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基础篇11-图像分割（上）--阈值的方法

news 2025/8/9 13:18:12

图像分割是图像处理的重要内容，是位于底层的图像处理、特征提取与上一层次的图像分析之间的关键步骤。图像分割的相关技术较多，分为三篇介绍。本节是上篇，介绍基于阈值的技术。

1 引言

图像分割是计算机视觉和图像处理中的核心任务之一，旨在将图像划分为多个具有特定意义的区域或对象。它是许多高级视觉任务（如目标检测、识别、跟踪等）的基础，直接影响后续处理的精度和效果。

图像分割的主要任务是将图像中的像素划分为不同的区域或对象，使得：同一区域内的像素具有相似的特征（如颜色、纹理、强度等）；不同区域之间的像素特征差异明显；分割结果与人类视觉感知一致，即分割边界符合实际对象的边界。

图像分割是计算机视觉中的基础任务，传统方法主要基于图像的底层特征，包括阈值法、边缘检测、区域生长、聚类、图论、形态学和能量泛函等。这些方法在特定场景下表现良好，但在复杂场景中可能受限于特征表达能力。随着深度学习的发展，基于神经网络的分割方法（如 FCN、U-Net 等）逐渐成为主流，但传统方法仍具有重要的理论和应用价值。

（1）基于阈值的分割

原理：根据像素的灰度值或颜色值设置一个或多个阈值，将图像分为不同的区域。
方法：全局阈值法（如 Otsu 算法）、局部阈值法（自适应阈值）
特点：简单高效，适用于背景和前景对比明显的图像。

（2）基于边缘的分割

原理：通过检测图像中的边缘（即像素值剧烈变化的位置）来划分区域。
方法：Canny 边缘检测、Sobel 算子、Prewitt 算子
特点：适合边缘清晰的图像，但对噪声敏感。

（3）基于区域的分割

原理：根据像素的相似性将图像划分为多个区域。
方法：区域生长法（从种子点开始，逐步合并相似像素）、分裂合并法（将图像不断分裂为子区域，再合并相似区域）
特点：适合纹理复杂的图像，但计算复杂度较高。

（4）基于聚类的分割

原理：将像素视为数据点，通过聚类算法（如 K-means）将像素分组。
方法：K-means 聚类、Mean Shift 聚类、
特点：适合颜色或纹理分布明显的图像，但对初始参数敏感。

（5）基于图论的分割

原理：将图像表示为图结构，利用图割算法（如 GraphCut）划分区域。
方法：GraphCut、GrabCut
特点：适合交互式分割，计算复杂度较高。

（6）基于形态学的分割

原理：利用形态学操作（如膨胀、腐蚀、开运算、闭运算）提取目标区域。
方法：形态学梯度、分水岭算法
特点：适合目标形状规则的图像，但对噪声敏感。

（7）基于能量泛函的分割

原理：通过最小化能量函数（如活动轮廓模型）来优化分割边界。
方法：主动轮廓模型（Snake 模型）、水平集方法（Level Set）
特点：适合目标边界复杂的情况，但计算复杂度高。

基础篇将重点介绍前三类方法。其他部分分割方法，将在应用篇介绍。

2 基于阈值的分割方法

基于阈值的图像分割是一种简单而高效的图像分割技术，广泛应用于图像处理领域。其核心思想是通过设置一个或多个阈值，将图像的像素根据灰度值或颜色值划分为不同的区域，从而实现目标与背景的分离。

基于阈值的分割方法可以根据阈值的选择方式分为：全局阈值法、局部阈值法（自适应阈值法）和多阈值法。

功能特性：

优点：简单高效：计算复杂度低，适合实时处理。易于实现：算法直观，参数少，易于理解和实现。适用性广：在背景和前景对比明显的场景中效果良好。
缺点：对噪声敏感：图像中的噪声可能导致分割结果不准确。依赖灰度分布：对于灰度分布重叠或光照不均匀的图像，分割效果较差。阈值选择困难：在某些复杂场景中，自动选择最佳阈值具有挑战性。