这类方法简单实用,在过去的几十年间备受重视,其分类也不一而足。根据使用的是图像的整体信息还是局部信息,可以分为上下文相关方法和上下文无关方法。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和局部阈值方法,也叫做自适应阈值方法。另外,还可以分为单阈值方法和多阈值方法。
阈值分割的核心问题就是如何选择合适的阈值。其中,最简单和常用的方法是从图像的灰度直方图出发,先得到各个灰度级的概率分布密度,再依据某一准则选取一个或者多个合适的阈值,以确定每个像素点的归属。选择的准则不同,得到的阈值化算法就不同。现在已经有众多的阈值分割算法,如何找到一种简单高效的阈值算法是众多的学者关心的问题。
常见的阈值分割算法有如下几种:
(1)Mode最频值法
该方法的最优阈值在目标和背景两个概率分布的交叠处,计算简单,但缺点是直方图需要有明显的双峰特征。
(2)Otsu最大类间方差法
该方法是使目标类和背景类的类内方差最小、类间方差最大,计算简单,效果稳定,但其对直方图模型有一定的要求。
(3)P分位数法
该方法的特点是分割得到的目标和背景的概率等于其先验概率,它不需要迭代和搜索,但是非常依赖先验概率的估计。
(4)Tsai矩量保持法
该方法需要计算分割前后图像的矩量,并使它们不变,无需迭代和搜索,缺点是稳定性不好。
(5)最小误差法
Bayes判别误差最小,计算简单,对直方图模型有要求。
(6)熵方法
图像某后验熵最大,计算简单,对直方图模型有要求。
下面重点介绍下本文要研究的两种阈值分割算法Otsu和Tsai方法。
2.1 Otsu最大类间方差法
最大类间方差法[1](Otsu)又称大津法,是日本学者大津展之在1979年提出的一种全局阈值选取法,是在最小二乘法原理的基础上推导出来的。它的基本思路是在图像灰度直方图的基础上选取合适的阈值,再根据统计意义上的两类间特性差最大或类内特性差最小的原则,实现图像分割后两类间最好的分离。该方法计算简单,并且不受图像对比度与亮度值的变化影像,所以被许多学者认为是一种最优秀的阈值自动选取方法。其基本原理如下:
设一幅图像有 个灰度级,灰度值是 的像素的个数为 ,则总的像素个数为 ,各灰度值出现的概率为
(1)
其中 , 。
设以灰度值 为阈值将图像分割成2个区域,灰度级为 的像素区域A(背景类),灰度级为 的像素区域B(目标类)出现的概率分别为:
(2)
A和B两类的灰度均值分别为:
(3)
图像总的灰度均值为:
(4)
由此可以得到A、B两类的类间方差公式为:
(5)
为了得到最优分割阈值,Otsu算法将两类的类间方差作为判别准则,当 值最大时的 即为最优分割阈值,如下所示:
(6)
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