計算機圖像分割技術研究現(xiàn)狀概述論文
摘 要：圖像分割是圖像處理到圖像分析重要的步驟，同時也是一個經典難題。自20世紀70年代起，研究者們就一直高度重視圖像分割，并已經提出上百種分割方法，但至今沒有一種通用的方法。本文從傳統(tǒng)和新型角度出發(fā)，整理和分析了大量的研究文獻，具體介紹基于區(qū)域、邊界、特定理論的分割方法。
1 圖像分割概念
圖像分割，就是將一副圖像通過一定的方法分割成不同的區(qū)域，同一區(qū)域表現(xiàn)出相同或相似的特征，如灰度、顏色、紋理等，而不同的區(qū)域之間有明顯的差異。簡單地說，就是從一副圖像的背景中分離出目標[1]。圖像分割在很多領域都有著非常廣泛的應用，并涉及不同類型的圖像。
2 圖像分割的基本表達
設集合 表示一副圖像占據(jù)的整個空間區(qū)域， 是定義在集合 的點上的一個邏輯屬性，對 分成滿足下列條件的非空子集區(qū)域 ：
由以上基礎知識，我們可以把圖像分割的方法分為基于區(qū)域、邊界、特定理論的方法。在生活應用中，圖像分割根據(jù)以上五個準則，把感興趣的目標區(qū)域提取出來。
3 基于區(qū)域的分割方法
這種方法就是將一副圖像分割成多個區(qū)域，將區(qū)域內特征相似的歸為一類，使區(qū)域內像素都滿足于灰度、形狀等特征的一種相似性準則。
3.1 閾值法
閾值法已是研究者們極為常用的分割方法，由于圖像在灰度特性上目標和背景總有差別，通常我們把一幅圖像看作具有不同灰度級的區(qū)域組合，再選取一個適合的閾值，就能判斷像素點是屬于目標還是背景區(qū)域，從而生成對應的二值圖像。由此可見，閾值法不僅處理直觀，實現(xiàn)簡單，而且計算速度快。
3.1.1 直方圖閾值分割
一副圖的灰度級取值范圍為 ，設灰度級 的像素數(shù)為 ，則一副圖像的總像素 為： ，灰度級 出現(xiàn)的概率定義為: 。
灰度直方圖是一種二維關系，即像素數(shù) 與灰度 ，它表示的是一種統(tǒng)計特性，這種方法是將像素灰度作為屬性的基礎。
Prewitt在20世紀60年代中期，提出了直方圖雙峰法，即當直方圖出現(xiàn)雙峰狀時，選取兩峰的谷底所對應的值當作閾值。Doyle提出的Ptile法是早期的基于灰度直方圖的自動閾值選擇方法，該方法計算簡單，抗噪聲性能較好。
3.1.2 類間方差閾值分割
最大類間方差法是由Ostu提出的，它的推導是在判斷分析最小二乘法原理的基礎上得出的，該算法較為簡單，是一種被廣為關注的閾值選取方法，這種方法被認為是閾值分割中的經典算法。
3.1.3 最大熵閾值分割
最大熵閾值分割，是最重要的閾值法之一，該方法減少了人的主觀參與，對于最佳閾值的選取不依賴于人的主觀判斷，而是利用計算機的自動選取。P·Sahoo[2]等人提出了用Renyi熵代替常規(guī)熵的最大熵原則，該方法提高了計算機閾值選取的速度。
3.1.4 模糊閾值分割
1983年Pal等人提出模糊閾值分割，它是以模糊數(shù)學為理論依據(jù)，將圖像看成一個模糊陣列，在選取閾值的時候，要計算圖像的模糊率或模糊熵。
3.2 區(qū)域增長法和分裂合并區(qū)域方法
3.2.1 區(qū)域增長法
作為區(qū)域分割的方法，最基本的是區(qū)域增長法。這種方法是預先定義我們需要的性質，從一組“種子”點開始，將與定義的性質相似的像素添加到種子上，形成生長區(qū)域(如特定范圍的灰度或顏色)。這種方法的特點為將處理過程分解為多個順序步驟，前面步驟的.處理結果得到判斷后才能進行后面步驟的處理。
3.2.2 分裂合并法
該方法的思想是通過分裂的條件把一副圖像分割成不同的區(qū)域，再定義合并的規(guī)則使區(qū)域完成合并，從而實現(xiàn)對區(qū)域分割的目的。
Horowtiz和Pavlids[4]最早用這種方法分割圖像，開始使用的均勻性測試準則是每塊圖像區(qū)域中極大與極小值之差是否在允許的偏差范圍，后來又發(fā)展到用統(tǒng)計檢驗和模型擬合等。該方法對復雜圖像能產生較好的分割結果，但算法較復雜，計算量較大。
4 基于邊界的分割方法
由于不同的區(qū)域像素灰度會呈現(xiàn)出不連續(xù)，該方法就是利用這種特點，檢測出這些區(qū)域的邊緣，再通過一定的準則將它們連成邊界，把圖像分成不同的區(qū)域，這樣就實現(xiàn)了圖像分割。
4.1 微分算子法
圖像內不同區(qū)域之間總有邊緣，邊緣處像素灰度值具有不連續(xù)性，正因為這種不連續(xù)性，我們能通過求導數(shù)來檢測到。我們在實際工作中，常用的一階微分算子有Roberts、Sobel、Prewitt邊緣算子，二階微分算子有Laplacian和Kirsh算子等。微分算子法的優(yōu)點是速度較快、計算簡單，不過也有一定的缺點那就是對噪聲的干擾比較敏感。
4.2 邊界追蹤法
這種方法是從二值圖的一邊緣點出發(fā)，其目標和背景點分別標為1和0，一次搜索并鏈接相鄰邊緣點，從而實現(xiàn)對圖像邊界的檢測。按順時針方向進行，采用合理的搜索機理，按照搜索的完結條件完成邊界的追蹤，最終實現(xiàn)邊緣的提取。
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