Halcon学习 资料归总

1、Halcon的自我描述

Program Logic

Ø Each program consists of a sequence of HALCON operators

Ø The program can be structured into procedures

Ø The sequence can be extended by using control operators like if, for, repeat, or while

Ø The results of the operators are passed via variables

Ø No implicit data passing is applied

Ø Input parameters of operators can be variables or expressions

Ø Output parameters are always variables

Ø HDevelop has no features to design a graphical user interface

Ø An HDevelop program is considered as a prototypic solution of the vision part of an application

Ø HDevelop is typically not used for the final application

由此可以看出，Halcon的定位是一个类库，有着完整、快速实现函数，同时提供了HDevelop作为快速开发的图形化（IDE）界面；但是，Halcon程序并不是一个完整的最终应用软件，它没有用户界面，也不提供显示的数据（公用的数据格式）。

Halcon的初学者也应当从参考Halcon的程序入手，熟悉Halcon类库，也即HDevelop-Based Programming；在此基础上，进入ORClass-Oriented Programming。这也是Halcon推荐的开发方式：

The vision part is solved with HDevelop，and the application is developed with C++ or Visual Basic。

 

2、HDevelop界面的学习

通过阅读Halcon的PPT，学到了下面一些有用的信息：

Ø 文件——浏览示例，可以看到很多有用的例子；

Ø 程序窗体中，可以浏览与编辑Procedues（过程），这个其实就是自定义函数咯～还可以自己修改这些过程，并添加说明文档；

Ø F4——将函数语句注释掉；F3——激活；

Ø 本地过程（Local Procedue）与外部过程（Externel Procedue）

 

3、基本语法结构

Halcon的语法结构

类似于Pascal 与 Visual Basic，大部分的语句是Halcon提供的算子，此外也包含了少部分的控制语句；

不允许单独声明变量；

提供自动的内存管理（初始化、析构及OverWrite），但句柄则需要显示释放；

C++（算子模式）

通过代码导出，以C++为例，默认导出为算子型的语法结构，而非面向对象的；在此模式下，全部函数声明为全局类型，数据类型只需要用Hobject、HTuple两类类型进行声明；

C++（面向对象）

可以以面向对象的方式重写代码，也即利用类及类的成员函数；

在这种模式下，控制变量的类型仍未HTuple，而图形数据可以由多种类型，如HImage等；

其他语言（略）

 

4、Halcon数据结构

两类参数：图形参数Iconic (image, region, XLD)与控制参数Control (string, integer, real, handle)，在Halcon算子的参数中，依次为：输入图形参数、输出图形参数、输入控制参数、输出控制参数；并且其输入参数不会被算子改变。

图形参数Iconic：

Images

Ø Multiple channels

Ø Arbitrary region of interest

Ø Multiple pixel types(byte, (u)int1/2/4,real, complex, direction, cyclic, vector_field)

byte, uint2 //灰度图像的标准编码

int1, int2 //Difference of two images or derivates with integer precision（？？）int4 //两幅灰度图的频谱

direction //图片边缘的梯度方向

real //边缘提取及特定灰度值的轮廓

complex //图片频率分布

cyclic //Assigning one "gray" value to each color（？？）

vector_field //连续图形的光学流分布

Regions

Ø Efficient data structure (runlength encoding)

Ø Extensive set of operators

Ø Fastest morphology on the market

图形编码中，需要了解 row 和 run 两个术语；也是Halcon Region存储的方式

Extended Line Description (XLD)

Ø Subpixel accurate line and edge detection

Ø Generic point list based data structure

Ø Handling of contours, polygons, lines, parallels, etc.

此外，Halcon支持的类型还包括图形元组、控制变量元组及句柄：

元组的概念，使得可以用一个变量传递数个对象，可以由重载后的函数来进行处理；图形元组的下标从1开始，控制变量元组下标从0开始；句柄则可以用来描述窗体、文件等等，句柄不能是常量。

 

5、Halcon语言

输入控制参数可以是表达式，但图形参数、输出参数均应为变量；

String类型变量由单引号’括起来；此外还有一些特殊字符；

Boolean型变量包括 true ( = 1 )、 false ( = 0 ) ；不为零的整数将被认为true；但绝大多数的Halcon函数接受字符串型的表达：’true’‘false’，而非逻辑型表达；

函数返回常量用于标识错误：

Ø H_MSG_TRUE no error 2

Ø H_MSG_FALSE logical false 3

Ø H_MSG_FAIL operator did not succeed  5

可以放在try…catch…endtry块中，也可以用dev_error_var()与 dev_set_check() 来捕获；

控制语句结构：（与一般语言略有不同，它们也有输入输出变量）

Ø if  ...  endif / if ... else  ... endif / if ... elseif ... else ... endif 

Ø for  ...  endfor

Ø while  ...  endwhile

Ø repeat ... until

此外，也有关键字 break、continue、return、exit、stop 用来控制语句的执行；

赋值语句在Halcon中也被当作函数来使用：

标准赋值

Ø assign(Expression, ResultVariable) //编辑形式，永远都是输入在前，输出在后

Ø ResultVariable := Expression //代码形式

元组插入赋值

Ø insert(Tuple, NewValue, Index, Tuple) //编辑形式

Ø Tuple[Index] := NewValue //代码形式

控制变量元组操作

Ø [t,t] concatenation of tuples

Ø |t|  number of elements

Ø t[i]  selection of an element

Ø t[i:j]  selection of a part of a tuple

Ø subset(t1,t2) selection from t1 by indices in t2 

图形元组操作对应函数

Ø []  gen_empty_obj ()

Ø |t|  count_obj (p, num)

Ø [t1,t2]  concat_obj (p1, p2, q)

Ø t[i]  select_obj (p, q, i+1)

Ø t[i:j]  copy_obj (p, q, i+1, j-i+1)

Ø subset(t1,t2) select_obj (p, q, t2+1)

元组的数学运算，如：A * B，令 m = |A|, n = |B|；

若m、n不相等，且都大于1，则错误；否则返回三种情况：

Ø m=n=1，返回一个值；

Ø m=n>1，返回一个包含m个数的元组，值为两元组各对于值的操作结果；

Ø m>1,n=1，返回一个包含m个数的元组，值为第二个数与第一元组各值的操作结果；

Halcon 的数学运算

算术运算

Ø a / a division

Ø a % a rest of the integer division

Ø a * a multiplication

Ø v + v addition and concatenation of strings

Ø a - a subtraction

Ø -a  negation

位运算

Ø lsh(i,i)  left shift

Ø rsh(i,i)  right shift

Ø i band i  bit-wise and

Ø i bor i  bit-wise or

Ø i bxor i  bit-wise xor

Ø bnot i  bit-wise complement

字符串操作

Ø v$s  conversion to string //字符串的格式化，有很丰富的参数

Ø v + v  concatenation of strings and addition

Ø strchr(s,s)  search character in string

Ø strstr(s,s)  search substring

Ø strrchr(s,s)  search character in string (reverse)

Ø strrstr(s,s)  search substring (reverse)

Ø strlen(s)  length of string

Ø s{i} selection of one character

Ø s{i:i}  selection of substring

Ø split(s,s)  splitting to substrings

比较操作符

Ø t < t  less than

Ø t > t  greater than

Ø t <= t   less or equal

Ø t >= t  greater or equal

Ø t = t  equal

Ø t # t  not equal

逻辑操作符

Ø not l  negation

Ø l and l  logical ’and’

Ø l or l logical ’or’

Ø l xor l  logical ’xor’

数学函数

Ø sin(a)  sine of a

Ø cos(a)  cosine of a

Ø tan(a)  tangent of a

Ø asin(a)  arc sine of a in the interval [-p/2, p/ 2], a Î [-1, 1]

Ø acos(a)  arc cosine a in the interval [-p/2, p/2], a Î [-1, 1]

Ø atan(a)  arc tangent a in the interval [-p/2, p/2], a Î [-1, 1]

Ø atan2(a,b)  arc tangent a/b in the interval [-p, p]

Ø sinh(a)  hyperbolic sine of a

Ø cosh(a)  hyperbolic cosine of a

Ø tanh(a)  hyperbolic tangent of a

Ø exp(a)  exponential function

Ø log(a)  natural logarithm, a> 0

Ø log10(a)  decade logarithm, a> 0

Ø pow(a1,a2)  power

Ø ldexp(a1,a2)  a1 pow(2,a2)

其他操作（统计、随机数、符号函数等）

Ø min(t)  minimum value of the tuple

Ø max(t)  maximum value of the tuple

Ø min2(t1,t2)  element-wise minimum of two tuples 

Ø max2(t1,t2)  element-wise maximum of two tuples 

Ø find(t1,t2) indices of all occurrences of t1 within t2 

Ø rand(i) create random values from 0..1 (number specified by i) 

Ø sgn(a) element-wise sign of a tuple 

Ø sum(t)  sum of all elements or string concatenation

Ø cumul(t) cumulative histogram of a tuple

Ø mean(a)  mean value

Ø deviation(a)  standard deviation

Ø sqrt(a)  square root of a

Ø deg(a)  convert radians to degrees

Ø rad(a)  convert degrees to radians

Ø real(a)  convert integer to real

Ø int(a) convert a real to integer

Ø round(a)  convert real to integer

Ø number(v)  convert string to a number

Ø is_number(v)  test if value is a number

Ø abs(a)  absolute value of a (integer or real)

Ø fabs(a)  absolute value of a (always real)

Ø ceil(a)  smallest integer value not smaller than a

Ø floor(a)  largest integer value not greater than a

Ø fmod(a1,a2) fractional part of a1/a2, with the same sign as a1

Ø sort(t)  sorting in increasing order

Ø uniq(t) eliminate duplicates of neighboring values(typically used in combination with sort)

Ø sort_index(t)  return index instead of values

Ø median(t) Median value of a tuple (numbers)

Ø select_rank(t,v) Select the element (number) with the given rank

Ø inverse(t)  reverse the order of the values

Ø subset(t1,t2) selection from t1 by indices in t2

Ø remove(t1,t2) Remove of values with the given indices

Ø environment(s)  value of an environment variable

Ø ord(a)  ASCII number of a character

Ø chr(a)  convert an ASCII number to a character

Ø ords(s)  ASCII number of a tuple of strings

Ø chrt(i)  convert a tuple of integers into a string

 

6、Halcon名称解释

Ø Operator: A procedure of  the HALCON library used in HDevelop or one of the language interfaces.

Ø Procedure (of HDevelop): A subroutine defined for the use inside HDevelop.

Ø Region: Result of a segmentation like threshold. In other systems called blob, area, binary image, or island. Implemented using runlength encoding.

Ø XLD: Extended Line Description. Universal data structure used to handle contour based data. Mainly used in the context of subpixel precise measurement.

Ø Domain: Part of the image which is used for processing. In other systems called ROI (region of interest).

Ø Channel: One image matrix of a multi-spectral image. One example is the red channel of an RGB image.

Ø Iconic data: Overall term for images, regions, and XLD data. In object oriented languages (C++ and COM) and in HDevelop iconic data is represented by a polymorphic data type. In object oriented languages iconic data is also called iconic object.

Ø Control data: All non iconic data. Examples are single values (integer, real, and string), coordinates, arrays of values.

Ø Tuple: an array of values where each element can be of a different type. One can have both iconic and control tuples.

Ø HALCON object: Synonym for Iconic object / data

Ø Image acquisition interface: Interface between the frame grabber /camera driver (SDK) and the HALCON library. The Image acquisition interface is a DLL which is dynamically loaded when calling open_framegrabber.

Ø Language interface: Software that enables the programmer to use the HALCON library in a given language (e.g., C++).

Ø Extension Package: A mechanism that enables the user to fully integrate user-defined procedures into the HALCON environment. The extension package concept gives full access to the internal data structures of HALCON.

Ø License file: File “license.dat“ in the directory “license“.  This file is used together with hardware components (dongle or Ethernet card) to check if a correct license is available.

Ø Help files: Files in the directory “help“ which are used to get online information about all HALCON operators. This is extensively used by HDevelop.

Ø Shape-Based Matching: Finding of an object in an image based on a predefined model. The shape based matching uses features to quickly locate objects very precisely.

Ø Variation Model: A method to do print checking by presenting multiple good patterns to the system. The variation model learns the normal variation a good pattern and based on this information can detect real defects.

Ø Measure Tool: A set of operators to find the exact location of edges along lines or circular arcs. Other systems call the similar tool, e.g., caliper.

Ø Accuracy: The deviation from the true value

Ø Precision: The standard deviation of the measurement

 

7、Halcon函数

典型函数

Ø Filtering (noise, smoothing, edge, bit, arithmetic, enhancement)

Ø Segmentation (thresholding, topology, region growing, classification, comparison)

Ø Region processing

Ø Morphology

Ø Feature extraction

Ø Edge detection

Ø Color processing and classification

Ø OCR / OCV

Ø Bar code / data code

Ø Measurement

Ø Rectification

Ø Gray value matching

 

8、Halcon HDevEngine

HDevEngine允许用户在应用程序中直接调用Halcon程序（*.hdvp），适用范围包括C++、COM、.NET语言。具体功能为：

Ø 载入并执行Halcon程序（HDevelop programs）

Ø 载入、删除、执行HDevelop过程（HDevelop procedures）

Ø 查询以载入的HDevelop过程的接口

Ø 将正确的参数值传递给HDevelop过程，执行并获得结果

Ø 重新实现了HDevelop的某些内部算子（operator），例如dev_display

Ø HDevEngine错误处理

在C++中，使用HDevEngine需要包括头文件#include "HDevEngineCpp.h"，并包含附加的可执行文件hdevenginecpp.lib，具体见示例。

利用HDevEngine，可以很方便得实现多线程。

 

9、Halcon数据结构（2）

Halcon中，Image = Channel + Domain , 像素点存放在Channel矩阵中，根据ROI来描述Image。

Image相关操作：

Ø 输入：从文件、从设备

Ø 生成：外部图像数据、空内存区域；

Ø 显示：disp_image()图像首通道灰度图；disp_color() 彩色图；disp_channel()某特定通道；disp_obj() 自动判别类别；

Ø 缩放：set_part() 设置显示区域；set_part_style() 设置显示参数；

Ø 3D显示：（略）

Rules to Display Gray Images没特别懂

边界点的处理：镜像、常数、延续、周期（略）：

域的局限性：一些算子总是要处理周围的矩形区域，比如mean_image()，并且总是先处理小的区域；

测量工具中的ROIs比较特殊，这种ROIs并不依附于Image上，而是在算子gen_measure_*()后产生，并且也只能是任意朝向的矩形、圆弧形区域；

处理多通道图像：

Ø 分割：Gray operators仅适用第一通道，Color operators: 使用前三个通道，Multi channel operator会使用全部通道；

//对“Gray operators仅适用第一通道”的解释：实际上，灰度图，就是用第一通道（Red）像素点值所构建出来的那幅图。

Ø 过滤：所有通道被处理时均使用相同的参数，并且结果的通道数与处理的图片相同；

Ø 可以将域的处理结果，与原图像结合在一起作为输入图像；

Ø 通道处理：count_channels(),decompose*(), compose*(), access_channel(), append_channel(), channels_to_image(), image_to_channels()

图像金字塔中，第一个图像为最大的图像，各图像有各自的区域

标准图形（Shape）：circle、ellipse、rectangle1、rectangle2、line、polygon

特殊区域图形：gen_grid_region(): grid、lines、points, gen_checker_region()

图像处理：

Ø 修改：set_grayval() : Modify one or more pixels of the input image;paint_gray(): Paint part of an image into another image; overpaint_gray(): Paint part of an image into the input image; paint_region(): Paint the region with a constant gray value into an image; overpaint_region() : Paint the region with a constant gray value into the input image

Ø 复制：crop_part(): Crop a rectangle, given by upper left corner and size; crop_rectangle1(): Crop a rectangle, given by upper left and lower right corner; crop_domain(): Crop area of the smallest rectangle1 of the domain; crop_domain_rel(): Like crop_domain but with the possibility to change the size of bounding box; change_format(): Limit the size of the image at the lower or the right part; get_grayval(): Access one or multiple pixel values

Ø Tile: tile_images(), tile_images_offset(), tile_channels()

 

10、Halcon数据结构（3）

区域运算：

Ø 并：union1()、union2()；

Ø 交：intersection();

Ø 差：difference();

Ø 补：complement()；

图形显示参数设置：

Ø 显示模式：set_draw(); 参数：margin、filled

Ø 线宽线形：set_line_width(); set_line_style();

Ø 颜色：set_color(); set_colored(); set_rgb(); set_gray();

Ø 显示图形：set_shape(); 参数：original、outer circle、inner circle、rectangle1、rectangle2、ellipse、icon

Ø set_icon

 

11、Halcon数据结构（4）

关于XLD，简要写一下：

图像均用像素点保存，而像素点是整型的，不连续的；Halcon做了拓展，定义了亚像素（subpixel）的对象：xld；其实xld已经用过了，比如提取边缘、构建轮廓等等，xld在模板匹配、图形校准等多方面有重要的用途。

 

12、色彩 color

在视网膜底部，有三类感光细胞，它们分别探测不同频率的光，产生RGB神经冲动，并把这些神经冲动传递下去；经过另外的细胞的处理，转换成1个亮度通道、两个色彩通道。

Ø The RGB stimulus is converted to a luminance and 2 chrominance channels

所以，RGB图是原始的感光图，而人眼的感觉，却不是RGB三通道的叠加；更直观地描述人的感觉，需要用到其他的色彩空间，比如hsv空间。

不同频率的光，会产生不同的颜色；而光只有三种颜色，这是因为人眼只有三种光感受器。

所以有，任何光产生的颜色，都能够由这三种纯色来合成，这就是光的三元色。

 

对于相机来说，能够检测到的光谱范围比人眼要宽泛，比如红外相机等；为了获得人眼类似的图像，可以加上过滤装置，滤去超出400-700nm范围的光线。

 

13、色彩空间及 Halcon颜色处理

CCD彩色相机有R、G、B三种感光芯片，捕捉不同颜色，然后转换为RGB三通道。

颜色空间：

Ø RGB Red、Green、Blue三色通道，对光来说，犹如在黑暗中点亮各分色。

Ø CMY Cyan、Magenta、Yellow 三颜色通道，犹如在白纸上图颜料

Ø YUV、YIQ Y描述亮度、其余两通道描述颜色（的差值），用于电视转播

Ø ARgYb 与上类似，A描述亮度，其余两者描述颜色差值

Ø I1i2i3 与上类似，i1描述亮度

Ø HSI Hue、Saturation、Intensity 分别描述颜色、饱和度、亮度

Ø HSV 与上类似，这里的V描述亮度，方法与上不同

Ø HSL 与HSI类似，L描述亮度，但Hue与之不同

Ø HIS 与HIS类似

Ø Uniform Color Space、CIE uv 用二维图描述色彩

Ø CIE Lab 高级色彩空间，较少使用

 

颜色空间的转换，依靠GPU进行运算：trans_from_rgb()，速度快

Scale_image() 可以对单通道（RGB、或HSV中的）进行重新渲染；

颜色的选取，通过对Hue通道进行threshold()

2D Histogram 可用来描述两通道（RGB、HSV等中的）相应值对应关系，可用来选取颜色相近区域：histo_2dim()

N维像素分类：learn_ndim_norm()、learn_ndim_box() 

LUT：MLP、SVM、GMM

彩色过滤器：用于彩色图像的分割等：edges_color()、edges_color_sub_pix()、lines_color()

 

14、Halcon 窗体

Halcon窗体的坐标系统：(Row, Column) (Width, Height)

图形：可以显示灰度图、彩色图、3D；定义要显示的区域，插值

区域：绘图模式(Fill、Margin)，边界、线宽，定义色彩模式，自动图形转换

绘图：点、线、xld等