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  1. ボールの3D座標を検出する方法

  普通のカメラ１台で条件を限定しない場合は無理です。

  原理的に１台では2D検出しかできませんので、奥行きを測れません。

  [Kinect](https://ja.wikipedia.org/wiki/Kinect)のような距離画像を撮像できるカメラを用いるか、カメラ２台使ってステレオの原理を使うかと思います。

  前者は恐らくポケットマネーで買える価格帯のものでは精度不足でボールをキャッチできないと思います。

  後者はボールでは画像処理で言う「コーナー」がないので検出そのものが厳しいと思います。サッカーボールなら模様があるのでそれが「コーナー」として使えるかも知れません。