【C# + HALCON 机器视觉】HALCON经典算子：形状匹配（create_shape_model 与 find_shape_model）

摘要：本文聚焦 C# 与 HALCON 结合的机器视觉应用，围绕形状匹配核心功能展开。详细阐述create_shape_model与find_shape_model算子原理，以汽车内饰板装配定位安装孔位为例，展示从图像读取、模板创建、实时匹配到控制机械臂抓取的完整流程，同时介绍 WinForm 界面参数动态调整与结果显示的实现。提出 ROI 局部处理优化性能、try-catch捕获异常、导出 C# 代码实现跨平台集成等开发建议，助力提升工业自动化生产中零件装配定位的效率与精度。

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【C# + HALCON 机器视觉】HALCON经典算子：形状匹配（create_shape_model 与 find_shape_model）

关键词：C#；HALCON；机器视觉；形状匹配；create_shape_model；find_shape_model；工业自动化

一、引言

在工业自动化生产领域，机器视觉技术扮演着至关重要的角色。其中，形状匹配作为机器视觉中的一项关键技术，能够准确地识别和定位物体，广泛应用于工业零件装配定位等场景。HALCON作为一款强大的机器视觉软件库，提供了丰富的算子来实现形状匹配功能，其中create_shape_model和find_shape_model是最为经典的两个算子。本文将结合C#语言，详细介绍如何使用这两个算子实现工业零件装配定位，以汽车内饰板装配中定位安装孔位为例进行实操演示，并给出完整的开发流程和代码实现。同时，还会针对性能优化、异常处理和跨平台集成等方面给出相应的建议和实现方法。

二、HALCON形状匹配基础

2.1 形状匹配的概念

形状匹配是指在图像中寻找与给定模板形状相似的目标物体的过程。在工业应用中，形状匹配可以用于物体的定位、识别、检测等任务。通过创建一个形状模板，然后在实时图像中搜索与之匹配的区域，从而确定目标物体的位置和姿态。

2.2 create_shape_model算子

create_shape_model算子用于创建形状模板。它通过对输入图像进行处理，提取图像中的边缘特征，并将这些特征存储为一个模板。在创建模板时，可以设置多个参数，如金字塔层级（NumLevels）、角度范围（AngleExtent）等，以控制模板的精度和匹配速度。

2.2.1 算子语法

create_shape_model(Image : : NumLevels, AngleStart, AngleExtent, AngleStep, Optimization, Metric, Contrast, MinContrast : ModelID)

2.2.2 参数说明

• Image：输入的图像。
• NumLevels：金字塔层级，值越大，匹配速度越快，但精度可能会降低。
• AngleStart：起始角度。
• AngleExtent：角度范围。
• AngleStep：角度步长。
• Optimization：优化选项，用于控制模板的内存使用和匹配速度。
• Metric：匹配度量方式，如'use_polarity'、'ignore_global_polarity'等。
• Contrast：对比度阈值，用于提取边缘特征。
• MinContrast：最小对比度阈值。
• ModelID：输出的模板ID。

2.3 find_shape_model算子

find_shape_model算子用于在实时图像中搜索与之前创建的模板匹配的区域。它会返回匹配区域的位置、角度和匹配得分等信息。

2.3.1 算子语法

find_shape_model(Image : : ModelID, AngleStart, AngleExtent, MinScore, NumMatches, MaxOverlap, SubPixel, NumLevels, Greediness : Row, Column, Angle, Score)

2.3.2 参数说明

• Image：输入的实时图像。
• ModelID：之前创建的模板ID。
• AngleStart：起始角度。
• AngleExtent：角度范围。
• MinScore：最小匹配得分，只有匹配得分大于该值的区域才会被返回。
• NumMatches：要返回的最大匹配数量。
• MaxOverlap：最大重叠率，用于过滤重叠的匹配区域。
• SubPixel：亚像素精度选项，用于提高匹配的精度。
• NumLevels：金字塔层级。
• Greediness：贪婪度，控制匹配的速度和精度。
• Row、Column：匹配区域的中心行和列坐标。
• Angle：匹配区域的旋转角度。
• Score：匹配得分。

三、应用场景：工业零件装配定位

3.1 工业零件装配定位的需求

在工业生产中，许多零件的装配需要精确的定位。例如，在汽车内饰板装配过程中，需要准确地找到安装孔位，以便将各种零部件正确地安装到内饰板上。传统的人工装配方式不仅效率低下，而且容易出现定位误差，影响产品质量。因此，利用机器视觉技术进行工业零件装配定位具有重要的实际意义。

3.2 汽车内饰板装配中定位安装孔位的具体需求

在汽车内饰板装配中，安装孔位的定位精度要求较高，通常需要达到±0.1mm。通过形状匹配技术，可以在图像中准确地识别出安装孔的位置和角度，然后结合机械臂进行抓取和安装操作，提高装配的效率和精度。

四、案例实现：汽车内饰板装配中定位安装孔位

4.1 开发环境准备

4.1.1 安装HALCON

首先，需要从HALCON官方网站下载并安装HALCON软件。安装完成后，配置好开发环境，确保可以在C#项目中引用HALCON的相关库。

4.1.2 创建C#项目

打开Visual Studio，创建一个新的Windows Forms应用程序项目。在项目中引用HALCON的C#库文件，这些文件通常位于HALCON安装目录的dotnet35或dotnet40文件夹下，具体取决于你的.NET框架版本。

4.2 技术实现步骤

4.2.1 使用create_shape_model创建零件边缘模板

以下是使用C#和HALCON创建形状模板的示例代码：

using HalconDotNet;
using System;

namespace ShapeMatchingExample
{
   
    class Program
    {
   
        static void Main()
        {
   
            // 创建HALCON窗口
            HWindowControl hWindowControl = new HWindowControl();
            HWindow hWindow = hWindowControl.HalconWindow;

            // 读取图像
            HObject image;
            HOperatorSet.ReadImage(out image, "car_interior_panel.jpg");

            // 显示图像
            HOperatorSet.DispObj(image, hWindow);

            // 设置金字塔层级和角度范围
            HTuple numLevels = 4;
            HTuple angleStart = 0;
            HTuple angleExtent = 360;
            HTuple angleStep = 1;
            HTuple optimization = "auto";
            HTuple metric = "use_polarity";
            HTuple contrast = 30;
            HTuple minContrast = 10;

            // 创建形状模板
            HTuple modelID;
            HOperatorSet.CreateShapeModel(image, numLevels, angleStart, angleExtent, angleStep, optimization, metric, contrast, minContrast, out modelID);

            Console.WriteLine("形状模板创建成功，模板ID: " + modelID.I);
        }
    }
}

代码解释：

1. 创建HALCON窗口：使用HWindowControl和HWindow创建一个HALCON窗口，用于显示图像。
2. 读取图像：使用ReadImage算子读取汽车内饰板的图像。
3. 显示图像：使用DispObj算子将图像显示在窗口中。
4. 设置参数：设置金字塔层级、角度范围、优化选项、匹配度量方式、对比度阈值等参数。
5. 创建形状模板：使用CreateShapeModel算子创建形状模板，并返回模板ID。

4.2.2 使用find_shape_model实时匹配图像

以下是在实时图像中进行形状匹配的示例代码：

using HalconDotNet;
using System;

namespace ShapeMatchingExample
{
   
    class Program
    {
   
        static void Main()
        {
   
            // 创建HALCON窗口
            HWindowControl hWindowControl = new HWindowControl();
            HWindow hWindow = hWindowControl.HalconWindow;

            // 读取图像
            HObject image;
            HOperatorSet.ReadImage(out image, "car_interior_panel.jpg");

            // 显示图像
            HOperatorSet.DispObj(image, hWindow);

            // 设置金字塔层级和角度范围
            HTuple numLevels = 4;
            HTuple angleStart = 0;
            HTuple angleExtent = 360;
            HTuple angleStep = 1;
            HTuple optimization = "auto";
            HTuple metric = "use_polarity";
            HTuple contrast = 30;
            HTuple minContrast = 10;

            // 创建形状模板
            HTuple modelID;
            HOperatorSet.CreateShapeModel(image, numLevels, angleStart, angleExtent, angleStep, optimization, metric, contrast, minContrast, out modelID);

            // 设置匹配参数
            HTuple minScore = 0.5;
            HTuple numMatches = 1;