看看OpenCV。

它包括运动分析和跟踪，因此根据您的设置有多复杂，它可能就像使用其中一个示例程序一样简单，使用它来计算球的运动，然后寻找方向的急剧变化。

我认为你应该看看“欧拉视频放大”，这是一种放大视频中难以察觉的小动作的方法，由麻省理工学院的 CSAIL 实验室发明。在执行此操作的过程中，他们使用了可能对您有用的各种信号处理技术。通过使用这种技术，研究人员能够通过处理对象的视频来提取人的脉搏率和呼吸率等信息。

使用他们算法的代码发布在下面的链接中。

http://people.csail.mit.edu/mrub/vidmag/

Tyler Olsen 在他的回答中给出的参考资料也是我会提出的。尽管如此，我还是会补充或提​​出一种替代方案，该替代方案包括将光流分解为振荡和分段恒定流场。与欧拉方法类似，您可以通过在提出的优化中使用不同的正则化参数来构建一种尺度空间，以捕获不同频率的运动。

http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-03641-5_10#page-1

祝你好运