]把球旋转给定量。
[0159]根据(个别凹坑或标记的)子图像重新创建球的图像。
[0160]对照明角的变化对凹坑的影响进行建模。
[0161]对所得到的重新创建的图像或对个别子图像进行相关。
[0162]为这两个图像定位凹坑，用“凸起(bump) ”进行替换。然后在某空间(可能是2D/全景投影)中相关。
[0163]注意，我们不使凹坑的中心相关而是使球的子图像相关。可以及时使用多个照相机(cam)或与RGB或IR滤波器一起使用多个照相机，及时进行交错采集，并且及时使用闪烁模式变化以确定旋转。算法包括使子画面相关并且然后针对大的相关性进行提取，并且是非迭代的，每个迭代按照球的旋转，我们可以获得重新创建的图像并在2D中移动，并且然后在3D中计算结果。
[0164]为了旋转确定而标记的球标记方法本发明提供一种允许从任何视图进行定向并允许从任何视图进行标记的标记系统:
[0165]线段方法-参见图1-4。
[0166]圆方法-参见图5-6。
[0167]弧方法-任何三个弧的距离唯一-任何三个弧的法线唯一-参见图7-8。
[0168]用于旋转确定的球设计一一我们正采用的所标记球旋转测量方法看似新颖。我所见过的每种方法看似依赖于球上(通常只在球的一个区域中)的目标点集。目前为止所有我们的设计把存在某种如下的处理方法作为其目标:根据球的任何单个图像可以发现球的3D方位。存在很多具有这种属性的设计。球设计允许把球置于球座上的任何位置，并且允许在任何时间或沿其路径的任何位置处捕获球的图像。其允许识别正看到球的哪个视图，并且然后允许计算在该点处的旋转。这两个步骤对于允许球处于任何位置以及用任何两个图像找出旋转而言是必不可少的。其他的图像以及所采集图像的谨慎定时对于减少不确定间隔和提高测量的准确度而言可能是必要的。
[0169]参照图1-4，一个球设计族将具有位于球10的特定区域上的点图案，其中球的可见区域总是包含唯一图案。这些标记可以是点、环、线段11、箭头或者任何定向或不定向的标记。定向标记是优选的，因为利用较少的定向标记，可以使用图案的唯一性来找出球的方位。这种方法实际上相当于把2D条形码技术映射到球的表面上。
[0170]参照图5-6，另一球设计族使用球20上的具有彼此呈特定几何关系的线。圆图案具有未对准的圆21，每个圆具有唯一的中心和法线。
[0171]参照图7-8，球30具有下面描述的螺旋线设计31。
[0172]具有相同属性的许多其它图案也是可能的。另外，上述图案可以与线中的断点一起使用。这允许以更容易的方式标记球，但是会使处理复杂化。在这种方法中，可以使用特定宽度的“线”，其中线的中心或两个边缘是确定的。第二方法是具有暗/亮或颜色的对比区域，其中区域之间的边缘定义形状。然后从图像中提取这些边缘。
[0173]5圆设计图5-6—一这种设计具有有着不同直径和法线的五个圆形标记。所有法线指向不同方向并且所有直径尽可能相差得多。标记具有小于邻近的圆之间的最小距离的某一宽度。这些圆从顶部布置到底部。所使用的这种图案在任何圆中没有断点。该设计可以被修改为允许圆中有断点。上面在所标记球发球监视器章节中详述了恢复圆的处理。
[0174]螺旋线设计图7-8—一两个螺旋线，一个从顶部到赤道顺时针，第二个从底部到赤道逆时针。在极点和赤道之间有1.5-2圈。恢复螺旋线的处理与圆的处理类似。它要求给定提取的3D段的算法确定该段是来自螺旋线上的什么地方。
[0175]多弧设计图1-4——根据下列约束，围绕球的表面似乎随机地分布短弧(例如，6臟长且3臟宽):
[0176]留下围绕圆周的区域不作标记以便于打印。
[0177]在一个极点附近留下区域，其中4个未标记区域允许被标记的“湿”球停留在夹具(gripper)上。
[0178]彼此邻近的标记具有尽可能不同的方位。
[0179]彼此邻近的标记具有尽可能不同的中心位置。
[0180]标记尽可能地少，同时在任何视图中仍然有至少3个标记可见。
[0181]标记尽可能小地模糊球的周界。
[0182]在单个视图中，如果一些标记模糊了球的周界，则在周界的相对侧上的看得见的其它标记具有方位以便它们不会模糊球的周界。
[0183]提取算法一一该算法在标记步骤之前是相同的。该标记是通过使用标记之间的距离和标记的方位两者来完成的。它们形成唯一的图案并因此通过检查所有可能的标记来计算最佳的标记。一旦找出该标记，则根据设计的模型来确定观测的旋转。
[0184]来自多个观测的旋转确定一一观测是具有时间戳的球图像和取得该图像所采用的照相机的校准数据。它可以由使用先前的输入而提取的结果数据以及连同所提取的数据一起创建的置信值来组成，所述先前的输入诸如是代表球方位的6轴偏移、球的位置、从球提取的各个子图像的位置或分布。
[0185]旋转计算一一球的观测集被用来计算旋转轴和速率。观测是3D偏移矩阵，其中照相机和时间戳与其相关联。扭转(twist)被定义为绕3D轴移动特定量。找出每对观测之间的明显的扭转。这个扭转值由扭转值之间的角度的sin/2来进行加权。这些扭转的加权平均给出旋转轴。旋转值是用总置信值计算的，并且找出与所计算的旋转轴和速率的各个偏差。然后这些被用来消除无关值并且重新计算旋转。所得到的旋转轴向量和旋转偏移在3D中以图形方式示出，以允许操作员检验这些值是正确的。示出具有所指示的旋转轴的球的飞行以及其与实际采集的数据的关系的动画。创建在任何中间位置的球的图像，以允许在中间位置并且从任何角度观看球。
[0186]旋转轴和速率计算一一下面的前三种情况假设已经存在这样的装置，该装置用于根据在球形对象上观测到的标记来计算一致的3D坐标。
[0187]情况1:所标记的球具有已知模型和2个标记的观测集。对于两个观测而言，直接方法是基于当前基准集(潜在地包括球心)计算坐标框架(coordinate frame)Fel、Fe2，并且然后使用具有对应的模型基准的相同算法来计算模型框架(model frame)Fml、Fm2。使用齐次坐标把坐标框架表示为矩阵，我们可以计算偏移矩阵，该偏移矩阵通过如下公式把模型移动到观测位置:
[0188]O1=Fcl* FmlO2=F02* F
[0189]可以通过如下公式来找出将O1旋转为O2的所期望的偏移矩阵R:
[0190]R * O1= O 2，R = O2 * O
[0191]R = Fc2* Fn/1* Fnil* Fcl-1
[0192]如果需要的话，可以使用标准程序把旋转矩阵容易地转换成等效角和旋转轴格式。
[0193]四元数格式:(cos( Θ /2)，nx sin ( θ /2)，η y sin ( θ /2)，η ζ sin ( θ /2)，或者
[0194](角度，向量)格式:(θ，ηχ，qy，ηζ)。
[0195]注意，该角度仅已知为(+/-)Ν*2π间隔。旋转速率计算是基于观测之间的已知时间差(Ttj2-TJ的，并且必须使用对旋转速率和方向的假设物理限制来确定正确的间隔N。旋转速率=(Θ +/-N*2 JT) / (T02-T01)。
[0196]情况2:所标记的球具有已知模型和N个标记的观测集。通过使用情况I中所列举的程序，任一对观测将产生角度/向量估计。向量估计不取决于2 31间隔并且可以直接计算估计的加权平均。平均旋转速率计算将取决于找出在观测上是一致的各个2 31间隔以及假设的物理约束。用于找出“最佳拟合”角度/向量的可选方法是把该问题设定为3个变量的非线性误差最小化问题，并且然后使用标准技术来求解未知量。多个时间间隔减少模糊度并允许甚至采用大于PI的观测之间的旋转的解决方案。
[0197]标志旋转一一对于在球的相对侧上具有相同标记的已知球而言，则可以将旋转速率和旋转轴限制为不同的可能性集。注意，除了积极识别标记之外，标记的缺失也可以用来限制可能性。来自这一计算的结果不总是为单值，而是为可能的范围集。往往其它信息将用来确定最佳的可能性。
[0198]情况3:所标记的球具有未知模型和N个观测集。这种技术要求球上的共同标记在多个观测上是可见的。标记的旋转将与球的旋转轴垂直并且标记的放置可以用来计算旋转速率。
[0199]标志旋转一一对于未知球而言，观测集可以用来尝试建立与球的典型标记一致的球描述。将用找出的观测和如果可能的话所创建的模型来检查已知的高尔夫球标记系统的一致性。然而，如果存在捕获一个或多个可见标记的多个观测，则这可以如上所述被直接用于找出旋转轴和速率而不用建立球的模型。
[0200]情况4:所标记的球具有未知模型和2个观测集。如果可以找出标记方位并且它在这两个观测中，则可以如上所述直接计算方位变化。否则除了旋转大小的下限之外，什么都不是已知的。具有标志标记的典型球的情况就是如此。
[0201]旋转衰减测量系统--包括:
[0202]旋转测量系统，其可以覆盖所发现的所有击球的时间戳和空间的测量体积。
[0203]发球装置，其以设定的旋转、角度、速度重复地发球，以便在击球结束时，相当数量的球通过测量体积。
[0204]旋转测量系统，其捕获初始旋转和发球数据。
[0205]便携式旋转测量，其可以针对特定的发球情况集而被放置在球落地点的中心处。
[0206]数据收集系统，用于记录所有信息并计算结果。
[0207]该系统通过以指定的旋转、角度和速度进行多次的发球击球来工作。击球的落地点被记录。便携式系统居中位于落地区上并且进行足够的击球以允许对末端旋转进行足够的测量，从而容许准确地确定飞行期间旋转的变化。对于具有初始测量和最终测量二者的所有击球而言，在初始段和最终段之间比较旋转轴和速率且计算该差。对于各种初始条件重复这个过程，其中计算结果的一致性并将其拟合成具有旋转衰减的飞行模型。
[0208]示例一一对于旋转、发球角和速度的给定设置，球被击打20次。落地位置及其分布被记录。找出至少5个球的飞行通过测量区的位置，并且将便携式旋转测量系统放置在那里。如果在这一设置中期望20次测量，则要进行80次击球。针对所有击球捕获初始旋转数据并且将其与从击球的末端段捕获的任何旋转数据配对。这是通过匹配所有旋转测量的时间戳来完成的。
[0209]球杆测量系统一一为了捕获在杆头速度范围内的球杆数据，可以使用具有其激发的闪光的两个照相机。在球杆上不要求标记的两种方法是照射杆面或捕获球杆侧影。可以用高速照相机来获得球杆侧影，该高速照相机随着其相对于背景移动而采集球杆的图像。如果使用IR，则可以使用被IR光强烈照射的特定材料。然而，球杆以可预测的路径朝向球移动，因此必须采集的区域比整个图像小很多。因此，采集区域可以被计算并且球杆的有效采集速率可以是200fps，这对于前后的至少3个位置而言是足够快的。注意，一些商用传感器(诸如come CMOS传感器)允许捕获感兴趣的区域，其采集速度与所采集的像素区域成比例。如果可以减小捕获的区域，则这允许高得多的帧速率。在具有球可能被击打的潜在大区域(诸如24” X 12”)的情况下，知道球实际上将在何处被击打可以允许捕获大小为1/4到1/16的区域。这允许4-16倍加快的帧速率，其允许使用常规15-60fps的传感器来捕获挥杆事件。注意，在许多情况下，对于将被设置的感兴趣的传感器采集区域而言存在设置时间。然而这个时间可用于高尔夫应用中，其中球必须处于静止以被打击。在应用于棒球中，视场例如可以被限制为平板周围的打击区。如果闪光与侧影方法一起使用，这很难在每次击球中区分杆头。
[0210]直接照射一一可以用光照射球杆区域，并且照相机被定位成采集光的镜面反射。结构化的光可以用来产生允许3D确定杆面的图案。球杆的形状和材料的范围使得很难用一种设置从所有类型的球杆中采集良好的数据。
[0211]拖尾方法一一用恒定照明照亮照相机的视场，该恒定