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15 测量模型 2D Metrology#

一句话总结

2D 计量的套路是：先在图上画一个"差不多"的圆 / 线 / 矩形，HALCON 沿它的边界自动摆一排卡尺（measure region），在每个卡尺里做一维边缘提取，再用 RANSAC 把所有边缘点拟合成真实几何形状，最后返回亚像素级的参数。 五步：create_metrology_model → set_metrology_model_image_size → add_metrology_object_*_measure → apply_metrology_model → get_metrology_object_result。 跟 [[14 模板匹配 形状匹配]] 搭档就是工业现场最常见的"先定位、后测量"：模板匹配给 \((Row, Column, Angle)\) → set_metrology_model_param('reference_system') 定基准 → 每张新图 align_metrology_model 对齐 → apply_metrology_model。

源文件（本轮新增）： - note/测量/01找线.hdev、02找圆.hdev、03找矩形.hdev、04点到线点到点.hdev、05定位测量.hdev - note/测量/my/找圆.hdev、my/找矩形.hdev、my/测量距离.hdev、my/定位测量.hdev、my/定位测量2.hdev

素材： note/测量/测量/0.bmp、2.bmp、3.bmp（同一零件不同姿态），note/测量/test.bmp、test2.bmp

该图为 测量_2.png（640×480）：暗背景上一个亮的零件，内部有孔、边缘有台阶 —— 典型的"用卡尺找边界再算尺寸"的场景。

一、2D 计量在做什么#

方式 做法 精度 适合
Blob（03/04/07） 二值化 → 连通域 → area_center 像素级 数个数、粗定位
measure_pos / measure_pairs 手工摆 1 个（或 1 对）矩形卡尺，在卡尺内找边缘点 亚像素 已知确切位置、只量一个点/一段距离
2D Metrology（本篇） 给一个近似几何形状，自动生成 N 个卡尺 + RANSAC 拟合 亚像素 找整条线 / 整个圆 / 整个矩形，且位置可能漂

一句话：measure_pos 是"一把卡尺"，2D Metrology 是"沿着你画的形状自动摆一圈卡尺，再拟合成形"。

二、五步流程与三个 get#

flowchart TD
    A["1 create_metrology_model<br/>→ MetrologyHandle"] --> B["2 set_metrology_model_image_size<br/>(Width, Height)"]
    B --> C["3 add_metrology_object_*_measure<br/>画近似形状 → Index"]
    C --> D["3.5 set_metrology_object_param<br/>调卡尺数量/极性/实例数"]
    D --> E["4 apply_metrology_model (Image, Handle)"]
    E --> F["5 get_metrology_object_result<br/>→ Parameter"]
    C -.-> V1["get_metrology_object_model_contour<br/>我画的近似形状"]
    C -.-> V2["get_metrology_object_measures<br/>卡尺矩形 + 边缘点"]
    E -.-> V3["get_metrology_object_result_contour<br/>拟合出的真实形状"]

三、第 3 步：add_metrology_object_*_measure 参数全解#

HALCON 提供 4 个便捷算子 + 1 个通用算子，参数完全一致，只是"形状参数"不同：

add_metrology_object_line_measure (MetrologyHandle, RowBegin, ColumnBegin, RowEnd, ColumnEnd, \
                                   MeasureLength1, MeasureLength2, MeasureSigma, MeasureThreshold, \
                                   GenParamName, GenParamValue, Index)
add_metrology_object_circle_measure (MetrologyHandle, Row, Column, Radius, \
                                     MeasureLength1, MeasureLength2, MeasureSigma, MeasureThreshold, \
                                     GenParamName, GenParamValue, Index)
add_metrology_object_rectangle2_measure (MetrologyHandle, Row, Column, Phi, Length1, Length2, \
                                         MeasureLength1, MeasureLength2, MeasureSigma, MeasureThreshold, \
                                         GenParamName, GenParamValue, Index)
add_metrology_object_ellipse_measure (MetrologyHandle, Row, Column, Phi, Radius1, Radius2, \
                                      MeasureLength1, MeasureLength2, MeasureSigma, MeasureThreshold, \
                                      GenParamName, GenParamValue, Index)

* 通用版：用 Shape + ShapeParam 一次覆盖上面四种
add_metrology_object_generic (MetrologyHandle, Shape, ShapeParam, \
                              MeasureLength1, MeasureLength2, MeasureSigma, MeasureThreshold, \
                              GenParamName, GenParamValue, Index)

Shape 与 ShapeParam 的对应关系#

Shape ShapeParam 内容 顺序
'circle' 圆心 + 半径 [Row, Column, Radius]
'ellipse' 中心 + 主轴角 + 长半轴 + 短半轴 [Row, Column, Phi, Radius1, Radius2]
'rectangle2' 中心 + 主轴角 + 长半边 + 短半边 [Row, Column, Phi, Length1, Length2]
'line' 起点 + 终点 [RowBegin, ColumnBegin, RowEnd, ColumnEnd]

四个 Measure* 参数（卡尺的几何）#

参数 默认值 含义
MeasureLength1 20.0 卡尺垂直于对象边界方向的半长 —— 这就是"测量容差"：真实边缘离你画的形状多远之内还能被找到
MeasureLength2 5.0 卡尺沿（切向）对象边界方向的半长 —— 卡尺有多"宽"
MeasureSigma —— 高斯平滑的 \(\sigma\)，同 measure_pos 的 Sigma
MeasureThreshold —— 最小边缘幅度（一阶导绝对值阈值），同 measure_pos 的 Threshold

本轮源码里的实际取值：

文件 形状 MeasureLength1 MeasureLength2 Sigma Threshold
01找线.hdev line（用 generic） 20 0.5 1 30
02找圆.hdev circle 10 2 1 30
03找矩形.hdev rectangle2 10 2 1 30
04点到线点到点.hdev circle + line 15 / 20 5 / 5 1 / 1 30 / 30
my/测量距离.hdev 6 个对象 15~20 2~5 1 30

MeasureLength1 是第一优先要调的数

它决定"容差"。零件放歪了一点、或者你手画的圆跟真实轮廓差几个像素，全靠它兜住； 但调太大会把旁边的干扰边缘一起吞进卡尺，拟合结果就飘了。

四、第 3.5 步：set_metrology_object_param 调卡尺#

set_metrology_object_param (MetrologyHandle, Index, GenParamName, GenParamValue)
Index 可以写 'all'（本轮源码全用的 'all'），也可以写 add_* 返回的那个索引。

参数 默认值 含义
num_measures 10 卡尺个数；不够会被强制抬到下限（圆 3 / 椭圆 5 / 直线 2 / 矩形每边 2 共 8）
measure_distance 10.0 相邻卡尺中心的间距；与 num_measures 互斥
measure_transition —— 边缘极性：'positive'（暗→亮）/ 'negative'（亮→暗）/ 'all' / 'uniform'
measure_sigma / measure_threshold / measure_select —— 同 measure_pos 的 Sigma / Threshold / Select
num_instances 1 每个对象最多拟合出几个实例
min_score 0.7 实例有效的最低得分 = 检测到的边缘数 ÷ 最大测量区域数
distance_threshold 3.5 RANSAC 判定"边缘点属于该形状"的距离阈值
max_num_iterations —— RANSAC 迭代次数上限

num_measures 和 measure_distance 只能二选一

官方文档原文：设置了 measure_distance 时，num_measures 不起作用；反之亦然。 两个都写会出现"改了没反应"的假象 —— 本轮源码只用了 num_measures（01 设为 20）。

min_score 的物理意义

它是"卡尺里成功找到边缘的比例"。 官方说：如果确信目标所有边缘都在，可以设到 0.8~0.9； 反过来，背景杂波强时不要低于 0.7，否则会拟合出错误的实例。

五、第 4~5 步：执行与取结果#

apply_metrology_model (Image, MetrologyHandle)
get_metrology_object_result (MetrologyHandle, Index, Instance, GenParamName, GenParamValue, Parameter)

Index / Instance 都可以写 'all'。GenParamName 用 'result_type'，GenParamValue 写 'all_param' 就能一次拿到全部参数。

all_param 的输出顺序（官方定义，务必背下来）：

形状 Parameter 顺序 个数
circle [row, column, radius] 3
ellipse [row, column, phi, radius1, radius2] 5
line [row_begin, column_begin, row_end, column_end] 4
rectangle2 [row, column, phi, length1, length2] 5

未设置相机参数与位姿时返回像素单位；设了 camera_param + pose 则返回公制坐标。

三个 get 别混（最常搞错的地方）#

算子 拿到的是什么 什么时候用
get_metrology_object_model_contour (Contour, Handle, Index, Resolution) 你画的那个近似形状（测之前的名义位置） 检查"我摆的位置对不对"
get_metrology_object_measures (Contours, Handle, Index, Transition, Row, Column) 卡尺矩形，同时把实测边缘点输出到 Row / Column 调参时看卡尺有没有盖住真实边缘
get_metrology_object_result_contour (Contour, Handle, Index, Instance, Resolution) 拟合出来的真实形状（测量结果） 显示最终测量结果

Resolution 通常写 1.5，表示轮廓相邻点的近似间距（像素）。

all_param 是按\"添加顺序 × 实例\"拼成的一维元组，下标要自己算

my/测量距离.hdev 一口气加了 6 个对象，它的下标映射是：

对象（按 add_* 顺序） 形状 Parameter 下标
Index（第 1 个） circle 0, 1, 2
Index1（第 2 个） line 3, 4, 5, 6
Index2（第 3 个） circle 7, 8, 9
Index3（第 4 个） circle 10, 11, 12
Index4（第 5 个） circle 13, 14, 15
Index5（第 6 个） line 16, 17, 18, 19

所以 distance_pp (Parameter[10], Parameter[11], Parameter[13], Parameter[14], …) 算的是第 4 个圆圆心到第 5 个圆圆心的距离。 更稳的写法是一个一个查：把 Index 写成具体索引（或 'all' 后按已知长度切片），别在长元组里数数。

num_instances > 1 时还要再拼一层

01 里设了 num_instances = 6，Parameter 会按实例顺序再串起来（6 × 4 = 24 个值）。 而源码只取了 Parameter[0..3] —— 也就是只用了第 1 个实例。想要全部实例必须自己切片。

六、01 找线：完整源码逐段解读#

read_image (Image, '测量/0.bmp')
dev_close_window ()
get_image_size (Image, Width, Height)
dev_open_window (0, 0, Width, Height, 'black', WindowHandle)
dev_display (Image)

* 找直线
* 1.画线段
draw_line (WindowHandle, Row1, Column1, Row2, Column2)
gen_region_line (RegionLines, Row1, Column1, Row2, Column2)
* 存一下线的数据
LinePoin := [Row1, Column1, Row2, Column2]

* 2.创建测量句柄 (测量线的句柄)
create_metrology_model (MetrologyHandle)
* 3. 设置测量图像的大小
set_metrology_model_image_size (MetrologyHandle, Width, Height)
* 4.添加找线模型
add_metrology_object_generic (MetrologyHandle, 'line', LinePoin, 20, 0.5, 1, 30, [], [], Index)

* 获取的测量模型的线
get_metrology_object_model_contour (Contour, MetrologyHandle, 'all', 1.5)
* 获取测量模型的 找线卡尺
get_metrology_object_measures (Contours, MetrologyHandle, 'all', 'all', Row, Column)
* 5. 设置卡尺几点拟合线
set_metrology_object_param (MetrologyHandle, 'all', 'num_instances', 6)
* 6.设置卡尺的个数
set_metrology_object_param (MetrologyHandle, 'all', 'num_measures', 20)
get_metrology_object_measures (Contours, MetrologyHandle, 'all', 'all', Row, Column)
* 7.设置一卡尺的极性  由暗到明:positive  由明到暗: negative  两者都: all
set_metrology_object_param (MetrologyHandle, 'all', 'measure_transition', 'positive')
* 8.测量
apply_metrology_model (Image, MetrologyHandle)
* 9.获取测量结果
get_metrology_object_measures (Contours, MetrologyHandle, 'all', 'all', Row, Column)
gen_cross_contour_xld (Cross, Row, Column, 20, 0.3)
dev_clear_window ()
dev_display (Image)
dev_display (Cross)
* 获取找到的线的位置
get_metrology_object_result (MetrologyHandle, 'all', 'all', 'result_type', 'all_param', Parameter)
* 显示线
gen_region_line (RegionLines1, Parameter[0], Parameter[1], Parameter[2], Parameter[3])
dev_set_color ('green')
dev_set_line_width (3)
dev_clear_window ()
dev_display (Image)
dev_display (RegionLines1)
段 关键点
LinePoin := [Row1, Column1, Row2, Column2] 先把手画的线段攒成元组，正好就是 'line' 的 ShapeParam
add_metrology_object_generic (..., 'line', LinePoin, 20, 0.5, 1, 30, [], [], Index) MeasureLength1=20（容差 20 px）、MeasureLength2=0.5（卡尺很窄）、Sigma=1、Threshold=30
set_metrology_object_param (..., 'num_instances', 6) 让一条线上最多拟合出 6 个实例（图上有多条平行边时用）
set_metrology_object_param (..., 'num_measures', 20) 卡尺从默认 10 根加到 20 根
set_metrology_object_param (..., 'measure_transition', 'positive') 只认由暗到亮的边（这图的零件比背景亮）
gen_cross_contour_xld (Cross, Row, Column, 20, 0.3) 把卡尺找到的边缘点画成十字叉；20 是叉的大小、0.3 是角度（约 17°）
gen_region_line (RegionLines1, Parameter[0..3]) 直接用测出来的 [row_begin, column_begin, row_end, column_end] 画线段

源码里有一行被注释掉的等价写法，值得对照看：

* add_metrology_object_line_measure (MetrologyHandle, Row1, Column1, Row2, Column2, \
                                     30, 10, 1, 30, [], [], Index)

七、02 找圆 / 03 找矩形：只有 add_* 一行不同#

* 02找圆
draw_circle (WindowHandle, Row, Column, Radius)
gen_circle (Circle, Row, Column, Radius)
create_metrology_model (MetrologyHandle)
set_metrology_model_image_size (MetrologyHandle, Width, Height)
add_metrology_object_circle_measure (MetrologyHandle, Row, Column, Radius, 10, 2, 1, 30, [], [], Index)
apply_metrology_model (Image, MetrologyHandle)
get_metrology_object_result (MetrologyHandle, 'all', 'all', 'result_type', 'all_param', Parameter)
* 圆心 + 半径：Parameter[0], Parameter[1], Parameter[2]
gen_circle (Circle1, Parameter[0], Parameter[1], Parameter[2])

* 03找矩形
draw_rectangle2 (WindowHandle, Row, Column, Phi, Length1, Length2)
gen_rectangle2 (Rectangle, Row, Column, Phi, Length1, Length2)
create_metrology_model (MetrologyHandle)
set_metrology_model_image_size (MetrologyHandle, Width, Height)
add_metrology_object_rectangle2_measure (MetrologyHandle, Row, Column, Phi, Length1, Length2, \
                                         10, 2, 1, 30, [], [], Index)
apply_metrology_model (Image, MetrologyHandle)
get_metrology_object_result (MetrologyHandle, 'all', 'all', 'result_type', 'all_param', Parameter)
* → [row, column, phi, length1, length2]

套路完全一样

差别只有两处：① 手画的是圆 / 矩形 / 线 → 对应不同的 add_metrology_object_*_measure； ② Parameter 的长度与顺序不同（3 / 5 / 4）。其余 4 步逐字照抄。

八、04 点到线 / 点到点：distance_* 家族#

测出几何参数之后，真正的"尺寸"往往还要再算一步。HALCON 有一整族距离算子：

算子 算什么 签名要点
distance_pp (Row1, Column1, Row2, Column2, Distance) 点到点 4 个控制参数
distance_pl (Row, Column, Row1, Column1, Row2, Column2, Distance) 点到直线（直线用两点式） 点在前面
distance_pc (Row, Column, RowC, ColumnC, RadiusC, DistanceMin, DistanceMax) 点到圆 两个输出（最近/最远）
distance_cc (ContCircle1, ContCircle2, Mode, DistanceMin, DistanceMax) 圆到圆（传 XLD 轮廓） Mode 常用 'point_to_point'
distance_lc (ContCircle, Row1, Column1, Row2, Column2, DistanceMin, DistanceMax) 线到圆（圆传轮廓） 两个输出
angle_ll (RowA1, ColA1, RowA2, ColA2, RowB1, ColB1, RowB2, ColB2, Angle) 两直线夹角（弧度） 8 个输入

04 的用法：

* 先加圆（Index），再加线（Index1）
add_metrology_object_circle_measure (MetrologyHandle, Row, Column, Radius, 15, 5, 1, 30, [], [], Index)
add_metrology_object_line_measure (MetrologyHandle, Row1, Column1, Row2, Column2, 20, 5, 1, 30, [], [], Index1)
apply_metrology_model (Image, MetrologyHandle)
get_metrology_object_result (MetrologyHandle, 'all', 'all', 'result_type', 'all_param', Parameter)
* 圆心 = Parameter[0..1]，线 = Parameter[3..6]
distance_pl (Parameter[0], Parameter[1], Parameter[3], Parameter[4], Parameter[5], Parameter[6], Distance)

想显示数字，用 dev_disp_text 而不是 set_tposition + write_string

04 里写的是 set_tposition (200000, …) + write_string (200000, '点到线的距离' + Distance)， 这是很老的文本窗口写法（那个 200000 是遗留的窗口句柄）。 新版一律用 dev_disp_text (Text, 'window', Row, Column, Color, 'box', 'false') —— my/测量距离.hdev 里就是这么写的。

九、"先定位、后测量"：reference_system + align_metrology_model#

这是本专题最有工程价值的一段。零件在每张图里的位置和角度都不同，直接测量会跑偏，所以要：

  1. 在定模型的那张图上，用模板匹配（或区域分析）拿到目标的姿态 \((Row, Column, Angle)\)；
  2. set_metrology_model_param (Handle, 'reference_system', [Row, Column, Angle]) —— 只做一次；
  3. 之后每张新图：find_shape_model 拿到新姿态 → align_metrology_model (Handle, Row, Column, Angle) → apply_metrology_model。

05定位测量.hdev 的关键几行：

* 建模型：模板匹配拿基准姿态
reduce_domain (Image, Rectangle, ImageReduced)
create_shape_model (ImageReduced, 'auto', -rad(180), rad(180), 'auto', 'auto', \
                    'use_polarity', 'auto', 'auto', ModelID)
find_shape_model (Image, ModelID, -rad(180), rad(180), 0.5, 1, 0.5, 'least_squares', 0, 0, \
                  Row3, Column3, Angle, Score)

* 加测量对象（找线）
create_metrology_model (MetrologyHandle)
add_metrology_object_line_measure (MetrologyHandle, Row1, Column1, Row2, Column2, 20, 5, 1, 30, [], [], Index)

* 定位：做一个基准参考点 —— 只设一次
set_metrology_model_param (MetrologyHandle, 'reference_system', [Row3, Column3, Angle])

* 遍历每张图
for Index1 := 0 to |ImageFiles|-1 by 1
    read_image (Image1, ImageFiles[Index1])
    find_shape_model (Image1, ModelID, -rad(180), rad(180), 0.5, 1, 0.5, 'least_squares', 0, 0, \
                      Row5, Column5, Angle1, Score1)
    * 在下次测量之前对齐一下
    align_metrology_model (MetrologyHandle, Row5, Column5, Angle1)
    get_metrology_object_measures (Contours, MetrologyHandle, 'all', 'all', Row4, Column4)
    apply_metrology_model (Image1, MetrologyHandle)
    get_metrology_object_result (MetrologyHandle, 'all', 'all', 'result_type', 'all_param', Parameter)
    get_metrology_object_result_contour (Contour, MetrologyHandle, 'all', 'all', 1.5)
endfor

align_metrology_model 内部做了什么

官方原文：先把整个计量模型旋转 Angle，再平移 Row 和 Column； 对齐值会被下一次调用覆盖（所以每测一张图都要重新 align 一次）。 这正是 [[11 仿射变换矩阵与图像变换]] 里"先旋转后平移"的同一套逻辑，只不过这里由 HALCON 代劳。

官方给了两种定基准的办法

① 区域分析：threshold + smallest_rectangle2 得 \((Row, Column, \Phi)\) 当 reference_system（适合目标能用阈值干净抠出来）； ② 形状模型（本轮用的）：find_shape_model 的结果可以直接喂给 align_metrology_model，前提是 reference_system 必须设成与形状模型同一坐标系下的姿态 —— 也就是05定位测量里那句 [Row3, Column3, Angle]。

my/定位测量.hdev 里的仿射变换写错了（对比 05定位测量.hdev 看）

hom_mat2d_rotate (HomMat2DIdentity, Angle, Row1, Column1, HomMat2DRotate)      * ← 固定点写成 (Row1, Column1)
hom_mat2d_translate (HomMat2DRotate, Row1, Column1, HomMat2DTranslate)          * ← 又平移了一次
affine_trans_contour_xld (ModelContours, ContoursAffineTrans, HomMat2DTranslate)
ModelContours 的原点在 \((0,0)\)（见 [[14 模板匹配 形状匹配]] 第六节），所以旋转的固定点就该写 \((0,0)\)。 绕 \((Row1, Column1)\) 旋转再平移 \((Row1, Column1)\)，等于把平移量算了两遍： 原点变换后落在 \(2c - R\,c\) 而不是 \(c\)。只有 \(Angle \approx 0\) 时才会碰巧对上。 正确写法就是 05定位测量.hdev 那样 —— hom_mat2d_rotate (…, Angle, 0, 0, …) 再 hom_mat2d_translate。

十、坑位清单#

2D 计量十二坑

  1. num_measures 与 measure_distance 互斥：设了后者，前者失效，改了没反应。
  2. 卡尺数有下限：圆 3、椭圆 5、直线 2、矩形每边 2（共 8）；设得比这小会被强制抬上去。
  3. all_param 是按"添加顺序 × 实例"拼的一维元组，下标必须自己算；num_instances>1 时还要再乘一层。
  4. result_type 的 GenParamValue 要写 'all_param'（或具体参数名）。my/找圆.hdev、my/测量距离.hdev 里传的是空元组 []，语义不明，建议改回 'all_param'。
  5. 顺序应为 create → set_metrology_model_image_size → add_*（官方示例一律如此）。my/找圆.hdev 把 set_..._image_size 放在了 add_* 之后，与官方示例不一致，建议调整。
  6. reference_system 只在建模型时设一次，不要放进循环；循环里只用 align_metrology_model。
  7. align_metrology_model 的效果只作用于下一次 apply_metrology_model，会被下一次调用覆盖；漏写就会用上一张图的姿态去测。
  8. 三个 get_*_contour 含义不同：model_contour = 你画的近似形状，measures = 卡尺+边缘点，result_contour = 拟合结果。调参时看前两个，出报告看第三个。
  9. min_score 默认 0.7：背景杂波强时不要调低于 0.7，否则拟合出错误实例；边缘完整时可提到 0.8~0.9。
  10. MeasureLength1 是"容差"不是"卡尺长度"（那是 MeasureLength2 的切向半长）—— 两个方向别搞反。
  11. angle_ll 返回弧度，显示前要 deg()；my/定位测量2.hdev 里写的 rad(Angle2)+'deg' 实际是把弧度当角度又转了一次，方向是反的。
  12. 相对路径依赖源目录结构：'测量/0.bmp'、'../../04模版匹配/测量'、'../test2' 在素材搬进库以后都要重改；05定位测量.hdev 用 list_image_files ('测量', …) 也是同理。
  13. draw_* 全是交互算子，离线跑会卡住；另外 my/定位测量*.hdev 里的 -rad(360), rad(360) 是 ±2π，而 rad(180) 已经覆盖整圈，写 360 只会让模型体积翻倍、没有收益。

十一、自检#

Question

  1. 2D 计量的五步是什么？MeasureLength1 和 MeasureLength2 分别控制卡尺的哪个方向？
  2. num_measures 与 measure_distance 为什么不能同时生效？卡尺数量的下限分别是多少？
  3. get_metrology_object_model_contour / get_metrology_object_measures / get_metrology_object_result_contour 三个分别拿到什么？
  4. all_param 对 circle / line / rectangle2 的输出顺序分别是什么？各几个数？
  5. my/测量距离.hdev 里 Parameter[13]、Parameter[14] 是哪对象的哪个量？为什么？
  6. "先定位后测量"里 reference_system 和 align_metrology_model 分别该在什么时候调用？align 内部的变换顺序是什么？
  7. my/定位测量.hdev 的 hom_mat2d_rotate 固定点为什么应该写 (0,0)？写 (Row1, Column1) 会怎样？
  8. min_score 的物理含义是什么？杂波强的图该往哪个方向调？

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