数字图像处理论文1.doc

1、数字图像处理论文学 生 ： 夏 紫 欣学 号 ： 20081004169班 号 ： 075082281图 像 边 缘 提 取 和 分 割摘 要 ： 图 像 最 重 要 的 特 征 之 一 是 边 缘 ， 它 也 是 图 像 分 割 的 主 要 依 据 。 图 像的 边 缘 提 取 和 分 割 是 图 像 处 理 、 图 像 分 析 和 计 算 机 视 觉 等 研 究 领 域 的 经 典课 题 之 一 ， 它 有 较 长 的 研 究 历 史 和 一 定 的 深 度 和 难 度 。 本 文 讲 述 图 像 边 缘的 基 本 特 征 、 边 缘 检 测 算 子 及 其 模 板 ， 重 点 讲 述 图

2、 像 分 割 的 基 本 概 念 和 三类 典 型 的 方 法 ， 并 分 析 各 自 的 特 性 。关 键 词 ： 边 缘 检 测 ， 算 子 ， 图 像 分 割 ， 阈 值 ， 区 域1.前 言在 一 幅 图 像 中 ， 景 物 往 往 由 众 多 的 目 标 组 成 ， 反 映 在 图 像 中 是 众 多 的区 域 。 为 了 辨 别 和 分 析 目 标 ， 需 要 将 这 些 区 域 分 离 提 取 出 来 ， 而 图 像 分 割 就是 要 将 图 像 中 有 意 义 的 特 征 部 分 提 取 出 来 ， 这 些 有 意 义 的 特 征 部 分 包 括 图 像中 的 边 缘 、 区

3、域 、 纹 理 等 。 图 像 分 割 的 目 的 是 为 了 识 别 和 理 解 图 像 。 图 像 最基 本 的 特 征 是 边 缘 ， 它 存 在 于 目 标 与 背 景 、 目 标 与 目 标 、 区 域 与 区 域 之 间 ，因 此 边 缘 是 图 像 分 割 所 依 赖 的 最 重 要 的 特 征 ， 也 是 纹 理 特 征 中 的 重 要 信 息 源和 形 状 特 征 的 基 础 。 虽 然 目 前 已 经 研 究 出 不 少 边 缘 提 取 、 区 域 分 割 的 方 法 的方 法 ， 但 是 随 着 图 像 处 理 应 用 领 域 的 不 断 扩 展 ， 对 图 像 分 割

4、的 研 究 还 在 不 断深 入 ， 因 而 它 是 目 前 数 字 图 像 处 理 研 究 的 热 点 问 题 之 一 。2.图 像 边 缘 提 取2.1 边 缘 提 取 概 念在 众 多 用 于 识 别 的 应 用 中 ， 图 像 边 缘 是 很 重 要 的 特 征 之 一 。 边 缘 是 指图 像 周 围 像 素 灰 度 有 阶 跃 变 化 或 屋 顶 状 变 化 的 那 些 像 素 的 集 合 。 图 像 边 缘保 留 了 原 始 图 像 中 相 当 重 要 的 部 分 信 息 ， 它 不 仅 在 分 析 图 像 时 大 幅 度 地 减少 了 要 处 理 的 信 息 量 ， 而 且 还

5、 保 护 了 目 标 的 边 界 结 构 ， 很 好 的 符 合 了 特 征提 取 的 要 求 。 图 像 的 边 缘 检 测 是 图 像 分 析 处 理 的 第 一 步 ， 它 是 图 像 分 割 、目 标 区 域 的 识 别 、 区 域 形 状 提 取 等 图 像 分 析 领 域 的 重 要 基 础 。22.2 边 缘 检 测 算 子边 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 。 边 缘 检 测 算 子 检 查 每 个 像 素 的 领 域 ， 并 对 灰 度 变 化 率 进 行 量 化 ， 通 常也 包 括 方

6、向 的 确 定 。 边 缘 检 测 算 法 通 常 有 四 个 步 骤 ： 滤 波 、 增 强 、 检 测 和定 位 。 经 典 的 、 简 单 的 边 缘 检 测 方 法 是 对 原 始 图 像 按 像 素 的 某 领 域 构 造 边缘 检 测 算 子 ， 如 Roberts 算 子 、 Sobel 算 子 、 Laplace 算 子 和 Prewitt 算子 等 。2.2.1Roberts 算 子Roberts 算 子 是 一 种 斜 向 差 分 的 梯 度 计 算 方 法 ， 梯 度 的 大 小 代 表 边 缘的 强 度 ， 梯 度 的 方 向 与 边 缘 走 向 垂 直 。 边 缘 定

7、 位 准 ， 但 是 对 噪 声 敏 感 。 适用 于 边 缘 明 显 且 噪 声 较 少 的 图 像 分 割 。 Roberts 边 缘 检 测 算 子 是 一 种 利 用局 部 差 分 算 子 寻 找 边 缘 的 算 子 ,Robert 算 子 图 像 处 理 后 结 果 边 缘 不 是 很 平滑 。 经 分 析 ， 由 于 Robert 算 子 通 常 会 在 图 像 边 缘 附 近 的 区 域 内 产 生 较 宽的 响 应 ， 故 采 用 上 述 算 子 检 测 的 边 缘 图 像 常 需 做 细 化 处 理 ， 边 缘 定 位 的 精度 不 是 很 高 。2.2.2Sobel 算 子

8、 和 Prewitt 算 子Sobel 算 子 和 Prewitt 算 子 都 是 一 阶 的 微 分 算 子 ， 都 是 先 对 图 像 进 行平 滑 处 理 ， 虽 然 两 者 都 是 加 权 平 均 滤 波 ， 但 是 潜 在 领 域 的 像 素 对 当 前 像 素产 生 的 影 响 是 不 等 价 的 ， 距 离 不 同 的 像 素 具 有 不 同 的 权 值 ， 对 算 子 结 果 产生 的 影 响 也 不 同 。 由 于 Sobel 算 子 是 滤 波 算 子 的 形 式 ， 用 于 提 取 边 缘 ， 可以 利 用 快 速 卷 积 函 数 ， 简 单 有 效 ， 因 此 应 用

9、广 泛 。 美 中 不 足 的 是 ， Sobel算 子 并 没 有 将 图 像 的 主 体 与 背 景 严 格 地 区 分 开 来 ， 换 言 之 就 是 Sobel 算 子没 有 基 于 图 像 灰 度 进 行 处 理 ， 由 于 Sobel 算 子 没 有 严 格 地 模 拟 人 的 视 觉 生理 特 征 ， 所 以 提 取 的 图 像 轮 廓 有 时 并 不 能 令 人 满 意 。 Prewitt 算 子 对 噪 声有 抑 制 作 用 ， 抑 制 噪 声 的 原 理 是 通 过 像 素 平 均 ， 但 是 像 素 平 均 相 当 于 对 图像 的 低 通 滤 波 ， 所 以 Prewi

10、tt 算 子 对 边 缘 的 定 位 不 如 Roberts 算 子 。2.2.3Laplace 算 子Laplace 算 子 是 一 种 二 阶 微 分 算 子 ， 若 只 考 虑 边 缘 点 的 位 置 而 不 考 虑3周 围 的 灰 度 差 时 可 用 该 算 子 进 行 检 测 。 对 于 阶 跃 状 边 缘 ， 其 二 阶 导 数 在 边缘 点 出 现 零 交 叉 ， 并 且 边 缘 点 两 旁 的 像 素 的 二 阶 导 数 异 号 。其 具 有 各 向 同 性 ， 即 与 坐 标 轴 方 向 无 关 ， 坐 标 轴 旋 转 后 梯 度 结 果 不 变 。但 是 ， 其 对 噪 声

11、 比 较 敏 感 ， 所 以 ， 图 像 一 般 先 经 过 平 滑 处 理 ， 因 为 平 滑 处理 也 是 用 模 板 进 行 的 ， 所 以 ， 通 常 的 分 割 算 法 都 是 把 Laplace 算 子 和 平 滑算 子 结 合 起 来 生 成 一 个 新 的 模 板 。Laplace 算 子 一 般 不 以 其 原 始 形 式 用 于 边 缘 检 测 ， 因 为 其 作 为 一 个 二阶 导 数 ， Laplace 算 子 对 噪 声 具 有 无 法 接 受 的 敏 感 性 。 同 时 其 幅 值 产 生 算边 缘 ， 这 是 复 杂 的 分 割 不 希 望 有 的 结 果 ，

12、而 且 Laplace 算 子 不 能 检 测 边 缘的 方 向 。2.2.4Canny 算 子Canny 算 子 是 一 个 具 有 滤 波 ， 增 强 ， 检 测 的 多 阶 段 的 优 化 算 子 ， 在 进行 处 理 前 ， Canny 算 子 先 利 用 高 斯 平 滑 滤 波 器 来 平 滑 图 像 以 除 去 噪 声 ，Canny 分 割 算 法 采 用 一 阶 偏 导 的 有 限 差 分 来 计 算 梯 度 幅 值 和 方 向 ， 在 处 理过 程 中 ， Canny 算 子 还 将 经 过 一 个 非 极 大 值 抑 制 的 过 程 ， 最 后 Canny 算 子还 采 用

13、两 个 阈 值 来 连 接 边 缘 。Canny 边 缘 检 测 利 用 高 速 函 数 的 一 阶 微 分 ， 在 噪 声 抑 制 和 边 缘 检 测 之间 寻 求 较 好 的 平 衡 ， 其 表 达 式 接 近 高 斯 函 数 的 一 阶 导 数 。 Canny 边 缘 检 测算 子 对 受 加 性 噪 声 影 响 的 边 缘 检 测 是 最 优 的 。 它 是 近 几 年 来 在 数 字 图 像 处理 中 广 泛 应 用 的 边 缘 算 子 ， 通 过 Canny 算 子 的 应 用 可 以 计 算 出 数 字 图 像 的边 缘 强 度 和 边 缘 梯 度 方 向 ， 为 后 续 的 边

14、 缘 点 的 判 断 提 供 依 据 。 Canny 边 缘检 测 算 子 的 最 优 性 与 以 下 的 三 个 标 准 有 关 ：1)检 测 标 准 ： 不 丢 失 重 要 的 边 缘 ， 不 应 有 虚 假 的 边 缘 。2)定 位 标 准 ： 实 际 边 缘 与 检 测 到 的 边 缘 位 置 之 间 的 偏 差 最 小 。3)单 响 应 标 准 ： 将 多 个 响 应 降 低 为 单 个 边 缘 响 应 。3.图 像 分 割3.1 图 像 分 割 概 念利 用 计 算 机 进 行 数 字 图 像 处 理 的 目 的 有 两 个 ： 一 是 产 生 更 适 合 人 类 视 觉4观 察

15、和 识 别 的 图 像 ， 二 是 希 望 计 算 机 能 够 自 动 进 行 识 别 和 理 解 图 像 。 无 论 是为 了 何 种 目 的 ， 图 像 处 理 的 关 键 是 对 包 含 有 大 量 信 息 各 式 各 样 景 物 信 息 的 图像 进 行 分 解 ， 图 像 分 割 就 是 其 分 解 的 过 程 。 图 像 分 割 可 以 采 用 三 种 不 同 的原 理 来 实 现 。 在 区 域 方 法 中 ， 把 个 别 像 素 划 分 到 各 物 体 或 区 域 中 。 在 边 界 方法 中 ， 只 需 确 定 存 在 于 区 域 的 边 界 。 在 边 缘 方 法 中 ，

16、先 确 定 边 缘 像 素 ， 并 把它 们 连 接 在 一 起 以 构 成 所 需 的 边 界 。图 像 分 割 就 是 把 图 像 分 成 若 干 个 特 定 的 、 具 有 独 特 性 质 的 区 域 并 提 出 感兴 趣 目 标 的 技 术 和 过 程 。 它 是 由 图 像 处 理 到 图 像 分 析 的 关 键 步 骤 。 图 像 分割 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 与 理 解 的 基 础 。从 概 念 上 来 说 ， 图 像 分 割 就 是 按 照 一 定 的 原 则 将 一 幅 图 像 或 景 物 分 为

17、 若 干 个部 分 或 子 集 的 过 程 。 目 前 已 提 出 的 图 像 分 割 方 法 很 多 ， 它 可 以 按 照 不 同 的标 准 分 类 ， 以 下 介 绍 的 是 ： 基 于 阈 值 的 分 割 方 法 、 基 于 区 域 的 分 割 方 法 和 基于 边 缘 的 分 割 方 法 。3.2 图 像 分 割 方 法3.2.1 基 于 阈 值 的 分 割 方 法阈 值 分 割 法 是 简 单 地 用 一 个 或 几 个 阈 值 将 图 像 的 直 方 图 分 成 几 类 ， 图 像中 灰 度 值 在 同 一 个 灰 度 类 的 像 素 属 于 同 一 个 类 ， 其 过 程 是

18、觉 得 一 个 灰 度 值 用以 区 分 不 同 的 类 ， 这 个 灰 度 值 就 是 阈 值 。 如 果 能 确 定 一 个 合 适 的 阈 值 就 可准 确 地 将 图 像 分 割 开 来 。 阈 值 确 定 后 ， 将 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 。 缺 点 是 当 图 像中 不 存 在 明 显 的 灰 度 差 异 或 灰 度 值 范 围 有 较 大 重 叠 时

19、 ， 分 割 效 果 不 理 想 。阈 值 分 割 法 仅 考 虑 了 图 像 的 灰 度 信 息 而 没 有 考 虑 图 像 的 空 间 信 息 ， 导 致 对 噪声 和 灰 度 不 均 匀 很 敏 感 。 故 在 实 际 运 用 中 ， 阈 值 分 割 法 通 常 与 其 他 方 法 结 合使 用 。1） 全 局 阈 值 法全 局 阈 值 是 指 整 幅 图 像 使 用 同 一 个 阈 值 做 分 割 处 理 ， 适 用 于 背 景 和前 景 有 明 显 对 比 的 图 像 。 它 是 利 用 整 幅 图 像 的 信 息 来 得 到 分 割 用 的 阈 值 ，并 根 据 该 阈 值 对 整

20、 幅 图 像 进 行 分 割 。 但 是 这 种 方 法 只 考 虑 像 素 本 身 的 灰5度 值 ， 一 般 不 考 虑 空 间 特 征 ， 因 而 对 噪 声 很 敏 感 。 常 用 的 全 局 阈 值 选 取方 法 有 利 用 图 像 灰 度 直 方 图 的 峰 谷 法 、 最 小 误 差 法 、 最 大 类 间 方 差 法 、最 大 熵 自 动 阈 值 法 以 及 其 它 一 些 方 法 。 阈 值 的 选 择 需 要 根 据 具 体 问 题 来确 定 ， 一 般 通 过 实 验 来 确 定 。 对 于 给 定 的 图 像 ， 可 以 通 过 分 析 直 方 图 的方 法 确 定 最

21、 佳 的 阈 值 ， 例 如 当 直 方 图 明 显 呈 现 双 峰 情 况 时 ， 可 以 选 择 两个 峰 值 的 中 点 作 为 最 佳 阈 值 。2） 局 部 阈 值 分 割局 部 阈 值 分 割 法 是 将 原 始 图 像 划 分 成 较 小 的 图 像 ， 并 对 每 个 子 图 像 选取 相 应 的 阈 值 ， 这 种 方 法 也 叫 做 适 应 阈 值 分 割 。 在 阈 值 分 割 后 ， 相 邻 子图 像 之 间 的 边 界 处 可 能 产 生 灰 度 级 的 不 连 续 性 ， 因 此 需 采 用 平 滑 技 术 进行 排 除 。 局 部 阈 值 法 常 用 的 方 法

22、有 灰 度 差 直 方 图 法 、 微 分 直 方 图 法 。局 部 阈 值 分 割 法 能 改 善 分 割 效 果 ， 但 存 在 以 下 缺 点 ：a.每 幅 子 图 像 的 尺 寸 不 能 太 小 ， 否 则 统 计 出 的 结 果 无 意 义 。b.每 幅 图 像 的 分 割 是 任 意 的 ， 如 果 有 一 幅 子 图 像 正 好 落 在 目 标 区 域 或 背景 区 域 ， 而 根 据 统 计 结 果 对 其 分 割 会 产 生 更 差 的 结 果 。c.对 每 幅 子 图 像 都 要 进 行 统 计 ， 故 速 度 慢 ， 难 以 适 应 实 时 性 要 求 。3.2.2 基

23、于 边 缘 检 测 的 分 割 方 法基 于 边 缘 的 分 割 算 法 是 利 用 不 同 区 域 象 素 特 征 的 不 连 续 性 检 测 区 域 边缘 ， 从 而 实 现 图 像 分 割 。 根 据 分 割 算 法 实 现 策 略 的 不 同 ， 又 可 分 为 并 行 边缘 检 测 和 串 行 边 缘 检 测 两 种 方 法 。 图 像 中 相 邻 的 不 同 区 域 间 总 存 在 边 缘 ， 边缘 处 象 素 的 灰 度 值 是 不 连 续 的 ， 可 以 利 用 微 分 算 子 进 行 边 缘 检 测 ， 属 于 并 行处 理 方 法 。 常 用 的 微 分 算 子 有 Rob

24、erts 算 子 ， Prewitt 算 子 ， Sobel 算 子 ，Laplace 算 子 ， Marr 算 子 ， Krisch 算 子 等 。 前 三 种 属 于 一 阶 微 分 算 子 ， 当区 域 边 界 清 晰 ， 边 缘 灰 度 值 变 化 明 显 时 ， 可 以 取 得 较 好 的 分 割 效 果 ， 但 都 对噪 声 较 为 敏 感 。 Laplace 算 子 属 于 二 阶 微 分 算 子 ， 具 有 各 向 同 性 的 特 点 ， 但对 噪 声 更 加 敏 感 ， 很 少 直 接 用 于 边 缘 检 测 ， 通 常 用 于 边 缘 象 素 的 区 域 属 性 判别 和

25、辅 助 进 行 边 缘 的 精 确 定 位 。 为 了 减 轻 噪 声 对 Laplace 算 子 的 影 响 ，Marr 算 子 利 用 人 的 视 觉 机 理 ， 采 用 先 滤 波 后 求 导 的 检 测 策 略 ， 检 测 效 果 优于 以 上 几 种 算 子 ， 但 Marr 算 子 在 平 滑 噪 声 的 同 时 也 降 低 了 图 像 的 对 比 度 。6Krisch 算 子 属 于 非 线 性 微 分 算 子 ， 在 保 留 边 缘 细 节 上 有 一 定 的 优 势 。3.2.3 基 于 区 域 的 分 割 方 法基 于 区 域 的 分 割 是 根 据 图 像 灰 度 、 纹

26、 理 、 颜 色 和 图 像 像 素 统 计 的 均 匀 性等 图 像 的 空 间 局 部 特 征 ， 把 图 像 中 的 像 素 划 归 到 各 个 物 体 区 域 中 ， 进 而 将 图像 分 割 成 若 干 个 不 同 区 域 的 一 种 分 割 方 法 。 它 主 要 有 区 域 生 长 法 和 分 裂 合 并法 两 种 。区 域 生 长 和 分 裂 合 并 是 两 种 典 型 的 串 行 分 割 技 术 ， 在 分 割 过 程 中 后 续 步骤 的 处 理 要 根 据 前 面 步 骤 的 结 果 进 行 判 断 而 确 定 。 区 域 增 长 的 基 本 思 想 是 将具 有 相 似

27、 特 性 的 象 素 合 并 起 来 从 而 构 成 区 域 。 首 先 为 每 个 需 要 分 割 的 区 域 选择 一 个 或 一 些 种 子 象 素 作 为 生 长 起 点 ， 然 后 按 一 定 的 生 长 规 则 将 其 周 围 与 之特 性 相 同 或 相 似 的 象 素 合 并 到 种 子 象 素 所 在 的 区 域 中 ， 把 这 些 新 象 素 作 为 种子 继 续 生 长 ， 直 到 没 有 满 足 条 件 的 象 素 可 以 被 合 并 。 区 域 生 长 算 法 的 关 键 是初 始 种 子 点 的 选 取 和 生 长 规 则 的 确 定 。 算 法 的 优 点 在 于

28、 计 算 简 单 ， 对 于 均 匀的 连 通 目 标 有 很 好 的 分 割 效 果 ， 缺 点 是 需 要 人 为 设 定 种 子 点 ， 对 噪 声 敏 感 ，可 能 导 致 区 域 出 现 空 洞 。 分 裂 合 并 算 法 的 基 本 思 想 是 从 整 幅 图 像 开 始 通 过 不断 分 裂 合 并 来 得 到 各 个 区 域 。 分 裂 合 并 算 法 的 关 键 是 分 裂 合 并 准 则 的 设 计 ，这 种 算 法 对 复 杂 图 像 的 分 割 效 果 较 好 ， 但 算 法 复 杂 ， 计 算 量 大 ， 分 裂 可 能 破坏 区 域 的 边 界 。4.总 结通 过

29、本 次 的 学 习 了 解 到 了 图 像 边 缘 提 取 和 分 割 算 法 的 各 种 分 类 和 方 法 ，通 过 对 各 种 边 缘 检 测 算 子 的 比 较 更 加 深 入 理 解 了 不 同 算 子 的 优 劣 和 在 实 际 中 的运 用 ， 也 学 习 到 了 图 像 分 割 处 理 的 各 种 方 面 的 概 念 和 意 义 。 图 像 分 割 处 理 在 数字 图 像 处 理 中 一 直 是 一 项 很 关 键 的 技 术 ， 在 军 事 、 遥 感 、 气 象 等 各 种 领 域 都运 用 广 泛 。 随 着 人 们 的 不 断 研 究 和 技 术 的 发 展 ， 借

30、助 各 种 理 论 已 经 提 出 了 上千 种 不 同 类 型 的 分 割 算 法 ， 除 了 本 文 所 提 到 的 三 种 ， 还 有 基 于 特 定 理 论 的 图 像分 割 方 法 ， 基 于 小 波 变 换 的 分 割 方 法 基 于 模 糊 技 术 的 图 像 分 割 法 ， 基 于 人 工 神7经 网 络 的 图 像 分 割 方 法 和 遗 传 算 法 在 图 像 分 割 中 的 应 用 等 等 方 面 。 虽 然 目 前没 有 一 种 适 合 于 所 有 图 像 通 用 的 分 割 方 法 ， 但 是 随 着 新 方 法 、 新 概 念 的 不 断 产生 ， 只 要 合 理 的 将 各 种 方 法 加 以 综 合 合 理 的 运 用 ， 相 信 随 着 研 究 不 断 的 深 入 ，存 在 的 各 种 问 题 也 会 得 到 圆 满 的 解 决 ， 图 像 分 割 方 法 也 会 取 得 突 破 和 进 展 。