图像分割阈值选取技术综述
摘要
图像分割是图像处理与计算机视觉领域低层次视觉中最为基础和重要的领域之一，它是对图像进行视觉分析和模式识别的基本前提．阈值法是一种传统的图像分割方法，因其实现简单、计算量小、性能较稳定而成为图像分割中最基本和应用最广泛的分割技术．已被应用于很多的领域。本文是在阅读大量国内外相关文献的基础上，对阈值分割技术稍做总结，分三个大类综述阈值选取方法，然后对阈值化算法的评估做简要介绍。
关键词
图像分割阈值选取全局阈值局部阈值直方图二值化
1．引言
所谓图像分割是指根据灰度、彩色、空间纹理、几何形状等特征把图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同[37]．简单的讲，就是在一幅图像中，把目标从背景中分离出来，以便于进一步处理。图像分割是图像处理与计算机视觉领域低层次视觉中最为基础和重要的领域之一，它是对图像进行视觉分析和模式识别的基本前提．同时它也是一个经典难题，到目前为止既不存在一种通用的图像分割方法，也不存在一种判断是否分割成功的客观标准。
阈值法是一种传统的图像分割方法，因其实现简单、计算量小、性能较稳定而成为图像分割中最基本和应用最广泛的分割技术．已被应用于很多的领域，例如，在红外技术应用中，红外无损检测中红外热图像的分割，红外成像跟踪系统中目标的分割；在遥感应用中，合成孔径雷达图像中目标的分割等；在医学应用中，血液细胞图像的分割，磁共振图像的分割；在农业工程应用中，水果品质无损检测过程中水果图像与背景的分割。在工业生产中，机器视觉运用于产品质量检测等等。在这些应用中，分割是对图像进一步分析、识别的前提，分割的准确性将直接影响后续任务的有效性，其中阈值的选取是图像阈值分割方法中的关键技术。
2．阈值分割的基本概念
图像阈值化分割是一种最常用，同时也是最简单的图像分割方法，它特别适用于目标和背景占据不同灰度级范围的图像[1]。它不仅可以极大的压缩数据量，而且也大大简化了分析和处理步骤，因此在很多情况下，是进行图像分析、特征提取与模式识别之前的必要的图像预处理过程。图像阈值化的目的是要按照灰度级，对像素集合进行一个划分，得到的每个子集形成一个与现实景物相对应的区域，各个区域内部具有一致的属性，而相邻区域布局有这种一致属性。这样的划分可以通过从灰度级出发选取一个或多个阈值来实现。
阈值分割法是一种基于区域的图像分割技术，其基本原理是：通过设定不同的特征阈值，把图像像素点分为若干类．常用的特征包括：直接来自原始图像的灰度或彩色特征；由原始
灰度或彩色值变换得到的特征．设原始图像为f(x ，y)，按照一定的准则在f(x ，y)中找到特征值T ，将图像分割为两个部分，分割后的图像为
()()()⎩⎨⎧≥<=.,.,,10
t y x f b t y x f b y x g
若取 ：b 0=0（黑）,b 1=1（白），即为我们通常所说的图像二值化。
一般意义下，阈值运算可以看作是对图像中某点的灰度、该点的某种局部特性以及该点在图像中的位置的一种函数，这种阈值函数可记作
T(x ，y ，N(x ，y)，f(x ，y))
式中，f(x ，y)是点(x ，y)的灰度值；N(x ，y)是点(x ，y)的局部邻域特性．根据对T 的不同约束，可以得到3种不同类型的阈值[37]，即
点相关的全局阈值T ＝T(f(x ，y))
(只与点的灰度值有关)
区域相关的全局阈值T ＝T(N(x ，y)，f(x ，y))
(与点的灰度值和该点的局部邻域特征有关)
局部阈值或动态阈值T ＝T(x ，y ，N(x ，y)，f(x ，y))
(与点的位置、该点的灰度值和该点邻域特征有关)
图像阈值化这个看似简单的问题，在过去的四十年里受到国内外学者的广泛关注，产生了数以百计的阈值选取方法[2-9]，但是遗憾的是，如同其他图像分割算法一样，没有一个现有方法对各种各样的图像都能得到令人满意的结果，甚至也没有一个理论指导我们选择特定方法处理特定图像。
所有这些阈值化方法，根据使用的是图像的局部信息还是整体信息，可以分为上下文无关(non-contextual)方法(也叫做基于点(point-dependent)的方法)和上下文相关方法(contextual) (也叫做基于区域(region-dependent)的方法)；根据对全图使用统一阈值还是对不同区域使用不同阈值，可以分为全局阈值方法(global thresholding)和局部阈值方法(local thresholding ，也叫做自适应阈值方法adaptive thresholding)；另外，还可以分为双阈值方法(bilever thresholding)和多阈值方法(multithresholding)
本文分三大类对阈值选取技术进行综述：
1) 基于点的全局阈值方法；
2) 基于区域的全局阈值方法
3) 局部阈值方法和多阈值方法
3．基于点的全局阈值选取方法
3.1 p-分位数法
1962年Doyle [10]提出的p-分位数法(也称p-tile 法)可以说是最古老的一种阈值选取方法。该方法使目标或背景的像素比例等于其先验概率来设定阈值，简单高效，但是对于先验概率难于估计的图像却无能为力。
例如，根据先验知识，知道图像目标与背景象素的比例为P O /P B ,则可根据此条件直接在图像直方图上找到合适的阈值T ，使得f(x,y)>=T 的象素为目标，f(x,y)3.2 迭代方法选取阈值[11]
初始阈值选取为图像的平均灰度T 0，然后用T 0将图像的象素点分作两部分，计算两部分各自的平均灰度，小于T 0的部分为T A ，大于T 0的部分为T B
计算 2
1B A T T T += ,将T 1 作为新的全局阈值代替T 0，重复以上过程，如此迭代，直至T K 收敛，即T K ＋1 ＝T K
经试验比较，对于直方图双峰明显，谷底较深的图像，迭代方法可以较快地获得满意结果。但是对于直方图双峰不明显，或图像目标和背景比例差异悬殊，迭代法所选取的阈值不如最大类间方差法。
3.3 直方图凹面分析法
从直观上说，图像直方图双峰之间的谷底，应该是比较合理的图像分割阈值，但是实际的直方图是离散的，往往十分粗糙、参差不齐，特别是当有噪声干扰时，有可能形成多个谷底。从而难以用既定的算法，实现对不同类型图像直方图谷底的搜索。
Rosenfeld 和Torre [12]提出可以构造一个包含直方图HS 的最小凸多边形HS ，由集差HS HS -确定HS 的凹面。若()i h 和()i h 分别表示HS 与HS 在灰度级之处的高度，则()()i h i h -取局部极大值时所对应的灰度级可以作为阈值。也有人使用低通滤波的方法平滑直方图，但是滤波尺度的选择并不容易[13]。
但此方法仍然容易受到噪声干扰，对不同类型的图像，表现出不同的分割效果。往往容易得到假的谷底。但此方法对某些只有单峰直方图的图像，也可以作出分割。如：
3.4 最大类间方差法
由Otsu [14]于1978年提出的最大类间方差法以其计算简单、稳定有效，一直广为使用。
