JPH1144700A - 速度測定装置、該装置を用いた自動追尾システム及び予想到達位置表示システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動物体における複数方向の速度成分が測定
できる速度測定装置を提供する。 【解決手段】 本発明の速度測定装置は、対象となる移
動物体を撮影した撮影画像に画像処理を施して、移動物
体の動きを検出する動き検出手段２と、該動き検出手段
２から、移動物体の速さ及び方向を取得する速度ベクト
ル取得手段３とを具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば野球競技に
おいて投手が投げる球の速度の如く、移動物体の速度を
測定する速度測定装置に関するものである。具体的に
は、本発明は、移動物体の速さ及び方向が測定でき、且
つ速さ及び方向の変化を知ることができる速度測定装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の装置としては、一般に、音や光
のドップラー効果を利用した装置が知られている。これ
は、物体へ向けて音や光を入射し、物体からの反射波を
受け取り、入射波と反射波の周波数または波長の変化か
ら物体の速度を検出する装置である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このため、従来の速度
測定装置は、物体の進行方向または進行方向に近い方向
に配備され、移動物体に音や光が当たるように物体の移
動方向に向ける必要があった。また、従来の速度測定装
置は、物体の速度において、装置から物体へ向かう方向
の速度成分しか測定できなかった。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、移動物体における複数方向の
速度成分が測定できる速度測定装置を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の速度測定装置
は、対象となる移動物体を撮影した撮影画像に画像処理
を施して、移動物体の動きを検出する動き検出手段と、
該動き検出手段から、移動物体の速度を取得する速度ベ
クトル取得手段とを具える。前記速度測定装置は、動き
検出手段において、移動物体の撮影画像に画像処理を施
すことにより、移動物体の動きを検出するから、移動物
体を撮影するカメラが、移動物体の進行方向に対して略
垂直な方向に配備されることが望ましい。

【０００６】

【作用及び効果】本発明の速度測定装置は、２次元の撮
影画像から移動物体の動きを検出して、移動物体の速度
を測定するものである。従って、本発明の速度測定装置
は、移動物体の２方向の速度成分が測定でき、２方向の
速度成分から、移動物体が移動する方向を知ることがで
きる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に沿って説明する。

【０００８】

【実施形態１】図１に示すように、本実施形態の速度測
定装置は、野球競技において投手(90)が投げるボールの
速度を測定するために設置され、移動物体であるボール
(80)を撮影するカメラ(１)と、該カメラ(１)からの撮影
画像に画像処理を施して、ボール(80)の動きを検出する
動き検出手段(２)と、該動き検出手段(２)から、ボール
の速度を取得する速度ベクトル取得手段(３)とを具え
る。カメラ(１)は、投手(90)から捕手(91)に投げられた
ボール(80)を撮影できるように固定配備される。なお、
カメラ(１)には、一般的なビデオカメラを使用できる
が、連続撮影可能なデジタルスチルカメラを使用しても
よい。また、本実施形態では、高速移動するボール(80)
を撮影するから、通常の撮影速度（30フレーム／秒）よ
りも速い高速度撮影が可能なカメラを使用することが望
ましい。

【０００９】図３は、動き検出手段(２)の構成を示すブ
ロック図である。本実施形態では、ボール(80)の動きを
検出するために、２つの画像の差分画像を使用する。カ
メラ(１)からの映像信号は、信号処理回路(20)において
受信される。信号処理回路(20)は、デコード、Ｙ／Ｃ分
離等により該映像信号を所望の画像信号に変換するもの
である。信号処理回路(20)にて変換された所望の画像信
号は、Ａ／Ｄコンバータ(21)にてデジタルの画像データ
に変換された後に、差分画像を得るための差分回路(23)
に送信される。

【００１０】一般に、差分画像を得る方法には、移動し
ていない画像を背景画像とし、移動物体が移動している
画像と該背景画像の差分を取る方法と、移動物体が移動
している２つ又は３つ以上の画像どうしの差分をとる方
法とがあり、夫々の方法に応じて、前記画像データを記
憶するメモリ(22)が、Ａ／Ｄコンバータ(21)と差分回路
(23)の間に配備される。差分回路(23)にて得られた差分
画像データは、抽出回路(24)に送信される。抽出回路(2
4)では、差分画像から移動物体であるボール(80)の画像
を抽出するために、前記差分画像データの２値化が行な
われ、場合によっては、ノイズデータの除去、２値化デ
ータのマスク化、等が行なわれる。

【００１１】動き検出手段(２)の抽出回路(24)にて抽出
されたボール(80)の画像データは、速度ベクトル取得手
段(３)に送信される。速度ベクトル取得手段(３)では、
受信した画像データから、移動物体であるボール(80)に
おける重心位置、先頭位置、後尾位置、等の何れかを代
表点として取り出し、ボール(80)の代表点の軌跡から、
ボール(80)の移動ベクトルを算出し、該移動ベクトルを
Δｔで割ることによりボール(80)の速度ベクトルが算出
される。

【００１２】速度ベクトル取得手段(３)にて得られた速
度ベクトルは、該速度ベクトルの大きさと方向をディス
プレイコントローラ(51)に送信される。ディスプレイコ
ントローラ(51)は、カメラ(１)からの映像信号に、前記
速度ベクトルの大きさと方向を示す数字や矢印などを重
畳して、ディスプレイ(50)に表示させる。

【００１３】（動作の説明）上記構成の速度測定装置に
おいて、ボール(80)の速度ベクトルを取得して、該速度
ベクトルをディスプレイ(50)上に表示するまでの動作を
説明する。なお、本実施例では、所望の画像信号として
輝度信号を利用し、差分画像を得る方法として、移動物
体が移動している２つの画像どうしの差分をとる方法を
使用する。また、本動作例では、移動物体の代表点とし
て重心を利用する。

【００１４】ある時刻ｔ₀にカメラ(１)が撮影した映像
信号を、動き検出手段(２)が受信すると、該映像信号
は、信号処理回路(20)およびＡ／Ｄコンバータ(21)によ
って輝度データ(40a)（図４（ａ））に変換されて、メ
モリ(22)に記憶される。その後、時刻ｔ₀＋Δｔにおけ
る映像信号を動き検出手段(２)にて受信すると、差分回
路(23)は、時刻ｔ₀における輝度データ(40a)をメモリ(2
2)から読み出し、時刻ｔ₀＋Δｔにおける映像信号が信
号処理回路(20)およびＡ／Ｄコンバータ(21)によって変
換された輝度データ(40b)（図４（ｂ））を受信し、輝
度データ(40a)(40b)間の差分をとって、差分輝度データ
を生成する。該差分輝度データを抽出回路(24)にて受信
すると、抽出回路(24)は、２値化と、ノイズデータの除
去とを行なって、移動物体であるボール(80a)(80b)を抽
出した抽出輝度データ(41)が得られる。該抽出輝度デー
タ(41)を速度ベクトル取得手段(３)にて受信すると、速
度ベクトル取得手段(３)は、各ボール(80a)(80b)の重心
ｇ₁、ｇ₂を算出する。これは、各ボール(80a)(80b)の領
域に含まれる全画素の位置平均を求めることにより容易
に算出される。そして、速度ベクトル取得手段(３)は、
算出した重心ｇ₁、ｇ₂の位置、カメラ(１)と投手(90)お
よび捕手(91)との距離、等から、ボールが実際に移動し
た移動ベクトルｇ₁ｇ₂が求められ、該移動ベクトルｇ₁
ｇ₂をΔｔで割ることにより、速度ベクトルｖ₁₂が求め
られる。

【００１５】ディスプレイコントローラ(51)は、前記速
度ベクトル取得手段(３)から前記速度ベクトルｖ₁₂の大
きさおよび角度を受信すると共に、カメラ(１)から時刻
ｔにおける映像信号を受信する。ディスプレイコントロ
ーラ(51)は、該映像信号に前記速度ベクトルの大きさと
方向を示す数字および矢印を重畳して記憶する。これ
を、投手(90)がボール(80)を投げてから捕手(91)に届く
までの間に３回行ない、記憶した映像を重畳してディス
プレイ(50)に表示させることにより、図２のような映像
をディスプレイ(50)に表示できる。

【００１６】以上より、本実施形態の速度測定装置を使
用すると、ボール(80)の鉛直方向の速度成分と、水平面
内における投手(90)から捕手(91)への方向の速度成分と
を測定でき、ボール(80)に関する速さと、水平面とのな
す角度とを知ることが出来る。また、前記装置による速
度の測定を、投手(90)がボール(80)を投げてから捕手(9
1)に届くまでの間に数回行なうことにより、ボール(80)
の速さおよび角度の変化を知ることが出来る。このこと
は、特に、フォーク、シンカー等の落ちる変化球に対し
て効果的である。

【００１７】

【実施形態２】上記実施形態において、ボール(80)が打
者(92)を横切る際（図６（ａ）、（ｂ））には、差分画
像において、打者(92)の動きとボール(80)の動きとが重
なり、差分画像データ(41)からボール(80)を抽出できな
い虞れがある（図６（ｃ））。特に、打者(92)のユニホ
ームがボール(80)と似た色である場合、ボール(80)の抽
出が困難であると考えられる。この問題点を解決するた
め、本実施形態では、動き検出手段(２)として、差分画
像から移動物体の動きを抽出する手段に代えて、画像中
の各点における動きベクトルを求め、該動きベクトルか
ら移動物体の動きを抽出する手段を使用する。ここで、
動きベクトルとは、ある画像から次の画像への過程にお
ける各点の移動方向と移動距離を表す量である。動きベ
クトルを求める方法には、フレーム間マッチング法と、
勾配法とがあり、それぞれよく知られているから、本願
では仔細を省略する。

【００１８】図５は、本実施形態における動き検出手段
(２)の構成を示すブロック図である。カメラ(１)からの
映像信号は、第１実施形態と同様に、信号処理回路(20)
にて所望の画像信号に変換され、Ａ／Ｄコンバータ(21)
にてデジタルの画像データに変換される。Ａ／Ｄコンバ
ータ(21)からの画像データは、動きベクトル化回路(25)
にて受信される。

【００１９】動きベクトル化回路(25)は、画像を複数の
領域(45)に区画し、時刻ｔにおける画像データ(40a)
（図６（ａ））と時刻ｔ＋Δｔにおける画像データ(40
b)（図６（ｂ））とから、画像における各領域の動きベ
クトルを求めるものである。このとき得られる動きベク
トルの例が図６（ｄ）に示されている。図６（ｄ）にお
ける各領域(45)内の記号に関して、矢印は、動きベクト
ルの大きさと方向を示し、黒点は、動きベクトルが０ま
たは約０であって、領域(45)内の物体が静止または略静
止していることを示し、罰点（×）は、領域(45)内の物
体の動きが速すぎて、動きベクトルが測定できなかった
ことを示している。ボール(80)およびバットの動きは、
打者(92)の動きに比べて非常に速く、従って、図６
（ｄ）における罰点の領域が、ボール(80)およびバット
の領域を示すことになる。

【００２０】動きベクトル化回路(25)からの動きベクト
ルのデータは、抽出回路(26)にて受信される。抽出回路
(26)は、動きベクトルのデータからボール(80)の画像を
抽出する。なお、図６における罰点の領域には、ボール
(80)と共にバットの領域も含まれるが、ボール(80)は、
形状がバットと大きく異なるから、罰点の領域から容易
にボール(80)の領域を特定できる。

【００２１】動き検出手段(２)の抽出回路(26)にて抽出
されたボール(80)の画像データは、第１実施形態と同様
に、速度ベクトル取得手段(３)に送信され、速度ベクト
ル取得手段(３)は、該画像データからボール(80)の速度
ベクトルを算出して、該速度ベクトルをディスプレイコ
ントローラ(51)に送信して、ディスプレイ(50)にボール
(80)の速さおよび角度が矢印と共に示される。

【００２２】以上より、動き検出手段(２)に動きベクト
ルを用いると、対象となるボール(80)の動きと、他の移
動物体の動きとが画像中で重なる場合であっても、両者
の動きを分離でき、その結果、ボール(80)の動きのみを
抽出できる。

【００２３】なお、高速度撮影の可能なカメラ(１)を使
用することにより、ボール(80)の動きベクトルを測定で
きる場合であれば、動きベクトル化回路(25)において、
時刻ｔの画像データ(40a)（図７（ａ））と時刻ｔ＋Δ
ｔの画像データ(40b)（図７（ｂ））とから求められる
各領域(45)の動きベクトルは、図７（ｃ）のようにな
る。ボール(80)の動きベクトルと、打者(92)およびバッ
トの動きベクトルとを比較すると、ボール(80)の動く速
さは、打者(92)およびバットの動く速さよりも著しく大
きく、さらに、ボール(80)の動く向きは投手(90)から捕
手(91)への向きであるのに対して、打者(92)およびバッ
トの動く向きはその逆向きである。従って、抽出回路(2
6)は、図７（ｃ）に示す各領域(45)の動きベクトルか
ら、ボール(80)の動きベクトルを容易に抽出できる。ま
た、この場合、速度ベクトル取得手段(３)には、ボール
(80)の動きベクトルが送信されることになり、速度ベク
トル取得手段(３)は、該動きベクトルからボール(80)の
速度ベクトルを直接算出することができる。

【００２４】なお、投手(90)がボール(80)を投げてから
捕手(91)に届くまでの間にボール(80)が通過する撮影画
像中の領域は、一定の範囲内に限定されるから、上記第
１、第２実施形態において、該範囲内の映像信号のみを
動き検出手段(２)に送信しても、上記効果が実現でき
る。

【００２５】（速度測定装置の適用例１）次に、上記第
１、第２実施形態の速度測定装置を利用したシステムに
ついて説明する。本適用例は、カメラ(１)が捉えた移動
物体を自動的に追尾するシステムである。図８は、この
自動追尾システムの構成を示すブロック図である。移動
物体を撮影するカメラ(１)は、撮影方向が変えられるよ
うに配備され、その撮影方向は、サーボモータ(10)によ
って決められる。カメラ(１)からの映像信号は、速度測
定装置の動き検出手段(２)にて移動物体の動きが検出さ
れ、速度測定装置の速度ベクトル取得手段(３)にて撮影
画像における移動物体の速さおよび方向が取得される。
制御手段(６)は、速度ベクトル取得手段(３)から撮影画
像における移動物体の速さおよび方向を受信し、該速さ
および方向に基づき、サーボモータ(10)を駆動して、移
動物体がカメラ(１)の撮影画像内に常に収まるように、
カメラ(１)の撮影方向を制御する。また、カメラ(１)か
らの映像信号は、ディスプレイコントローラ(51)に送信
されることにより、ディスプレイ(50)に映像が表示され
る。

【００２６】上記構成の自動追尾システムの動作を、図
９のように、打者(92)が打ったボール(80)を追尾する場
合について説明する。打った直後のボール(80)が図の右
上方向に移動するとき（図９（ａ））、カメラ(１)は静
止したままであるから、速度ベクトル取得手段(３)にて
取得した撮影画像における移動物体の移動方向も、図１
０（ａ）のように、右上方向となる。従って、制御手段
(６)は、カメラ(１)が右上方向の加速度を有する回転運
動を行なうように、サーボモータ(10)を駆動する。その
後、ボール(80)の移動が水平方向になるとき（図９
（ｂ））、カメラ(１)は右上方向へ回転駆動されてお
り、ボール(80)の移動速度が減速して行くから、速度ベ
クトル取得手段(３)にて取得した撮影画像における移動
物体の移動方向は、図１０（ｂ）のように、左下方向と
なる。従って、制御手段(６)は、カメラ(１)が左下方向
の加速度を有する回転運動を行なうように、サーボモー
タ(10)を駆動する。そして、ボール(80)が落下してくる
と（図９（ｃ））、カメラ(１)は水平方向へ回転駆動さ
れており、ボール(80)の移動速度が減速して行くから、
速度ベクトル取得手段(３)にて取得した撮影画像におけ
る移動物体の移動方向は、図１０（ｃ）のように、左下
方向となる。従って、制御手段(６)は、カメラ(１)が左
下方向の加速度を有する回転運動を行なうように、サー
ボモータ(10)を駆動する。

【００２７】以上のように、制御手段(６)が、速度測定
装置から移動物体の速さおよび方向を受信し、該速さお
よび方向に基づいてサーボモータ(10)の駆動を制御する
ことによって、移動物体がカメラ(１)の撮影画像内に常
に収まるように、自動的に追尾することが出来る。従っ
て、撮影者が移動物体を追うためにカメラを動かす必要
は無くなる。

【００２８】（速度測定装置の適用例２）次に、上記第
１、第２実施形態の速度測定装置を利用した別のシステ
ムについて説明する。本適用例は、速度測定装置から移
動物体の速さ及び方向を受信し、受信した速さ及び方向
に基づいて、移動物体の予想到達位置を算出し、該予想
到達位置をディスプレイ(50)に表示する、予想到達位置
表示システムである。図１１は、この予想到達位置表示
システムの構成を示すブロック図である。対象となる移
動物体を撮影するカメラ(１)は、該移動物体を異なる方
向から撮影するために、少なくとも２台を設置する。カ
メラ(１)(１)からの映像信号は、速度測定装置の動き検
出手段(２)(２)にて移動物体の動きが検出され、速度測
定装置の速度ベクトル取得手段(３)(３)にて撮影画像に
おける移動物体の速さおよび方向が取得される。算出手
段(７)は、速度ベクトル取得手段(３)(３)から撮影画像
における移動物体の速さおよび方向をそれぞれ取得して
演算することにより、移動物体の空間的な速さおよび方
向が算出できる。また、算出手段(７)は、風向、風速、
気圧、気温、湿度、天気等の気象データ(70)を取得し
て、該気象データ(70)と、前記空間的な速さおよび方向
とに基づいて、移動物体の予想到達位置を算出する。算
出された予想到達位置は、ディスプレイコントローラ(5
1)に送信される。ディスプレイコントローラ(51)は、他
のカメラ(11)の中から、予想到達位置を撮影しているカ
メラを選択し、該カメラの撮影画像に予想到達位置の印
を追加してディスプレイ(50)に表示させる。

【００２９】上記構成の予想到達位置表示システムの動
作を、図１２のような、サッカー競技においてコーナー
キックを行なう場合について説明する。この場合、対象
となる移動物体はサッカーボール(81)であり、該移動物
体を撮影するカメラ(１)(１)は、図１２（ａ）のよう
に、異なる方向からコーナー付近を撮影できるように配
備される。コーナーから蹴り上げられたボール(81)は、
２つのカメラ(１)(１)によって異なる方向から撮影さ
れ、撮影された映像信号は、動き検出手段(２)および速
度ベクトル取得手段(３)により、夫々の撮影画像におけ
るボール(81)の速さおよび方向が求められ、算出手段
(７)により、ボール(81)の空間的な速さおよび方向が算
出され、さらに、予想到達位置が算出されて、ディスプ
レイコントローラ(51)によって、予想到達位置を撮影し
ているカメラを選択し、図１２（ｂ）のように、該撮影
画像に予想到達位置の印(55)を追加して、ディスプレイ
(50)に表示できる。

【００３０】なお、前記予想到達位置表示システムに関
して、速度測定装置の動き検出手段(２)において動きベ
クトルを利用した場合、速度測定装置は、移動物体の並
進運動に関する速さおよび方向を測定できると同時に、
移動物体の回転運動に関する速さおよび方向も測定でき
る。従って、算出手段(７)は、移動物体の並進運動に関
する速さおよび方向と共に、移動物体の回転運動に関す
る速さおよび方向も受信することにより、一層正確な予
想到達位置を算出できる。

【００３１】上記実施形態の説明は、本発明を説明する
ためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限
定し、或いは範囲を減縮する様に解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請
求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であ
ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す概要図である。

【図２】本発明の実施形態においてディスプレイに表示
される画面を示す図である。

【図３】本発明の第１実施形態における動き検出手段を
示すブロック図である。

【図４】第１実施形態において、対象となる移動物体を
抽出する算出動作を示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態における動き検出手段を
示すブロック図である。

【図６】第２実施形態において、対象となる移動物体を
抽出する算出動作を示す図である。

【図７】第２実施形態において、対象となる移動物体を
抽出する別の算出動作を示す図である。

【図８】本発明の速度測定装置を利用した自動追尾シス
テムを示すブロック図である。

【図９】自動追尾システムにおける動作を説明する図で
ある。

【図１０】図９に対応してディスプレイに表示される画
像を示す図である。

【図１１】本発明の速度測定装置を利用した予想到達位
置表示システムを示すブロック図である。

【図１２】予想到達位置表示システムの動作を説明する
図である。

【符号の説明】

(１) カメラ (２) 動き検出手段 (３) 速度ベクトル取得手段 (６) 制御手段 (７) 算出手段 (10) サーボモータ (50) ディスプレイ (51) ディスプレイコントローラ (80)、(81) ボール

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象となる移動物体を撮影した撮影画像
   に画像処理を施して、移動物体の動きを検出する動き検
   出手段(２)と、該動き検出手段(２)から、移動物体の速
   さ及び方向を取得する速度ベクトル取得手段(３)とを具
   える、速度測定装置。
2. 【請求項２】 動き検出手段(２)は、差分画像を用いて
   画像中の移動物体を抽出し、抽出した移動物体の位置変
   化から移動物体の動きを検出するものである、請求項１
   に記載の速度測定装置。
3. 【請求項３】 動き検出手段(２)は、画像中の動きベク
   トルを抽出し、抽出した動きベクトルから移動物体の動
   きを検出するものである、請求項１に記載の速度測定装
   置。
4. 【請求項４】 対象となる移動物体を撮影するカメラ
   (１)と、該カメラ(１)からの映像信号を受信して該移動
   物体の速さ及び方向を取得する請求項１乃至請求項３の
   何れかに記載の速度測定装置と、カメラ(１)の向きを変
   えるサーボモータ(10)と、速度測定装置から移動物体の
   速さ及び方向を受信し、受信した速さ及び方向に基づい
   て、前記サーボモータ(10)を制御して、移動物体がカメ
   ラの撮影画像内に常に収まるようにする制御手段とを具
   える、自動追尾システム。
5. 【請求項５】 対象となる移動物体を異なる方向から撮
   影する少なくとも２台のカメラ(１)と、該カメラ(１)か
   らの映像信号を受信して該移動物体の速さ及び方向を取
   得する請求項１乃至請求項３の何れかに記載の速度測定
   装置と、速度測定装置から移動物体の速さ及び方向を受
   信し、受信した速さ及び方向から移動物体の予想到達位
   置を算出する算出手段と、該算出手段から予想到達位置
   を受信して、該位置を撮影しているカメラ(11)を選択
   し、該カメラ(11)の撮影画像に予想到達位置を重畳して
   ディスプレイ(50)に表示させる表示制御手段とを具え
   る、予想到達位置表示システム。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の速度測定装置を使用
   し、算出手段は、移動物体の並進運動及び回転運動に関
   する夫々の速さ及び方向を速度測定装置から受信し、受
   信した夫々の速さ及び方向から移動物体の予想到達位置
   を算出する、請求項５に記載の予想到達位置表示システ
   ム。