北大教授彭波发表论文

图像分割是图像处理与计算机视觉的基本问题之一，是图像处理图像分析的关键步骤。我整理了图像分割技术论文，欢迎阅读!

图像分割技术研究

摘要：图像分割是图像处理与计算机视觉的基本问题之一，是图像处理图像分析的关键步骤。本文介绍了基于阈值的分割方法和图像分割的图像分割性能的评价、应用现状;最后总结出图像分割的发展趋势。

关键词：图像分割、阈值、边缘检测、区域分割

中图分类号： TN957.52 文献标识码： A

1引言

随着图像分割技术研究的深入，其应用日趋广泛。凡属需要对图像目标进行提取、测量的工作都离不开图像分割。图像分割是图像处理、模式识别和人工智能等多个领域中一个十分重要且又十分困难的问题，是计算机视觉技术中首要的、重要的关键步骤。图像分割结果的好坏直接影响对计算机视觉中的图像理解。现有的方法多是为特定应用设计的，有很大的针对性和局限性，到目前为止还不存在一个通用的方法，也不存在一个判断分割是否成功的客观标准。因此，对图像分割的研究目前还缺乏一个统一的理论体系，使得图像分割的研究仍然是一个极富有挑战性的课题。

2图像分割方法

图像分割(Image Segmentation)，简单地说就是将一幅数字图像分割成不同的区域，在同一区域内具有在一定的准则下可认为是相同的性质，如灰度、颜色、纹理等。而任何相邻区域之间其性质具有明显的区别。

2.1基于灰度特征的阈值分割方法

阈值分割技术是经典的、流行的图象分割方法之一，它是用一个或几个阈值将图像的灰度级分为几个部分，认为属于同一个部分的像素是同一个物体。

这类方法主要包括以下几种：

(1)单阈值法，用一个全局阈值区分背景和目标。当一幅图像的直方图具有明显的双峰时，选择两峰之间的谷底作为阈值。

(2)双阈值法，用两个阈值区分背景和目标。通过设置两个阈值，以防单阈值设置阈值过高或过低，把目标像素误归为背景像素，或把背景像素误归为目标像素。

(3)多阈值法，当存在照明不均，突发噪声等因素或背景灰度变化较大时，整幅图像不存在合适的单一阈值，单一阈值不能兼顾图像不同区域的具体情况，这时可将图像分块处理，对每一块设一个阈值。

2.2 边缘检测分割法

基于边缘检测技术可以按照处理的顺序分为并行边缘检测和串行边缘检测两大类。常见的边缘检测方法有：差分法、模板匹配法及统计方法等。由于边缘灰度变化规律一般体现为阶梯状或者脉冲状。边缘与差分值的关系可以归纳为两种情况，其一是边缘发生在差分最大值或者最小值处;其二是边缘发生在过零处。

2.3基于区域的分割方法

基于区域的分割方法利用的是图像的空间性质。该方法认为分割出来的某一区域具有相似的性质。常用的方法有区域生长法和区域分裂合并法。该类方法对含有复杂场景或自然景物等先验知识不足的图像进行分割，效果较好。

区域生长方法是把一幅图像分成许多小区域开始的，这些初始的小区域可能是小的邻域甚至是单个像素，在每个区域中，通过计算能反映一个物体内像素一致性的特征，作为区域合并的判断标准。区域合并的第一步是赋给每个区域一组参数，即特征。接下来对相邻区域的所有边界进行考查，如果给定边界两侧的特征值差异明显，那么这个边界很强，反之则弱。强边界允许继续存在，而弱边界被消除，相邻区域被合并。没有可以消除的弱边界时，区域合并过程结束，图像分割也就完成。

2.4结合特定工具的图像分割技术

20世纪80年代末以来，随着一些特殊理论的出现及其成熟，如数学形态学、分形理论、模糊数学、小波分析、模式识别、遗传算法等，大量学者致力于将新的概念、新的方法用于图像分割，有效地改善了分割效果。产生了不少新的分割算法。下面对这些算法做一些简单的概括。

2.4.1基于数学形态学的分割算法

分水岭算法是一种经典的借鉴了数学形态理论的分割方法。该方法中，将一幅图像比为一个具有不同高度值的地形，高灰度值处被认为是山脊，底灰度值处被认为是山谷，将一滴水从任一点流下，它会朝地势底的地方流动，最终聚于某一局部最底点，最后所有的水滴会分聚在不同的吸引盆地，由此，相应的图像就被分割成若干部分。分水岭算法具有运算简单、性能优良，能够较好提取运动对象轮廓、准确得到运动物体边缘的优点。但分割时需要梯度信息，对噪声较敏感。

2.4.2基于模糊数学的分割算法

目前，模糊技术在图像分割中应用的一个显著特点就是它能和现有的许多图像分割方法相结合，形成一系列的集成模糊分割技术，例如模糊聚类、模糊阈值、模糊边缘检测技术等。

这类方法主要有广义模糊算子与模糊阈值法两种分割算法。

(1)广义模糊算子在广义模糊集合的范围内对图像处理，使真正的边缘处于较低灰度级，但还有一些不是边缘的像素点的灰度也在较低灰度级中，虽然算法的计算简明，且边缘细腻，但得到的边缘图会出现断线问题。

(2)模糊阈值法引入灰度图像的模糊数学描述，通过计算图像的模糊熵来选取图像的分割阈值，后用阈值法处理图像得到边界。

2.4.3基于遗传算法的分割方法

此算法是受生物进化论思想提出的一种优化问题的解决方法，它使用参数编码集而不是参数本身，通过模拟进化，以适者生存的策略搜索函数的解空间，它是在点群中而不是在单点进行寻优。遗传算法在求解过程中使用随机转换规则而不是确定性规则来工作，它唯一需要的信息是适应值，通过对群体进行简单的复制、杂交、变异作用完成搜索过程。由于此法能进行能量函数全局最小优化搜索，且可以降低搜索空间维数，降低算法对模板初始位置的敏感，计算时间也大为减少。其缺点是容易收敛于局部最优。

2.4.4基于神经网络分割算法

人工神经网络具有自组织、自学习、自适应的性能和非常强的非线性映射能力，适合解决背景知识不清楚、推理规则不明确和比较复杂的分类问题，因而也适合解决比较复杂的图像分割问题。原则上讲，大部分分割方法都可用 ANN(attificial neural network)实现。ANN 用于分割的研究起步较晚，只有多层前馈NN，多层误差反传(BP)NN，自组织NN，Hopfield NN以及满足约束的NN(CSNN-Const raint Satisfaction Neurat Network)等得到了应用。使用一个多层前向神经网络用于图象分割，输入层神经元的数目取决于输入特征数，而输出层神经元的数目等同于分类的数目。

2.5图像分割中的其他方法

前面介绍了4大类图像分割较常用的方法，有关图像分割方法和文献很多，新方法不断产生，这些方法有的只对特定的情形有效，有的综合了几种方法，放在一起统称为第5类。

(1)标号法(labeling)是一种基于统计学的方法，这种方法将图像欲分割成的几个区域各以一个不同的标号来表示，用一定的方式对图像中的每一个像素赋以标号，标号相同的像素就合并成该标号所代表的区域。

(2)基于Snak模型的分割方法，基于Snake模型的分割是通过对能量函数的动态优化来逼近图像目标的真实轮廓的

(3)纹理分割，由于新的数学工具的引入，纹理分割技术取得了一些进展，张蓬等人将小波分析应用于纹理基元提取。

(4)基于知识的图像分割方法，直接建立在先验知识的基础上，使分割更符合实际图像的特点。该方法的难度在于知识的正确合理的表示与利用。

3图像分割性能的评价

图像分割评价主要有两个方面的内容：一是研究各分割算法在不同情况下的表现，掌握如何选择和控制其参数设置，以适应不同需要。二是分析多个分割算法在分割同一图像时的性能，比较优劣，以便在实际应用中选取合适的算法。分割评价方法分为分析法和实验法两大类。分析法是直接分析分割算法本身的原理及性能，而实验法是通过对测试图像的分割结果来评价算法的。两种方法各有优劣，由于缺乏可靠理论依据，并非所有分割算法都能够通过分析法分析其性能。每种评价方法都是出于某种考虑而提出来的，不同的评价方法只能反映分割算法性能的某一性能。另一方面，每一种分割算法的性能是由多种因素决定的，因此，有可能需要多种准则来综合评价。

4图像分割技术的发展趋势

随着神经网络、遗传算法、统计学理论、小波理论以及分形理论等在图像分割中的广泛应用，图像分割技术呈现出以下的发展趋势：(1)多种特征的融合。(2)多种分割方法的结合。(3)新理论与新方法。

参考文献

[1] [美]RC冈萨雷斯.数字图像处理(第二版)[M].阮秋琦，等译.北京：电子工业出版社，2003

[2] 章毓晋.图像分割[M].北京：科学出版社，2001.

[3] 李弼程，彭天强，彭波等.智能图像处理技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 杨晖，曲秀杰.图像分割方法综述[J].电脑开发与应用。2005，18(3)：21-23.

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技术难题和解决方法：

1、千里冻土。西藏自治区的安多县是一个重要的地理分界点，由此往北上溯550公里，是青藏高原的连续多年冻土地带。青藏铁路穿过冻土区有 550 公里，真正的较深的冻土地段近 400 公里。

为了攻克冻土难题，中国科学家采取了以桥代路、片石通风路基、通风管路基（主动降温）、碎石和片石护坡、热棒、保温板、综合防排水体系等措施，解决的千年冻土所带来的的难题。

2、高原反应，为了战胜高寒缺氧的恶劣环境，保障铁路建设者的生命健康。铁道部、卫生部在中国工程建设史上第一次联合下文，对医疗卫生保障专门作出详细规定，并投入近2亿元，在全线建立医疗卫生保障点。建立健全了三级医疗保障机构。

铁路沿线共设立医疗机构115个，配备医务人员600多名，职工生病在半小时内即可得到有效治疗。对职工进行定期体检，安排职工到低海拔地区轮休。青藏铁路在关注建设者的生命健康方面也创造出了许多新纪录。青藏铁路开工以来，累计接诊病人45.3万多人次，治疗脑水肿427例，肺水肿841例，无一例死亡，创造了高原医学史上的奇迹。

3、生态环保。青藏铁路穿越了可可西里、三江源、羌塘等中国国家级自然保护区，因地处世界“第三极”，生态环境敏感而脆弱。

对此，青藏铁路从设计、施工建设到运营维护，始终秉持“环保先行”理念，如为保障藏羚羊等野生动物的生存环境，铁路全线建立了33个野生动物专用通道；为保护湿地，在高寒地带建成世界上首个人造湿地。

为保护沿线景观，实现地面和列车的“污物零排放”；为改善沿线生态环境，打造出一条千里“绿色长廊”。这些独具特色的环保设计和建设运营理念，也使青藏铁路成为中国第一条“环保铁路”。

政治意义：

西藏处于中国的西南边陲，与印度、巴基斯坦、尼泊尔等国接壤，地理位置十分重要。青藏铁路的建成运行使中国内地主要城市与尼泊尔贸易的陆路运输时间从12至18天缩短到一周以内，推动尼泊尔落后的北部山区的经济发展，帮助尼泊尔独立自主地出现在世界政治舞台上。

同时，青藏铁路加强国内其他广大地区与西藏联系，促进藏族与其他各民族的文化交流，增强民族团结的需要。

百度百科--青藏铁路

建设者不断的鼓励工人，做事一丝不苟，还需要聪明的脑瓜！决不放弃的信心，坚毅的勇气！一、为什么多年冻土是工程最大难关？ 青藏高原是我国最大的一片冻土区。冻土对温度极为敏感，对铁路的修建有非常大的影响。在冻结的状态下，冻土就像冰一样，随着温度的降低体积发生膨胀，建在上面的路 基和钢轨会被它顶起来。到了夏季，冻土发生融化，体积缩小，钢轨也就随之降下去。冻土的反复冻结、融化交替出现，就会造成路基严重变形，整个钢轨出现高低不平，甚至扭绞成麻花状，影响正常通车。 在多年冻土区修建铁路，是世界性工程难题，一直没有得到很好的解决。全世界在多年冻土区修建铁路已有百年以上历史，但已建成的多年冻土区铁路病害率很高，列车时速只有六七十公里。已有百年历史的俄罗斯第一条西伯利亚铁路，已经出现了大范围的融化下沉和冻胀隆起等病害，1996年调查的线路病害率达45%。上世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路，1994年调查的线路病害率也达27.5%。美国、加拿大等国家的冻土铁路速度也同样不高。 就高寒冻土来说，俄罗斯西伯利亚的冻土铁路比我们长，有三四千公里，但是其海拔不高，只有两三千米。冻土虽然在加拿大、美国等国家也存在，但它们属高纬度冻土，比较稳定。而青藏高原是世界中、低纬度海拔最高、面积最大的多年冻土分布区，加上青藏高原年轻，构造运动频繁，这里的多年冻土具有地温高、厚度薄、极不稳定等特点，其复杂性和独特性举世无双。青藏铁路穿越的正是多年冻土最发育的地区。 二、如何破解多年冻土难题？ 青藏铁路建设首次采取“主动降温、冷却地基、保护冻土”的设计原则，这对“被动保温”是一场革命。设计中，尽量绕避不良冻土现象发育的地段，遇到高温极不稳定的厚层地下冰冻土地段，采取“以桥梁通过”的办法。施工中，采用片石通风路基、片石通风护道、通风管路基、热棒、铺设保温板等多项措施，提高冻土路基的稳定性，其中不少冻土工程措施都是国内外首创。在青藏铁路上有一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种长达111公里的“片石层通风路基”为国内首创，它好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，可有效保护冻土路基稳定。 青藏铁路建设专家组组长、冻土专家张鲁新教授认为，青藏铁路出现大规模冻土工程病害的可能性比较小，列车时速可达100公里以上，保持全年畅通没有问题。 三、如何确保建设者人身安全？ 青藏铁路沿线年平均气温在零摄氏度以下，大部分地区空气含氧量只有内地的一半左右。高寒缺氧，风沙肆虐，紫外线强，自然疫源多，被称为人类生存极限的“禁区”。如何在严酷的环境下确保建设者生命安全，也是一项世界性难题。 铁道部和卫生部制定了完善的卫生保障措施，使医务人员与施工人员的比例达到1.5%-2%，全线配备常规医疗设备3900多台（件），职工生病在半小时内即送到工地医院得到有效治疗。遵循高原生理规律，所有参建人员在海拔较低的地区“习服”一周后，才准许到工地劳动。限定人员作业时间，采用机械施工，降低劳动强度。为了防止高原缺氧，建设单位在海拔4500米至5100米处创造性地运用高压氧舱，填补了国内外医学空白。在世界上首次进行高海拔地区人工制氧科学研究。在海拔4905米的风火山隧道，研制出每小时生产24立方米高纯度氧气的高原医用制氧设备，并将这一技术总结推广，全线共建大型制氧站17个，有效地改善了作业环境。四、如何保护野生动物？ 为保护青藏高原独特而又极为珍贵的野生动物资源，铁路选线尽量避开野生动物栖息、活动的重点区域，西藏段工程绕避了林周彭波黑颈鹤保护区。对必须经过野生动物活动区域的路段，组织专家研究野生动物保护问题，掌握沿线野生动物分布习性和迁徙规律，尽量减少对它们的干扰。青藏铁路沿线共设置33处野生动物通道，沿线路方向累计宽度近60公里。根据不同动物的迁徙习性，通道被设计为桥梁下方、隧道上方及缓坡平交三种形式。 五、如何保护高原植被？ 建设者采用分段施工、植被移植的方法，先将施工区的草皮切成块，然后用铲车将草皮连同土壤一起搬到草皮移植区，专人负责养护。路基成型后，再把草皮移植恢复到路基边坡上。对昆仑山以南自然条件较好的地段，精选适合高原生长的草种，辅以适合的喷播、覆膜等技术，尽力恢复地表植被。在沱沱河、安多、当雄等高海拔地段，进行种植和移植草皮试验，获得成功后在全线推广，开创了世界高原、高寒地区人工植草试验成功的先例。 为保护高原湿地，青藏铁路尽量绕避湿地，必须经过湿地时，一般采取“以桥代路”、多设涵洞、路基基底抛填片石等措施，避免路基地下径流被切割，防止湿地萎缩。