用が困難であった。
【０００７】
以上は特にゴルフクラブの場合について述べたが、打撃用具をスイングする他のスポーツにおいても全く同様である。
【０００８】
本発明は、斯かる実情に鑑み、ゴルフクラブあるいは運動用具一般における鉛直、水平両平面上の運動を一台のカメラで計測する方法、装置を提供しようとするものである。特に、ゴルフスイングにおけるゴルフクラブヘッドの挙動、ブロー角とヘッド軌道の計測を容易にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は
運動用具のスイング挙動の画像計測装置であって、
運動用具の主たる運動方向の速さv（m毎秒）を計測するスピード計測部と、
打撃のt（秒）前の運動用具の静止画像を、後方から主たる運動方向に向けて撮影する撮影部と、
前記撮影部が撮影した静止画像上の点について、撮影方向を除く実空間での二次元座標を算出する座標算出部を有し、
座標算出部は、打撃位置で主たる運動方向を法線とする平面上でのキャリブレーションポイントの画像座標と、該キャリブレーションポイントを主たる運動方向へ平行移動した場合の画像座標を取得して、この平行移動距離を変数とするキャリブレーションポイントの座標関数を予め算出し、
計測にあたっては、撮影された運動用具の打撃位置からの距離Lを、計測対象たる運動用具の主たる運動方向の速さと時間の積v×tとして求め、
これを変数として前記座標関数に代入して、撮影された運動用具を含む平面での仮想キャリブレーションポイント座標値を算出し、
仮想キャリブレーション座標値を用いて画像座標から空間座標への変換関数を算出し、
これを用いて運動用具の二次元座標値を得る画像計測装置
にかかるものである。
【００１０】
特にゴルフクラブヘッドの計測に用いられるものは、
ゴルフスイング挙動の画像計測装置であって、
ゴルフクラブのヘッドスピードHS（m毎秒）を計測するスピード計測部と、
インパクトのt（秒）前の運動用具の静止画像を、後方から飛球水平方向に向けて撮影する撮影部と、
前記撮影部が撮影した静止画像上の点について、撮影方向を除く実空間での二次元座標を算出する座標算出部を有し、
座標算出部は、インパクト位置で飛球水平方向を法線とする平面上でのキャリブレーションポイントの画像座標と、該キャリブレーションポイントを飛球水平方向へ平行移動した場合の画像座標を取得して、この平行移動距離を変数とするキャリブレーションポイントの座標関数を予め算出し、
計測にあたっては、撮影された運動用具の打撃位置からの距離Lを、計測対象たる運動用具のヘッドスピードと時間の積HS×tとして求め、
これを変数として前記座標関数に代入して、撮影された運動用具を含む平面での仮想キャリブレーションポイント座標値を算出し、
仮想キャリブレーション座標値を用いて画像座標から空間座標への変換関数を算出し、
これを用いてゴルフクラブの二次元座標値を得る画像計測装置
にかかるものである。
【００１１】
これらにおいては、
打撃又はインパクトの瞬間の画像も撮影して計測対象点の二次元空間座標値も計測し、
これとt（秒）前の二次元空間座標値との差により主たる運動方向又は飛球水平方向を除く二方向の変位を、
更に時間tと速さ積t×v又はt×HSより、主たる運動方向又は飛球水平方向の変位を算出することで、
打撃又はインパクト直前のt（秒）間における対象点の変位を三次元的に算出することも可能である。
【００１２】
一つの画像から空間座標値を算出する方法は二次元ＤＬＴと呼ばれ、前記特許文献２に記載された発明はこれを利用している。そのため、該発明では、鉛直面内の運動と水平面内の運動、双方を把握するには２台のカメラが必要であった。
【００１３】
二次元ＤＬＴは、通常、空間上の一平面についてキャリブレーションを行い、当該平面上に存在する計測対象点について二次元空間座標を求める。画像は二次元情報であって奥行き方向の情報は得られないから、原則としては当該平面外にある点の計測は不可能である。近似的には当該平面外の点の座標を得ることもできるが、カメラの視差のため、当該平面を外れるほど誤差が大きくなる。
【００１４】
しかし、本発明は、別途計測した主たる運動方向の速さvやヘッドスピードHSを利用することで、キャリブレーションを行った平面から外れた位置にある計測対象点の二次元空間座標を計測可能にしたものである。これによって計測可能な範囲が奥行き方向に大きく広がるので、ゴルフクラブヘッドを飛球後方から撮影、計測する場合のような、画像の奥行き方向へ運動する物体の計測が可能となる。
【００１５】
本発明は、カメラが一台で可能となるため、装置の価格低下はもちろんのこと、設置の容易、特にスポーツ計測では重要な屋外フィールドでの計測も極めて容易になる。
【００１６】
なお、得られた各成分を時間tで割ったものは、この時間tの間における対象点の平均速度ベクトルであり、時間tを十分小さくとり、打撃あるいはインパクトの瞬間の速度ベクトルの近似値を得ることも可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来はカメラが２台以上必要だった運動用具やゴルフクラブのスイング計測が、カメラ一台で可能となり、計測装置の小型化や低価格化、設置や計測の容易化、屋外フィールドなど、スポーツ計測で特に重要な場所、場面での使用を可能にするという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係る装置の構成と使用状態を示す図
【図２】実施例１におけるキャリブレーションボードの設置方向と空間座標系を示す図
【図３】実施例１におけるキャリブレーションボードを示す図
【図４】実施例１におけるキャリブレーションボードの設置状態を示す図
【図５】実施例１におけるキャリブレーションボードを撮影した画像を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２０】
本例はゴルフクラブヘッドのインパクト直前における運動方向を計測する装置であり、ヘッド部の有する速度のうち飛球水平方向成分と上下方向性分の比からなるブロー角、飛球水平方向成分と水平左右方向成分の比からなるヘッド軌道角の両方を、一台のカメラで計測するものである。
【００２１】
図１に、本発明に係る装置の構成、使用時の概要を示す。ゴルフボール５１の後方にカメラ１１を飛球水平方向７１向きに設置し、被験者がゴルフクラブ５２をスイングするのにあわせて、ゴルフクラブヘッド５３を撮影する。画像は画像取り込み部を備えるコンピュータ２１に取り込まれ、モニター２２に表示される。ゴルフクラブヘッド５３には計測の対象点であることを示すマーカー５４が付されており、マウス２３を使ってポインタ２４をマーカー２４にあわせてクリックすることで、計測対象点の画像座標値をコンピュータ２１に入力する。
【００２２】
ゴルフクラブヘッド５３の撮影においては、トリガ装置１３が用いられる。具体的には、カメラ１１は所定の時間間隔で撮影し続けており、コンピュータ２１は過去の複数の画像をメモリ等に記録しており、カメラ１１からあたらな画像データが送信されてくると、最も古い画像を削除し、新しい画像を記録することを繰り返している。そこに、トリガ装置からの信号が送られてくると、コンピュータは当該トリガ信号が送られる前後、それぞれ所定のコマ数を保存する。従って、インパクト直前の画像を基準として、その前後、好きな時刻の画像を取り出すことが可能となる。
【００２３】
また、撮影時には、ヘッドスピード測定器１２によりゴルフクラブヘッド５３の飛球水平方向の速さを同時に計測する。これは、様々な形式のものが知られており、図１に示すように飛球後方に設置するタイプには、発射した電磁波がゴルフクラブヘッド５３に反射して戻ってきたものを受信し、ドップラー効果を使用してゴルフクラブヘッド５３の速さを計測するものがある。また、ゴルフボール５１の直前に２以上の光電スイッチ、磁気センサなどを所定の間隔で設置し、ゴルフクラブヘッド５３がこれらを通過する時間差からヘッドスピードを計測するものもある。本発明では、ヘッドスピード測定器の形式、方法にはなんら制限は無い。なお、図には記載していないが、ヘッドスピード測定器１２をコンピュータ２１に接続し、計測されたヘッドスピードを自動的に取り込む方法も好適である。
【００２４】
次にキャリブレーション方法について説明する。本発明は二次元ＤＬＴを応用した方法なので、基本的には二次元ＤＬＴのキャリブレーション方法と同じである。但し、本発明はキャリブレーションボードを前後に平行移動させて複数個所で撮影を行い、回帰によって前後位置と座標値を関連付ける関数を得る点が通常と異なる。これによって、通常はキャリブレーションを行った平面上での計測のみが可能である二次元ＤＬＴの方法を利用しながら、本発明ではキャリブレーションを行っていない平面上の計測も可能にするのである。
【００２５】
以下、計測の事前準備であるキャリブレーションの方法について具体的に説明する。図２のようにキャリブレーションボード１４は平面となっており、飛球水平方向７１がこの平面の法線となる姿勢でキャリブレーションボード１４は設置される。なお、空間座標は、ゴルフボール５１の直前にキャリブレーションボート１４を設置した状態で、ボール５１の中心を通る飛球水平方向７１とキャリブレーションボードとの交点を原点とし、飛球水平方向７１に重なってカメラ方向を向けてz軸、キャリブレーションボード１４の鉛直方向をy軸、水平方向をx軸とする。この座標の定義は、適宜変更しても構わない。
【００２６】
図３のとおり、キャリブレーションボード１４には複数のキャリブレーションポイント１５と、設置時に空間のx軸、y軸と重なるべき直線が描かれている。なお、空間のx、y座標値の異なるキャリブレーションポイントが一組あればキャリブレーションは可能であるから、キャリブレーションポイントの最少数は２であるが、誤差等を考慮して本例では４点としている。本実施例では、作業や計算の容易のため、Ａ点とＢ点、Ｃ点とＤ点の空間x座標、Ａ点とＤ点、Ｂ点とＣ点の空間y座標が同じになるようにした。従って、座標値はそれぞれ、Ａ点(-S,T)、Ｂ点(-S,-T)、Ｃ点(S,-T)、Ｄ点(S,T)となる。なお、S、Tの値は50mm位が好適である。
【００２７】
キャリブレーションボードの撮影は図４のように、ゴルフボール５１の直前にキャリブレーションボート１４を設置した状態０、ゴルフボール５１からカメラ方向に距離Z１だけ平行移動した状態１、同じく距離Z２だけ平行移動した状態２の３つを行った。最低でも２つの状態で行う必要があり、後に回帰を行う関係上、多いほど誤差は小さくなるが、手間が大幅に増えるので、３から５位が実用的であろう。状態０〜２は、空間のz方向への平行移動なので、各キャリブレーションポイント１５の空間x座標、空間y座標は同じである。具体的な距離Z１、距離Z２の大きさだが、それぞれ50mm、100mm位が好適である。
【００２８】
なお、画像座標値はマウス２３を操作し、ポインタ２４をＡ〜Ｄの各キャリブレーションポイントにあわせてクリックするなどの方法によりコンピュータ２１に入力する。空間座標値はキーボード等から入力するのが好適である。
【００２９】
図５は、撮影されたキャリブレーションボード１４の画像である。図５のように画像上の座標であるxc、ycを決めると、キャリブレーションポイントＡ〜Ｄ点の、状態０〜２における画像座標、およびそれぞれの空間座標値は表１の通りになる。
【表１】
2011130964.tif 000003
カメラには視差があるので、各キャリブレーションポイントの空間のx、y座標値は不変だが、画像のxc、yc座標値は空間z座標値によって変化する。まずは、この関係を回帰により算出する。以下にその方法を具体的に説明する。
【００３０】
カメラからキャリブレーションボード１４までの距離を十分にとると、キャリブレーションポイントＡ点の画像xc座標値は空間z座標値を変数とする一次関数と考えることが出来る。本発明の場合、カメラ１１とキャリブレーションの距離は２．５〜３m程度とし、キャリブレーションボード１４を動かす範囲は１０〜２０mm程度とするのが適当だから、十分に上記条件を満たす。Ａ点の画像yc座標、Ｂ〜Ｄ点の画像xc座標、画像yc座標も同様である。
【００３１】
Ａ点について具体的に説明する。空間z座標値Zが(0,Z1,Z2)の時に、画像のxc座標PA(Z)が(PA0,PA1,PA2)、画像のyc座標QA(Z)が(QA0,QA1,QA2)を取ることは既に前述のキャリブレーションボード１４の撮影とキャリブレーションポイント１５の入力により判明している。そこでここでは、これらを結び付ける関数を数式１のように仮定し、数式２の連立方程式を解く。即ち、Ａ点の画像座標(xc, yc)は空間z座標値Zを変数とする関数によってxc＝PA(Z), yc＝,QA(Z)と表される。この関数は、いわばキャリブレーションポイント１５の画像上の座標値を算出する座標関数である。
【数１】
2011130964.tif 000004
【数２】
2011130964.tif 000005
【００３２】
なお、数式２を解くには、数式３のように最小二乗法が好適だが、その他の方法でも問題はなく、必要があれば適宜選択することが可能である。
【数３】
2011130964.tif 000006
【００３３】
Ｂ〜Ｄ点の画像xc座標、画像yc座標についても同様のことが可能であるので、キャリブレーションボードを空間z方向へ任意の距離Zだけ動かした場合のキャリブレーションポイントＡ〜Ｄ点の画像座標値ついて座標関数(Pi(Z),Qi(Z))  （但しi={A,B,C,D}）と表すことができた。
【００３４】
以上にて事前準備が終了したので、実際の計測を説明する。撮影は高速度カメラを用い、微小時間t（秒）隔で撮影を続け、トリガ装置が検出したインパクトの直前の画像（以下「インパクト画像」という。）とその一コマ前の画像（以下「手前画像」という。）をコンピュータ２１に記録する。これと同時に、ヘッドスピード測定器によりインパクトの瞬間のゴルフクラブヘッド５３の水平方向の速さであるヘッドスピードHS（m毎秒）をコンピュータに入力する。
【００３５】
次に、インパクト画像、手前画像、それぞれにおいて二次元ＤＬＴを実行するため、画像座標値を空間座標値に変換する関数を求める。具体的には二次元ＤＬＴと呼ばれる方法を用いる。これは画像座標(xc, yc)と空間座標(x,y)の関係を表現する関数を数式４のように仮定し、画像座標(xc, yc)を画像から得ることで空間座標(x,y)を算出するものである。事前準備としては、空間座標の分かっているキャリブレーションポイントの画像座標を求め、これにより数式４の関数を確定する。
【数４】
2011130964.tif 000007
【００３６】
本例では、インパクト画像でのＤＬＴと、手前画像でのＤＬＴをそれぞれ別に行う。なぜなら、これらはそれぞれ異なる平面上でのＤＬＴだからである。即ち、インパクト画像はゴルフボール５１の直前でゴルフクラブヘッド５３を撮影したものであって空間z座標値Z=0である空間x-y平面内でのＤＬＴとなり、手前画像はそれより手前側の空間z座標値Z=HS×tである空間x-y平面内でのＤＬＴだからである。
【００３７】
インパクト画像のうつるZ=0である空間x-y平面内でのキャリブレーションポイントＡ〜Ｄ点の画像座標値、手前画像の映るZ=HS×tである空間x-y平面内でのキャリブレーションポイントＡ〜Ｄ点の画像座標値は、先に求めた座標関数(Pi(Z),Qi(Z))より、それぞれ算出可能である。これらは実際にキャリブレーションポイントを撮影した得た画像座標値ではないから、いわば仮想キャリブレーションポイント座標値である。一方、キャリブレーションポイントＡ〜Ｄ点の空間座標はZによらず不変である。これらを整理すると、キャリブレーションポイントＡ〜Ｄ点に係る各座標値は表２の通りとなる。
【表２】
2011130964.tif 000008
【００３８】
表２の１と３を用いて決定した数式４の関数を用い、インパクト画像に写ったマーカー５４のインパクト直前における空間座標値(x0,y0)を得る。また、表２の２と３を用いて決定した数式４の関数を用い、手前画像に写ったマーカー５４のインパクト直前における空間座標値(x-1,y-1)を得、更に手間画像からインパクト画像までのマーカー５４の空間での変位(x0- x-1, y0- y-1,-HS×t)を得る。これを時間で割ればインパクト直前におけるゴルフクラブヘッド５３の速度ベクトルを得られるし、atan(y0- y-1/ HS×t)によりブロー角、atan(x0- x-1/ HS×t)によりヘッド軌道角を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のゴルフ及びその他の運動用具のスイング計測システムは、ゴルフ等運動用具の挙動、スイング計測として簡便に利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１１：カメラ
１２：ヘッドスピード測定器
１３：トリガ装置
１４：キャリブレーションボード
１５：キャリブレーションポイント
２１：コンピュータ
２２：モニター
２３：マウス
２４：ポインタ
５１:ゴルフボール
５２：ゴルフクラブ
５３：ゴルフクラブヘッド
５４：マーカー
７１：飛球水平方向
７２：鉛直方向
７３：水平左右後方
【図１】
2011130964.tif 000009
【図２】
2011130964.tif 000010
【図３】
2011130964.tif 000011
【図４】
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【図５】
2011130964.tif 000013