10 Otsu 算法

文章目录

  • 前言
  • 一、Otsu 是什么?
  • 二、算法实验
    • 1.使用第三方库
    • 2.不使用第三方库


前言

Otsu 是一种利用图像的灰度特征自动计算二值化阈值的方法,常被称为 Otsu 自动阈值法。

使用 Otsu 方法可以避免主观性和繁琐性的阈值选取操作,并能够在一定程度上提高图像分割的准确性和鲁棒性。因此,在实际应用中,Otsu 方法被广泛应用于图像分割、字符识别、人脸识别等领域。

一、Otsu 是什么?

在图像处理中,二值化是一种非常基础的操作,其作用是将灰度图像转为黑白图像。在二值化过程中,需要根据一定阈值将图像的各个像素分为两类,可以根据问题的具体需求,选取不同的二值化阈值来实现图像分割。

Otsu 方法通过最小化图像类内方差和类间方差的加权和,求出一个最优的阈值,从而实现自动计算二值化阈值的目的。这个阈值能够使得分割后的图像的目标物体与背景类间差别最大,而目标物体内部差别最小。

二、算法实验

1.使用第三方库

代码如下(示例):

import cv2

# 读取灰度图像
img = cv2.imread('test.jpg', 0)
# 使用 Otsu 自动阈值法计算阈值
threshold_value, threshold_image = cv2.threshold(img, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY + cv2.THRESH_OTSU)
# 显示二值化图像
cv2.imshow('Binary Image', threshold_image)
# 等待用户按下任意按键退出程序
cv2.waitKey(0)
# 关闭所有窗口
cv2.destroyAllWindows()

效果图如下:
10 Otsu 算法_第1张图片

2.不使用第三方库

Otsu 方法的核心思想就是最小化图像的类内方差和类间方差的加权和,使得在该阈值下,前景(即目标物体)与背景之间距离最大,而前景内部(即目标物体内部)的距离最小。
具体实现方法如下:

1、根据给定的阈值 T,将图像分为两类:前景(目标物体)和背景。这里我们以二值化为例,将图像中所有灰度值大于阈值 T 的像素标记为前景,其他像素标记为背景。

2、分别计算前景和背景的像素值平均值 μ0 和 μ1,在此基础上计算出总平均值 μ。

3、计算前景和背景的类内方差 σ0^2 和 σ1^2,根据公式 σ^2 = Σ((x-μ)^2)/N 计算,其中 x 为像素值,μ 为像素值平均值,N 为像素数量。

4、计算类间方差 δ^2,根据公式 δ^2 = w0 * w1 * (μ0 - μ1)^2 计算,其中 w0 和 w1 分别为前景和背景像素数量占总像素数量的比例。

5、将所有可能的阈值 T 都遍历一遍,找到使类间方差 δ^2 最大的阈值 T。这样就找到了最佳阈值,可以用于对图像进行二值化处理。

在实现时,我们可以计算每个像素灰度值的直方图,并根据Otsu方法计算出最佳的阈值,然后将图像转化为二值图像。Otsu 方法非常适合在对比度较明显的图像中使用,可以有效地分离背景和前景,提高图像处理的准确性和效率。

代码如下(示例):

img = cv2.imread("lena.bmp",0)
    # 计算像素值的直方图
    hist = np.histogram(img, bins=256)[0]

    # 分别计算前景和背景的像素数量和像素值总和
    pixels_total = np.sum(hist)
    pixels_sum = np.dot(np.arange(256), hist)

    # 初始化最大类间方差和最佳阈值
    max_variance = 0
    best_threshold = 0

    # 遍历所有可能的阈值,计算类间方差并更新最佳阈值
    for threshold in range(256):
        w0 = np.sum(hist[:threshold]) / pixels_total
        w1 = 1 - w0
        if w0 == 0 or w1 == 0:
            continue
        mu0 = np.sum(np.arange(threshold) * hist[:threshold]) / (pixels_total * w0)
        mu1 = np.sum(np.arange(threshold, 256) * hist[threshold:]) / (pixels_total * w1)
        variance = w0 * w1 * (mu0 - mu1) ** 2
        if variance > max_variance:
            max_variance = variance
            best_threshold = threshold

    new_img = (img > best_threshold).astype(np.uint8) * 255
    cv2.imshow('OTSU', new_img)

效果图如下;可以看到效果跟第三方库的效果差不多。
10 Otsu 算法_第2张图片

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