基于MATLAB的图像分割方法及应用

安徽财经大学

（《图像处理》课程论文）

题目：图像分割算法研究——基于分水岭分割法的彩色图像分割学院：管理科学与工程学院

专业：电子信息工程

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2015年10月

目录

摘要

图像分割技术是非常重要的图像处理技术之一，无语是在理论研究还是在实际应用中人们都非常的重视。图像分割有许多的种类和方式，一些分割运算能够直接应用于任何图像，而另外一些却只适用于特别种类的图像。图像分割技术是从图像处理技术，再到后期的图像分析的关键步骤，图像分割结果的好坏，可以说对图像的理解有直接影响。

本文根据图像分割原理及人眼视觉的基本理论，研究图像的彩色模型及图像分割的常用方法，比较各方法的特点，并选择合适的方法对图像进行分割。本文采用MATLAB软件对图像进行彩色坐标变换及阈值分割，计算简单，具有较高的运行效率，分割的结果是使图像更符合人眼的视觉特性，获得比较好的效果。

关键字：图像处理；图像分割；人类视觉；MATLAB

1.前言

1.1图像分割技术

图像分割技术是非常重要的图像处理技术之一，无语是在理论研究还是在实际应用中人们都非常的重视。图像分割有许多的种类和方式，一些分割运算能够直接应用于任何图像，而另外一些却只适用于特别种类的图像。图像分割技术是从图像处理技术，再到后期的图像分析的关键步骤，图像分割结果的好坏，可以说对图像的理解有直接影响。

图像数据的模糊和噪声的干扰是分割问题的两大难题。到目前为止，还没有一个完美的图像分割方法，可以根据人的意愿精确地分割任何一种图像。现实图像中景物情况各种不同，具体问题需具体分析，按照实际情况选择得当的方法。分割成果的好坏或正确与否，到现在为止，尚无一个统一的评价和判断标准，分割的好坏务必从分割的效果和现实应用的场合来判断。然而，在人类研究图像的历史长河中，仍然积累了许多经典的图像分割方法。固然这些分割方法不可以适应全部种类的图像分割，可是这些方法却是图像分割方法进一步发展的根基。实际上，当代一些分割算法恰巧是从经典的图像分割方法中产生出来的。图像分割法大致可以分为三个种：边缘检测法，阈值分割法和基于区域的图像分割法。

2研究目的

视觉是人类最高级的感知器官，所以图像在人类感知中承担着非常重要的角色，这是毋庸置疑的。

本文的主要研究目的是对图像的分割方法进行研究，选择适合本论文的设计方法，然后通过对图像的分割，以达到人眼的最佳视觉效果。

本课题主要是通过对人眼的视觉系统研究，然后选择与人眼视觉系统密切相关的颜色模型进行颜色空间模型之间的相互转换，再对图像分割方法进行比较选择合适的分割方法，通过MATLAB平台实现彩色图像分割，最后对分割后的图像进行比较来获得到最佳的视觉效果。

3 图像处理技术基础

3.1 技术背景

人类通过眼、鼻、耳、身、舌接收信息，来感知外部世界，从而认识世界和改造世界。据统计，人类取得的信息中，超过75%是从视觉角度获取的，也就意味着是从图像中获取的。图像是物体经过反射或透射客观存在的能量，或者由发光物体自身散发的光能量，在人的视觉体统中构成的视觉信息。客观的世界是三维的，但是一般从客观景物获得的图像是二维的。简单地说，图像是二维或三维景物展现在人心目中的影像。若接受并加工辨别视觉信息的是电子计算机，那么就叫做计算机图像处理和识别。

3.2 彩色图像格式

由于不同的开发商自己定义的图像格式都不完全一致，因此目前数字图像有多种存储格式。要想实行数字图像处理，就务必先了解图像文件的各种格式。一般来说，图像文件都由文件头和图像数据两部分组成的，文件头的内容和格式是由制作该图像文件的公司决定的，大致包括文件类型、文件大小、版本号等内容。常见的彩色图像格式包括：BMP格式、GIF格式、TIFF格式、PNG格式、JPEG格式。下面详细介绍这几种彩色图像文件格式。

1、BMP图像文件格式

BMP是英文Bitmap的简写，它是Windows操作系统中交换图像、图形数据的一种标准格式，其全称是设备独立位图（Device Independent Bitmap，DIB）。BMP图像文件也称为位图文件，主要包括4个部分：调色板、文件头、位图信息头、位图数据。

2、GIF图像文件格式

GIF(Graphics Interchange Format，图像交换文件格式)是由Compuserve公司开发的图像文件格式，目前是在不同的系统平台上交流和传输图像，现已称为BBS和网络上图像传输的通用格式。

GIF格式的所有图像数据均为压缩过的，采用的压缩算法是LZW算法，其性能优于RLE算法，能提供1:1~1:3的压缩比，压缩效率高。LZW压缩算法的特性在于其能够动态地标记数据流中出现的重复串，并且它把压缩过程中碰到的字符串记载在这张字符串表中，下次再遇到这一字符串时，就用一短代码表示它，从而达到了压缩数据量的目的。

3、TIFF图像文件格式

TIFF（Tagged Image Format File）格式是由Aldus公司与微软公司共同开发设计的图像文件格式，大部分数据扫描仪扫描输出的图像文件格式均为TIFF。TIFF格式支持任何大小的图像，从单色的二值图像到24位的真彩色图像，它普遍的应用在单面排版系统及和它有关联的应用程序，并且与计算机的结构、操作系统和图像硬件无关。

TIFF图像文件格式的压缩方式有很多种，如游程编码压缩、LZW压缩、紧缩位法编码压缩等，也有的TIFF图像文件存放在物理介质上，没有进行压缩编码，但存放时尽可能地节约空间。

4、PNG图像文件格式

PNG是90年代中期开始开发的图像文件存储格式，其目的是替代GIF和TIFF文件格式。其格式标准由W3C制定。PNG的特色：既可使用调色板方式存储颜色，又可以直接存储颜色值；可以存储最高48位彩色图像；采用类似LZW的deflate压缩算法实现无损压缩；可以类似GIF的渐进方式传输图像；支持图像透明显示兼容性好。

5、JPEG图像文件格式

JPEG（Joint Photographic Experts Group,联合图像专家组）是由ISO和IEC为静态图像所创立的第一个国际数字图像压缩准则，主要目的是解决专业摄影师所碰到的图像信息过于巨大的问题。JPEG格式最大的有点是解约存储空间、处理速度快，但由于JPEG是有损压缩，无论压缩比大小如何，图像的信息多多少少会损失，而且被压缩的部分不可恢复，因此图像质量往往有所下降。

3.3 彩色图像分割技术

彩色图像分割是数字图像处理领域中一种十分重要的图像分析技术，在对图像的研究和应用中，按照不同领域的不同需求，在某个领域常常只对原始图像中的某些局部感兴趣。这些目标区域通常来说都具备本身特定的少许诸如纹理、颜色等性质，彩色图像的分割主要按照图像在不同区域内的不同特征，从而对图像进行边界或区域上的分割，并从中提取出所关心的目标。

4分水岭分割法

分水岭分割法是一种重要的形态学图像分割法，而且具有成熟的迅速算法。在分水岭分割法中，待分割的图像被当作地形学上被水覆盖的自然地貌，然后将图像中的每个像素的灰度值示意为该点的海拔高度，其每个部分极小值和其影响区域叫做集水盆，而集水盆的边界则是分水岭。在分水岭分割方法中，由于灰度值的不同，每个局部极小值孕育出互不重合的分割区域，作为分水岭或集水盆地，则各个区域之间的边界叫做分割线或者分水线。如图1所示在低分辨率下的相似图像经分水岭算法进行初始分割后的结果。

图1 分水岭分割法

因为在分水岭分割法中，对应每个局部极小值都孕育出一个分割区域，于是获得的初始分割结果是过分割，于此同时不同颜色之间的边缘几近全数被包括在分水线之中。所以将属于同一类色彩的初始分割区域根据特定准则进行统一，可以获得预期的效果图。本文使用一种基于图像空间和颜色关连区域统一标准，按照各个初始分割区域的色彩差别和空