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09 实战 曲别针计数与角度#

一句话总结

对 HALCON 自带示例图 clip（曲别针）做完整的 Blob 分析：threshold → connection → select_shape → area_center → orientation_region，最后用 disp_arrow 把每个曲别针的方向主轴画出来。

源文件： note/05曲别针练习.hdev 素材： HALCON 自带示例图 clip（read_image (Image, 'clip') 直接读，无需外部文件）

一、素材与目标#

  • 图像内容：白色背景上散落若干曲别针，曲别针比背景暗。
  • 任务：① 数出个数；② 求出每个曲别针的面积；③ 求出每个曲别针的摆放角度并可视化。

二、完整源码#

read_image (Image, 'clip')
* 获取图片大小
get_image_size (Image, Width, Height)
dev_close_window ()
dev_open_window (0, 0, Width, Height, 'black', WindowHandle)
dev_display (Image)

* 二值化处理（曲别针比背景暗）
threshold (Image, Region, 0, 100)

* 分割
connection (Region, ConnectedRegions)

* 筛选（按面积）
select_shape (ConnectedRegions, SelectedRegions, 'area', 'and', 3500, 8107.97)

* 看效果
dev_set_color ('blue')
dev_clear_window ()
dev_display (Image)
dev_display (SelectedRegions)

* 获取坐标和面积
area_center (SelectedRegions, Area, X, Y)

* 挨个显示面积（源码中注释掉了，可解开观察）
*for Index := 0 to |Area| -1 by 1
*    dev_disp_text (Area[Index], 'window', X[Index], Y[Index], 'black', [], [])
*endfor

* 获取角度
orientation_region (SelectedRegions, Phi)

* 显示角度
disp_message (WindowHandle, deg(Phi)$'3.2f'+'deg', 'window', X, Y, 'black', 'false')

* 设置线宽
dev_set_line_width (3)
dev_set_color ('yellow')

* 画箭头：从质心沿主轴方向画长 100 的箭头
disp_arrow (WindowHandle, X, Y, X-100*sin(Phi), Y+100*cos(Phi), 3)

三、流程拆解#

flowchart TD
    A["read_image 'clip'"] --> B["get_image_size<br/>确定窗口尺寸"]
    B --> C["threshold 0~100<br/>取暗色曲别针"]
    C --> D["connection<br/>每个曲别针 1 个区域"]
    D --> E["select_shape<br/>area 3500~8107.97 去杂"]
    E --> F["area_center<br/>Area, Row(X), Column(Y)"]
    F --> G["orientation_region<br/>Phi 弧度"]
    G --> H["disp_message<br/>显示角度文字"]
    G --> I["disp_arrow<br/>画方向主轴"]

3.1 阈值 0~100 的选取#

曲别针在白色（≈255）背景上是暗的，所以取低灰度段 0 ~ 100。这个区间把曲别针本体和它在白背景上的浅灰阴影都包含进来了（阴影略亮，仍落在 100 以内），能拿到更完整的轮廓。

判断\"取暗\"还是\"取亮\"

把鼠标放在图像上读灰度，或者干脆两种都跑一遍看结果。目标比背景暗 → 取低段；目标比背景亮 → 取高段。

3.2 面积筛选 3500 ~ 8107.97#

值 含义
下限 3500 剔除粘连产生的小碎片、二值化残留的孤立噪点
上限 8107.97 剔除两个曲别针粘连形成的过大区域（约 2×4000）

8107.97 这个数字

带小数说明是实测值。注意到上限约等于下限的 2.3 倍，这是典型的"防止两个目标粘连被当成一个"的设值思路：如果一个区域明显比单个目标大，就说明粘了，宁可丢掉也不要误检。

3.3 area_center 与坐标顺序#

area_center (SelectedRegions, Area, X, Y)
  • 真实输出顺序是 Area, Row, Column，所以变量 X 里装的是 Row，Y 里装的是 Column。
  • 后面 disp_arrow (..., X, Y, ...) 能正确绘制，是因为 disp_arrow 的前两个坐标参数也是 (Row, Column)，顺序刚好对上。
  • 若某处按 (x, y) 的习惯去用这两个变量，就会画反。

3.4 orientation_region 与角度显示#

orientation_region (SelectedRegions, Phi)
disp_message (WindowHandle, deg(Phi)$'3.2f'+'deg', 'window', X, Y, 'black', 'false')
  • Phi 单位是弧度，范围 −π ≤ Phi < π（≈ −180° ~ 180°）。
  • deg (Phi) 转成角度，$'3.2f' 保留 2 位小数，+'deg' 拼上单位。
  • 因为 Phi 是元组，deg(Phi)$'3.2f' 得到的是字符串元组，disp_message 会自动逐个显示，不需要写 for 循环 —— 这是 HALCON "元组即批量"思想的一个漂亮体现。

同一方向可能有两个角度值

orientation_region 基于等效椭圆主轴，且用"离质心最远的轮廓点的列坐标"来决定方向正负。因此物理上平行的两个区域可能一个返回 18°、另一个返回 −174.8°（相差 180°）。 如果要用角度做判断（而不只是显示），务必先归一化，例如： 

PhiNorm := Phi
if (PhiNorm < 0)
    PhiNorm := PhiNorm + rad(180)
endif
或者直接改用 'rect2_phi'（最小外接矩形方向）等取值范围受限的特征。

3.5 画方向主轴#

dev_set_line_width (3)
dev_set_color ('yellow')
disp_arrow (WindowHandle, X, Y, X-100*sin(Phi), Y+100*cos(Phi), 3)

终点坐标的推导：

\[ \begin{cases} \text{Column}_2 = \text{Column}_1 + L\cos\Phi & \Rightarrow Y + 100\cos\Phi \\ \text{Row}_2 = \text{Row}_1 - L\sin\Phi & \Rightarrow X - 100\sin\Phi \end{cases} \]

记忆

Column 跟 cos 同向（正号），Row 跟 sin 反向（负号）。原因是图像 Row 轴向下，而角度按数学惯例（y 向上、逆时针为正）定义。

这与 HALCON 官方示例 clip.hdev 完全一致： 

Length := 80
disp_arrow (WindowID, Row, Column, Row - Length * sin(Phi), Column + Length * cos(Phi), 4)

四、调试技巧#

技巧 说明
先显示"分割结果"，再显示"筛选结果" 用 dev_set_color 换色（如先 'green' 后 'blue'），并分别 dev_clear_window 重画，才能分辨筛选掉了哪些
用 dev_set_draw ('margin') 代替 'fill' 轮廓模式不遮挡底图，方便确认区域是否贴合零件边界
逐个打印特征值 把源码中被注释掉的 for 循环解开，或在 HDevelop 变量窗口直接查看 Area / Phi 元组
用 dev_set_colored (12) 一次性给所有区域上不同颜色，快速检查 connection 分割是否正确

五、与官方示例 clip.hdev 的对比#

本练习 HALCON 官方 clip.hdev
二值化 threshold (Image, Region, 0, 100) 手动定阈值 binary_threshold (Clip, Dark, 'max_separability', 'dark', UsedThreshold) 自动 Otsu
窗口 与图像等大 Width/2, Height/2 缩小显示
箭头长度 100 80，且用变量 Length
文字 disp_message 显示角度 disp_message 显示角度，位置 Column - 100
额外内容 —— dev_update_window ('off') 提速、set_display_font 设字体、disp_continue_message 提示继续

建议自己动手补上的三行

dev_update_window ('off')                              * 开头：关闭自动刷新，运行更快
set_display_font (WindowHandle, 14, 'mono', 'true', 'false')   * 设字体，文字更清晰
dev_update_window ('on')                               * 结尾：恢复刷新
binary_threshold 的自动阈值写法也值得掌握： 
binary_threshold (Image, Region, 'max_separability', 'dark', UsedThreshold)
* 'max_separability' = Otsu 最大类间方差法
* 'dark' = 提取暗目标（'light' 则提取亮目标）
* UsedThreshold 输出实际使用的阈值，调试时可显示出来

六、自检#

Question

  1. 为什么 disp_message 不用 for 循环也能把 N 个角度全显示出来？—— 因为 deg(Phi)$'3.2f' 是字符串元组，disp_message 对元组输入会逐元素绘制。
  2. select_shape 的面积上限为什么设在"约两倍目标面积"？—— 防止两个零件粘连后被当成一个而漏检，宁可丢掉也不误检。
  3. 如果曲别针是亮的、背景是暗的，代码要改哪两处？—— threshold 改成高灰度段（如 128, 255），以及后续显示颜色可以不变（颜色只影响显示，不影响数据）。

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