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1、1第第4章章 图像分割图像分割多媒体信息处理2主要内容n图像分割图像分割图像分割引言图像分割引言间断检测间断检测边缘连接和边界检测边缘连接和边界检测门限处理门限处理基于区域的分割基于区域的分割3图像分割引言n计算机处理图像的两个目的计算机处理图像的两个目的产生更适合人观察和识别的图像产生更适合人观察和识别的图像由计算机自动识别和理解图像由计算机自动识别和理解图像n图像分割是图像识别和图像理解的基础图像分割是图像识别和图像理解的基础图像预处理图像识别图像理解图像分割图像 图像分析系统的基本构成如下图图像分析系统的基本构成如下图：知识库知识库表示与描述表示与描述预处理预处理分割分割低级处理低级处理
2、高级处理高级处理中级处理中级处理识别识别与与解释解释结果结果图像获取图像获取问题问题在在该该系系统统中中，图图像像的的增增强强和和恢恢复复可可以以看看作作预预处处理理，其其输输入入、输输出出均均是是图图像像，它它是是传传统统的的图图像像处处理理的的内内容容。而而图图像像分分割割、特特征征提提取取及及结结构构分分析析等等称为图像识别，其输入是图像，输出是描述或解释。称为图像识别，其输入是图像，输出是描述或解释。图像分割引言5图像分割引言n图像分割的定义图像分割的定义图像分割是把图像分割成图像分割是把图像分割成互不交叠互不交叠的的有意义区域有意义区域，以便进一步的分析，分开的区域一般是图像中我以便
3、进一步的分析，分开的区域一般是图像中我们感兴趣的目标们感兴趣的目标n图像分割是基于目标或区域的特征进行的图像分割是基于目标或区域的特征进行的每个目标或区域由于某些特征的不同与其它区域每个目标或区域由于某些特征的不同与其它区域区别开来，边缘、纹理、形状、颜色等都是重要区别开来，边缘、纹理、形状、颜色等都是重要的特征的特征6图像分割引言n图像分割算法一般是基于亮度值的不连续性和图像分割算法一般是基于亮度值的不连续性和相似性相似性不连续性是基于亮度的不连续变化分割图像，称不连续性是基于亮度的不连续变化分割图像，称为基于边界的技术，如边缘检测为基于边界的技术，如边缘检测相似性是指根据不同的准则将图像分
4、割成相似的相似性是指根据不同的准则将图像分割成相似的区域，称为基于区域的技术，如阈值分割、区域区域，称为基于区域的技术，如阈值分割、区域生长、区域分裂和合并生长、区域分裂和合并图像分割的目的图像分割的目的把图像分解成构成它的部件和对象；把图像分解成构成它的部件和对象；有有选选择择性性地地定定位位感感兴兴趣趣对对象象在在图图像像中中的的位位置置和范围。和范围。从简到难，逐级分割从简到难，逐级分割控制背景环境，降低分割难度控制背景环境，降低分割难度注意力集中在感兴趣的对象，缩小不相干图像注意力集中在感兴趣的对象，缩小不相干图像成分的干扰。成分的干扰。图像分割的基本思路图像分割的基本思路提取轮廓提取
5、轮廓车牌定位车牌定位车牌识别车牌识别图像分割的基本策略：图像分割的基本策略：把像素按灰度划分到各个物体对应的把像素按灰度划分到各个物体对应的 区域中去；区域中去；确定存在于区域间的边界；确定存在于区域间的边界；先确定边缘像素点，然后将它们连接起来先确定边缘像素点，然后将它们连接起来 构成所需的边界；构成所需的边界；区域：像素的连通集区域：像素的连通集连通准则：连通准则：4-连通连通 8-连通连通4.图像分割的方法图像分割的方法1)基于边缘的分割方法基于边缘的分割方法:先提取区域边界，再确定边界限定的区域。先提取区域边界，再确定边界限定的区域。2)区域分割区域分割:确定每个像素的归属区域，从而形
6、成一个区域图。确定每个像素的归属区域，从而形成一个区域图。3)区域生长区域生长:将属性接近的连通像素聚集成区域。将属性接近的连通像素聚集成区域。4)分裂合并分割分裂合并分割:综合利用前两种方法，既存在图像的划分，又有综合利用前两种方法，既存在图像的划分，又有图像的合并。图像的合并。分割对象分割对象分割对象分割对象11图像分割引言12间断检测n间断检测是间断检测是基于图像像素灰度值的不连续性基于图像像素灰度值的不连续性进行进行图像分割图像分割点检测点检测线检测线检测边界检测边界检测n寻找间断最一般的方法是模板检测寻找间断最一般的方法是模板检测13间断检测n点检测点检测使用空域的高通滤波器来检测孤
7、立点，如果使用空域的高通滤波器来检测孤立点，如果 ，则认则认为在模板中心的位置检测到一个点，为在模板中心的位置检测到一个点，T是非负门限是非负门限孤立点：该点的灰度级与其背景的差异相当大，并且它孤立点：该点的灰度级与其背景的差异相当大，并且它所在的位置是一个均匀的或者近似均匀的区域所在的位置是一个均匀的或者近似均匀的区域基本思想：如果一个孤立点与它周围的点很不相同，则基本思想：如果一个孤立点与它周围的点很不相同，则很容易被上述模板检测到。在灰度级为常数的区域，模很容易被上述模板检测到。在灰度级为常数的区域，模板响应板响应R R为为0 014间断检测n点检测点检测R=(-1*10*8+8*100
8、)/9=720/9=80可以设置阈值可以设置阈值T=50若若R=0，则说明检测点与周围点像素值相同，则说明检测点与周围点像素值相同若若R T，则说，则说明检测点与周明检测点与周围点像素值非围点像素值非常的不同，为常的不同，为孤立点孤立点1010101010010101010图像图像-1-1-1-18-1-1-1-1模板15间断检测16间断检测n线检测线检测第一个模板对水平方向的线条（单像素宽）有更强的响应第一个模板对水平方向的线条（单像素宽）有更强的响应第二个模板对于第二个模板对于4545度方向线有最佳响应度方向线有最佳响应第三个模板对垂直线有最佳响应第三个模板对垂直线有最佳响应第四个模板对于
9、第四个模板对于-45-45度线有最佳响应度线有最佳响应每个模板系数相加总和为每个模板系数相加总和为0 0，保证了在灰度级恒定的区域，保证了在灰度级恒定的区域，模板响应为模板响应为0 0-1-1-1222-1-1-1水平模板水平模板-1-12-12-12-1-14545度模板度模板-12-1-12-1-12-1垂直模板垂直模板2-1-1-12-1-1-12-45-45度模板度模板17间断检测n线检测线检测通过典型模板计算值的比较，确定一个点是否在通过典型模板计算值的比较，确定一个点是否在某个方向的线上，以及当前图像的线性特征某个方向的线上，以及当前图像的线性特征用四种模板分别计算用四种模板分别计
10、算R1=24R2=0R3=0R4=011155511111155511111155511118间断检测图图一一为为原原图图像像，图图二二为为使使用用负负45度度检检测测器器处处理理后后的的结结果果（取取绝绝对对值值），图图三三为为满满足足阈阈值值条条件件的的所所有有点点，阈阈值值条条件件为为大大于于等等于于原原图图像像中中的的最最大值大值19间断检测n边缘检测边缘检测边缘是位于两个区域的边界线上的相连像素的集边缘是位于两个区域的边界线上的相连像素的集合合边缘可以通过计算局部微分算子来检测边缘可以通过计算局部微分算子来检测一阶导数：通过梯度来计算一阶导数：通过梯度来计算二阶导数：通过拉普拉斯算子
11、来计算二阶导数：通过拉普拉斯算子来计算理想数字边缘理想数字边缘 该该模模型型生生成成的的图图像像边边缘缘是一组相连的是一组相连的的的象象素素集集合合（垂垂直直方方向向上上），每个象素，每个象素都都处处在在灰灰度度跃跃变变的的一一个个垂垂直的台阶上。直的台阶上。间断检测 斜坡的斜率与边缘的模糊程度斜坡的斜率与边缘的模糊程度成正比。成正比。斜坡数字边缘斜坡数字边缘间断检测可可用用一一阶阶导导数数的的幅幅度度值值来来检检测测边边缘的存在。缘的存在。二二阶阶导导数数在在一一阶阶导导数数的的阶阶跃跃上上升升区区有有一一个个向向上上的的脉脉冲冲，而而在在一一阶阶导导数数的的阶阶跃跃下下降降区区有有一一个个
12、向向下下的的脉脉冲冲。这这2个个阶阶跃跃之之间间的的过过零零点点正正对应原图像中的边缘位置。对应原图像中的边缘位置。一阶导数的幅度峰值对应边缘位置，二阶导数的过零点对应边缘位置，二阶导数一阶导数的幅度峰值对应边缘位置，二阶导数的过零点对应边缘位置，二阶导数在过零点附近的符号确定边缘象素在图像边缘的暗区或明区。在过零点附近的符号确定边缘象素在图像边缘的暗区或明区。间断检测23间断检测左图第一列为原图像及其灰度级左图第一列为原图像及其灰度级第二列为一阶导数的图像显示及其值第二列为一阶导数的图像显示及其值第三列为二阶导数的图像显示及其值第三列为二阶导数的图像显示及其值从从上上向向下下的的四四行行分分
13、别别是是无无噪噪声声、轻轻微微噪噪声、中等噪声和严重噪声的情况声、中等噪声和严重噪声的情况一阶、二阶导数对噪声比较敏感，因此一阶、二阶导数对噪声比较敏感，因此图像受到噪声的干扰时，通过求导数不图像受到噪声的干扰时，通过求导数不能准确的检测边缘能准确的检测边缘间断检测n上图中第1列的图像分割显示了分割左右黑白区域的4个斜坡边缘的特写图。左上角的图像分割是无噪声的.第1列的其他3幅图分别被附加的零均值且标准差伟0.1,1.0和10.0灰度级的高斯噪声污染。每幅图像下面显示的图是穿过图像的水平扫描线的灰度级剖面线。n第2列图像是左边图像的一阶导数图像,在恒定的黑色和白色区域导数为零。这是在导数图像中
14、的两个黑色区域。不变化的斜坡导数是常量,大小等于斜坡的斜率。这个在导数图像中不变的区域用灰色表示。当我们将中心列向下移时,导数变得与无噪声情况时越来越不相同。这些例子很好地说明了导数对于噪声的敏感性。n第3列图像显示二阶导数对于噪声甚至更为敏感。二阶导数图像和剖面线清楚地说明了,实际检测这些图像中为正和为负的分量很困难,而这些分量是在边缘检测中非常有用的二阶导数特性。2425间断检测n边缘检测边缘检测梯度算子梯度算子函数函数f(x,y)在在(x,y)处的梯度为一个向量：处的梯度为一个向量：向量的大小：向量的大小：近似为：近似为：向量的方向向量的方向边缘在点边缘在点(x,y)处的方向与此点的梯度
15、向量方向垂直处的方向与此点的梯度向量方向垂直26间断检测n边缘检测边缘检测Robert交叉梯度算子交叉梯度算子特点：特点：与梯度算子检测边缘的方法类似，对噪声敏感，但效果较梯度与梯度算子检测边缘的方法类似，对噪声敏感，但效果较梯度算子略好。算子略好。27间断检测n边缘检测边缘检测Prewitt算子算子特点：特点：在检测边缘的同时，能抑止噪声的影响在检测边缘的同时，能抑止噪声的影响.28间断检测n边缘检测边缘检测Sobel算子算子特点：特点：对对4邻域采用带权方法计算差分；能进一步邻域采用带权方法计算差分；能进一步抑止噪声；但检测的边缘较宽。抑止噪声；但检测的边缘较宽。Sobel算子与算子与Pr
16、ewitt算子相比有较好的噪声抑制功能算子相比有较好的噪声抑制功能29间断检测n边缘检测边缘检测用于检测对角线方向上突变的用于检测对角线方向上突变的Prewitt和和Sobel模板模板30间断检测图图a原原图图像像，图图 b为为 x方方 向向梯梯 度度 图图 Gx，图图c为为y方方向向梯梯度度图图Gy，图图d为为完完整整梯梯度度图图Gx+Gy间断检测n上图说明了梯度的两个分量|Gx|和|Gy|的响应与这两个分量之和生成的梯度图像。(b)和(c)中两个分量的方向性是很明显的。特别注意,(b)中屋瓦,砖块的水平接缝和窗户的水平分段的图像是非常清晰的.与之形成对照的是(c)中表现出的垂直部分,诸如墙
17、附近的拐角,窗户的垂直部分,砖块的垂直接缝和图片右侧的街灯柱子。n原图分辨率相当高(12001600像素),且在图片摄取的距离上,墙砖对图像细节的影响仍十分显著。这种程度的细节通常是不符合要求的。减少这种影响的一种方法是对图像进行平滑处理。3132间断检测图图 e经经 过过 5X5均均值值滤滤波波后后的的原原图图像像，图图f为为x方方向向梯梯度度图图Gx，图图g为为y方方向向梯梯度度图图Gy，图图h为为完完整整梯梯度度图图Gx+Gy间断检测n图像e为对原图像a使用了一个55的均值滤波器进行平滑处理后结果。现在每个模板的相应几乎未显示出由砖块造成的影响,得到的结果几乎都是主要的边缘。注意取均值造
18、成所有的边缘相应都被削弱。na-h中明显显示出,水平和垂直Sobel模板对正负450方向边缘的反映几乎一样好。图i和j显示的是对角Sobel模板的绝对响应。在这幅图中,这些模板更强的对角响应是很明显的。两个对角模板对水平和垂直的边缘具有相似的相应,但正如所期望的那样,它们在这些方向上的响应比图(b)和图(c)中显示的Sobel模板在水平和垂直方向上的响应要弱。3334间断检测图图i为为使使用用用用于于检检测测45度度对对角角线线方方向向上上突突变的变的Sobel模板的结果模板的结果图图j为为用用于于检检测测负负45度度对对角角线线方方向向上上突突变变的的Sobel模板模板35间断检测n边缘检测
19、边缘检测拉普拉斯算子拉普拉斯算子图像函数图像函数f(x,y)的拉普拉斯变换为的拉普拉斯变换为36间断检测n边缘检测边缘检测拉普拉斯算子一般不以其原始形式用于边缘检测拉普拉斯算子一般不以其原始形式用于边缘检测的原因是的原因是拉普拉斯算子对噪声非常敏感拉普拉斯算子对噪声非常敏感拉普拉斯算子的幅值产生双边缘拉普拉斯算子的幅值产生双边缘不能检测边缘的方向不能检测边缘的方向拉普拉斯算子在分割中的作用拉普拉斯算子在分割中的作用利用它的零交叉性质进行边缘定位利用它的零交叉性质进行边缘定位确定一个像素在边缘暗的一边还是亮的一边确定一个像素在边缘暗的一边还是亮的一边37间断检测n边缘检测边缘检测Laplacia
20、n算子和平滑算子和平滑Gaussian滤波器进行结合来滤波器进行结合来进行边缘检测进行边缘检测38间断检测n边缘检测边缘检测高斯型拉普拉斯算子高斯型拉普拉斯算子高斯函数的目的是对图像进行平滑高斯函数的目的是对图像进行平滑拉普拉斯算子的目的是提供一幅用零交叉确定边缘位置拉普拉斯算子的目的是提供一幅用零交叉确定边缘位置的图像的图像图像的平滑处理减少了噪声的影响图像的平滑处理减少了噪声的影响39间断检测LoG检测结果检测结果Sobel算子检测结果算子检测结果LoG图像阈值图像阈值分割的结果分割的结果零交叉点零交叉点40间断检测n边缘检测边缘检测拉普拉斯算子和拉普拉斯算子和Sobel算子比较算子比较缺
21、点缺点v边缘由许多闭合环的零交叉点决定边缘由许多闭合环的零交叉点决定v零交叉点的计算比较复杂零交叉点的计算比较复杂优点优点v零交叉点图像中的边缘比梯度边缘细零交叉点图像中的边缘比梯度边缘细v抑制噪声的能力和抗干扰能力比梯度算子强抑制噪声的能力和抗干扰能力比梯度算子强结论：梯度算子用的更多结论：梯度算子用的更多41间断检测n边缘检测边缘检测边缘检测的边缘检测的Matlab函数函数BW=edge(I,sobel)BW=edge(I,prewitt)BW=edge(I,roberts)BW=edge(I,log)BW=edge(I,zerocross,thresh,h)间断检测nCanny算子算子1
22、986 年，年，Canny 提出了边缘检测算子应满足以下提出了边缘检测算子应满足以下3 个判断个判断准则：信噪比准则，定位精确度准则，单边缘响应准则，准则：信噪比准则，定位精确度准则，单边缘响应准则，并推导出了并推导出了Canny 算子。算子。实现步骤有四个子过程：实现步骤有四个子过程：第一步首先用二维高斯函数的一阶导数对图像进行平滑第二步用22 邻域一阶偏导的有限方差来计算平滑后的数据阵列I(x,y)的梯度幅值和梯度方向第三步，为了精确定位边缘，必须细化梯度幅值图像M(i,j)中的屋脊带，只保留幅值局部变化最大的点，这一过程称为非极大值抑制最后在第四步，对经过非极大值抑制的数据阵列N(i,j
23、)分别使用高、低2 个阈值h 和l分割图像，得到两个阈值边缘图像42间断检测nCanny算子的优缺点算子的优缺点该算法有较好的抑制噪声的能力，可以较完整的该算法有较好的抑制噪声的能力，可以较完整的检测出边缘。检测出边缘。但比传统边缘微分算子复杂，运算速度慢。另外，但比传统边缘微分算子复杂，运算速度慢。另外，Canny 算子的双阈值是根据全局特征信息来决定算子的双阈值是根据全局特征信息来决定的，这导致了一方面无法消除局部噪声干扰，另的，这导致了一方面无法消除局部噪声干扰，另一方面又会丢失灰度值变化缓慢的局部边缘。一方面又会丢失灰度值变化缓慢的局部边缘。可以通过改进双阈值的选取算法提高可以通过改进
24、双阈值的选取算法提高Canny 算子算子的边缘检测性能。的边缘检测性能。43间断检测44间断检测4546边缘连接和边界检测n边缘连接边缘连接由于噪声、不均匀照明等原因产生边缘间断，使由于噪声、不均匀照明等原因产生边缘间断，使得到的一组像素很少能完整地描绘一条边缘得到的一组像素很少能完整地描绘一条边缘典型的做法是在使用边缘检测算法之后，使用连典型的做法是在使用边缘检测算法之后，使用连接过程将边缘像素组合成有意义的边缘接过程将边缘像素组合成有意义的边缘局部处理局部处理47边缘连接和边界检测n局部处理局部处理分析图像中每个边缘点分析图像中每个边缘点(x,y)(x,y)的的一个邻域内的像素一个邻域内的
25、像素，根据某种准则将根据某种准则将所有相似点所有相似点进行连接，由满足该进行连接，由满足该准则的像素连接组成的一条边缘，称为边缘连接，准则的像素连接组成的一条边缘，称为边缘连接，又称为边缘跟踪。又称为边缘跟踪。连接原则连接原则比较两个边缘点梯度算子比较两个边缘点梯度算子的响应强度和梯度方向来确的响应强度和梯度方向来确定两个点是否属于一条边定两个点是否属于一条边点点(x(x,y,y)点点 (x,y)(x,y)48边缘连接和边界检测n局部处理局部处理比较边缘像素的梯度算子的响应强度比较边缘像素的梯度方向比较边缘像素的梯度方向比较梯度向量的方向角当梯度值和方向角都是相似的，则点(x,y)，与边点界(
26、x,y)是连接的。如果，则点(x,y)与其邻域内的点如果，则点(x,y)与其邻域内的点(x,y)的梯度响应强度相似(x,y)的梯度方向相似连接算法步骤491）设设定定A、T的的阈阈值值大大小小，确确定定邻邻域的大小；域的大小；2）对对图图像像上上每每一一个个像像素素的的邻邻域域点点进行分析，判断是否需要连接；进行分析，判断是否需要连接；3）记记录录像像素素连连接接的的情情况况，另另开开一一个个空空间间，给给不不同同的的边边以以不不同同的的标标记；记；4）删删除除孤孤立立线线段段，连连接接断断开开的的线线段。段。点点(x(x,y,y)点点(x,y)(x,y)50边缘连接和边界检测n局部处理局部处
27、理如果梯度算子的响应强度和梯度方向都是相似的，如果梯度算子的响应强度和梯度方向都是相似的，则边缘点则边缘点(x,y)(x,y)和和(x,y)是连接的是连接的边缘连接光栅扫描跟踪n边缘跟踪的方法很多，常见的有边缘跟踪的方法很多，常见的有光栅跟踪光栅跟踪和和轮轮廓跟踪廓跟踪n光栅扫描跟踪光栅扫描跟踪光栅扫描跟踪是一种采用电视光栅行扫描顺序对遇到的像素进行分析，从而确定是否为边缘的跟踪方法。光栅跟踪方法的基本思想是先利用检测准则确定和接受对象点，然后根据被接受的对象点和跟踪准则确定并接受新的对象点，最后将所有标记为1 且相邻的对象点联接起来就得到了检测到的细曲线。51边缘连接光栅扫描跟踪n使用光栅跟
28、踪方法，需要遵循下面的三个准则使用光栅跟踪方法，需要遵循下面的三个准则参数准则：需要事先确定检测阈值d、跟踪阈值t，且要求dt；检测准则：对图像逐行扫描，将每一行中灰度值大于或等于检测阈值d 的所有点（称为接受对象点）记为1；跟踪准则：设置位于第i 行的点(i,j)为已接受的对象点，如果位于第i+1 行上的相邻点(i+1,j1)、(i+1,j)和(i+1,j+1)的灰度值大于或等于跟踪阈值t，就将其接受为新的对象点，并记为1。52边缘连接光栅扫描跟踪具体步骤具体步骤(1)确定一个较大的阈值d为检测阈值，把高于该阈值的像素作为对象点。(2)选择一个较低的阈值t 作为跟踪阈值，且要求td，该阈值可
29、以根据不同准则来选择；可选择灰度差、梯度方向、对比度等作为跟踪阈值。(3)从第一行起用检测阈值d 逐行对图像进行扫描，依次将灰度值大于或等于检测阈值d 的点的位置记为1。(4)确定跟踪邻域，如下图中选取的(i+1,j1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)。(5)从第二行起逐行扫描图像，若图像中的(i,j)点为对象点，则在第i+1 行上找该点跟踪邻域中灰度差小于或等于跟踪阈值t 的邻点，并确定为新的对象点，将相应位置记为1。(6)对于已检测出来的某个对象点，进行跟踪结束、分支和合并的处理。如果某个对象点（由于步骤(3)的原因产生的对象点）在上一行的对应邻域中没有对象点，则说明一条新的曲线可开始
30、。(7)重复(5)、(6)这两个步骤，直至图像中最末一行被扫描完为止。5354边缘连接光栅扫描跟踪55边缘连接光栅扫描跟踪n光栅跟踪的优缺点光栅跟踪的优缺点光栅扫描跟踪法是一种简单的利用局部信息、通光栅扫描跟踪法是一种简单的利用局部信息、通过扫描的方式将边缘点连接起来的方法。过扫描的方式将边缘点连接起来的方法。该跟踪算法采用电视光栅行扫描顺序对遇到的像该跟踪算法采用电视光栅行扫描顺序对遇到的像素进行分析，从而确定其是否为边缘。由于光栅素进行分析，从而确定其是否为边缘。由于光栅扫描跟踪和扫描方向有关，因此最好沿其他方向扫描跟踪和扫描方向有关，因此最好沿其他方向再跟踪一次。再跟踪一次。56边缘连接
31、轮廓跟踪法n一种适用于黑白二值图像的图像分割方法，而且轮廓跟踪改一种适用于黑白二值图像的图像分割方法，而且轮廓跟踪改变了光栅跟踪中扫描方向的单一的缺点，跟踪方向可以是任变了光栅跟踪中扫描方向的单一的缺点，跟踪方向可以是任意方向，并且有足够大的跟踪距离。意方向，并且有足够大的跟踪距离。n轮廓跟踪是改变了邻域定义和跟踪准则的一种二值图像的光轮廓跟踪是改变了邻域定义和跟踪准则的一种二值图像的光栅跟踪法。栅跟踪法。n算法的具体步骤算法的具体步骤(1)在靠近边缘处任取一起始点，然后按照每次只前进一步，步距为一在靠近边缘处任取一起始点，然后按照每次只前进一步，步距为一个象素的原则开始跟踪；个象素的原则开始
32、跟踪；(2)当跟踪中的某步是由白区进入黑区时，以后各步向左转，直到穿出当跟踪中的某步是由白区进入黑区时，以后各步向左转，直到穿出黑区为止；黑区为止；(3)当跟踪中的某步是由黑区进入白区时，以后各步向右转，直到穿出当跟踪中的某步是由黑区进入白区时，以后各步向右转，直到穿出白区为止；白区为止；(4)当围绕目标边界循环跟踪一周回到起点时，则所跟踪的轨迹便是目当围绕目标边界循环跟踪一周回到起点时，则所跟踪的轨迹便是目标的轮廓；否则，应继续按标的轮廓；否则，应继续按(2)和和(3)的原则进行跟踪。的原则进行跟踪。57边缘连接轮廓跟踪法584 图像阈值分割图像阈值分割原理原理 取取阈阈值值是是一一种种广广
33、泛泛使使用用的的图图像像分分割割技技术术，通通过过对对灰灰度度取取阈阈值值后后得得到到的的图图像像，各各个个区区域域可可以以分分离离开开，但但要要将将目目标标提提取取出出来来，还还需需要要将将各各区域识别标记。区域识别标记。图像阈值分割 阈值分割法的基本思想：阈值分割法的基本思想：（边界上的点的灰度值出现次数较少）（边界上的点的灰度值出现次数较少）确定一个合适的阈值确定一个合适的阈值T（阈值选定的好坏是此方法成败的（阈值选定的好坏是此方法成败的关键）。关键）。将大于等于阈值的像素作为物体或背景，生成一个二值图将大于等于阈值的像素作为物体或背景，生成一个二值图像。像。nIf f(x,y)T se
34、t 255nElse set 0阈阈值值分分割割法法的的特特点点：适适用用于于物物体体与与背背景景有有较较强强对对比比的的情情况况，重重要要的的是是背背景景或或物物体体的的灰灰度度比比较较单单一一。（可可通通过过先先求求背背景景，然然后后求求反反得得到到物物体体）这这种种方方法法总总可可以以得得到到封封闭闭且且连通区域的边界。连通区域的边界。61门限处理n门限处理基础门限处理基础根据门限根据门限T的不同，可分为全局门限、局部门限、自适应的不同，可分为全局门限、局部门限、自适应门限门限全局门限全局门限:T=Tf(x,y)T仅取决于仅取决于f(x,y)，整幅图像采用单一门限整幅图像采用单一门限局部
35、门限局部门限:T=Tf(x,y),p(x,y)T仅取决于仅取决于f(x,y)和和p(x,y)，p(x,y)表示点表示点(x,y)的局部性质的局部性质不同局部区域采用不同门限不同局部区域采用不同门限自适应门限自适应门限:T=Tx,y,f(x,y),p(x,y)T取决于空间坐标取决于空间坐标x和和y每个像素点的门限随像素的点的特性而变化每个像素点的门限随像素的点的特性而变化62门限处理n基本全局门限基本全局门限通过对图像逐像素扫描，将灰度级大于阈值的像通过对图像逐像素扫描，将灰度级大于阈值的像素标记为对象，将灰度级小于阈值的像素标记为素标记为对象，将灰度级小于阈值的像素标记为背景背景全局门限的确定
36、全局门限的确定试探法试探法自动确定自动确定经典的全局阈值分割方法经典的全局阈值分割方法63门限处理64门限处理n基本全局门限基本全局门限自动确定门限的算法自动确定门限的算法选择一个选择一个T T的初始估计值的初始估计值用用T T分割图像，分割图像，G G1 1由所有灰度值大于由所有灰度值大于T T的像素组成，的像素组成，G G2 2由由所有小于或等于所有小于或等于T T的像素组成的像素组成对区域对区域G G1 1和和G G2 2中的所有像素计算平均灰度值中的所有像素计算平均灰度值1 1和和2 2计算新的门限值计算新的门限值T=(T=(1 1+2 2)/2)/2重复步骤重复步骤2 2到到4 4，
37、直到逐次迭代得到的，直到逐次迭代得到的T T值之差小于事先值之差小于事先定义的参数定义的参数T T0 065门限处理66门限处理基本全局门限基本全局门限经典全局阈值分割方法n经典全局阈值分割方法经典全局阈值分割方法p-分位数法分位数法迭代法迭代法最大类间方差法最大类间方差法熵阈值法熵阈值法最小误差法最小误差法二维二维Otsu 阈值分割法阈值分割法二维熵阈值分割法二维熵阈值分割法67经典全局阈值分割方法np-分位数法分位数法基本原理是根据先验知识，得到目标与背景像素的先验概率比例，再根据此条件依次累计灰度直方图，直到累计值大于或等于该比例数，此时的灰度值即最佳阈值。该算法简单，有一定的抗噪声能力
38、，但对于一些复杂图像的先验概率比较难求得，不适用于所有图像。n迭代法迭代法基本原理是选取图像的平均灰度T0为初始阈值，然后用T0 将图像的像素点分作两部分，计算两部分各自的平均灰度之间的中点T1，将T1 作为新的全局阈值代替T0，重复以上过程，如此迭代，直至阈值收敛。当图像的灰度直方图双峰不明显，图像目标和背景比例差异悬殊时，迭代法的分割效果不理想。68经典全局阈值分割方法n最大类间方差法最大类间方差法最大类间方差法是Otsu 于1978 年提出的，是应用最广泛的阈值分割法之一。其中o 为目标的概率，o 为目标的平均灰度值，b 为背景的概率，b 为背景的平均灰度值。n熵阈值法熵阈值法基本思想都
39、是利用图像的灰度分布密度函数定义图像的信息熵，根据假设或者视角的不同提出不同的熵准则，最后通过优化该准则得到最佳阈值，其中以Kapur 等人提出的熵准则最为有名，又称为KSW 熵法。n最小误差法最小误差法最小误差法来源于Bayes 的最小误差分类方法，其原理是选择一个合适的阈值，使目标错分到背景和背景错分到目标的误差概率总和达到最小，此时的阈值即为最佳阈值。69 设设图图像像由由目目标标和和背背景景两两部部分分组组成成，目目标标的的灰灰度度分分布布概概率率密密度度为为po(r)，而而背背景景的的灰灰度度分分布布概概率率密密度度为为pb(r)，同同时时设设目目标标占占整整个个画画面面的的百百分分
40、比比为为q q，则则背背景景占占1-1-q q。若取阈值为。若取阈值为t t，则：，则：t tr rpo(r)pb(r)将背景点误判为物体点的误判概率为：将背景点误判为物体点的误判概率为：将物体点误判为背景点的误判概率为：将物体点误判为背景点的误判概率为：注意到上式右端第二项恰好是灰度小于注意到上式右端第二项恰好是灰度小于 t 的背景点出现的总概率的背景点出现的总概率Pb(t)，故：，故：因此总的误判概率为：因此总的误判概率为：最小误差法最佳阈值最佳阈值 我我们们的的目目标标是是求求出出最最佳佳阈阈值值 t，使使总总的的误误判判概概率率最最小小，可可以以将将上上述述误误判判函函数对数对 t 求
41、导，并令其为零，故有：求导，并令其为零，故有：或写成：或写成：若已知背景和目标的灰度概率密度，可以利用数值方法求出最佳阈值。若已知背景和目标的灰度概率密度，可以利用数值方法求出最佳阈值。设目标区和背景区灰度的均值分别为设目标区和背景区灰度的均值分别为 m mo 和和 m mb，均方差分别为，均方差分别为 s so和和 s sb，则：，则：代入上述总误判概率表达式，并取对数得：代入上述总误判概率表达式，并取对数得：经化简，此方程具有以下形式：经化简，此方程具有以下形式：其中：其中：因此可以通过求解二次方程，求出两个根因此可以通过求解二次方程，求出两个根 t1和和 t2，并选取合理的结果。，并选取
42、合理的结果。73基于区域的分割n基本公式基本公式分割的目标是将图像划分为不同的区域分割的目标是将图像划分为不同的区域令令R表示整幅图像，可以将分割看成是将表示整幅图像，可以将分割看成是将R划分划分为为n个子区域的过程，个子区域的过程，n个子区域满足以下条件个子区域满足以下条件完备性：完备性：连通性：每个连通性：每个Ri都是一个连通区域都是一个连通区域独立性：独立性：单一性：单一性：互斥性：互斥性：区域增长法区域增长法 通过象素聚合的区域增长法是最基本的区域分割技术。根据通过象素聚合的区域增长法是最基本的区域分割技术。根据事先定义的准则将象素或子区域聚合成更大区域的过程。事先定义的准则将象素或子
43、区域聚合成更大区域的过程。区域生长的三个问题：区域生长的三个问题：种子：进行生长的起点。种子：进行生长的起点。相似性准则：确定增长的规则。相似性准则：确定增长的规则。终止规则：考虑区域大小、形状、相似性等因素。终止规则：考虑区域大小、形状、相似性等因素。75基于区域的分割n区域生长区域生长算法实现算法实现根据图像的不同应用选择一个或一组种子根据图像的不同应用选择一个或一组种子选择一个条件选择一个条件从该种子开始向外扩张，首先把种子像素加入集合，然从该种子开始向外扩张，首先把种子像素加入集合，然后不断将与集合中各个像素连通、且满足给定条件的像后不断将与集合中各个像素连通、且满足给定条件的像素加入
44、集合素加入集合上一过程进行到不再有满足条件的新像素点加入集合为上一过程进行到不再有满足条件的新像素点加入集合为止止76基于区域的分割单连接区域增长方法：单连接区域增长方法：1.对图像进行光栅扫描，求出不属于任何区域的象素（对图像进行光栅扫描，求出不属于任何区域的象素（根据根据 图像的不同应用图像的不同应用选择一个或一组种子选择一个或一组种子，它或者是最亮或最暗，它或者是最亮或最暗 的点，或者是位于点簇中心的点。）；的点，或者是位于点簇中心的点。）；2.将将该该点点的的灰灰度度值值与与其其邻邻域域内内不不属属于于任任何何一一个个区区域域的的 象象素素灰灰度度值值比比较较，如如果果其其差差的的绝绝
45、对对值值小小于于某某个个设设定定的的门门限限值值，就就把把它它们合并为同一区域；们合并为同一区域；3.对新合并的象素，重复（对新合并的象素，重复（2）的操作；）的操作；4.反复进行（反复进行（2）（）（3）的操作，直到不能再增加为止；）的操作，直到不能再增加为止；5.返回至（返回至（1），重新寻找能为新区域出发点的象素。），重新寻找能为新区域出发点的象素。例：设有一数字图像，如图所示。检测灰度为例：设有一数字图像，如图所示。检测灰度为9，平均灰度均匀测，平均灰度均匀测 度度量的阈值为度度量的阈值为2，采用区域增长技术对图像进行分割，采用区域增长技术对图像进行分割。126461568558976
46、57858567831264615685589765785856783(8988)/4=8.25(8+8+9+7+7+8+7+8)/8=7.758877768868666(6+6+6+8+8+9+7+6+7+8+8+6+7+8)/14=7.14判判断断准准则则是是：如如果果某某像像素素(种种子子点点8邻邻域域内内)与与种种子子像像素素的的灰灰度度值值差差的的绝绝对对值值小小于门限于门限T，则将该像素纳入种子像素所在的区域，则将该像素纳入种子像素所在的区域(8+7+8+7+8)/5=7.679基于区域的分割n区域生长区域生长1个种子像素已用深底色标出，画出个种子像素已用深底色标出，画出T=3的区
47、域生长结果。的区域生长结果。1110 14 17 151110 14 17 17101115 15 1512 10 15 16 1512 12 15 16 1480基于区域的分割81基于区域的分割n区域分裂和合并区域分裂和合并图像的四叉树表示区域的分裂与合并是将图像分割为一系列不相交的、一致性较强的小区域，然后再按照一定的规则对小区域进行拆分或聚合，最终达到图像分割的目的。区域分裂与合并不需设置“种子”点，只需给定相似测度和同质测度，如果两个相邻子区域满足相似测度，则将其合并；如果子区域不满足同质测度，则将其拆分。分开分开-合并区域方法合并区域方法 如如果果只只进进行行分分开开操操作作，最最后
48、后的的分分区区可可能能会会包包含含具具有有相相同同性性质质的的相相邻邻区区域域。这这种种缺缺陷陷可可以以通通过过再再进进行行拆拆分分的的同同时时也也允允许许区区域域聚聚合合来来矫矫正正。并并逐逐步步改改善善区区域域划划分分的的性性能能，直直到到最最后后将将图图象象分分成成数量最少的均匀区域为止。数量最少的均匀区域为止。区域分割83基于区域的分割n区域分裂和合并的基本步骤区域分裂和合并的基本步骤（1）确定均匀性测试准则，将原始图像构造成四叉树数据结构；（2）将图像四叉树结构中的某一中间层作为初始的区域划分。如果对任何区域满足分裂准则，则把区域 分裂成4 个子区域。（3）如果对任一恰当的四个子区域
49、满足合并准则，则将这四个区域合并成一个区域；（4）如果有不同大小的两个相邻区域I 满足合并准则，则合并这两个区域；（5）重复上述操作，直到不可再分或再合为止。6.4.2 分开合并区域方法分开合并区域方法例：有一例：有一 88 图像，以小区平均灰度值与该区内的四个值中图像，以小区平均灰度值与该区内的四个值中任一之差小于等于任一之差小于等于 5 作为合并准则，来完成对图像分割。作为合并准则，来完成对图像分割。6.4.2 分开合并区域方法分开合并区域方法86基于区域的分割n区域分裂和合并的常用的准则区域分裂和合并的常用的准则同一区域中最大灰度值与最小灰度值之差或方差小于某选定的阈值；两个区域的平均灰度值之差及方差小于某个选定的阈值；两个区域的灰度分布函数之差小于某个选定的阈值；两个区域的某种图像统计特征值的差小于等于某个阈值。87小结n图像分割图像分割图像分割引言图像分割引言间断检测间断检测点检测点检测线检测线检测边缘检测边缘检测边缘连接和边界检测边缘连接和边界检测局部处理局部处理门限处理门限处理:基本全局门限基本全局门限基于区域的分割基于区域的分割:区域生长区域生长