边缘检测分割的主要方法

① 图像分割技术论文

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。我整理了图像分割技术论文，欢迎阅读!

图像分割技术论文篇一

图像分割技术研究

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。本文介绍了基于阈值的分割方法和图像分割的图像分割性能的评价、应用现状;最后总结出图像分割的发展趋势。

关键词：图像分割、阈值、边缘检测、区域分割

中图分类号： TN957.52 文献标识码： A

1引言

随着图像分割技术研究的深入，其应用日趋广泛。凡属需要对图像目标进行提取、测量的工作都离不开图像分割。图像分割是图像处理、模式识别和人工智能等多个领域中一个十分重要且又十分困难的问题，是计算机视觉技术中首要的、重要的关键步骤。图像分割结果的好坏直接影响对计算机视觉中的图像理解。现有的方法多是为特定应用设计的，有很大的针对性和局限性，到目前为止还不存在一个通用的方法，也不存在一个判断分割是否成功的客观标准。因此，对图像分割的研究目前还缺乏一个统一的理论体系，使得图像分割的研究仍然是一个极富有挑战性的课题。

2图像分割方法

图像分割(Image Segmentation)，简单地说就是将一幅数字图像分割成不同的区域，在同一区域内具有在一定的准则下可认为是相同的性质，如灰度、颜色、纹理等。而任何相邻区域之间其性质具有明显的区别。

2.1基于灰度特征的阈值分割方法

阈值分割技术是经典的、流行的图象分割方法之一，它是用一个或几个阈值将图像的灰度级分为几个部分，认为属于同一个部分的像素是同一个物体。

这类方法主要包括以下几种：

(1)单阈值法，用一个全局阈值区分背景和目标。当一幅图像的直方图具有明显的双峰时，选择两峰之间的谷底作为阈值。

(2)双阈值法，用两个阈值区分背景和目标。通过设置两个阈值，以防单阈值设置阈值过高或过低，把目标像素误归为背景像素，或把背景像素误归为目标像素。

(3)多阈值法，当存在照明不均，突发噪声等因素或背景灰度变化较大时，整幅图像不存在合适的单一阈值，单一阈值不能兼顾图像不同区域的具体情况，这时可将图像分块处理，对每一块设一个阈值。

2.2 边缘检测分割法

基于边缘检测技术可以按照处理的顺序分为并行边缘检测和串行边缘检测两大类。常见的边缘检测方法有：差分法、模板匹配法及统计方法等。由于边缘灰度变化规律一般体现为阶梯状或者脉冲状。边缘与差分值的关系可以归纳为两种情况，其一是边缘发生在差分最大值或者最小值处;其二是边缘发生在过零处。

2.3基于区域的分割方法

基于区域的分割方法利用的是图像的空间性质。该方法认为分割出来的某一区域具有相似的性质。常用的方法有区域生长法和区域分裂合并法。该类方法对含有复杂场景或自然景物等先验知识不足的图像进行分割，效果较好。

区域生长方法是把一幅图像分成许多小区域开始的，这些初始的小区域可能是小的邻域甚至是单个像素，在每个区域中，通过计算能反映一个物体内像素一致性的特征，作为区域合并的判断标准。区域合并的第一步是赋给每个区域一组参数，即特征。接下来对相邻区域的所有边界进行考查，如果给定边界两侧的特征值差异明显，那么这个边界很强，反之则弱。强边界允许继续存在，而弱边界被消除，相邻区域被合并。没有可以消除的弱边界时，区域合并过程结束，图像分割也就完成。

2.4结合特定工具的图像分割技术

20世纪80年代末以来，随着一些特殊理论的出现及其成熟，如数学形态学、分形理论、模糊数学、小波分析、模式识别、遗传算法等，大量学者致力于将新的概念、新的方法用于图像分割，有效地改善了分割效果。产生了不少新的分割算法。下面对这些算法做一些简单的概括。

2.4.1基于数学形态学的分割算法

分水岭算法是一种经典的借鉴了数学形态理论的分割方法。该方法中，将一幅图像比为一个具有不同高度值的地形，高灰度值处被认为是山脊，底灰度值处被认为是山谷，将一滴水从任一点流下，它会朝地势底的地方流动，最终聚于某一局部最底点，最后所有的水滴会分聚在不同的吸引盆地，由此，相应的图像就被分割成若干部分。分水岭算法具有运算简单、性能优良，能够较好提取运动对象轮廓、准确得到运动物体边缘的优点。但分割时需要梯度信息，对噪声较敏感。

2.4.2基于模糊数学的分割算法

目前，模糊技术在图像分割中应用的一个显着特点就是它能和现有的许多图像分割方法相结合，形成一系列的集成模糊分割技术，例如模糊聚类、模糊阈值、模糊边缘检测技术等。

这类方法主要有广义模糊算子与模糊阈值法两种分割算法。

(1)广义模糊算子在广义模糊集合的范围内对图像处理，使真正的边缘处于较低灰度级，但还有一些不是边缘的像素点的灰度也在较低灰度级中，虽然算法的计算简明，且边缘细腻，但得到的边缘图会出现断线问题。

(2)模糊阈值法引入灰度图像的模糊数学描述，通过计算图像的模糊熵来选取图像的分割阈值，后用阈值法处理图像得到边界。

2.4.3基于遗传算法的分割方法

此算法是受生物进化论思想提出的一种优化问题的解决方法，它使用参数编码集而不是参数本身，通过模拟进化，以适者生存的策略搜索函数的解空间，它是在点群中而不是在单点进行寻优。遗传算法在求解过程中使用随机转换规则而不是确定性规则来工作，它唯一需要的信息是适应值，通过对群体进行简单的复制、杂交、变异作用完成搜索过程。由于此法能进行能量函数全局最小优化搜索，且可以降低搜索空间维数，降低算法对模板初始位置的敏感，计算时间也大为减少。其缺点是容易收敛于局部最优。

2.4.4基于神经网络分割算法

人工神经网络具有自组织、自学习、自适应的性能和非常强的非线性映射能力，适合解决背景知识不清楚、推理规则不明确和比较复杂的分类问题，因而也适合解决比较复杂的图像分割问题。原则上讲，大部分分割方法都可用 ANN(attificial neural network)实现。ANN 用于分割的研究起步较晚，只有多层前馈NN，多层误差反传(BP)NN，自组织NN，Hopfield NN以及满足约束的NN(CSNN-Const raint Satisfaction Neurat Network)等得到了应用。使用一个多层前向神经网络用于图象分割，输入层神经元的数目取决于输入特征数，而输出层神经元的数目等同于分类的数目。

2.5图像分割中的其他方法

前面介绍了4大类图像分割较常用的方法，有关图像分割方法和文献很多，新方法不断产生，这些方法有的只对特定的情形有效，有的综合了几种方法，放在一起统称为第5类。

(1)标号法(labeling)是一种基于统计学的方法，这种方法将图像欲分割成的几个区域各以一个不同的标号来表示，用一定的方式对图像中的每一个像素赋以标号，标号相同的像素就合并成该标号所代表的区域。

(2)基于Snak模型的分割方法，基于Snake模型的分割是通过对能量函数的动态优化来逼近图像目标的真实轮廓的

(3)纹理分割，由于新的数学工具的引入，纹理分割技术取得了一些进展，张蓬等人将小波分析应用于纹理基元提取。

(4)基于知识的图像分割方法，直接建立在先验知识的基础上，使分割更符合实际图像的特点。该方法的难度在于知识的正确合理的表示与利用。

3图像分割性能的评价

图像分割评价主要有两个方面的内容：一是研究各分割算法在不同情况下的表现，掌握如何选择和控制其参数设置，以适应不同需要。二是分析多个分割算法在分割同一图像时的性能，比较优劣，以便在实际应用中选取合适的算法。分割评价方法分为分析法和实验法两大类。分析法是直接分析分割算法本身的原理及性能，而实验法是通过对测试图像的分割结果来评价算法的。两种方法各有优劣，由于缺乏可靠理论依据，并非所有分割算法都能够通过分析法分析其性能。每种评价方法都是出于某种考虑而提出来的，不同的评价方法只能反映分割算法性能的某一性能。另一方面，每一种分割算法的性能是由多种因素决定的，因此，有可能需要多种准则来综合评价。

4图像分割技术的发展趋势

随着神经网络、遗传算法、统计学理论、小波理论以及分形理论等在图像分割中的广泛应用，图像分割技术呈现出以下的发展趋势：(1)多种特征的融合。(2)多种分割方法的结合。(3)新理论与新方法。

参考文献

[1] [美]RC冈萨雷斯.数字图像处理(第二版)[M].阮秋琦，等译.北京：电子工业出版社，2003

[2] 章毓晋.图像分割[M].北京：科学出版社，2001.

[3] 李弼程，彭天强，彭波等.智能图像处理技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 杨晖，曲秀杰.图像分割方法综述[J].电脑开发与应用。2005，18(3)：21-23.

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② Canny边缘检测算法的步骤和理解

姓名：高强     学号：17011210057

【嵌牛导读】：本文主要介绍Canny图像边缘检测算法的步骤和对各个步骤的理解

【嵌牛鼻子】：边缘检测，Canny，步骤

【嵌牛提问】：canny边缘检测算法的步骤是怎样？

【嵌牛正文】：

1. Canny边缘检测算法的提出和指标

Canny算法是John Canny在1986年提出的，那年John Canny 28岁，该文章发表在PAMI顶级期刊上（1986.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,vol. 8, 1986 , pp 679-698  ）。

Canny算子与Marr（LoG）边缘检测方法类似（Marr大爷号称计算机视觉之父），也属于是先平滑后求导数的方法。John Canny研究了最优边缘检测方法所需的特性，给出了评价边缘检测性能优劣的三个指标：

（1）好的信噪比 ，即将非边缘点判定为边缘点的概率要低，将边缘点判为非边缘点的概率要低；

（2）高的定位性能 ，即检测出的边缘点要尽可能在实际边缘的中心；

（3）对单一边缘仅有唯一响应 ，即单个边缘产生多个响应的概率要低，并且虚假响应边缘应该得到最大抑制。

用一句话说，就是希望在提高对景物边缘的敏感性的同时，可以抑制噪声的方法才是好的边缘提取方法。

2.  Canny边缘检测算法的步骤 ：

（1）图像高斯滤波进行降噪处理。

（2）用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向。

（3）对梯度幅值进行非极大值抑制。

（4）用双阈值算法检测和连接边缘。

3.  Canny边缘检测算法的通俗理解

Canny算法的目的就是边缘检测，何为边缘？图象局部区域亮度变化显着的部分，对于灰度图像来说，也就是灰度值有一个明显变化，既从一个灰度值在很小的缓冲区域内急剧变化到另一个灰度相差较大的灰度值。那么怎么表征这种灰度值的变化呢？这里想到的就是导数微分，导数就是表征变化率的，但是数字图像都是离散的，也就是导数肯定会用差分来代替。也就是具体算法中的步骤2，用相邻像素的差分来计算梯度的大小和方向。但是在真实的图像中，一般会有噪声，噪声会影响梯度的计算，所以步骤1要先滤波。理论上将图像梯度幅值的元素值越大，说明图像中该点的梯度值越大，但这不能说明该点就是边缘。在Canny算法中，步骤3的非极大值抑制是进行边缘检测的重要步骤，通俗意义上是指寻找像素点的局部最大值，沿着梯度方向，比较它前面和后面的梯度值，若梯度值局部最大则有可能为边缘像素，进行保留，否则就进行抑制。步骤4是一个典型算法，有时候我们并不能一刀切，也就是超过阈值的都是边缘点，而是设两个阈值，希望在高阈值和低阈值之间的点也可能是边缘点，而且这些点最好在高阈值的附近，也就是说这些中间阈值的点是高阈值边缘点的一种延伸。所以步骤4用了双阈值来进行检测和连接边缘。双阈值有时也叫做滞后阈值。

③ 边缘检测的边缘检测

所谓边缘是指其周围像素灰度急剧变化的那些象素的集合，它是图像最基本的特征。边缘存在于目标、背景和区域之间，所以，它是图像分割所依赖的最重要的依据。由于边缘是位置的标志，对灰度的变化不敏感，,因此，边缘也是图像匹配的重要的特征。边缘检测和区域划分是图像分割的两种不同的方法，二者具有相互补充的特点。在边缘检测中，是提取图像中不连续部分的特征，根据闭合的边缘确定区域。而在区域划分中，是把图像分割成特征相同的区域，区域之间的边界就是边缘。由于边缘检测方法不需要将图像逐个像素地分割，因此更适合大图像的分割。 边缘大致可以分为两种，一种是阶跃状边缘，边缘两边像素的灰度值明显不同；另一种为屋顶状边缘，边缘处于灰度值由小到大再到小的变化转折点处。 边缘检测的主要工具是边缘检测模板。我们以一个一维模板为例来考察边缘检测模板是如何作用的。模板的作用是将右邻点的灰度值减去左邻点的灰度值作为该点的灰度值。在灰度相近的区域内，这么做的结果使得该点的灰度值接近于0；而在边缘附近，灰度值有明显的跳变，这么做的结果使得该点的灰度值很大，这样就出现了上面的结果。这种模板就是一种边缘检测器，它在数学上的涵义是一种基于梯度的滤波器，习惯上又称边缘算子。我们知道，梯度是有方向的，和边缘的方向总是垂直的。模板 是水平方向的，而上面那幅图象的边缘恰好是垂直方向的，使用模板 就可以将它检测出来。如果图象的边缘是水平方向的，我们可以用梯度是垂直方向的模板 检测它的边缘。如果图象的边缘是45。方向的，我们可以用模板检测它的边缘。
常用的边缘检测模板有Laplacian算子、Roberts算子、Sobel算子、log（Laplacian-Gauss）算子、Kirsch算子和Prewitt算子等。

④ 图像分析：边缘检测中的梯度算子

边缘检测 是基于边界的图像分割方法的第一步，边缘就是两个不同的相邻区域之间 灰度值 不连续或者突变的地方。因此，检测边缘就是，检测灰度明显变化的地方。而边缘位置处灰度的明显变化是可以借助计算灰度的微分来检测的。一般使用一阶微分和二阶微分检测边缘，在边缘位置，一阶微分的幅度值会有局部极值，二阶微分的幅度值会出现过零点。本文主要介绍边缘检测中的一阶微分算子----梯度算子，包括Roberts、Prewitt和Sobel三种算子。

想要计算梯度图，就要设计模板卷积，首先要搞明白图像在计算时的坐标系，很多博文对应的模板和坐标系都不匹配，我们在后面的卷积操作中主要使用计算坐标系。

左图Cameraman所用的坐标系统，常用在图像计算中。其坐标原点在左上角，x轴是水平的，并且向右延伸；y是垂直的，并且向下延伸。 既可以代表这幅图像，也可以表示 坐标处像素的值。

右图Lena的坐标系统，常用在屏幕显示中，因为屏幕扫描是从左向右，从上向下进行的，原点在图像的左上角，纵轴标记图像的行，横轴标记图像的列。 既可以代表这个图像，也可以代表 行列交点处的图像值。

首先我们要知道的是梯度是一个向量，向量的话有方向和大小，梯度方向指向函数变化最快的方向，大小就是它的模，也是最大的变化率。对于二元函数 ，它在点 的梯度就是 , 或者 ，就是：

其中， ，这个梯度向量的幅度和方向角为

下图展示了一个灰度图的数学化表达，像素点 的灰度值是 ,它有八个邻域。

图像在点 的梯度为

其中

即 对应图像的水平方向， 即 对应水图像的竖直方向。

要理解梯度图的生成，就要先了解模板卷积的过程。
模板卷积是模板运算的一种方式，其步骤如下：
（1）将模板在输入图像中漫游，并将模板中心与图像中某个像素位置重合；
（2）将模板上各个系数与模板下各对应像素的灰度相乘；
（3）将所有乘积相加（为保持灰度范围，常将结果再除以模板系数之和，后面梯度算子模板和为0的话就不需要除了）；
（4）将上述运算结果（模板的响应输出）赋给输出图像中对应模板中心位置的像素。

其实梯度图生成前面和模板卷积相同，不同的是要生成梯度图，还需要在模板卷积完成后计算在点 梯度的幅值，将幅值作为像素值，这样才算完。 。

下图是生成梯度图用到的的水平模板和竖直模板：

例如，如果只想生成水平方向的梯度图，那么只计算水平方向的梯度 ，则梯度图上对应点 的灰度值就是

一般是水平方向的 和竖直方向的 各用一个模板，然后结合，那么得到梯度图在点 的灰度值就是

它就是我们上面说到的梯度的幅值，是以计算以2为范数，对应欧式距离，由于涉及平方和开方运算，计算量比较大。（怎么简化计算呢？？换一种近似计算方式吧！！！）
在真实的梯度图输出计算中，采用以1为范数（对应城区距离）的简单计算方式，即

另一种简单的方式是以 为范数（对应棋盘距离），即

首先了解下梯度算子的设计，一般是水平方向和竖直方向，水平方向模板转置再对折就是竖直方向。

其本质是一个对角线方向的梯度算子，对应的水平方向和竖直方向的梯度分别为
输出梯度图在 的灰度值为
优点：边缘定位较准
缺点：（1）没有描述水平和竖直方向的灰度变化，只关注了对角线方向，容易造成遗漏。（2）鲁棒性差。由于 点本身参加了梯度计算，不能有效的抑制噪声的干扰。
适用于边缘明显且噪声较少的图像。

Prewitt算子是典型的 模板，其模板中心对应要求梯度的原图像坐标 ， 对应的8-邻域的像素灰度值如下表所示：

通过Prewitt算子的水平模板 卷积后，对应的水平方向梯度为

通过Prewitt算子的竖直模板 卷积后，对应的竖直方向梯度为

输出梯度图在 的灰度值为

Prewitt算子引入了类似局部平均的运算，对噪声具有平滑作用，较Roberts算子更能抑制噪声。

通过Prewitt算子的水平模板 卷积后，对应的水平方向梯度为

通过Prewitt算子的竖直模板 卷积后，对应的竖直方向梯度为

输出梯度图在 的灰度值为

Sobel算子引入了类似局部加权平均的运算，对边缘的定位比要比Prewitt算子好。

Python 调用OpenCV接口实现Sobel算子边缘检测

⑤ 传统的图像分割方法有哪些

1.基于阈值的分割方法

灰度阈值分割法是一种最常用的并行区域技术，它是图像分割中应用数量最多的一类。阈值分割方法实际上是输入图像f到输出图像g的变化
其中，T为阈值；对于物体的图像元素，g(i,j)=1，对于背景的图像元素，g(i,j)=0。

由此可见，阈值分割算法的关键是确定阈值，如果能确定一个适合的阈值就可准确地将图像分割开来。阈值确定后，阈值与像素点的灰度值比较和像素分割可对各像素并行地进行，分割的结果直接给出图像区域。

阈值分割的优点是计算简单、运算效率较高、速度快。在重视运算效率的应用场合（如用于软件实现），它得到了广泛应用。

2.基于区域的分割方法

区域生长和分裂合并法是两种典型的串行区域技术，其分割过程后续步骤的处理要根据前面步骤的结果进行判断而确定。

(1)区域生长

区域生长的基本思想是将具有相似性质的像素集合起来构成区域。具体先对每个需要分割的区域找一个种子像素作为生长的起点，然后将种子像素周围邻域中与种子像素有相同或相似性质的像素（根据某种事先确定的生长或相似准则来判定）合并到种子像素所在的区域中。将这些新像素当作新的种子像素继续进行上面的过程，直到再没有满足条件的像素可被包括进来。这样一个区域就长成了。

(2)区域分裂合并

区域生长是从某个或者某些像素点出发，最后得到整个区域，进而实现目标提取。分裂合并差不多是区域生长的逆过程：从整个图像出发，不断分裂得到各个子区域，然后再把前景区域合并，实现目标提取。分裂合并的假设是对于一幅图像，前景区域是由一些相互连通的像素组成的，因此，如果把一幅图像分裂到像素级，那么就可以判定该像素是否为前景像素。当所有像素点或者子区域完成判断以后，把前景区域或者像素合并就可得到前景目标。

3.基于边缘的分割方法

基于边缘的分割方法是指通过边缘检测，即检测灰度级或者结构具有突变的地方，确定一个区域的终结，即另一个区域开始的地方。不同的图像灰度不同，边界处一般有明显的边缘，利用此特征可以分割图像。

4.基于特定理论的分割方法

图像分割至今尚无通用的自身理论。随着各学科新理论和新方法的提出，出现了与一些特定理论、方法相结合的图像分割方法，主要有：基于聚类分析的图像分割方法、基于模糊集理论的分割方法等。

5.基于基因编码的分割方法

基于基因编码的分割方法是指把图像背景和目标像素用不同的基因编码表示，通过区域性的划分，把图像背景和目标分离出来的方法。该方法具有处理速度快的优点，但算法实现起来比较难。

6.基于小波变换的分割方法

小波变换是近年来得到广泛应用的数学工具，它在时域和频域都具有良好的局部化性质，并且小波变换具有多尺度特性，能够在不同尺度上对信号进行分析，因此在图像处理和分析等许多方面得到应用。

基于小波变换的阈值图像分割方法的基本思想是首先由二进小波变换将图像的直方图分解为不同层次的小波系数，然后依据给定的分割准则和小波系数选择阈值门限，最后利用阈值标出图像分割的区域。整个分割过程是从粗到细，由尺度变化来控制，即起始分割由粗略的L2(R)子空间上投影的直方图来实现，如果分割不理想，则利用直方图在精细的子空间上的小波系数逐步细化图像分割。分割算法的计算会与图像尺寸大小呈线性变化。

7.基于神经网络的分割方法

近年来，人工神经网络识别技术已经引起了广泛的关注，并应用于图像分割。基于神经网络的分割方法的基本思想是通过训练多层感知机来得到线性决策函数，然后用决策函数对像素进行分类来达到分割的目的。这种方法需要大量的训练数据。神经网络存在巨量的连接，容易引入空间信息，能较好地解决图像中的噪声和不均匀问题。选择何种网络结构是这种方法要解决的主要问题。

⑥ 阈值分割和边缘检测实现图像目标分割的角度有什么不同

区别如下：
1、阈值分割是为了突出图像中我们感兴趣的部分的方法，通过二值化（或多值化）以后目标物体会以特定的灰度值呈现出来，主要侧重在物体本来就已经有灰度特征，使用阈值分割将其表现出来。边缘检测是为了找出物体边缘的方法，主要侧重的是通过算法体现边缘的灰度特征。
2、二值阈值分割的重点在于找二值化的阈值，然后利用阈值将目标和背景分离。大多数边缘检测的重点在于确定差分算子，进行邻域内的灰度差分。
3、一般的处理过程为先边缘检测得到差分的灰度图，然后使用阈值分割二值化。
4、平时我们说的这两个概念都比较模糊，属于有交集。边缘的灰度本来就突出不需要算法处理就可以直接二值化体现，那阈值分割就可以算是边缘检测的方法了。如果边缘不突出需要先利用差分算子或其他方法突出边缘，那阈值分割只是体现边缘的手段。

⑦ 用matlab如何通过图像分割来检测边界

matlab实现边缘检测和图像分割提供了很多有用的图像处理函数，做图像分割方法有很多，例如：基于阈值的方法，基于边缘的方法，基于区域的方法，基于凸轮的方法以及基于能量泛函的方法。其中matlab里面有很多做边缘检测的算法，最常用的是sobel，prewitte算法，通过该算子与图像的卷积运算，即可检测到图像边缘，进一步分割目标区域。

⑧ 边缘检测的理论依据是什么有哪些方法各有什么特点

就是通过一些临近像素相关算法突出灰度变化比较大的部分。变化平缓的取值低，变化越剧烈取值越高。比如有卷积算法，具体计算方法，有拉普拉斯算子、高斯算子等的应用。

⑨ 边缘检测的检测边缘

如果将边缘认为是一定数量点亮度发生变化的地方，那么边缘检测大体上就是计算这个亮度变化的导数。为简化起见，我们可以先在一维空间分析边缘检测。在这个例子中，我们的数据是一行不同点亮度的数据。例如，在下面的1维数据中我们可以直观地说在第4与第5个点之间有一个边界：
除非场景中的物体非常简单并且照明条件得到了很好的控制，否则确定一个用来判断两个相邻点之间有多大的亮度变化才算是有边界的阈值，并不是一件容易的事。实际上，这也是为什么边缘检测不是一个微不足道问题的原因之一。
检测方法
有许多用于边缘检测的方法, 他们大致可分为两类：基于搜索和基于零交叉。
基于搜索的边缘检测方法首先计算边缘强度， 通常用一阶导数表示， 例如梯度模，然后，用计算估计边缘的局部方向， 通常采用梯度的方向，并利用此方向找到局部梯度模的最大值。
基于零交叉的方法找到由图像得到的二阶导数的零交叉点来定位边缘。 通常用拉普拉斯算子或非线性微分方程的零交叉点。
滤波做为边缘检测的预处理通常是必要的，通常采用高斯滤波。
已发表的边缘检测方法应用计算边界强度的度量，这与平滑滤波有本质的不同。 正如许多边缘检测方法依赖于图像梯度的计算，他们用不同种类的滤波器来估计x-方向和y-方向的梯度。
计算一阶导数
许多边缘检测操作都是基于亮度的一阶导数——这样就得到了原始数据亮度的梯度。使用这个信息我们能够在图像的亮度梯度中搜寻峰值。如果 I(x) 表示点 x 的亮度，I′(x) 表示点 x 的一阶导数（亮度梯度），这样我们就会发现：
对于更高性能的图像处理来说，一阶导数能够通过带有掩码的原始数据（1维）卷积计算得到。

计算二阶导数
其它一些边缘检测操作是基于亮度的二阶导数。这实质上是亮度梯度的变化率。在理想的连续变化情况下，在二阶导数中检测过零点将得到梯度中的局部最大值。另一方面，二阶导数中的峰值检测是边线检测，只要图像操作使用一个合适的尺度表示。如上所述，边线是双重边缘，这样我们就可以在边线的一边看到一个亮度梯度，而在另一边看到相反的梯度。这样如果图像中有边线出现的话我们就能在亮度梯度上看到非常大的变化。为了找到这些边线，我们可以在图像亮度的二阶导数中寻找过零点。如果 I(x) 表示点 x 的亮度，I′′(x) 表示点 x 亮度的二阶导数，那么：
同样许多算法也使用卷积掩码快速处理图像数据：

步骤：
①滤波：边缘检测算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数，但导数的计算对噪声很敏感，因此必须使用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测器的性能。需要指出，大多数滤波器在降低噪声的同时也导致了边缘强度的损失，因此，增强边缘和降低噪声之间需要折中。
②增强:增强边缘的基础是确定图像各点邻域强度的变化值。增强算法可以将邻域(或局部)强度值有显着变化的点突显出来。边缘增强一般是通过计算梯度幅值来完成的。
③检测：在图像中有许多点的梯度幅值比较大，而这些点在特定的应用领域中并不都是边缘，所以应该用某种方法来确定哪些点是边缘点。最简单的边缘检测判据是梯度幅值阈值判据。
④定位：如果某一应用场合要求确定边缘位置，则边缘的位置可在子像素分辨率上来估计，边缘的方位也可以被估计出来。在边缘检测算法中，前三个步骤用得十分普遍。这是因为大多数场合下，仅仅需要边缘检测器指出边缘出现在图像某一像素点的附近，而没有必要指出边缘的精确位置或方向。
边缘检测的实质是采用某种算法来提取出图像中对象与背景间的交界线。我们将边缘定义为图像中灰度发生急剧变化的区域边界。图像灰度的变化情况可以用图像灰度分布的梯度来反映，因此我们可以用局部图像微分技术来获得边缘检测算子。经典的边缘检测方法，是通过对原始图像中像素的某小邻域构造边缘检测算子来达到检测边缘这一目的的。

⑩ 机器视觉系统中图像分割技术传统方法概论1

姓名：寇世文

学号：21011110234

学院：通信工程学院

【嵌牛导读】：随着人工智能技术的不断发展，智能机器人领域也得到了空前的发展。尤其是深度神经网络广泛应用于视觉系统中后，取得了许多很明显的成效。对于自主移动机器人来说，视觉系统有着十分重要的作用，而图像分割技术更是在这个系统中担任着十分重要的角色。传统的图像分割技术基本上已经能够将图像的前景和后景分隔开来，但是近年来随着深度学习算法的发展，人们开始将其应用到图像分割中，提出了很多分割网络，也达到了很好的分割效果。在实现图像分割的基础上，人们还使得分割具有了语义类别和标签，就是现在的语义分割。本文在介绍了语义分割的基础上又引出了新的任务分割场景，实例分割和全景分割。并且介绍了最近研究的热点三维点云的语义分割问题，阐述了其实现的必要性。

【嵌牛鼻子】智能机器人，图像分割、语义分割、计算机视觉

【嵌牛提问】图像分割技术的传统常见方法

【嵌牛正文】

一、引言

        计算机视觉，即computer vision，就是通过计算机来模拟人的视觉工作原理，来获取和完成一系列图像信息处理的机器。计算机视觉属于机器学习在视觉领域的应用，是一个多学科交叉的研究领域，其涉及数学、物理、生物、计算机工程等多个学科。

计算机视觉的主要应用有无人驾驶、人脸识别、无人安防、车辆车牌识别、智能传图、3D重构、VR/AR、智能拍照、医学图像处理、无人机、工业检测等。人驾驶又称自动驾驶，是目前人工智能领域一个比较重要的研究方向，让汽车可以进行自主驾驶，或者辅助驾驶员驾驶，提升驾驶操作的安全性。人脸识别技术目前已经研究得相对比较成熟，并在很多地方得到了应用，且人脸识别准确率目前已经高于人眼的识别准确率。安防一直是我国比较重视的问题，也是人们特别重视的问题，在很多重要地点都安排有巡警巡查，在居民小区以及公司一般也都有保安巡查来确保安全。车辆车牌识别目前已经是一种非诚成熟的技术了，高速路上的违章检测，车流分析，安全带识别，智能红绿灯，还有停车场的车辆身份识别等都用到了车辆车牌识别。3D重构之前在工业领域应用比较多，可以用于对三维物体进行建模，方便测量出物体的各种参数，或者对物体进行简单复制。计算机视觉还有很多应用，随着技术的发展，应用领域也会越来越多。在工业领域的应用，在机器人技术方面的应用等。

对于传统的图像分割过程，通常可以分为5个步骤，即特征感知、图像预处理、特征提取、特征筛选和推理预测与识别。通过研究发现，在视觉的早期的发展过程中，人们对于图像中的特征并没有表现出足够的关注。且传统的分割过程是把特征提取和分类分开来做的，等到需要输出结果的时候再结合到一起，可想而知其实现的困难程度。

在深度学习算法出来之后，卷积神经网络被广泛应用于计算机视觉技术中，也因此衍生出了很多的研究方向。深度学习主要是以特征为基础来进行比对，如在人脸识别方面，使用卷积神经网络分别对两张人脸进行不同位置的特征提取，然后再进行相互比对，最后得到比对结果。目前的计算机视觉的主要研究方向有图像分类、目标检测、图像分割、目标跟踪、图像滤波与降噪、图像增强、风格化、三维重建、图像检索、GAN等。本文主要是针对图像分割这一领域，进行简要的概述。

图像分割技术是计算机视觉领域的个重要的研究方向，是图像语义理解的重要一环。图像分割是指将图像分成若干具有相似性质的区域的过程，从数学角度来看，图像分割是将图像划分成互不相交的区域的过程。近些年来随着深度学习技术的逐步深入，图像分割技术有了突飞猛进的发展，该技术相关的场景物体分割、人体前背景分割、人脸人体Parsing、三维重建等技术已经在无人驾驶、增强现实、安防监控等行业都得到广泛的应用。

二、发展现状

        近来已经有很多学者将图像分割技术应用到移动机器人的控制中，能够做到在机器人运动的同时定位、构建地图并分割出不同的前景和后景，使视觉系统扫描到的图像具有语义信息。并有学者也致力于分割得更为准确和精细，不仅能够做到区分不同类的物体，也能够实现对同类的不同物体的分类，甚至可以做到在此基础上加上对背景的分割。由于我们生活的世界是三维空间，还有学者将图像场景还原到三维中，然后使用相关方法对整个三维场景进行分割。作为计算机视觉的研究中的一个较为经典的难题，图像分割这一领域也越来越被人们所关注。

        首先是传统的图像分割方法。在传统分割方面，人们使用数字图像处理、拓扑学、数学等方面的知识来进行图像分割。虽然现在的算力逐渐增加且深度学习不断发展，一些传统的分割方法所取得的效果不如深度学习，但是其分割的思想仍有很多值得我们去学习的。

        第一种方法是基于阈值的图像分割方法。这种方法的核心思想是想根据图像的灰度特征来给出一个或多个灰度阈值，将此阈值作为一个标准值与图像中的每个像素逐一进行比较。很容易想到，通过这个逐一比较过程能够得到两类结果，一类是灰度值大于阈值的像素点集，另一类是灰度值小于阈值的像素点集，从而很自然地将图像进行了分割。所以，不难发现，此方法的最关键的一步就是按照一定的准则函数来得到最佳灰度阈值，这样才能够得到合适的分类结果。值得一提的是，如果图像中需要分割的目标和背景分别占据了不同的灰度值甚至是不同的等级，那使用这种方法会得到很好的效果。并且，假如对于一张图像的处理，我们只需要设定一个阈值时，可以将其称为单阈值分割。但是图像中如果不止一个目标，即有多个目标需要进行提取的时候，单一阈值分割就无法做到将它们都分割开来，此时应选取多个阈值对其进行处理，这个分割的过程为多阈值分割。总的来说，阈值分割法有着其独特的特点，其计算简单、效率较高。但是，由于这种方法只考虑的是单个像素的灰度值及其特征，而完全忽略了空间特征，这也就导致了其对噪声比较敏感且鲁棒性不高。

        第二种方法是基于区域的图像分割方法。这种方法具有两种基本形式：一种是区域生长，这种分割方法是从单个像素出发，逐渐将相似的区域进行合并，最终得到需要的区域。另一种方法是直接从图像的全局出发，一点一点逐步切割至所需要的区域。区域生长指的是，给定一组种子像素，其分别代表了不同的生长区域，然后让这些种子像素逐渐合并邻域里符合条件的像素点。如果有新的像素点添加进来，同样把它们作为种子像素来处理。

        区域分裂合并的分割过程可以说是区域生长的逆过程，这种方法是从图像的全局出发通过不断分裂得到各个子区域，然后提取目标的过程。此外，在此过程中，还需要合并前景区域。

        在区域分割方法中还有一种分水岭算法。受启发于分水岭的构成，这种分割方法将图像看作是测地学上的拓扑地貌，这样图像中每一个像素点对应的海拔高度可以用该点的灰度值来表示。分水岭的形成过程实际上可以通过模拟浸入过程来实现。具体做法是，在每个局部极小值的表面都刺穿一个小孔，然后把模型慢慢浸入水中，随着水慢慢浸入其中，分水岭就随之形成了。

        第三种方法是基于边缘检测的分割方法。边缘检测的思想就是试图通过检测不同物体的边缘来将图像分割开来，这种方法是人们最先想到的也是研究最多的方法之一。如果我们将图片从空间域变换到频率域中去，其中物体的边缘部分就对应着高频部分，很容易就能够找到边缘信息，因此也使得分割问题变得容易。边缘检测的方法能够实现快而且准确的定位，但是其不能保证边缘的连续性和封闭性，且当一幅图像的细节信息过多时，其就会在边缘处产生大量的细碎边缘，在形成完整的分割区域时就会有缺陷。

        第四种图像分割方法结合了特定的工具。这里所说的特定工具是各种图像处理工具以及算法等，随着图像分割研究工作的深入，很多学者开始将一些图像处理的工具和一些算法应用到此工作中，并取得了不错的结果。小波变换在数字图像处理中发挥着很重要的作用，它能够将时域和频域统一起来研究信号。尤其是在图像边缘检测方面，小波变换能够检测二元函数的局部突变能力。其次是基于遗传算法的图像分割，遗传算法主要借鉴了生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索方法。其模拟了由基因序列控制的生物群体的进化过程，其擅长于全局搜索，但是局部搜多能力不足。将遗传算法应用到图像处理中也是当前研究的一个热点问题，在此选择这种方法的主要原因是遗传算法具有快速的随机搜索能力，而且其搜索能力与问题的领域没有任何关系。

        除此之外，还有基于主动轮廓模型的分割方法，这种方法具有统一的开放式的描述形式，为图像分割技术的研究和创新提供了理想的框架。此方法也是对边缘信息进行检测的一种方法，主要是在给定图像中利用曲线演化来检测目标。