数字图像处理第5章图像分割与边缘检测课件.ppt
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1、第五章 图像分割第五章第五章 图像分割图像分割5.1 概述概述 5.2 灰度阈值法分割灰度阈值法分割5.3 区域生长法和区域分裂合并法区域生长法和区域分裂合并法5.4 边缘分割边缘分割第五章 图像分割5.1 概述概述 图像分割是将图像划分成若干个互不相交的小区域的过图像分割是将图像划分成若干个互不相交的小区域的过程,小区域是某种意义下具有共同属性的像素的连通集合。程,小区域是某种意义下具有共同属性的像素的连通集合。如不同目标物体所占的图像区域等。如不同目标物体所占的图像区域等。连通是指集合中任意两个点之间都存在着完全属于该集连通是指集合中任意两个点之间都存在着完全属于该集合的连通路径。对于离散
2、图像而言,连通有合的连通路径。对于离散图像而言,连通有4连通和连通和8连通连通之分。之分。第五章 图像分割v 4连通指的是从区域上一点出发,可通过连通指的是从区域上一点出发,可通过4个方向,即上、个方向,即上、下、左、右移动的组合,在不越出区域的前提下,到达区域下、左、右移动的组合,在不越出区域的前提下,到达区域内的任意像素。内的任意像素。图图5-1 4连通和连通和8连通连通 v 8连通方法指的是从区连通方法指的是从区域上一点出发,可通过左、域上一点出发,可通过左、右、上、下、左上、右上、右、上、下、左上、右上、左下、右下这左下、右下这8个方向的移个方向的移动组合来到达区域内的任动组合来到达区
3、域内的任意像素。意像素。第五章 图像分割图像分割有三种不同的途径:图像分割有三种不同的途径:v 将各像素划归到相应物体或区域的像素聚类方法将各像素划归到相应物体或区域的像素聚类方法,即区域即区域法;法;v 通过直接确定区域间的边界来实现分割的边界方法;通过直接确定区域间的边界来实现分割的边界方法;v 首先检测边缘像素,再将边缘像素连接起来构成边界形成首先检测边缘像素,再将边缘像素连接起来构成边界形成分割。分割。在图像分割技术中,在图像分割技术中,最常用的是利用阈值化最常用的是利用阈值化处理进行的处理进行的图像分割。图像分割。第五章 图像分割 5.2 灰度阈值法分割灰度阈值法分割 常用的图像分割
4、方法是把图像灰度分成不同的等级,然后常用的图像分割方法是把图像灰度分成不同的等级,然后用设置灰度门限用设置灰度门限(阈值阈值)的方法确定有意义的区域或分割物体的边的方法确定有意义的区域或分割物体的边界。常用的阈值化处理就是图像的二值化处理,即选择一阈值,界。常用的阈值化处理就是图像的二值化处理,即选择一阈值,将图像转换为黑白二值图像,用于图像分割及边缘跟踪等预处将图像转换为黑白二值图像,用于图像分割及边缘跟踪等预处理。理。图像阈值化处理的变换函数表达式为图像阈值化处理的变换函数表达式为 TyxfTyxfyxg),(255),(0),(第五章 图像分割 在图像的阈值化处理过程中,选用不同的阈值其
5、处理结果在图像的阈值化处理过程中,选用不同的阈值其处理结果差异很大。如图差异很大。如图5-3所示所示,阈值过大,会提取多余的部分;而阈阈值过大,会提取多余的部分;而阈值过小,又会丢失所需的部分值过小,又会丢失所需的部分(注意:目标、背景的颜色注意:目标、背景的颜色)。因。因此,阈值的选取非常重要。此,阈值的选取非常重要。图图5-3 不同阈值对阈值化结果的影响不同阈值对阈值化结果的影响(a)原始图像;原始图像;(b)阈值阈值T=91;(c)阈值阈值T=130;(d)阈值阈值T=43第五章 图像分割(a)原图原图 (b)阈值过高阈值过高 (c)阈值过低阈值过低 (d)正确分割正确分割 第五章 图像
6、分割图图5-4 图图5-3(a)所示图像的直方图所示图像的直方图 该直方图具有双峰特性,该直方图具有双峰特性,图像中的目标(细胞)分图像中的目标(细胞)分布在较暗的灰度级上形成布在较暗的灰度级上形成一个波峰,图像中的背景一个波峰,图像中的背景分布在较亮的灰度级上形分布在较亮的灰度级上形成另一个波峰。成另一个波峰。此时,用其双峰之间的谷此时,用其双峰之间的谷低处灰度值作为阈值低处灰度值作为阈值T进行进行图像的阈值化图像的阈值化处理,便可处理,便可将目标和背景分割开来。将目标和背景分割开来。第五章 图像分割5.2.1 判别分析法确定最佳阈值判别分析法确定最佳阈值 判别分析法确定最佳阈值的准则,是使
7、进行阈值处理后分判别分析法确定最佳阈值的准则,是使进行阈值处理后分离的像素类之间的类间方差最大。判别分析法只需计算直方图离的像素类之间的类间方差最大。判别分析法只需计算直方图的的0阶矩和阶矩和1阶矩,是图像阈值化处理中常用的自动确定阈值的阶矩,是图像阈值化处理中常用的自动确定阈值的方法。方法。设图像总像素数为设图像总像素数为N,灰度值为,灰度值为i的像素数为的像素数为Ni,则至灰度,则至灰度级级K的灰度分布的的灰度分布的0阶矩及阶矩及1阶矩分别定义为阶矩分别定义为 0阶矩:阶矩:KiiNNk0)(第五章 图像分割1阶矩:阶矩:KiiNNik0)(当当K=L-1时,时,(L-1)=1;(L-1)
8、T,T称为图像的平均称为图像的平均灰度。灰度。设有设有M-1个阈值:个阈值:0k1k2KM-1L-1。将图像分割成将图像分割成M个灰度值的类个灰度值的类Cj(Cjkj-1+1,kj;j=1,2,M;k0=0,kM=L),则各类),则各类Cj的发生概率的发生概率j和平均和平均值值j为为)()()()()()(111jjjjjjjjkkkkkk式中式中,(0)=0,(0)=0。第五章 图像分割由此可得各类的类间方差为由此可得各类的类间方差为 MjrjjMkkk121212)(),(将使上式的将使上式的2值为最大的阈值组值为最大的阈值组(k1,k2,kM1),作为,作为M值值化的最佳阈值组。若取化的
9、最佳阈值组。若取M为为2,即分割成,即分割成2类,则可用上述方类,则可用上述方法求出二值化的阈值。法求出二值化的阈值。第五章 图像分割5.2.2 p尾法确定阈值尾法确定阈值 p尾法仅适用于事先已知目标所占全图像百分比的场合。尾法仅适用于事先已知目标所占全图像百分比的场合。若一幅图像由亮背景和黑目标组成,已知目标占图像的若一幅图像由亮背景和黑目标组成,已知目标占图像的(100-p)%面积,则使得至少面积,则使得至少(100p)%的像素阈值化后匹的像素阈值化后匹配为目标的配为目标的最高灰度,最高灰度,将选作用于二值化处理的阈值。将选作用于二值化处理的阈值。第五章 图像分割 5.2.3 迭代方法迭代
10、方法 Ridler和和Calvard提出的用迭代的方法产生阈值得方法:提出的用迭代的方法产生阈值得方法:首先初始选择一个阈值首先初始选择一个阈值Th,通常可以选择图像的平均灰,通常可以选择图像的平均灰度值来作为初始阈值;度值来作为初始阈值;通过初始阈值通过初始阈值Th,把图像分成了两组,把图像分成了两组R1和和R2;计算这两组的平均灰度值计算这两组的平均灰度值m1和和m2;然后重新选择阈值然后重新选择阈值Th,新的,新的Th定义为:定义为:Th=(m1+m2)/2;循环做第二步到第四步,一直到两组的平均灰度值循环做第二步到第四步,一直到两组的平均灰度值m1和和m2不再发生改变,那么就获得了所需
11、的阈值不再发生改变,那么就获得了所需的阈值Th。第五章 图像分割5.2.4 三角形法三角形法 第五章 图像分割直方图是阈值分割方法的基础,因此基于直方图的处理和变直方图是阈值分割方法的基础,因此基于直方图的处理和变换,学者和研究人员进行了大量的研究。换,学者和研究人员进行了大量的研究。比如对直方图进行平滑,使得直方图小波动对阈值选取造成比如对直方图进行平滑,使得直方图小波动对阈值选取造成的影响减弱;或者对直方图施以某种变换,则可使得波峰尖的影响减弱;或者对直方图施以某种变换,则可使得波峰尖锐,波谷凹陷,也可以更清晰得到预期的阈值;也可将图像锐,波谷凹陷,也可以更清晰得到预期的阈值;也可将图像分
12、割成小块区域,对每一小块求直方图,并作阈值处理,如分割成小块区域,对每一小块求直方图,并作阈值处理,如果小方块的直方图不产生双峰,则该处的阈值可以通过邻接果小方块的直方图不产生双峰,则该处的阈值可以通过邻接方块的阈值作插值处理得到的方法来分割图像。方块的阈值作插值处理得到的方法来分割图像。基于直方图的分割方法获得了广泛的应用。但采用直方图阈基于直方图的分割方法获得了广泛的应用。但采用直方图阈值法基于象素灰度的,没有涉及到区域的连通性,因此在图值法基于象素灰度的,没有涉及到区域的连通性,因此在图像较为复杂的时候,阈值的选取往往会失败。像较为复杂的时候,阈值的选取往往会失败。第五章 图像分割5.3
13、 区域生长法和区域分裂合并法区域生长法和区域分裂合并法5.3.1 区域生长区域生长 分割的目的是把一幅图像划分成一些区域,分割的目的是把一幅图像划分成一些区域,最直接的方法就最直接的方法就是把一幅图像分成满足某种判据的区域,也就是说,是把一幅图像分成满足某种判据的区域,也就是说,把点组成区把点组成区域。为了实现分组,首先要确定区域的数目,其次要确定一个区域。为了实现分组,首先要确定区域的数目,其次要确定一个区域与其他区域相区别的特征,最后还要产生有意义分割的相似性域与其他区域相区别的特征,最后还要产生有意义分割的相似性判据。判据。第五章 图像分割v 区域生长法在用来分割图像的时候,首先需要选定
14、一些代区域生长法在用来分割图像的时候,首先需要选定一些代表不同区域的起始象素,称作生长点。然后从这些生长点出表不同区域的起始象素,称作生长点。然后从这些生长点出发,按照一定的规则,一般是检查它与周围象素发,按照一定的规则,一般是检查它与周围象素(或区域或区域)的的一致性,把那些通过一致性测试的象素一致性,把那些通过一致性测试的象素(或区域或区域)合并进来,合并进来,直到这些区域覆盖整个图像区域为止。直到这些区域覆盖整个图像区域为止。v 生长点的选取通常需要使用者指定,如果需要划分生长点的选取通常需要使用者指定,如果需要划分N个区个区域,那么每一区域域,那么每一区域Ri必须要有一个生长点必须要有
15、一个生长点Si,其中。区域生,其中。区域生长需要满足均一性准则,也即针对每一个将要划入长需要满足均一性准则,也即针对每一个将要划入Ri的象素的象素x,需要检查均一性准则是否成立:需要检查均一性准则是否成立:TRUExREi(第五章 图像分割生长点为生长点为6,第一次得到三个点,平均灰度值也变为,第一次得到三个点,平均灰度值也变为5.5;第二次;第二次则接收了满足一致性条件的灰度值为则接收了满足一致性条件的灰度值为7的象素,平均灰度值变为的象素,平均灰度值变为5.625;在经过三次生长后,平均灰度值也变为了;在经过三次生长后,平均灰度值也变为了5.45,因为区域,因为区域的邻接象素已经没有满足一
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