基于MATLAB的图像分割系统

摘 要：图像分割是图像处理与计算机视觉的基本问题之一，是图像处理图像分析的关键步骤。其中图像二值化又是图像分割的重点。本文对全局和局部阈值二值化法的几种常用的算法和基本自适应阈值二值化进行了综述。每基于一定理论和算法的图像二值化方法都有各自不同的优势和缺点，在实际应用当中应根据不同使用目的和使用标准采取不同的方法以达到最佳效果。本文在MATLAB 编程技术及其GUI 图形用户界面设计的基础上，开发了具有交互式特点的数字图像处理GUI软件，界面操作简单方便，实现了图像二值化的功能。

关键词：二值化；全局阈值法；局部阈值法；基本自适应阈值法；图像分割；

MATLAB GUI

0 引言

图像分割技术作为图像处理领域中极为重要的内容之一，是实现图像分析和理解的基础，而图像二值化又是图像分割的重点。只有在其基础上才能对目标进行特征提取和参数测量，使得更高层的图像分析和理解成为可能。二值化是图像处理和分析的关键技术，也是个经典难题。随着实际应用的需要，对图像二值化进行深入的研究，不断改进原有方法，提出新方法具有重要的意义。

1 图像二值化

二值化是图像处理中的一个重要的问题，广泛应用于图像分割，图像增强，图像识别等领域。根据其运算的范围不同，图像的二值化方法可分为全局阈值方法和局部阈值方法。它利用了图像中要提取的目标物与其背景在灰度特性上的差异，把原图像变为仅用两个灰度值表示的图像目标和背景的二值图像。其处理思想是，假设一副灰度图像中的灰度级范围是(0，255)，则图像中每一点像素的灰度值为f(x，y)，f(x，y)∈{0，1，…，255)，设阈值为T(0≤T≤255)则：

其中：g(x，y)表示二值化后图像中各个像素点的值，若g(x，y)=1表示改点为目标；若g(x，y)=0，表示改点为背景。

2 GUI设计

图形用于界面（GUI）是提供人机交互的工具和方法。MATLAB的GUI为开发者提供了一个不脱离MATLAB的开发环境，有助于MATLAB 程序的GUI集成。

本文设计的程序有以下功能：

1. 实现图像的读取及显示其灰度直方图功能，保存功能及退出时“是否保存处理后图像”的提醒功能。
   2）设计图形用户界面， 让用户能够对图像进行全局阈值分割，可选方法为迭代法、Otsu法及改进的Otsu法，同时显示该方法选取的阈值。
   3）设计图形用户界面， 让用户能够对图像进行局部阈值分割，可选方法为Bernsen法、Niblack法及改进的Bernsen法，同时关闭选取阈值的显示（因为此时每个像素点均有对应的阈值）。
   4）编写程序对图像进行基本自适应阈值分割，即将用户所选取的图像进行分块后对每块图像用Otsu法进行二值化，并实现调整分块大小时实时显示处理后的图像功能。

图2.1 初始界面

具体GUI设计的程序代码及模块、菜单配置过程不在此赘述。MATLAB中运行相应的m文件，会出现如下图所示的初始界面：

图2.1 初始界面

可以看到，在图像没有打开之前图像分割功能是不可选的，这是在GUI编程中考虑到为避免对空白图像进行二值化可能会产生全黑图像的错误而设计的。

点击如下选项，可以打开指定图像，并显示其对应的灰度直方图：

图2.2 “打开”图像

现在“图像分割”菜单变为可选，选择相应算法可以得到不同效果的阈值分割结果图，相应可选方法如图：

3 阈值分割算法与实验分析

3.1 全局阈值分割

全局阈值法根据文本图像的直方图或灰度空间分布确定一个阈值，以此实现灰度文本图像到二值图像的转化。此方法的优点在于算法简单，对目标和背景明显分离、直方图分布呈双峰的图像效果良好，但是由于对整幅图使用一个阈值处理，因此其对输入图像有噪声或不均匀光照等情况抵抗能力差，应用受到极大限制，不能广泛地应用于实际。典型的全局阈值分割方法有迭代法、Otsu方法等。在此引入光照均匀的图3.1和光照不均匀的图3.2，本节将用下述全局阈值方法对其进行处理。

3.1.1 迭代法

3.1.2 Otsu方法

3.1.3 改进的Otsu方法

图像二值化是建立在物体和背景可以区分的基础上的，如亮度色调等不同，从而根据这些已知信息分出前背景。而一般的全局二值化如用Otsu方法获取最优阈值的方法，都是建立在图像前背景亮度有一定差距的基础上的，即图像直方图有双峰结构。如果对于一幅亮度不均匀的图像这种方法就不适用，解决的方法可以把图像根据整体亮度变化来分成若干小区域，而各区域的直方图中有两个峰，这样就能自适应得时整幅图都比较好的二值化。但是，这样对于一些复杂的图像就难处理，而且可能存在分块邻接缺陷，因此，本程序中先将整幅图的亮度调均匀，然后再用整体二值化就能得到很好的结果。这里使用Retinex算法把图像的整体亮度调均匀后（此法能很好得将各种照度不均的图调整成直方图中明显有双峰的均匀图），再用Otsu方法取阈值二值化。对光照不均匀图3.2进行处理，得到图3.7，可见此时的图像轮廓得到了还原，取得了较好效果。

图3.7 改进的Otsu法处理图1

3.1.4 全局阈值法小结

下面，我们对全局阈值法做一些总结。一般说来，全局阈值法想法都比较简单，实现起来也很高效简单，但这种也是有代价的。它的适用范围相对有限，擅长处理简单图像，比如目标与背景明显分离的，直方图分布呈双峰的图像。但是对于光照不均，模糊的文档及多边缘的图像，就会丢失很多的信息。在此引入文本图像图3.8。可以看到下半部分是清晰的文字，但是上半部分的表格，则具有淡淡的底，使得字迹看起来变淡了，也就是说模糊了。由于Otsu算法在全局阈值二值化方法中具有很好的评价，在这里仅使用法对其进行处理，来看一看效果。

图3.8 原始图像3

使用Otsu方法处理图3.8，所得阈值为0.7451，处理结果为图3.9。可以看到，图中下半部分还是比较清楚的，但是上半部分表中的文字显示很不理想。对于这种光照均匀地图像，改进的Otsu方法处理结果如图3.10，其细节丢失更为严重。这正是全局阈值二值化的简单性所付出的代价。由于该类方法只关心整幅图像的灰度值分布特征，然后就迅速进行处理它是高度宏观化的，因而对于局部的变化反映不够灵敏。因此，使用该方法会丢失图像的许多细节信息。

图3.9 Otsu法处理图2

图3.10 改进的Otsu法处理图2

由于全局阈值法的这一缺点，引出了关注细节的局部阈值二化算法。

3.2 局部阈值分割

局部阈值法通过定义考察点的邻域，比较考察点与其邻域的灰度值来确定当前考察点的阈值。非均匀光照条件等情况虽然影响整体图像的灰度分布却不影响局部的图像性质，使得局部阈值法较全局阈值法有更广泛的应用。局部阈值法虽然能够根据局部灰度特性来自适应地选取阈值，有较大的灵活性，但局部阈值存在速度慢，对文本图像进行二值化处理时，可能导致出现笔画断裂现象以及伪影等问题，直接影响后面的识别工作。常用的局部阈值法有Bernsen算法、Niblack算法。

3.2.1 Bernsen算法

在实现算法的过程中会遇到一个不可避免的问题。当一个像素点处于整幅图像的边界处，或是其他距图像边界不足一个像素点单位的位置时，若以它为中心取的小块，那么所取得的小块就会有一部分是缺失的。这里，本文选取的处理方式是对原图像加边，新的边灰度值全赋值为0。

在使用Bernsen算法进行图像二值化的时候，是需要选择窗口的大小的，现在结合算法来具体讨论该因素的影响。从Bernsen算法求局部阈值公式来看，对于一个固定的像素点(x，y)，当窗口尺度很小的时候，该像素点周围有细微的明暗变化即有少量像素点的灰度变化就会影响到阈值的选取；当窗口尺度变大的时候，更多的像素点会进入到窗口中，原窗口内的像素点只是现在的一部分，对于阈值所产生的影响就相对弱化了，原有的细节就有可能丢失。现引入一幅光照不均但像素点相对较少的图3.11，这样改变窗口大小进行测试时可以节约程序运行时间。

图3.11 原始图像4

识别出来了。将窗口放大为9*9，效果见图3.13。可以看到，效果好多了，许多斑点状噪声消失了，文字变得清楚了，但是字间噪声没有完全消除且粗笔状况也比较明显的。查阅相关文献表明，应该选取15*15的窗口，原因是这样所带来的噪声会显著的减少。同时，处理图片的时间则相应增加。鉴于此，在此后的处理中，大多取窗口为15*15。对于Bernsen法取窗口为15*15，所得的结果如图3.14。

图3.14 Bernsen法处理图3

下面对图3.8用Bernsen法进行二值化，看看效果如何。如图3.15，与Otsu法处理图2相比，列表中的文字变得相对清晰了，但是列表下方的文字出现了断笔现象，而且背景噪声问题同样不能忽视。

图3.15 Bernsen法处理图5

4 结束语

本文利用不同算法对不同图像进行了阈值分割处理，对处理所得到的二值图进行了比较。对于一些简单图像，全局阈值法能很好的保持原图的主要信息，且实现简单、运行速度快，但对复杂图像的处理效果不佳。对于光照不均或较复杂的图像，局部阈值法可以保留更多细节，但是背景噪声比较严重，且运行速度较慢。基本自适应阈值方法也能对光照不均的图像进行处理，但是分块大小的确定还没有一个准则，只能称之为半自适应阈值分割。实践工作中遇到的需要进行二值化的图像是纷繁复杂的，上面提到的算法尚有许多方面可以改善。本次程序设计，无论在数字图像处理的理论知识还是MATLAB软件中GUI的掌握上还是对算法的编程实现上，都有了更深刻的了解与进步。并且对图像处理有了很大的兴趣，希望在今后的学习中能够更加深入的学习。