В первой части мы рассказали о пилоте и первых версиях системы Smart Timber для измерения и учета объемов древесины, внедрении продукта у клиента и переходе от технического наполнения к продуктовой составляющей решения. 

Сегодня в блоге ЛАНИТ мы подробно остановимся именно на технических решениях, которые сделали возможной работу системы в полевых условиях. 

Зачем нужен оффлайн-режим

Зачастую решения на базе машинного обучения (особенно сейчас — с расцветом трансформеров, VLM и LLM) строятся по принципу централизованной обработки данных: мобильное приложение делает снимок, отсылает его на высокопроизводительный сервер и за секунды получает ответ с результатом. Но на делянке в лесу или на сплаве часто нет мобильного интернета — это факт, с которым нам пришлось смириться сразу. Поэтому в архитектуру мы заложили работу мобильного приложения полностью оффлайн, а отправку данных на сервер реализовали через синхронизацию. При появлении связи приложение выгружает накопленные данные (снимки, разметку и расчёты) и обновляет справочники.

Весь процесс обработки измерения пришлось реализовывать непосредственно на мобильном устройстве, что наложило свои ограничения на размеры моделей и потребовало разработки UI, позволяющего выполнять обработку замеров руками в зимних перчатках.

Как работает технология

Решение работает на базе компьютерного зрения и машинного обучения. В его основе — классический фотограмметрический метод, основанный на измерениях по фотографии с использованием эталонного предмета (его еще называют «метод масштабов»).

1. Поскольку камера является угломерным инструментом, она позволяет сопоставить (например, через модель камеры и матрицы калибровки) каждому пикселю направление (луч) в пространстве.

2. Между лучами (т.е. между двумя интересующими нас точками) можно определить угол (α = atan(y_a/f)-atan(y_b/f)), но при этом для определения метрического размера видимого объекта (h1 или h2) нам не хватает расстояния до него (x1 или x2).

3. Чтобы определить масштаб, делаются следующие предположения:

a. все измеряемые точки лежат в одной плоскости (в среднем);

b. мы можем задать в этой плоскости объект известного размера, т.е. эталон: линейку или какой-нибудь еще известный предмет. Другие участники рынка пытались использовать треугольный знак аварийной остановки или номерной знак прицепа, но где-то просчитались — всего 1 см ошибки на метровом эталоне приводит к погрешности в 3% в объеме. Поэтому для достижения требуемой точности нам важно иметь эталон достаточно длинный (1 м — OK) и с точно определенными границами. А номерной знак ещё и не лежит в нужной плоскости.

Эталонная линейка может быть как достаточно простой, так и весьма продвинутой. Пару лет назад мы реализовали автоматическое обнаружение эталона, что позволило ускорить работу оператора и исключить человеческий фактор на этапе разметки.

В оригинальном методе масштабов делается еще одно важное допущение: плоскости сенсора камеры и бревен строго параллельны, что бывает трудно реализовать на практике — часто штабель имеет высоту 5-10 м (да, нельзя, но очень хочется), а если мы будем держать смартфон строго вертикально на высоте 1,5-1,7 м, почти половину кадра будет занимать земля и штабель просто не поместится в кадре. Поэтому мы скорректировали предположение: по-прежнему считаем, что торцы образуют вертикальную плоскость, а положение камеры относительно горизонта определяем по датчикам устройства (интегрируя их показания за пару секунд и проверяя стабильность). Это позволяет наклонять телефон как угодно.

4. Дальше нужна разметка изображения – вручную или автоматически обнаруживаются бревна. Торцы мы отлично детектируем автоматически, а бревна сбоку оператор размечает вручную – так проще и в среднем точнее. Описанным выше методом пиксельные размеры переводятся в метрические, то есть мы получаем диаметры (точнее, полуоси эллипса) всех бревен.

Поскольку мы ограничены только Edge-вычислениями, мы сразу задали себе планку: весь расчет не может занимать больше 30 секунд на типовом мобильном устройстве среднего диапазона. Это довольно сильно ограничило выбор архитектур детектора. В нескольких последних  поколениях мы используем легковесные архитектуры с нашими доработками, в сравнительных экспериментах участвовали и разные поколения YOLO, и модные сейчас реал-тайм трансформеры — прежде всего для того, чтобы понимать, какое качество достижимо на наших данных state-of-the-art моделями.

Первые испытания, клиенты и, как следствие, первые версии датасета включали в основном древесину с достаточно тонкой корой: ель, сосну, березу, и мы не задумывались о том, что вообще-то учет должен вестись «без коры». После поездки на один из крупнейших ЦБК в Братске мы поняли, почему это важно — толщина коры лиственницы может запросто достигать нескольких сантиметров. Пришлось значительно расширять разнообразие пород и переразмечать весь датасет, чтобы гарантировать обнаружение торцов именно внутри коры.

5. Дальнейшие шаги зависят от метода, а методы, в свою очередь, принципиально делятся на поштучные и групповые.

a. В поштучных методах мы пытаемся оценить объем каждого бревна, моделируя его либо как цилиндр, либо как усеченный конус (если знаем, с которой стороны его измеряем, или если у нас есть фотографии обоих торцов).

b. В групповых методах мы определяем геометрию пачки или штабеля как целого. После этого применяем так называемый коэффициент полнодревесности, чтобы перейти от складского объема (занимаемого штабелем) к плотному объему (т.е. объему собственно бревен).

Большинство методов определения плотного объема древесины являются стандартизованными (описанными в российских ГОСТ 32594-2013, ОСТ 13-43-79, белорусском СТБ 1667-2012) и принятыми при ручном замере. Мы реализуем все основные стандартные методы, а также со временем смогли добавить несколько своих, призванных повысить точность измерения.

Планшет, смартфон, защищенное устройство?

Изначально в разработке мы ориентировались на смартфоны, считая, что более мобильное устройство упростит работу, а качество камер и производительность большинства планшетов намного хуже, чем даже у недорогих смартфонов. Но практика показала, что планшеты намного удобнее и вообще большой экран — это хорошо. Особенно когда на улице -30С, и на тебе соответствующие перчатки.

Если вы работаете в таком климате, как в Питере зимой, то кажется, что вам нужен максимально защищенный планшет. Да, у таких моделей, как Samsung Galaxy Active Tab, есть несомненные достоинства — их можно ронять с метровой высоты на бетон, класть в снег на всю ночь, они поддерживают работу в перчатках. Но обратной стороной является цена таких планшетов, кратно превышающая стоимость бытовых моделей. При этом платишь ты в таком случае именно за защиту, а вот производительность остается средней. 

Условно дешевые защищенные устройства совершенно ужасны по характеристикам. Опыт эксплуатации бытовых планшетов показал, что они прекрасно годами выживают в руках клиентов, а даже если что-то с одним из десятка случается, дешевле его заменить, чем покупать стойкий Samsung. 

Некоторые клиенты применяли такие решения, как пауэрбанк во внутреннем кармане куртки или подогреваемый чехол.

Большие штабели — как снять то, что не влезает в кадр?

Круглая древесина хранится в виде штабелей, объем которых может быть от единиц кубометров до тысяч, а длина – до сотен метров. При стандартном угле зрения камеры около 60° для того, чтобы захватить 10 м штабеля в кадр, нам нужно отойти на те же 10 м. Тут становится понятным, что снять одним кадром штабель длиной в 50-100 м так, чтобы все брёвна были видны и различимы, практически невозможно. Есть два подхода к решению этой задачи.

Первый — использовать панорамный снимок: эталон вешается с одного края штабеля, а дальше оператор начинает съёмку и движется вдоль всего штабеля. При этом формируется такой «длинный кадр», который содержит весь штабель. Такой метод реализован у наших конкурентов, но работает он на практике плохо — по мере движения камеры расстояние до брёвен сложно выдерживать постоянным, и набегает заметная ошибка.

Второй подход, который мы и применяем —  оператор делает несколько снимков, частично пересекающихся краями. На каждом кадре должен быть эталон. А для исключения двойного учёта брёвен на краях кадров разрабатывается алгоритм, который эти дубликаты находит и удаляет из расчета.

Что такое «погрешность 3%», и зачем она нужна

«Погрешность измерений составляет не более 3% и рассчитывается в соответствии с регламентом приемо-сдаточных испытаний»
(из технического задания)

На практике это один из самых тонких моментов при определении плотного объема древесины. Единственный реально точный метод — гидростатический: погрузить бревна без коры в воду и измерить объем вытесненной жидкости. Но в реальных условиях в России так (почти?) не делают — это  сложно, а значит, дорого. Обычно применяют ручные методы измерения бревен: групповые (быстрые) или поштучные (очень долгие — невозможно применить ко всему объему).

Стоит отметить, что на некоторых предприятиях используют поштучные сканеры древесины: бревно движется по конвейеру через устройство, которое определяет один или два диаметра с помощью световой завесы, либо — более точно — с помощью лазерного сканера/профилометра. Сравнительно точными также считаются ручные поштучные методы: «точковка» или «раскатка» имеют достаточно говорящие названия — нужно выложить брёвна в ряд на земле и провести измерение диаметра (а лучше — двух) каждого из них. Такой процесс может занять от десятков минут нескольких часов для одного штабеля или лесовоза в зависимости от объема и навыков персонала. Чаще всего такой метод применяют при возникновении споров, расхождений в учёте или при сборе статистики для расчета коэффициентов.

Натуральные бревна далеки от идеальных геометрических тел - они редко бывают настоящими цилиндрами или конусами. Даже без пороков вроде закомелистости или двойной вершины каждое бревно немного кривое, с разным сбегом и сучками. В сечении оно не круг и даже не эллипс, а измерять его нужно «без коры», пока кора еще на месте.

Наконец, когда бревна уложены в лесовозе или штабеле, измерять каждое по отдельности невозможно. Всё это приводит к тому, что на практике применяют групповые методы: считают объем, занятый штабелем, и пересчитывают его в плотный объем древесины через статистически выведенные коэффициенты полнодревесности.

Тут важно учитывать, что статистика хорошо работает только на больших выборках. Например, если у вас штабель всего из 10 бревен, то ошибка даже в одно бревно даст порядка 10 % погрешности. А если общий объем — 1000 м³, то даже пропуск нескольких брёвен почти не повлияет на результат (1–2%).

В стандартах это тоже учтено. Например, в Приложении 1 к «Правилам определения характеристик и учета древесины» (Постановление Правительства РФ от 30.11.21 №2128 «О порядке определения характеристик древесины и учета древесины») задана допустимая погрешность: она зависит и от метода, и от общего объема. Для объемов 30–60 м³ (типичный лесовоз) допустимы ±12%. Это естественный результат разной укладки и накопления мелких ошибок. А для объёма 600 м³ (и неважно — один это штабель или 15 лесовозов) — уже только ±3 %.

Конечно, покупатели мечтают, чтобы погрешность всегда уходила вниз, а продавцы — вверх. Но так делать нельзя: совесть не позволяет смещенная оценка нарушает саму идею статистической компенсации ошибок, которая позволяет на больших объемах получать точные результаты — те самые 3%, которые неоднократно подтверждены испытаниями. При этом нет никакой необходимости требовать 3% на каждом отдельном измерении.

Как еще можно измерять древесину?

Мобильные приложения — это не единственный способ автоматизировать учёт. Если говорить о технологически продвинутых альтернативах, то рынок предлагает несколько классов решений.

Поштучные сканеры — наиболее точный инструмент. Бревно движется по конвейеру через измерительную рамку, где его диаметр фиксируется либо световой завесой (одно или два направления), либо лазерным профилометром. Последние дают наивысшую точность и исключают влияние человеческого фактора. При этом необходимо организовать поштучную подачу, поэтому такие сканеры живут либо в составе сортировочных линий, либо на входе в цех переработки.

Групповые сканеры («фоторамки») работают с лесовозом целиком: комбинация камер и лазерных сканеров строит 3D-модель пачки, определяет складочный объем и коэффициент полнодревесности — по торцам или по боковым бревнам. Точность ниже, чем у поштучных, поскольку внутренность пачки системе недоступна, а коэффициент нередко корректируется оператором. Существуют и мобильные версии таких комплексов на прицепе, которые можно оперативно развернуть прямо у делянки.

Объединяет оба класса одно — высокая стоимость и привязка к инфраструктуре. Экономика сходится на крупных стационарных производствах с постоянным и плотным потоком древесины через точку контроля.

Решение Smart Timber позволяет создать единую прослеживаемую цепочку данных. Фотофиксация и сохранение измерений позволяют подтвердить объемы лесовозов и штабелей даже спустя длительное время. Цифровая «линейка» становится эффективной тогда, когда на её основе меняются процессы учета и управления.

Интеграция: от боли к гибкости

Первая интеграция с другой системой — АСД «Сегежа Лес» — стала достаточно сложным вызовом для нас. Из-за того, что основной сценарий использования обеих систем — работа в оффлайн-режиме, было необходимо обеспечить двустороннюю синхронизацию данных между приложениями двух систем на Android-планшете без связи с сервером. Решением стало межпроцессное взаимодействие на базе Intent и файлового обмена (изображениями, справочниками и данными замеров). Серверы тоже обменивались данными между собой на регулярной основе с использованием API друг друга.

Со временем мы выделили отдельный API для подключения сторонних систем, что позволило нам быстро решать задачи интеграции с системами других компаний (например, 1С). Именно такой вариант сейчас является для нас типовым сценарием — измерения и фотофиксация производятся Smart Timber, данные аккумулируются на нашем сервере, а система предприятия забирает их. API помогает получить или задать справочники, список измерений, забрать данные каждого измерения (с расчётами, выполненными сразу несколькими методами) и фотографии.

В какой-то момент внезапно для нас сервер Smart Timber со средствами интеграции обрел собственную ценность — мы стали получать запросы на интеграцию с нашим сервером сторонних приложений. Например, клиент уже проводит фотофиксацию своим приложением, но хотел бы делать замеры. Мы реализовали сценарий, при котором система клиента присылает в наш API фотографии (а также данные о породе, сортименте и другие метаданные). Их оператор в нашем веб-интерфейсе проводит измерение, после чего уже данные расчетов загружаются обратно в систему клиента. Также мы получаем запросы на интеграцию в наш сервер данных стационарных систем (например, поштучных сканеров древесины).

Что дальше

Несмотря на то, что в какой-то момент мы ушли от активной постоянной разработки технической части Smart Timber, у нас есть команда, которая занимается поддержкой и планомерным улучшением системы. Мы развиваем инфраструктуру, чтобы она соответствовала возрастающей нагрузке, следим за её надежностью, обеспечиваем безопасность.

Мы регулярно получаем обратную связь от наших клиентов и выполняем доработки (иногда за свой счет, если это полезно многим нашим пользователям, иногда по отдельному договору). Много работаем с тем, чтобы привлечь новых клиентов в России и за рубежом. Сейчас это, возможно, самая большая часть нашей работы, потому что именно так Smart Timber окупается и может привлечь средства на развитие.

Кроме того, мы прорабатываем несколько путей для развития продукта и близких технологий.

• Smart Storage — распознавание и подсчет труб, металлоконструкций, алюминиевых профилей

• Smart Timber 3D — принципиально новый портативный прибор для более точного автоматического замера древесины (уже с включением в реестр средств измерения, отсутствием эталона, но и с другой ценовой политикой). В основе — калиброванная комбинация ToF (времяпролетной) и RGB-камер, наши отработанные алгоритмы и вся серверная инфраструктура Smart Timber.

• Модуль для определения объемов пиломатериалов.

• Работа со стационарными камерами – бюджетная замена лазерным сканирующим рамкам.

• Линейка стационарных недорогих сканеров для лесопильных и фанерных заводов. 

Сегодня Smart Timber — это не просто приложение. Это пример того, как идея благодаря акселератору ЛАНИТ Product Manager (подробнее здесь и здесь) стала техническим решением, а затем, пройдя испытания рынком, столкнувшись с болью реальных клиентов, превратилась в зрелый продукт.

Статья написана в соавторстве с @m_n_smirnov