Relative Motion Tracking of Vessels using Multi-Camera Handover and Aruco Markers

Abstract

Tauetanken hos NTNU, avdeling Ålesund, brukes i hovedsak av studenter i skipsdesign for å teste skrogmodeller, ROVer og andre vannfartøy.

Ved undersøkelser av skipsdesign, brukes småskala testing med modeller for å verifisere teoretiske resultater. For analyse er det veldig nyttig å få nøyaktige resultater av skipets bevegelse. Nå er det installert en mekanisk løsning over tanken. En vogn kan bevege seg langs tankens operasjonslengde. En arm fra vognen kan beveges fra midten av tanken og mot ene siden. Denne blir brukt til å feste skipsmodellen til vognen. Dette gir informasjon om skipets bevegelse i 4 frihetsgrader som bevegelse til sidene, og rotasjon i giring er begrenset av armen.

NTNU Institutt for Havromsoperasjoner og byggteknikk (IHB) ønsker å undersøke mulighetene for å utvikle et nytt system for sporing av bevegelse og rotasjon av sine skipsmodeller.

I denne oppgaven introduserer vi en datasynsløsning ved hjelp av flere kameraer og ArUco markører for sporing av fartøy i 6 grader av frihet. Systemet har tilstrekkelig nøyaktighet i de innledende kameravisningene, men lider av en feil ved beregning av fartøyets absolutte posisjon etter bytte av kamerabilder. Denne er økende for hver gang det skjer ett bytte mellom kameraene. Til tross for dette bør dataene som systemet samler fortsatt være nyttig for å se hvordan et fartøy oppfører seg i tanken.

Den utviklede applikasjonen kan tilpasses til mange formål. Systemet er utformet slik at det enkelt kan tas ned og brukes ett annet sted siden det automatisk kalibrerer kameraposisjonene med hensyn til objektet for hver gang det kjøres. Så lenge man kan gi kameraet dekning av området der objektet skal spores, og det er muligheter for å feste en markør på objektet, bør man kunne få en levestandardestimering av den spore gjenstanden.

Vi har implementert en brukervennlig GUI med tilhørende brukerveiledning. Systemet skal kunne brukes av det fleste og krever ingen forkunnskap om kamerasyn.

The towing tank at NTNU campus Ålesund is used by students in ship-design and other disciplines to test designed ships, ROVs and other vessels.

When doing research on ship designs, small scale testing with models is used to verify theoretical results. For analysis, it's very useful to get exact results of the movement of the ship. As of today, a mechanical solution is installed above the tank. A trolley runs along the length of the tank. An arm from the trolley runs down in the middle of the tank to the ship model. This system provides information about the ship's movement in 4 degrees of freedom as movement to the sides and rotation in yaw is restricted by the arm.

NTNU Department of Ocean Operations and Civil Engineering (IHB) wants to investigate the possibilities of developing a new system to track the movement and rotation of their ship-models.

In this paper, we present a computer vision solution using multiple cameras and ArUco markers for tracking of vessels in 6 degrees of freedom. The system has adequate accuracy in the initial camera views but suffers from a compounding error when calculating the absolute position of the vessel after switching camera frames. Despite this, the data the system acquires should still be useful to see how a vessel behaves in the tank.

The developed application can be refitted for many purposes. The system is designed to easily be taken down and re-deployed somewhere else since it automatically calibrates the camera positions with regard to the object for each individual run. As long as one can provide camera coverage of the area where the object should be tracked, and there are possibilities to attach a marker on the object, one should be able to get a live pose estimation of the tracked object.

We have implemented an user-friendly GUI with accompanying user manual. The system should be usable by anyone and requires no prior knowledge of vision systems.