数字图像 第七章-图像分割与特征提取

图像分割和特征提取技术研究摘要图像分割是图像分析的第一步，是图像理解的重要组成部分，在有关图像处理的几乎所有领域具有广泛的应用。

因此，图像分割一直受到高度重视，对其研究具有十分重要的意义。

长期以来，研究人员提出了许多实用的分割算法。

随着统计学理论，神经网络，小波理论等在图像分割中的应用日益广泛，遗传算法、尺度空间、非线性扩散方程等近期涌现的新方法和新思想也不断被用于解决分割问题，许多国内外学者也针对一些具体应用提出了许多实用有效的方法。

本文介绍了数字图像处理技术中图像分割技术的基本理论和三种图像分割方法(1)基于阈值图像分割；(2)基于边缘检测及算子分割；(3)基于区域特性的图像分割。

对基于点的分割方法进行了较全面的叙述，主要研究了图像分割方法中的边缘检测法，区域提取法和阈值分割法。

通过大量的理论研习。

并编写了MATLAB软件程序，对各分割方法进行了仿真实验，得到分割图像。

最后对于仿真进行了数据处理分析，验证了Canny算子的整体效果最好, Prewitt算子分割细致。

但对于一幅图像仅仅只有只用一种方法达不到很好的效果，而根据待分割图象的不同特点，结合已知的先验知识，研究符合具体图象特性的分割模型，才是提高图象分割的重要手段。

关键词：图像分割；边缘法；区域法；阈值法；分水岭分割法Lmage Segmentation And Feature ExtractionTechnology ResearchAbstractImage segmentation is the first step in image analysis, image segmentation is an important component of image understanding, in almost all areas of the image processing has widely application. As a result, image segmentation has been attached great importance to, its research has the very vital significance. For a long time,researchers put forward many practical segmentation algorithm. With statistics theory, the neural network, wavelet theory has been used increasingly in image segmentation, such as genetic algorithm, scale space, and nonlinear diffusion equation with the recent emergence of new methods and new ideas are constantly being used to solve the segmentation problem, many scholars at home and abroad for some specific application put forward many practical and effective method.Digital image processing techniques were introduced in This paper introduces the digital image processing technology of image segmentation technology in basic theory and three methods of image segmentation. (1) based on threshold image segmentation. (2) segmentation based on edge detection and operator; (3) the image segmentation based on region feature. On the segmentation method based on the point of narrative, mainly studies the edge of image segmentation method, region extraction method and threshold segmentation method. Through a lot of theory study. And write the MATLAB software, the segmentation method, the simulation experiment for image segmentation. Finally analyzed the data processing for simulation.Verify the Canny operator of the overall effect is best. Prewitt operator segmentation and detailed. But for an image only only one way to reach a good effect, and according to the different characteristics of for image segmentation, combined with the known prior knowledge, research in accordance with the specific image segmentation model, is an important means to improve the image segmentation.KEYWORDS：Segmentation；edge method；the regional method；threshold；watershed segmentation目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究背景与意义 (1)1.2国内外发展现状 (1)1.3 课题设计内容 (2)第2章概述 (3)2.1图像和数字图像 (3)2.2 数字图像处理简介 (3)2.3 图像处理文件格式 (3)2.4图像分割理论概述 (5)2.4.1 图像分割的定义 (5)2.4.2图像分割的目的和意义 (6)2.5图像分割主要研究方法 (6)2.5.1边缘检测法 (7)2.5.2区域提取法 (7)2.5.3阈值分割法 (7)2.5.4结合特定理论工具的分割方法 (8)2.6数字图像分割质量评价体系 (8)第3章图像分割方法综述 (10)3.1基于阈值图像分割算法 (10)3.2 基于边缘检测分割算法 (12)3.3 基于区域特性的图像分割算法 (14)第4章基于Matlab的图像分割仿真结果与讨论 (16)4.1 图像阈值分割算法研究 (16)4.1.1 Otsu 阈值图像分割算法 (16)4.1.2 直方图阈值算法 (17)4.2 图像边缘分割算法的研究 (19)4. 2.1 Canny 边缘检测算法 (19)4. 2.2 Log 分割算发 (20)4.3 区域特性图像分割方算法的研究 (21)4.3.1 分水岭图像分割算法 (22)4.4 本章小结 (23)4.4.1主要工作总结 (23)4.4.2 结论 (24)第5章总结 (26)参考文献 (28)致谢 (27)毕业设计第1章绪论1.1 课题研究背景与意义图像分割是图像处理中的一项关键技术，也是一经典难题，发展至今仍没有找到一个通用的方法，也没有制定出判断分割算法好坏的标准，对近几年来出现的图像分割方法作了较为全面的综述，探讨了图像分割技术的发展方向，对从事图像处理研究的科研人员具有一定的启发作用。

数字像处理中的特征提取与分类在数字图像处理中，特征提取和分类是两个关键的步骤。

特征提取是指从图像中提取出代表其特点和属性的信息，而分类则是根据这些特征将图像分成不同的类别。

本文将就数字图像处理中的特征提取和分类方法进行详细探讨。

一、特征提取特征提取是数字图像处理中的重要步骤，它能够将图像中的信息转化为计算机能够理解的形式。

常见的特征提取方法包括灰度直方图、边缘检测、纹理分析等。

1. 灰度直方图灰度直方图是对图像中像素灰度级分布的统计，它能够反映图像的明暗程度和对比度。

通过计算图像的灰度直方图，可以得到一组表示图像灰度分布的特征向量。

2. 边缘检测边缘是图像中灰度差异较大的地方，边缘检测是指从图像中提取出边缘信息的过程。

常见的边缘检测算法包括Sobel算子、Canny算子等，它们能够通过计算像素点周围的灰度差异来检测出边缘。

3. 纹理分析纹理是指图像中重复出现的局部结构，纹理分析是指从图像中提取出纹理信息的过程。

常见的纹理分析方法包括灰度共生矩阵、小波变换等，它们能够通过计算局部像素的灰度关系来提取纹理特征。

二、分类分类是将具有相似特征的图像归为一类的过程，它能够帮助我们理解和组织大量的图像数据。

常见的分类方法包括基于统计的方法、基于机器学习的方法等。

1. 基于统计的方法基于统计的方法是一种简单有效的分类方法，它通过计算图像的统计特征来进行分类。

常见的统计特征包括均值、方差、相关系数等，通过比较这些统计特征，可以将图像分成不同的类别。

2. 基于机器学习的方法基于机器学习的方法是一种更加复杂和高级的分类方法，它通过训练一个分类器来自动学习和识别图像。

常见的机器学习算法包括支持向量机、神经网络等，通过训练这些分类器，可以根据图像的特征将其分到正确的类别。

三、实际应用特征提取和分类在许多领域中都有广泛的应用。

例如在医学影像处理中，通过提取肿瘤特征并将其分类，可以帮助医生进行疾病诊断和治疗。

在安防监控中，通过提取运动物体的特征并将其分类，可以实现物体跟踪和行为分析。

第一章导论图像是对客观存在对象的一种相似性的、生动性的描述或写真。

模拟图像空间坐标和明暗程度都是连续变化的、计算机无法直接处理的图像数字图像空间坐标和灰度均不连续的、用离散的数字（一般整数）表示的图像（计算机能处理）。

是图像的数字表示,像素是其最小的单位。

数字图像处理（Digital Image Processing ）利用计算机对数字图像进行（去除噪声、增强、复原、分割、特征提取、识别等）系列操作，从而获得某种预期的结果的技术。

（计算机图像处理）数字图像处理的特点（1）处理精度高，再现性好。

（2）易于控制处理效果。

（3）处理的多样性。

（4）图像数据量庞大。

（5）图像处理技术综合性强。

数字图像处理的目的（1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。

（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息。

（3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。

数字图像处理的主要研究内容（1）图像的数字化（2）图像的增强（3）图像的恢复（4）图像的编码（5）图像的重建（6）图像的分析（7）图像分割与特征提取（8）图像隐藏（9 ）图像通信图像工程的三个层次（1）图像分析：图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。

（2）图像理解：图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各个目标的性质和他们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导和规划行动。

（3）图像处理：数字图像处理的应用领域1. 通信：图象传输，电视电话等。

2. 宇宙探测：星体图片处理。

遥感：地形、地质、矿藏探查，森林、水利、海洋、农业等资源调查，自然灾害预测，环境污染的监测，气象云图。

3. 生物医学：CT, X射线成象，B超，红外图象，显微图象。

4. 工业生产：产品质量检测，生产过程控制，CAD CAM5. 军事：军事目标侦察，制导系统，警戒系统，自动火器控制，反伪装等。

数字像处理与特征提取数字图像处理是计算机领域的一个重要研究方向。

随着科技的发展和技术的进步，数字图像处理已经成为各个领域中不可或缺的工具。

本文将介绍数字图像处理中的数字像处理和特征提取的相关概念和方法。

一、数字像处理数字像处理是指对数字图像进行一系列的操作或处理，以改善图像的质量或获取有用的信息。

数字图像是由离散像素点组成的二维数组，每个像素点都有其特定的灰度值或颜色值。

数字像处理可以应用于众多领域，如医学影像、遥感图像、安防监控等。

数字像处理的主要任务包括图像增强、图像恢复、图像压缩、图像分割和图像识别等。

图像增强是通过一系列的操作，改善图像的可视效果，使图像更加清晰、明亮。

图像恢复是指通过去除图像中的噪声或估计丢失的信息，来恢复原始图像的过程。

图像压缩是将图像的数据表示方式进行压缩，以减小图像存储或传输所需的空间或带宽。

图像分割是将图像划分为不同的区域或对象的过程，常用于目标检测和识别。

图像识别是通过训练模型，将输入图像与已知的图像进行匹配或分类。

二、特征提取特征提取是数字图像处理中的一个重要环节，它是指从图像中提取出具有代表性的特征，以用于图像的分类、识别或检索等任务。

特征是指能够描述图像或对象的局部或全局特点的可测量属性。

常用的图像特征包括颜色、纹理、形状和边缘等。

特征提取的方法可以分为两大类：基于统计的方法和基于模型的方法。

基于统计的方法主要针对图像的像素分布进行分析，如颜色直方图、灰度共生矩阵等。

基于模型的方法则是根据图像的几何形状或纹理等特征，构建相应的模型来描述图像，如Gabor滤波器、小波变换等。

特征提取在图像处理领域有着广泛的应用。

例如，在人脸识别中，可以通过提取人脸的特定特征来将其与数据库中的人脸进行匹配；在医学影像中，可以通过提取肿瘤的特征以辅助医生进行诊断和治疗。

三、数字像处理与特征提取的应用数字图像处理和特征提取在各个领域中都有着广泛的应用。

以下是其中几个典型的应用领域：1. 医学影像分析：通过对医学影像进行数字像处理和特征提取，可以辅助医生进行疾病的诊断和治疗。

数字图像处理---图像分割图像分割概述图像分析概念：对图像中感兴趣的⽬标进⾏检测和测量，以获得它们的客观信息，从⽽建⽴对图像的描述步骤：1. 图像分割2. 特征识别3. 对象分类4. 建⽴联系概述图像分割概念：将图像划分为互不重叠的区域并提取感兴趣⽬标的技术基本策略：基于灰度值的两个基本特性：不连续性和相似性通过检测不连续性先找边，后确定区域通过检测相似性，在⼀定阈值下找到灰度值相似区域，区域外轮廓即为对象边界⽅法基于边缘的分割⽅法：先提取区域边界，再确定边界限定区域区域分割：确定每个像素归属区域，从⽽形成区域图区域⽣长：将属性接近的连通像素聚集成区域分裂-合并分割：即存在图像划分，也存在图像合并边缘检测算⼦---边缘分割法边缘定义：图像中像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的像素的集合分类：阶跃状屋顶状特点：属于⾼频信号区域往往为闭合连线边缘检测流程滤波⇒增强⇒检测⇒定位边缘检测算⼦基本思想：计算局部微分算⼦⼀阶微分：⽤梯度算⼦进⾏运算特点：对于阶跃状变化会出现极⼤值（两侧都是正值，中间最⼤）对于屋顶状变化会过零点（两侧符号相反）不变部分为0⽤途：检测图像中边的存在注意事项：由于结果图中存在负值，因此需要处理后使⽤处理⽅法：取绝对值加最⼩值阈值法⼆阶微分：通过拉普拉斯算⼦计算特点：对于阶跃状变化会过零点（两侧符号相反）对于屋顶状变化会出现负极⼤值（两侧都是正值，中间最⼩）不变部分为0⽤途：检测图像中边的存在常⽤边缘检测算⼦Roberts 算⼦Prewitt 算⼦Sobel 算⼦Kirsch 算⼦Laplacian 算⼦Marr 算⼦交叉⽅向⼀阶锐化问题：锐化处理结果对具有矩形特征的物体的边缘提取较为有效，但是对于不规则形状的边缘提取，则存在信息上的缺损解决思想：利⽤⽆⽅向的锐化算法交叉微分算⼦交叉Roberts 算⼦公式：f ′x =|f (x +1,y +1)−f (x ,y )|f ′y =|f (x +1,y )−f (x ,y +1)|模板:f ′x =−1001,f ′y =01−1特点：算法简单,对噪声敏感，效果较梯度算⼦较好交叉Prewitt 算⼦模板:d ′x =011−101−1−10,d ′y =−1−10−101011特点：与Sobel 相⽐有⼀定抗⼲扰性，图像效果较⼲净交叉Sobel 算⼦模板:d ′x =012−101−2−10,d ′y =−2−10−101012特点：锐化的边缘信息较强kirsch 算⼦(⽅向算⼦)模板：特点在计算边缘强度的同时可以得到边缘⽅向各⽅向间的夹⾓为45°分析取其中最⼤的值作为边缘强度，与之对应的⽅向作为边缘⽅向若取最⼤值绝对值，则仅需要前四个模板即可Nevitia 算⼦[][][][][][]特点:各⽅向间的夹⾓为30°Laplacian算⼦同图像增强中的Laplacian算⼦优点：各向同性、线性和位移不变对细线和孤⽴点检测效果较好缺点对噪声敏感，有双倍加强作⽤不能检测出边缘⽅向常产⽣双像素边缘使⽤之前需要对图像进⾏平滑Marr算⼦在Laplacian算⼦基础上发展⽽来平滑函数采⽤⾼斯正态分布函数h(x,y)=e−x2+y2 2σ2σ为⽅差⽤h(x,y)对图像f(x,y)平滑克表⽰为g(x,y)=h(x,y)∗f(x,y) *代表卷积令r表⽰从原点出发的径向距离，即r2=x2+y2利⽤⾼斯-拉普拉斯滤波器（LOG滤波器）▽2h=(r2−2σ2σ4)e−r22σ2即可利⽤⼆阶导数算⼦过零点的性质，确定图像中阶跃边缘的位置在该算⼦中σ越⼩边缘位置精度越⾼，边缘细节变化越多；σ越⼤平滑作⽤越⼤，但是细节损失越⼤，边缘点定位精度越低过程1. 通过⼆维⾼斯函数对图像进⾏卷积降噪2. ⽤⼆阶导数差分算⼦计算图像强度的⼆阶导数3. 利⽤⼆阶导数算⼦过零点的性质，确定图像中阶跃边缘的位置优点：能快速得到⼀个闭合的轮廓缺点：对噪声敏感Canny边缘检测算⼦最优边缘检测算⼦应有的指标低误判率⾼定位精度抑制虚假边缘过程：1. 计算图像梯度2. 梯度⾮极⼤值抑制3. 双阈值提取边缘点计算图像梯度⾼斯函数的⼀阶导数模板：−11−11,−1−111⾮极⼤值抑制 NMS思想：梯度幅值图像M(x,y)，仅保留梯度⽅向上的极⼤值点过程初始化N(x,y)=M(x,y)对每⼀点在梯度⽅向和反梯度⽅向各找n 个点，若M(x,y)⾮最⼤值，则置零，否则保持不变对NMS 结果⼆值化（双阈值提取边缘点）使⽤两个阈值T 1,T 2:T 2>>T 1由T 1得到E 1(x ,y ),低阈值边缘图：更⼤的误检率由T 2得到E 2(x ,y ),⾼阈值边缘图：更可靠边缘连接初始化E (x ,y )=E 2(x ,y )对E (x ,y )中的每个点在E 1(x ,y )中寻找延长部分进⾏连接输出E (x ,y )Canny 边缘检测算⼦步骤1. ⾼斯滤波器平滑2. ⼀阶偏导计算梯度幅值与⽅向3. 对梯度幅值进⾏⾮极⼤值抑制4. 双阈值算法检测连接边缘Canny 边缘检测算⼦优点参数较⼩计算效率⾼得到边缘连续完整双阈值选择T Low =T HIGH ∗0.4曲⾯拟合法出发点：基于差分检测图像边缘的算⼦往往对噪声敏感四点拟合灰度表⾯法⽤⼀平⾯p (x ,y )=ax +by +c 来拟合四邻域像素灰度值定义均⽅差为ε=∑[p (x ,y )−f (x ,y )]2模板a =12−1−111,b =12−11−11特点：先平均后求差分，对噪声由抑制作⽤边缘跟踪出发点：噪声边检测需要归整边缘像素概念：将检测的边缘点连接成线过程：边缘提取连接成线⽅法光栅扫描跟踪法全向跟踪法光栅扫描跟踪法概念：采⽤电视光栅⾏扫描顺序，结合门限检测，对遇到的像素进⾏分析并确定其是否是边缘的跟踪⽅法具体步骤：[][][][]确定检测阈值d（较⾼）超过d的点作为对象点确定跟踪阈值t（较低）确定跟踪邻域扫描下⼀⾏，跟踪邻域内灰度差⼩于t的，接受为对象点若没有对象点，则该曲线跟踪结束重新从下⼀⾏开始利⽤d寻找对象点并进⾏跟踪扫描结束后跟踪结束特征可以不是灰度级跟踪准则根据具体问题灵活运⽤最好再进⾏⼀次其他⽅向的跟踪全向跟踪Hough变化检测法问题：如何连接边界点集基本思想利⽤xoy直⾓坐标系直线y=ax+b,待求极坐标系内点(ρ,θ),已知求点到线的变化ρ=xcosθ+ysinθ原理:过每个点的直线系分别对应极坐标系上的⼀条正弦曲线，如正弦曲线存在共同交点(ρ′,θ′),则必定在平⾯上共线实现：使⽤交点累积器或直⽅图，寻找相交线段最多的参数空间的点，再寻找对应的直线线段特点：对ρ、θ量化过粗会导致直线参数不精确，过细会导致计算量增加获得直线抗噪能⼒强可以⽤来检测直线阈值分割法基本思想：通过阈值T⽣成⼆值图，在四邻域中有背景的像素就是边界像素特点：适⽤于物体与背景有强对⽐的情况下，且物体或背景的灰度较单⼀可以先求背景再求物体可以得到封闭且连通区域的边界通过交互获得阈值通过直⽅图得到阈值基本思想：边界上的点灰度值出现次数较少⽅法：选取直⽅图⾕底的最⼩灰度值作为阈值缺点：会受到噪声⼲扰改进：取两个峰值之间的某个固定位置降噪简单图像的阈值分割判断分析法最佳熵⾃动阈值法复杂图像的阈值分割步骤⾃动平滑直⽅图确定区域类数⾃动搜索多个阈值特征空间聚类k均值聚类步骤任意选取K个初始聚类中⼼值使⽤最⼩距离判别，将新读⼊的像素分⾄K类重新计算中⼼值，等于⼀类元素的平均值重新聚类直⾄新旧差异不⼤区域增长通过像素集合的区域增长实现：根据应⽤选取种⼦选择描述符种⼦根据描述符扩张直⾄没有新的节点加⼊集合简单区域扩张法以未划分点与起点灰度差⼩于阈值T作为描述符优缺点：1. 不好确定阈值2. ⽆法分割缓慢变化边界质⼼区域增长法以未划分点与区域平均灰度值差⼩于阈值T作为描述符分裂合并法实现：1. 对于灰度级不同的区域划分为四个⼦区域2. 若相邻⼦区域所有像素灰度级相同，则合并3. 反复进⾏直⾄不再进⾏新的分裂合并操作Processing math: 100%。

计算机图像处理中的特征提取与图像分割算法计算机图像处理是人工智能领域的一个重要分支，涉及到对图像进行分析、处理和理解的技术和方法。

在图像处理中，特征提取和图像分割算法是两个关键的步骤。

本文将介绍计算机图像处理中的特征提取和图像分割算法，并讨论它们的应用和局限性。

一、特征提取特征提取是指从原始图像中选择并提取出能够描述图像内容的关键信息。

计算机视觉领域中常用的特征包括边缘、角点、纹理、颜色等。

下面将介绍几种常见的特征提取算法。

1. 边缘检测算法边缘是图像中灰度或颜色变化显著的区域，常用于图像分割和对象检测。

边缘检测算法可以通过检测图像中灰度或颜色的变化来提取出边缘信息。

常用的边缘检测算法包括Sobel算子、Canny算子等。

2. 角点检测算法角点是图像中具有显著角度变化的点，常用于图像匹配和物体追踪。

角点检测算法可以通过检测图像中灰度或颜色的变化来提取出角点信息。

常用的角点检测算法包括Harris角点检测算法、FAST角点检测算法等。

3. 纹理分析算法纹理是图像中的重要特征，用于描述图像中的细节信息。

纹理分析算法可以通过提取图像中的统计特征、频域特征或结构特征等来描述图像的纹理信息。

常用的纹理分析算法包括灰度共生矩阵、小波变换等。

4. 颜色特征提取算法颜色是图像中的一种重要视觉特征，可以用于图像分割、物体识别等任务。

颜色特征提取算法可以通过提取图像中的色彩分布、颜色矩等来描述图像的颜色信息。

常用的颜色特征提取算法包括颜色直方图、颜色矩等。

二、图像分割图像分割是指将图像划分为若干个具有独立语意的区域的过程。

图像分割在计算机视觉和图像处理领域有着广泛的应用，如目标检测、图像增强和医学图像分析等。

1. 基于阈值的分割算法基于阈值的分割算法是一种简单而有效的图像分割方法。

该方法根据像素值的灰度或颜色与设定的阈值进行比较，将图像分割为前景和背景两部分。

常用的基于阈值的分割算法包括全局阈值法、自适应阈值法等。