图像分割综述
医学图像分割方法综述
医学图像分割方法综述林瑶，田捷1北京,中国科学院自动化研究所人工智能实验室,100080摘要: 图像分割是一个经典难题，随着影像医学的发展，图像分割在医学应用中具有特殊的重要意义。
本文从医学应用的角度出发，对医学图像分割方法，特别是近几年来图像分割领域中出现的新思路、新方法或对原有方法的新的改进给出了一个比较全面的综述，最后总结了医学图像分割方法的研究特点。
关键词：医学图像分割 综述1．背景介绍医学图像包括CT 、正电子放射层析成像技术（PET ）、单光子辐射断层摄像（SPECT ）、MRI （磁共振成像技术）、Ultrasound （超声）及其它医学影像设备所获得的图像。
随着影像医学在临床医学的成功应用，图像分割在影像医学中发挥着越来越大的作用[1]。
图像分割是提取影像图像中特殊组织的定量信息的不可缺少的手段，同时也是可视化实现的预处理步骤和前提。
分割后的图像正被广泛应用于各种场合，如组织容积的定量分析，诊断，病变组织的定位，解剖结构的学习，治疗规划，功能成像数据的局部体效应校正和计算机指导手术[2]。
所谓图像分割是指将图像中具有特殊涵义的不同区域区分开来，这些区域是互相不交叉的，每一个区域都满足特定区域的一致性。
定义 将一幅图像，其中g x y (,)0≤≤x Max x _,0≤≤y Max y _，进行分割就是将图像划分为满足如下条件的子区域...：g 1g 2g 3 (a) ，即所有子区域组成了整幅图像。
(b) 是连通的区域。
g k (c) ，即任意两个子区域不存在公共元素。
(d) 区域满足一定的均一性条件。
均一性（或相似性）一般指同一区域内的像素点之间的灰度值差异较小或灰度值的变化较缓慢。
g k 如果连通性的约束被取消，那么对像素集的划分就称为分类（pixel classification），每一个像素集称为类（class）。
在下面的叙述中，为了简单，我们将经典的分割和像素分类通称为分割。
图像分割文献综述
文献综述图像分割就是把图像分成各具特色的区域提取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，是一种基本的计算机视觉技术。
图像分割起源于电影行业。
伴随着近代科技的发展，图像分割在实际中得3到了广泛应用，如在工业自动化、在线产品检验、生产过程控制、文档图像处理、遥感和生物医学图像分析、以及军事、体育、农业工程等方面。
总之，只要是涉及对对象目标进行特征提取和测量，几乎都离不开图像分割。
所以，对图像分割的研究一直是图像工程中的重点和热点。
自图像分割的提出至今，已经提出了上千种各种类型的分割算法。
由于分割算法非常多，所以对它们的分类方法也不尽相同。
我们依据使用知识的特点与层次，将其分为基于数据和基于模型两大类。
前者是直接对当前图像的数据进行操作，虽然可以利用相关的先验信息，但是不依赖于知识；后者则是直接建立在先验知识的基础上，这类分割更符合当前图像分割的技术要点，也是当今图像分割的主流。
基于数据的图像分割算法多数为传统算法，常见的包括，基于边缘检测，基于区域以及边缘与区域相结合的分割方法等等。
这类分割方法具有以下缺点，○1易受噪声和伪边缘影响导致得到的边界不连续，需要用特定的方法进行连接；○2只能提取图像局部特征，缺乏有效约束机制，难以获得图像的全局信息；○3只利用图像的底层视觉特征，难以将图像的先验信息融合到高层的理解机制中。
这是因为传统的图像处理算法都是基于MIT人工智能实验室Marr提出的各层相互独立、严格由低到高的分层视觉框架下进行的。
由于各层之间不存在反馈，数据自底向上单向流动，高层的信息无法指导底层特征的提取，从而导致底层的误差不断积累，且无法修正。
基于模型的分割方法则可以克服以上缺陷。
基于模型的分割方法可以将分割目标的先验知识等有用信息融合到高层的理解机制之中，并通过对图像中的特定目标对象建模来完成分割任务。
这是一种自上而下的处理过程，可以将图像的底层视觉特征与高层信息有机结合起来，因此更接近人类的视觉处理。
图像分割研究综述
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社 ．２００１．
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参考文献
幅 图 像 分 成 满 足 上 面 ５个 条 件 的 各 具 特 性
生 长 准 则 的 选 取 不 仅 依 赖 于 具 体 问题 【ｌ】章 毓 晋 ．图 像 分 割 【Ｍ】．北 京 科 学 出 版
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医学图像分割方法综述
原理: 分裂合并的思想将图像先看成一个区域，然后区域不断被 分裂为四个矩形区域，直到每个区域内部都是相似的。研究重 点是分裂和合并规划的设计。
缺点: 分裂技术破坏区域边界。
example
• 在想要分割的部分选择一个或者多个种子 • 相邻像素就会以某种算法进行检测 • 将符合检测条件的像素加入到区域中 • 逐渐生长为满足约束条件的目标区域
途径: 先用基于区域的分裂合并方法分割图像，然后用边界信息对区 域间的轮廓进行优化；先在梯度幅值图像中检测屋脊点和波谷点, 通 过最大梯度路径连接奇异点获得初始图像分割，然后采用区域合并技 术获得最终结果等
其它分割方法
基于模糊理论:图像分割问题是典型的结构不良问题，而模糊集理论具 有描述不良问题的能力。基于模糊理论的图像分割方法包括模糊阈值 分割方法、模糊聚类分割方法和模糊连接度分割方法等。
优点:实现简单，对不同类灰度值或其他特征相差很大 时，能有效分 割。常做医学图像的预处理。
缺点: 不适应多通道和特征值相差不大的图像；对噪声和灰度不均匀 很敏感；阈值选取困难。
直方图
• 图像区域由灰度值区分开
基于阈值的图像分割
阈值:
选择灰度值作为阈值
g m in和g m a x
遍历整幅图像检测像素是否在此区域内
分类: 形变模型包括形变轮廓(deformable contour) 模型（又称 snake或active contour ），三维形变表面（deformable surface ）模型。
形变轮廓模型: 使轮廓曲线在外能和内能的作用下向物体边 缘靠近，外力推动轮廓运动，而内力保持轮廓的光滑性。
基于阈值的图像分割
图像分割综述
摘要图像分割是把图像划分为有意义的若干区域的图像处理技术，分割技术在辅助医学诊断及运动分析、结构分析等领域都有着重要的研究价值和广泛的应用发展前景。
在阅读大量文献的基础上，本文对图像分割技术的理论基础、发展历程及图像分割方法的热点、难点问题进行了分类综述，对不同分割算法优缺点进行了总结和归纳，并对图像分割的发展趋势进行了初步的展望和预测。
在此基础上，为了对图像分割理论有更直观的认识，本文选取并行边界算法和分水岭算法这两种方法，用MATLAB软件进行了基础的仿真，并对结果进行了分析和总结，本文重点对一些近年来新兴的算法，比如水平集（Level-set）算法、马尔科夫随机场算法（Markov）、模糊算法、遗传算法、数学形态学算法等进行了概略性的探讨，对这些新兴算法的特点、原理、研究动态进行了分析和总结。
关键词：图像分割；边界；区域；水平集；马尔科夫AbstractImage segmentation is an image processing technology that divides the image into a number of regions. Image segmentation has very important significance in supporting medical diagnosis, motion analysis, structural analysis and other fields.Based on recent research, a survey on the theory and development of image segmentation, hot and difficult issues in image segmentation is given in this article. And describes the characteristics of each method as well as their respective advantages and disadvantages in image segmentation .This article introduces and analyzes some basic imaging and image segmentation methods in theory and describes the development trends of medical image segmentation. To have a better understanding of image segmentation, I use MATLAB software to stimulate on images about the parallel edge algorithms and watershed algorithm. And the analysis of the segmentation results is given in the article.This article introduces and analyzes the new algorithms in recent years such as Level-set algorithm, Markov algorithm, Fuzzy algorithm, Genetic algorithm and Morphological algorithm. In this paper, the features, theory and research trends of these algorithms are analyzed and summarized.Keywords: Image segmentation; Border; Area；Level-set；Markov第1章引言1.1 图像分割的背景和重要作用图像是传达信息的一种方式，图像中含有大量的有用信息，理解图像并从图像中抽取信息以用来完成其他工作是数字图像技术中一个重要的应用领域，而理解图像的第一步就是图像的分割。
图像分割技术研究综述
图像分割技术研究综述随着科技的快速发展，图像分割技术作为计算机视觉领域的重要分支，已经在众多应用领域中发挥着越来越重要的作用。
本文将对图像分割技术的研究进行综述，包括其发展历程、应用领域、研究成果以及未来研究方向。
图像分割技术是指将图像按照像素或区域进行划分，从而提取出感兴趣的目标或背景的过程。
图像分割技术在信号处理、计算机视觉、机器学习等领域具有重要的应用价值。
例如，在智能交通中，图像分割技术可以用于车辆检测和跟踪；在医学图像分析中，图像分割技术可以用于病灶区域提取和诊断。
根据图像分割技术所采用的方法，可以将其大致分为以下几类：基于阈值的分割、基于区域的分割、基于边缘的分割、基于模型的分割以及基于深度学习的分割。
1、基于阈值的分割是一种简单而又常用的图像分割方法，其基本原理是通过设定一个阈值，将图像的像素值进行分类，从而将图像分割为不同的区域。
基于阈值的分割方法实现简单、运算效率高，但在处理复杂图像时，往往难以选择合适的阈值，导致分割效果不理想。
2、基于区域的分割方法是根据图像像素的灰度或颜色特征，将图像分割为不同的区域。
这类方法通常适用于均匀背景和简单目标的图像，但对于复杂背景和遮挡情况的处理效果较差。
3、基于边缘的分割方法是通过检测图像中的边缘信息，将不同区域之间的边界提取出来，从而实现图像分割。
这类方法对噪声和光照变化较为敏感，需要结合其他方法进行优化。
4、基于模型的分割方法通常是利用数学模型对图像进行拟合，从而将图像中的目标或背景分离出来。
常用的模型包括参数化模型和非参数化模型两类。
这类方法能够处理复杂的图像特征，但对模型的选择和参数调整要求较高。
5、基于深度学习的分割方法是通过训练深度神经网络，实现对图像的自动分割。
这类方法具有强大的特征学习和自适应能力，能够处理各种复杂的图像特征，但在计算复杂度和训练成本方面较高。
近年来，随着人工智能和机器学习技术的快速发展，基于深度学习的图像分割技术在学术研究和实际应用中取得了显著的成果。
多层次医学图像配准与分割技术综述
多层次医学图像配准与分割技术综述一、引言医学图像处理是医学领域中具有重要价值的核心技术之一。
在医学诊断、手术规划、治疗效果评估等方面，医学图像配准与分割技术已被广泛应用。
随着医学图像采集技术和存储设备的不断发展，逐渐形成了多层次医学图像数据，使得多层次医学图像配准与分割技术的研究成为医学图像处理领域的重要方向。
本综述将介绍多层次医学图像配准与分割技术的研究现状和发展趋势。
二、多层次医学图像配准技术1. 刚性配准技术对于同一患者所得到的多个医学图像，在进行医疗诊断分析时需要将不同图像上的相应结构对齐，这就需要配准技术。
刚性配准属于传统的医学图像配准方法。
刚性包括平移、旋转、缩放三个自由度，即3*3矩阵，可以保持原有图像图像的形状不变。
常用的刚性配准方法有基于特征点的配准、基于灰度直方图的配准和基于归一化互相关系数的配准等。
2. 非刚性配准技术随着科技的发展，非刚性配准技术的研究得到了极大的发展。
相比于刚性配准，非刚性配准有更高的自由度，能够更好的解决医学图像形变出现的问题。
非刚性配准技术涵盖了形变模型配准、基于图像弹性力学的配准和基于变形网格模型的配准等。
三、多层次医学图像分割技术多层次医学图像分割技术是指将医学图像划分成一系列像素或区域的过程，其中，每个像素或区域可以被赋予一个特定的标记。
精确的分割结果对于医学图像的诊断和治疗非常重要。
常用的多层次医学图像分割技术有如下几种：1. 基于像素的分割技术基于像素的方法最早应用于医学图像分割。
这种方法通过计算每个像素与周围像素的差异性，将像素划分为不同的类别，从而实现图像的分割。
像素为基础的方法有阈值分割、区域生长、边界检测等。
2. 基于边缘的分割技术基于边缘的分割方法也很早被应用于医学图像处理领域。
这种方法通过分析图像中的边缘信息，将边缘与背景之间判别出来。
它不但可以处理二维图像，而且还可以处理三维体积数据。
基于边缘的方法包括边缘检测、轮廓检测和基于水平卷积的分割方法等。
图像分割方法综述【文献综述】
文献综述电子信息工程图像分割方法综述摘要：图像分割是图像理解的基础，图像分割的算法研究越来越受到关注，早期的图像分割算法在之后的研究中得到完善。
活动轮廓模型是图像分割和边界提取的重要工具之一，主要包括了参数形式活动轮廓模型和几何形式活动轮廓模型两大类，本文对这两类模型进行了大概的说明，简单叙述了相对的优点，如几何活动轮廓模型在变形的过程中能处理曲线拓扑变化。
鉴于活动轮廓模型所存在的缺点，提出了水平集算法，使得计算的范围和简易程度有了很大的发展。
最后指出了图像分割的算法还有一些进一步优化的研究发展方向。
关键词：图像分割，参数活动轮廓模型，几何活动轮廓模型，水平集1.引言对图像进行处理，通过图像分割、目标分离、特征提取、参数测量等技术，将原始的图象转化为更抽象更紧凑的形式，使得更高层的图像分析和理解成为可能。
其中图像分割已经越来越受到人们的关注，作为一种图像处理与计算机视觉操作的预处理手段，已经应用到了很多的领域，图像分割可以定义为：根据图像特征对图像进行区域划分[1]过程，图像分割的效果好坏会直接影响到后续的处理结果，所以图像分割是一个基本而又关键的技术，为此人们提出了很多有效的、具有鲁棒性的分割算法。
图像分割方法有很多，按知识的特点和层次可分为数据驱动和模型驱动两大类[2]，前者有Roberts算子、Sobel算子和Canny算子、阈值分割、分水岭算法和模糊聚类分割算法等；后者是直接建立在先验知识的基础上的，如基于活动轮廓模型的图像分割。
水平集的应用领域是隐含曲线（曲面）的运动[3]，现在水平集已经广泛应用于图像恢复、图像增强、图像分割、物体跟踪、形状检测与识别、曲面重建、最小曲面、最优化以及流体力学中的一些方面。
一个好的图像分割算法应具有以下特点：1、有效性，能将图像中感兴趣的区域或目标分割出来的有效规则。
2、整体性。
能得到图像中感兴趣区域或目标的无断点和离散点的封闭边界。
3、精确性，分割所得到的感兴趣区域或目标边界与实际情况贴近。
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摘要图像分割是把图像划分为有意义的若干区域的图像处理技术，分割技术在辅助医学诊断及运动分析、结构分析等领域都有着重要的研究价值和广泛的应用发展前景。
在阅读大量文献的基础上，本文对图像分割技术的理论基础、发展历程及图像分割方法的热点、难点问题进行了分类综述，对不同分割算法优缺点进行了总结和归纳，并对图像分割的发展趋势进行了初步的展望和预测。
在此基础上，为了对图像分割理论有更直观的认识，本文选取并行边界算法和分水岭算法这两种方法，用MATLAB软件进行了基础的仿真，并对结果进行了分析和总结，本文重点对一些近年来新兴的算法，比如水平集（Level-set）算法、马尔科夫随机场算法（Markov）、模糊算法、遗传算法、数学形态学算法等进行了概略性的探讨，对这些新兴算法的特点、原理、研究动态进行了分析和总结。
关键词：图像分割；边界；区域；水平集；马尔科夫AbstractImage segmentation is an image processing technology that divides the image into a number of regions. Image segmentation has very important significance in supporting medical diagnosis, motion analysis, structural analysis and other fields.Based on recent research, a survey on the theory and development of image segmentation, hot and difficult issues in image segmentation is given in this article. And describes the characteristics of each method as well as their respective advantages and disadvantages in image segmentation .This article introduces and analyzes some basic imaging and image segmentation methods in theory and describes the development trends of medical image segmentation. To have a better understanding of image segmentation, I use MATLAB software to stimulate on images about the parallel edge algorithms and watershed algorithm. And the analysis of the segmentation results is given in the article.This article introduces and analyzes the new algorithms in recent years such as Level-set algorithm, Markov algorithm, Fuzzy algorithm, Genetic algorithm and Morphological algorithm. In this paper, the features, theory and research trends of these algorithms are analyzed and summarized.Keywords: Image segmentation; Border; Area；Level-set；Markov第1章引言1.1 图像分割的背景和重要作用图像是传达信息的一种方式，图像中含有大量的有用信息，理解图像并从图像中抽取信息以用来完成其他工作是数字图像技术中一个重要的应用领域，而理解图像的第一步就是图像的分割。
图像分割是对图像进行分析和理解的关键步骤，是数字图像处理中最重要和最基本的技术手段，是一种基本的计算机视觉技术，准确地对图像进行分割，对工程实践及量化分析都有重要的价值。
其中，感兴趣目标的参数测量和特征提取等过程都是以图像分割为预处理的，图像的分割技术使得进一步的图像理解和应用成为可能。
在实际工程中，研究者不是对图像的所有部分都感兴趣的，而图像分割的目的就是把图像空间分割成一些有意义的区域,从而把感兴趣的区域提取出来，以便进行进一步的图像应用和处理，因此图像分割算法的研究有着重要的理论价值和实际意义。
图像分割技术在医学、军事工程等领域中都有着广泛的应用。
图像分割技术可以便于对获得的各种定量定性的图像数据进行分析,使这些数据更好的应用到工程实践中。
例如在医学上，随着影像医学技术在医学中的作用越来越大，图像分割在医学应用中具有特殊的重要意义，分割技术使得人们能够获得有效的医学图像信息。
分割后的图像广泛应用于病变部位诊断、术前方案制定、术后监测等各个重要的环节。
图像分割是一个经典难题，图像分割是提取数字图像中组织信息的关键步骤，图像分割技术的发展更是决定了数字图像处理中其它相关技术的发展。
而如何找到科学、准确的分割方法，使分割后的图像具有良好的分割效果，从而具有非常广泛的应用，是分割方法研究领域的重点。
本文综述和讨论了图像分割技术的应用，分割技术的发展趋势、研究热点及其图像分割的评价等问题, 并重点讨论了每类分割方法的原理、特点, 展望了医学图像分割的前景和面临的挑战。
1.2 本文的安排和结构框架本文基于如下结构展开：第二章中介绍了图像分割的基础性理论、发展历程及应用中存在的难点问题；第三章中分析了图像分割算法的原理及特点，包括传统的分割算法和近年来新兴的分割算法，并分析了相关的研究动态；第四部分对并行边界算法和分水岭算法进行了MATLAB仿真，对仿真结果进行了分析和归纳；在第五章中进行了总结和展望，在这个部分，对上文进行了总结，并对图像分割的发展趋势和前景进行了简单的概括。
第2章 图像分割方法本章中对图像分割的相关研究状况进行了总结，其中包括、图像分割的历史和分割算法等方面的内容，并重点对图像分割的方法进行了归纳和分析。
2.1 图像分割理论介绍图像分割是指将图像分成具有不同特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程，它是图像处理到图像分析的关键步骤，是一种基本的数字计算机视觉技术。
图像分割的过程是将整个图像区域分割成若干个非空子区域，并且确保所分割后的每个子区域是内部连通的，并且不同子区域间无交叠的现象，同一区域的内部具有相同或相似的特性。
即满足以下特点：(1)图像分割的结果中所有子区域的总和应等于原图像；(2)分割结果中各个子区域互不重叠；(3)分割结果中同一子区域的任意两个像素在本子区域内是相互连通的。
(4)分割结果中同一子区域的像素具有相似性；(5)分割结果中位于不同子区域的像素具有不同的特性。
待分割图像用R 来表示，图像被分割成若干部分，即12,,...n R R R ，其数学描述如下：(1)R R i ni ==1 ；(2)j i R R j i ≠∅=⋂,(3)i R 是连通的区域,n i ,...2,1=；(4)TRUE R P n i i ==)(,,...2,1；(5)FALSE R R P j i j i =⋃≠)(,;图2-1 图像分割在数字图像技术中的位置2.2 图像分割的发展过程图像分割技术是一个从“手工分割”到“半自动分割”、“自动分割”的逐步发展的过程。
早期的图像分割完全是靠人工来完成的，随着计算机技术的不断发展,半自动的分割方法随即应运而生，它是一种人机交互式的图像分割方法,它把操作者的主观能力和计算机高速的数据处理能力有机地结合起来，从而完成对图像的分割处理。
与人工方法相比，半自动的分割方法大大减少了人的主观因素的影响,而且分割速度和精度都得到了提高，但操作者的经验和知识仍然是图像分割过程的一个重要组成部分。
近年来，由于大量的新兴技术如模糊分割算法和遗传算法在图像分割领域中的应用，图像分割领域中也涌现出一些自动的分割技术，自动分割方法是由计算机实现图像分割的整个过程。
近年来图像分割技术的发展重点是研究出实用的自动分割方法，并希望最终能够取代非常繁琐的人工分割和主观性很强的半自动分割。
近几年来，研究人员做了大量的工作，提出了很多实用的医学图像分割算法，本文将介绍几种传统的分割算法以及近几年提出的一些分割的新方法和新观念。
2.3 图像分割在应用发展中的难点图像分割是提取图像中特殊组织的定量信息的不可或缺的途径和手段，同时也是三维可视化实现的前提和进行预处理的关键步骤。
分割后的图像在实践中有着极其重要的作用，在组织容积的定量分析，病症诊断，病变组织的定位等领域中有着很高的理论价值和实际意义，是实现集成化图像可视化系统中最基本的研究内容之一，是成功进行图像分析、理解与描述的至关重要的组成部分。
图像分割技术可以对图像数据进行更好的分析和处理，运动分析、结构分析、三维可视化等后续操作，以及图像引导手术以及治疗效果的评估等应用研究都是以图像分割为前提和基础的。
而如何提供科学、便捷、准确的图像信息，并为其分析处理提供辅助性的建议，研究出更有效的图像分割方法成为人们的主要研究目标。
因此，对图像分割相关原理的研究具有重要的实际意义和应用价值。
目前，图像分割技术仍然是制约数字图像处理中其它相关技术发展和应用的一个瓶颈。
近些年来，图像分割领域中涌现出不少自动分割方法技术，虽然它们完全由计算机来实现图像分割的全部过程，脱离了人为的主观性干预，但算法复杂，计算量大，还存在很多亟待解决的问题。
图像分割是图像分析和处理中的一项重要技术,自20世纪70年代起一直受到人们的高度重视,至今已提出很多种分割算法。
目前，现提出的很多分割算法大都是针对具体问题来说的，对于图像分割方法的选择, 在很大程度上取决于图像的成像方式以及成像过程中的人为因素和其他不可预测的因素。
近年来，图像分割技术研究中的难点是实用的自动分割方法，原因在于图像本身所具有的复杂性和多样性。
例如医学图像常表现为对比度低、组织特征可变、不同软组织之间或软组织与病灶之问边界模糊、形状结构和微细结构的分布复杂等特征，因此对研究自动分割技术造成了极大的困难。
另外，在临床实践中，由于人体的解剖组织结构和形状非常复杂，并且人与人之间差异非常大，这就导致了分割中很大的不确定性。