博客
OPT小講堂 ∣ SciSmart圖像增強之二值化
|
圖像二值化(Image Binarization)簡(jiǎn)單理解就是通過(guò)適當的高低閾值將256個(gè)亮度等級的圖像轉換為二值圖。本文中提及的二值圖像均指灰度值為0(黑色)或255(白色)的圖像。
在數字圖像處理中，二值圖像有著(zhù)非常重要的作用。圖像的二值化有利于圖像的進(jìn)一步處理，使圖像變得簡(jiǎn)單，而且數據量減小，能突出感興趣目標。以下主要講解如何對單通道灰度圖像和三通道彩色圖像進(jìn)行二值化處理。
1、閾值區間
閾值區間是從低閾值起到高閾值組成的區間，閾值的取值范圍是[0,255]，且低閾值小于或等于高閾值，如圖2。
圖像中灰度值在閾值區間范圍內的像素集合即為目標區域。
1)選擇黑色目標時(shí)：目標區域的灰度值置為0，否則為255。
2)選擇白色目標時(shí)：目標區域的灰度值置為255，否則為0。
在閾值區間為[0, 128]時(shí)，分別選擇黑色目標和白色目標，二值化后的效果圖如圖3：
3、灰度直方圖概念
灰度直方圖描述了一幅圖像中某一個(gè)通道的灰度統計信息，主要應用于圖像分割和圖像灰度變換等處理過(guò)程中。從圖形上來(lái)說(shuō)，灰度直方圖就是一個(gè)二維圖，橫坐標表示灰度值(灰度級別)，縱坐標表示具有各個(gè)灰度值或者灰度級別的像素在圖像中出現的次數或者概率，如圖4。
4、二值化方式(確定閾值的方式)
1)手動(dòng)二值化：通過(guò)手動(dòng)調節閾值實(shí)現圖像二值化。
2)大津法二值化：圖像根據灰度直方圖分布，采用OTSU算法自動(dòng)計算閾值，對整張圖像進(jìn)行二值化處理。
3)迭代最佳二值化：該方法先假定一個(gè)閾值，然后計算在該閾值下的前景和背景的中心值，當前景和背景中心值的平均值和假定的閾值相同時(shí)，則迭代中止，并以此值為閾值進(jìn)行二值化。
4)模糊集理論二值化：基于模糊集理論求出合理閾值(加強版的迭代最佳二值化)。
5)谷底最小值二值化：該方法適用于具有明顯雙峰直方圖的圖像，其尋找雙峰的谷底作為閾值。
6)雙峰均值二值化：具有明顯雙峰直方圖的圖像，將雙峰的平均值作為閾值進(jìn)行圖像二值化。
7)局部自適應二值化：根據鄰域塊的大小，自動(dòng)計算鄰域塊內圖像局部閾值，利用局部閾值對局部圖像進(jìn)行二值化。同理計算其余部分圖像進(jìn)行二值化。
二、算法對比
數字圖像中，每個(gè)彩色圖像都由多個(gè)圖像通道組成，圖像通道數以及每個(gè)通道的含義都取決于其顏色空間模式。如常見(jiàn)的RGB顏色空間模式下，一幅彩色圖像可以分成R(紅)，G(綠)，B(藍)三個(gè)圖像通道，如圖6所示：
二、顏色空間模式
顏色空間也稱(chēng)彩色模型(又稱(chēng)彩色空間或彩色系統)，它的用途是在某些特定標準模式下用通�？山邮艿姆绞綄Σ噬右哉f(shuō)明。這些特定標準模式稱(chēng)為顏色空間模式，常見(jiàn)顏色空間模式如下：
1、RGB模式：基于顏色的加法混色原理，從黑色不斷疊加Red，Green，Blue的顏色，最終可以得到白色光。將R、G、B三個(gè)通道作為笛卡爾坐標系中的X、Y、Z軸，就得到了一種對于顏色的空間描述。
2、HSL模式：該模式認為顏色可以用色調(H:hue)，飽和度(S:saturation)，亮度(L:Lightness)進(jìn)行描述。這是根據人觀(guān)察色彩的生理特征而提出的顏色模型。
3、HSV模式：與HSL類(lèi)似，該模式下亮度(L:Lightness)替換為明度(V:Value)。
4、HSI模式：與HSL類(lèi)似，該模式下亮度(L:Lightness)替換為強度(I:Intensity)。
三、二值化(彩色)算法原理
彩色二值化算法過(guò)程首先是將圖像轉換到指定的彩色空間模式，然后按設定的閾值對圖像各個(gè)通道進(jìn)行灰度二值化，最后對各個(gè)二值化結果進(jìn)行與運算，得到彩色二值化結果。以圖9為例，指定顏色空間模式為RGB模式，設定R通道上下限閾值為[35,227]，G通道為[0,142]，B通道為[59,187]，其流程為：
%E7%AE%97%E6%B3%95%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE-13594284328.jpg)
四、參數設置
單擊二值化(彩色)圖標，彈出二值化(彩色)工具常規頁(yè)面。點(diǎn)擊設置，進(jìn)入到二值化(彩色)參數設置界面，可對參數進(jìn)行設定，如圖10。
%E5%8F%82%E6%95%B0%E8%AE%BE%E7%BD%AE%E7%95%8C%E9%9D%A2-13594296237.jpg)
參數介紹，如圖11所示：
%E5%8F%82%E6%95%B0%E4%BB%8B%E7%BB%8D-13594354983.jpg)
在數字圖像處理中，二值圖像有著(zhù)非常重要的作用。圖像的二值化有利于圖像的進(jìn)一步處理，使圖像變得簡(jiǎn)單，而且數據量減小，能突出感興趣目標。以下主要講解如何對單通道灰度圖像和三通道彩色圖像進(jìn)行二值化處理。
二值化(灰度)
一、參數介紹
單擊二值化(灰度)圖標，彈出二值化(灰度)工具常規頁(yè)面。點(diǎn)擊設置，進(jìn)入到二值化(灰度)參數設置界面，如圖1：
%E5%8F%82%E6%95%B0%E8%AE%BE%E7%BD%AE%E7%95%8C%E9%9D%A2-13594266038.jpg)
圖1 二值化(灰度)參數設置界面
1、閾值區間
閾值區間是從低閾值起到高閾值組成的區間，閾值的取值范圍是[0,255]，且低閾值小于或等于高閾值，如圖2。
圖2 閾值區間示意圖
圖像中灰度值在閾值區間范圍內的像素集合即為目標區域。
1)選擇黑色目標時(shí)：目標區域的灰度值置為0，否則為255。
2)選擇白色目標時(shí)：目標區域的灰度值置為255，否則為0。
在閾值區間為[0, 128]時(shí)，分別選擇黑色目標和白色目標，二值化后的效果圖如圖3：
圖3 選擇不同目標區域時(shí)二值化效果圖
3、灰度直方圖概念
灰度直方圖描述了一幅圖像中某一個(gè)通道的灰度統計信息，主要應用于圖像分割和圖像灰度變換等處理過(guò)程中。從圖形上來(lái)說(shuō)，灰度直方圖就是一個(gè)二維圖，橫坐標表示灰度值(灰度級別)，縱坐標表示具有各個(gè)灰度值或者灰度級別的像素在圖像中出現的次數或者概率，如圖4。
圖4 灰度直方圖
4、二值化方式(確定閾值的方式)
1)手動(dòng)二值化：通過(guò)手動(dòng)調節閾值實(shí)現圖像二值化。
2)大津法二值化：圖像根據灰度直方圖分布，采用OTSU算法自動(dòng)計算閾值，對整張圖像進(jìn)行二值化處理。
3)迭代最佳二值化：該方法先假定一個(gè)閾值，然后計算在該閾值下的前景和背景的中心值，當前景和背景中心值的平均值和假定的閾值相同時(shí)，則迭代中止，并以此值為閾值進(jìn)行二值化。
4)模糊集理論二值化：基于模糊集理論求出合理閾值(加強版的迭代最佳二值化)。
5)谷底最小值二值化：該方法適用于具有明顯雙峰直方圖的圖像，其尋找雙峰的谷底作為閾值。
圖5 雙峰灰度直方圖示意圖
6)雙峰均值二值化：具有明顯雙峰直方圖的圖像，將雙峰的平均值作為閾值進(jìn)行圖像二值化。
7)局部自適應二值化：根據鄰域塊的大小，自動(dòng)計算鄰域塊內圖像局部閾值，利用局部閾值對局部圖像進(jìn)行二值化。同理計算其余部分圖像進(jìn)行二值化。
二、算法對比
表1 二值化算法對比
二值化(彩色)
一、圖像通道數字圖像中，每個(gè)彩色圖像都由多個(gè)圖像通道組成，圖像通道數以及每個(gè)通道的含義都取決于其顏色空間模式。如常見(jiàn)的RGB顏色空間模式下，一幅彩色圖像可以分成R(紅)，G(綠)，B(藍)三個(gè)圖像通道，如圖6所示：
圖6 RGB顏色空間模式
二、顏色空間模式
顏色空間也稱(chēng)彩色模型(又稱(chēng)彩色空間或彩色系統)，它的用途是在某些特定標準模式下用通�？山邮艿姆绞綄Σ噬右哉f(shuō)明。這些特定標準模式稱(chēng)為顏色空間模式，常見(jiàn)顏色空間模式如下：
1、RGB模式：基于顏色的加法混色原理，從黑色不斷疊加Red，Green，Blue的顏色，最終可以得到白色光。將R、G、B三個(gè)通道作為笛卡爾坐標系中的X、Y、Z軸，就得到了一種對于顏色的空間描述。
圖7 RGB模式笛卡爾坐標系
2、HSL模式：該模式認為顏色可以用色調(H:hue)，飽和度(S:saturation)，亮度(L:Lightness)進(jìn)行描述。這是根據人觀(guān)察色彩的生理特征而提出的顏色模型。
圖8 HSV空間模式
3、HSV模式：與HSL類(lèi)似，該模式下亮度(L:Lightness)替換為明度(V:Value)。
4、HSI模式：與HSL類(lèi)似，該模式下亮度(L:Lightness)替換為強度(I:Intensity)。
三、二值化(彩色)算法原理
彩色二值化算法過(guò)程首先是將圖像轉換到指定的彩色空間模式，然后按設定的閾值對圖像各個(gè)通道進(jìn)行灰度二值化，最后對各個(gè)二值化結果進(jìn)行與運算，得到彩色二值化結果。以圖9為例，指定顏色空間模式為RGB模式，設定R通道上下限閾值為[35,227]，G通道為[0,142]，B通道為[59,187]，其流程為：
圖9 二值化(彩色)算法流程圖
四、參數設置
單擊二值化(彩色)圖標，彈出二值化(彩色)工具常規頁(yè)面。點(diǎn)擊設置，進(jìn)入到二值化(彩色)參數設置界面，可對參數進(jìn)行設定，如圖10。
圖10 二值化(彩色)參數設置界面
參數介紹，如圖11所示：
圖11 二值化(彩色)參數介紹
