改進OTSU算法以及邊緣檢測的圖像分割算法的相關研究

黃建昌 劉雅舉 河北農業大學理工學院

改進OTSU算法以及邊緣檢測的圖像分割算法的相關研究

黃建昌 劉雅舉 河北農業大學理工學院

最大類間方差法可以應用于圖像的閾值的選取，為了避免圖像過度分割、提高分割效果，需要對最大類間方差法（OTSU）進行改進。本文通過分析研究，主要闡述OTSU算法以及邊緣檢測分割算法能夠通否有效結合，形成更加先進的分割方法，以達到更好地圖像分割效果。

OTSU算法 邊緣檢測 圖像分割

圖像分割是圖像處理的關鍵，圖像分割是將圖像中重要的特征提取出來，并對圖片中的邊緣區域進行圖像識別和圖像分析，目前圖像分割技術處在研究和開發階段，暫時沒有適用于各種圖像的分割方法，因此，在研究圖像分割算法時，要考慮改進OTSU算法和邊緣檢測，以便更完整地提取出圖片的邊緣區域信息，達到良好的分割效果。

1 最大類間方差法的原理

最大類間方差法（OTSU）是日本學者大津提出的著名閥值確定法。該方法按照圖像的灰度特征，把圖像分成了目標和背景兩個類別，主要理論方法是計算圖像的背景和目標的方差值。如果方差值越大，圖像越容易分割，但當部分目標錯分為背景，或者是部分背景錯分為目標，這樣的結果都會使分割效果下降。所以類間方差取值越大，圖片錯分的概率就越小，而且越容易分割。

2 改進的最大類間方差法分析

雖然最大空間方差法計算方法簡單，但是當圖像的目標和背景差距較大時，空間信息受限，而且圖像的灰度分布對噪音比較敏感，因此圖像分割會因為部分客觀因素而導致分割效果欠佳，必須進行改進。

2.1 初始閾值分割

這種方法可以參考整個圖像的平均灰度值，進行合理分割，能夠簡化計算閾值的過程，而且計算的時效性特點突出。如假設圖像大小為m×n，初始閾值公式為：

2.2 計算平均值

圖像可分為兩個部分，通過計算初始閾值T0，可以設大于T0部分的目標為C1，其平均灰度值公式為：

2.3 確定閾值的范圍

計算閾值T0，并將閾值設為圖像的平均灰度值，其目標亮度是高于圖像背景的。此外一般復雜背景的圖像灰度值有時會高于平均灰度，容易造成分割錯判。分割圖像必須保證目標的灰度值高于背景的均值，因此必須要確定閾值的取值范圍，以保證圖像完整分割。

2.4 求最佳閾值

通過上文敘述，我們可使用OSTU計算出最佳閾值，改進后的OSTU能夠有效減少計算量，而且能夠保證計算的精準度，而合理閾值能夠保證圖像在分割時更加有效地進行圖像分割。

3 邊緣檢測與結果分析

邊緣檢測就是對圖像上的要素點進行微分以得出邊緣的像素點，分為一階微分圖像和二階微分圖像兩種方式，一階微分圖像峰值一般在對應圖像的邊緣點處，而二階微分圖像一般在對應著圖像的邊緣點處。在分割圖像時，對像素點的灰度變化進行量化，邊緣檢測定義圖像的梯度可作為梯度算子。圖像梯度能夠考察圖像灰度變化率，可以反映出圖像邊緣上的灰度變化，邊緣檢測算子有Roberts算子、Prewitt算子、Kirsch算子等等。這里以Roberts算子為例，邊緣的鋒利程度由灰度的梯度決定，梯度為向量，公式為：

梯度大小公式為

利用試驗圖像的水平和垂直的差分進行計算，并算出向量，然后求取絕對值，能夠得到Roberts的算子，其公式為：

具體試驗可以將圖像進行減噪處理，再利用改進的OTSU算法對圖像的最佳閾值進行取值，然后采用邊緣檢測Roberts算子進行邊緣檢測，能夠確定出具體圖像的邊緣位置分布，并確定圖像的邊緣性的特征狀況。最后根據計算結果進行圖像分割。

原圖

改進后OSTU處理

通過圖像實驗得出的具體結果，可以發現改進后的OSTU算法能夠使圖像的背景和目標亮度變化縮小（主要是兩部分的方差均值被考慮），OSTU配合邊緣檢測對原來的算法進行了改進，能夠更好地分割出圖像的信息。

4 總結

總之。改進的OTSU算法和邊緣檢測相結合的圖像分割算法，能夠有效計算圖像目標和背景的方差值，并利用圖像信息進行最佳閾值的選取，而且能夠最大限度地保護圖像的邊緣特征，保證圖像的實際分割效果，該方法簡單易算，能夠較快地處理圖像信息，應用前景廣泛。

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河北農業大學理工基金項目子課題：基于邊緣檢測的圖像分割算法研究（編號：LG201635）；河北農業大學理工基金項目子課題：復雜背景下鵝膏菌屬圖像的自動識別（編號：LG201636）；河北農業大學理工基金總項目：面對對象的圖像智能識別（編號：LG201634）。