对象定位及移动检测系统和方法
【专利说明】对象定位及移动检测系统和方法
[0001]本申请是申请日为2008年9月19日、申请号为200880117028.6、发明名称为“对象定位及移动检测系统和方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明针对使用机器视觉来定位球、球杆/球棒以及人对球杆/球棒的使用。
【背景技术】
[0003]提高运动员的成功机会可以包括提供运动员的移动的近似测量结果以及根据一般统计数据来分析这些测量结果。当前，诸如高尔夫球手之类的运动员可以使用包括用于捕获高尔夫球的发球数据(速率、发球角、旋转)和球杆数据的照相机和灯的许多方法之一来分析其高尔夫挥杆。本发明可以克服这些当前现有技术系统的若干缺点。具体而言，这些现有技术方法和设备由于以下若干原因而均未提供我们已开发的系统:
[0004]1、使用具有特殊光学属性的球上目标图案来找出球旋转。(美国专利申请20070060410)描述了依赖于这些目标类型的处理。
[0005]2、其它球旋转方法采用与我们当前使用的标记图案不同的特定标记图案来进行专利保护。
[0006]3、采集机构是特定的并且与我们所使用的不同。这些方法的不同之处在于所述机构的几何形状和所采集的图像以及该采集的定时和同步。
[0007]4、所描述的方法都似乎认为得到极高分辨率、低噪声数据的能力是理所当然的。大多数方法假设可以利用球上的2个“定位点(fix)”来计算该旋转。这是正确的，但是由于噪声数据，球上的任何单个“定位点”可能导致重大误差。采用更好的硬件来解决这一问题可能是相当昂贵的。
[0008]5、大多数方法似乎取得了以高分辨率且以已知且适当的定时关系捕获数据的能力。这可以实现，但是所得到的系统的成本可能是极高的。
[0009]美国专利号7，170，592公开了一种用于检查诸如高尔夫球之类的曲线对象的方法，该方法包括:使用检测器采集曲线对象的图像；调节该图像以最小化失真；以及将所调节的图像与预定的调节主图像进行比较。新颖之处在于不要求对象的定向以及在测量期间对曲率失真的最小化。
[0010]美国专利号7，143，639公开了一种改进的便携式电池供电(电源电池)的发球监视器。该便携式发球监视器包括照相机系统(优选地为四个照相机)以及至少两个用于照射视场的照明系统。该系统包括数据存储装置和显示设备。该系统包括存储的图像参考，并且识别诸如在测量过程期间使用的高尔夫球和高尔夫球杆的类型之类的图像。该系统测量杆头速度、杆头路径角、杆头迎角、杆头倾斜角度(1ft)、杆头下垂度(droop)、杆头面角、杆头面旋转、杆头下垂旋转(droop spin)、杆头高击旋转(loft spin)以及高尔夫球杆面上的球撞击位置，确定高尔夫球运动学信息，诸如球速、球仰角、球方位角、球后旋(backspin)、球膛线旋转(rifle spin)、球侧旋以及高尔夫球杆面上的球撞击位置。提供视频界面以观看并对接所得到的图像和综合分析。系统可以是网络兼容的，以把数据传递到中央服务器从而显示高尔夫球手的特点，诸如球杆特点、球特点、球轨迹和设备比较。在其它实施例中，网络可以能够向中央服务器传输交易信息，诸如设备订购、购买者的财务信息、配送地址以及售货员信息。另外，网络可以能够给多个数据消费者传输订购确认信息、更新操作系统的软件或者传递数据。
[0011]美国专利申请号20070060410公开了一种用于测量高尔夫球发球情况的方法和设备。这个申请具有与美国专利号7，143，639相同的发明人。该方法包括采集不存在高尔夫球的视场的图像以及采集在视场内运动着的高尔夫球的至少两个图像。这些图像优选地基于包含在高尔夫球表面上的一个或多个基本圆形的标记。在采集了高尔夫球的图像后，从运动着的高尔夫球的至少两个图像的每一个图像中减去视场的图像。在减去视场的图像后，则可以确定所述至少两个图像的每个图像的高尔夫球的圆周位置。该方法还包括分析至少两个图像的每个图像中的圆周，以确定每个图像中高尔夫球的中心位置。然后可以确定基于基本圆形标记以及至少两个图像的每个图像中的高尔夫球中心的高尔夫球的运动学特性。包括存储器以及其上加载的软件的处理器可以用来执行该减去和确定。基于这些步骤，可以计算高尔夫球的运动学特性，诸如侧旋、后旋、轨迹、速率、发球角和侧角。用于确定高尔夫球运动学的设备包括:照明装置，其被选择性地定位以用预定波长范围内的光照射视场；高尔夫球，其具有吸收该预定波长范围内的光的表面；以及背景表面，其反射该预定波长范围内的光。在一些实施例中，背景表面可以包括高灰度级表面。可能期望的是，该设备还包括照相机和处理器，其中所述照相机被定位成采集视场的一个或多个图像，所述处理器包括存储器并分析其上加载的软件。该软件优选地能够分析一个或多个所采集的图像，以确定高尔夫球中心的位置。
[0012]美国专利申请号20070049393公开了一种用于预测发球情况的方法。该申请具有与美国专利号7，143，639和美国专利申请号20070060410相同的发明人。该发明包括一种用于预测高尔夫球手的击球表现的方法。该方法包括基于高尔夫球手用高尔夫球杆的挥杆来确定高尔夫球手的多个预撞击(pre-1mpact)挥杆属性。该多个预撞击挥杆属性可以包括例如撞击位置、高尔夫球杆头的方位和高尔夫球杆头的速度。优选地确定高尔夫球杆和高尔夫球之间的滑动量。该滑动量可以基于多个球属性、多个球杆属性以及多个预撞击挥杆属性。可以通过以微秒时间间隔计算高尔夫球杆和高尔夫球之间的第一滑动时段、附着(stick)时段和第二滑动时段内的每个时间步长来确定滑动量。期望的是，每个时间步长至少基于高尔夫球的横向力、高尔夫球的摩擦系数和高尔夫球的法向力。可以通过让挥动高尔夫球杆的高尔夫球手处于监视系统之前来确定预撞击挥杆属性。高尔夫球手可以以任何期望的次数来挥动球杆，以便生成精确的预撞击挥杆属性。预撞击挥杆属性优选地基于高尔夫球杆的大约I次或多次挥杆。
[0013]所确定的高尔夫球属性包括但不限于多个速率下的球恢复系数、多个速率下的接触时间以及多个速率和倾角(loft angle)下的旋转。
[0014]另外，可以确定的高尔夫球杆属性包括杆面的几何中心、杆头的质心、从凹槽(hosel)到杆面的质心和/或杆头的质心的距离、杆(shaft)材料的有效密度、绕杆轴的扭力的有效剪切模量、杆材料的有效杨氏模量、以及在凹槽端部的两个方向上的杆的外直径和内直径。
[0015]因而，高尔夫球手仅需要挥动高尔夫球杆一次以确定高尔夫球的预测轨迹和发球情况。所预测的轨迹可以包括诸如距离、飞行路径、落地位置、最终停留位置等等的特征。此夕卜，发球情况可以包括侧旋、后旋、膛线旋转、方位角、发球角、速率等等。
[0016]可以使用包括计算机指令的计算机程序来执行上面描述的方法。
[0017]美国专利号6，241，622和6，488，591是相关专利，其公开了一种便携式发球监视系统，该系统包括用于记录图像并确定预定视场中的球飞行路径的两个照相机、闪光灯、分束器、反射元件和反射高尔夫球。
[0018]美国专利号4，375，887和4，063，259是相关专利，其公开了一种用于测量初始速率、初始旋转速率和发球角以使高尔夫球手的挥杆与具有最佳利用挥杆的特征的优选高尔夫球匹配的发球监视系统。
[0019]美国专利号4，160，942公开了一种用于显示由包括多个照相机和数据分析器的轨迹计算器所测量的投影对象的仿真的光学对象投影。
[0020]美国专利号4，158，853和4，136，387公开了一种用于监视高尔夫球(或任何运动球)发球后的飞行的方法，该方法优选地包括被触发用于测量高尔夫球的位置、速率和旋转的多个照相机和对应的闪光灯。
[0021]美国专利申请号20070032143公开了一种包括优选地安装在用户头上的监视器和照相机的实时视觉自监视系统。
[0022]美国专利申请号20070026975和20070026974是由相同的发明人做出的，并且其公开了一种使用一个或多个照相机、用于照射所跟踪对象的红外发射器以及用于分析所记录的视频序列以确定适当技术的数据分析器的轨迹检测与反馈系统。
[0023]美国专利申请号20070010342公开了一种用于模拟轨迹并基于虚拟数据对高尔夫球进行建模的虚拟高尔夫球模型。
[0024]美国专利申请号20040142772公开了一种测量设备，其中从后部借助于第一照相机和第二照相机实施拍摄并从前部借助于第三照相机实施拍摄。基于通过从后部的拍摄所获得的图像数据以及通过从前部的拍摄所获得的图像数据，通过三角测量法来计算球的位置坐标。将从后部实施的拍摄从第一照相机中继到第二照相机。第二照相机的视角与第一照相机的视角有关。因此，可以通过中继来在大范围的轨迹内拍摄该球。
[0025]第一照相机应当被定位在发球点后面，第二照相机应当被定位在发球点和下降点之间，而第三照相机应当被定位在该下降点前面。由于第二照相机被定位在发球点和下降点之间，所以由水平方向上的光轴形成的角度可以被设定成很大。借助于第二照相机恰好在下降之前测量到的高尔夫球的仰角很大。该测量设备在测量恰好在下降之前的球方面具有高的精度。
[0026]第一照相机的视角应当与第二照相机的视角部分重合。基于第一照相机和第二照相机同时拍摄到的球图像，第二照相机的视角与第一照相机的视角有关。
[0027]其它现有技术涉及使用GPS系统来测量和显示数据:
[0028]美国专利号7，175，177公开了一种包括具有GPS和处理单元的PDA的高尔夫数据管理系统，此外，该系统基于参与者输入的数据和从测量单元基于所用的高尔夫球杆和击球距离而导出的数据来提供个别参与者分析。
[0029]美国专利号7，118，498公开了一种便携式GPS系统，其用于基于高尔夫球场地理信息服务来测量并显示高尔夫球手和对象(诸如目标)之间的距离。该系统还提供用于测量诸如风向和等级之类的数据以及流逝的打球时间的装置。
[0030]美国专利号7，095，312公开了一种便携式GPS系统，其用于使用与每个运动对象相关联的嵌入式电子跟踪装置来测量并显示运动对象(诸如高尔夫球)的属性。
[0031]美国专利号7，010，550公开了一种用于输入、记录和存储参与者的洞级(hole-level)和击球级(shot-level)信息的PDA。数据输入可以是脱机或联机互联网交互的。
[0032]美国专利号6，697，820是相同发明人的美国专利号7，010, 550的变型。
[0033]美国专利号6，585，609公开了一种与特定高尔夫球场有关的得分册。每个洞图解由对应于交互式互联网网格的网格组成。参与者在洞网格上指示每次击球的高尔夫球位置，并且然后基于相同球场上的先前高尔夫球局来把信息下载到交互式互联网网格以用于历史数据交换。
[0034]更进一步的，其它现有技术系统包括:
[0035]Blackwell Synergy公开了一种使用3D分析视频技术来测量高尔夫挥杆期间杆头的移动路径和速度以及杆面方位和撞击位置的研宄。
[0036]IMAGO Video Trackers公开了一种用于通过跟踪从发球到落地的高尔夫球来测量该球的真实轨迹的系统。这与通过测量初始和落地球位置来对球飞行进行内插的先前系统不同。
[0037]NASAexplores公开了使用高速视频设备来捕获飞行中的高尔夫球。计算机硬件和软件用来分析每个球的所测得的旋转速率和速度从而产生设计更好的高尔夫球。
[0038]Pitt Research公开了使用高级生物力学评估工具来测量高尔夫挥杆期间上半身、骨盆和X因素的旋转和速率。使用高速的八个照相机3D光学运动分析系统来评估其它测量结果，诸如球速率和生物力学变量之间的关系。
[0039]Sports Coach Systems公开了一种具有封闭电路板且包括用于测量经过撞击区的球