到稿日期: 返修日期: 本文受国家自然科学基金项目(61501522)
张洁玉 (1980-),女, 博士,讲师,主要研究方向为图像处理及模式识别 (E-mail:zhjy_xx@126.com)。
基于图像分块的局部阈值二值化方法
张洁玉
1
(中国药科大学理学院 南京 211198)
1
摘 要 针对目前局部阈值二值化结果存在目标虚假或断裂的缺陷,提出了一种基于图像分块的局部阈值二值化方法。首先,
将图像分成若干子块并分析每个子块像素灰度变化情况。接着,取一定大小的局部窗口在图像中移动,比较该局部窗口内与
包含窗口自身且比窗口更大区域内的像素灰度变化情况,更大区域由窗口模板当前覆盖的所有子块组成,以此判断窗口内是
否为灰度变化平坦(或剧烈)区域。根据不同的区域,给出具体的二值化方案。利用 7 种不同算法对 4 种不同类型的 4 组图
像进行了二值化实验,结果表明本文算法在屏蔽背景噪声和保留目标细节方面表现最优,特别地通过对车牌图像的二值化结
果进行定量分析后发现本文算法能够得到最高召回率和准确率。
关键词 图像二值化; 图像分块; 灰度变化程度度量; 局部阈值
中图法分类号 TP391.4 文献标识码 A
The Binarization Method with Local Threshold Based on Image Blocks
ZHANG Jie-yu
1
(School of Science, China Pharmaceutical University, Nanjing, 211198, China)
1
Abstract Aiming at the defects of local threshold binarization methods resulting in false or broken targets, a new binarization
method based on image blocks is proposed in the paper. Firstly, the image is divided into several blocks and the distribution of
grey-value in each block is analyzed. Secondly, the local window with a certain size is moving within the image. And the grey-value
distribution within the local window is compared with that within the larger area composed of those blocks covered by the moving
window. The comparing result determines whether the area of the local window is flat or not in grey-value. Then, different
binarization plans are given according to different grey-value areas. Four group images are carried out by seven different algorithms
and experiments show that the proposed method in this paper outperforms the others on shielding background noise and retaining
details of targets . Especailly, quantitative analysis on license plate image binarization results show that the proposed method can
obtain the highest recall and precision.
Keywords Image Binarization; Image Blocks; Measure of gray level change; Local Threshold
0. 引言
图像二值化是图像处理中一项非常重要的基本方法,一
般可作为众多图像处理方法的预处理技术,如边缘提取、目
标识别、形状处理、图像分割及光学字符识别等都可以先将
图像进行二值化后再进行后续处理
[1-5]
。二值化方法大多都
为基于阈值的方法,即寻找一个合适的阈值将原图像的像素
灰度分为大于阈值和小于阈值的两类,从而得到二值化的结
果。因此,阈值的选取对二值化的结果起着决定性的作用。
目前,基于阈值的二值化方法可以分为两类,即全局阈值法
和局部阈值法
[6-8]
。
全局阈值法
[9]
对整个图像采用单一的阈值,将图像中每
个像素灰度值与阈值进行比较,再依据比较结果将其分为背
景或目标对象。该类方法对于目标和背景的像素灰度明显分
离的图像效果较好,但对于背景复杂或光照不均匀的图像则
无法得到满意的效果。为了克服全局阈值法的缺点,一些学
者提出了一类局部阈值方法,这类方法不再选用统一的阈值,
而是将每个点与其局部邻域的其他像素点进行比较,根据局
部邻域像素灰度分布特性自适应调节阈值,每个像素点依据
局部阈值再进行二值化。现今,典型的局部阈值法有 Bernsen
法
[10-11]
、Niblack 法
[12-13]
等。大量学者经过实验发现,对于
光照不均匀或对比度差的图像,使用局部阈值法可以得到更
好的二值化效果。但是该类方法仍然存在缺陷,不可避免地
导致二值化结果中部分区域存在虚假目标或目标对象断裂
等问题。针对此种情况,Madhuri 等
[14]
先将原始图像进行高
斯滤波,再利用 Bernsen 方法对原图和高斯滤波后的图像分
别求出阈值,然后对这两个阈值进行加权处理得到最终的阈
值进行二值化,该方法能够在一定程度上消除噪声干扰,但
是仍然没有解决 Bernsen 算法进行强制二值化的问题。由此,
不少学者提出了一些其他的改进方法,这些方法主要针对图
像细节对算法的各种参数进行调控,以求在复杂光照下能够
得到较为完整地保留细节的二值化结果
[11,15]
。这类改进方法
常用的手段是:首先获得一个全局阈值,再将每个像素与该
阈值相比较,若差别非常大,则直接判定该像素为背景或目
标;若差别较小且在一定范围内,则一般先用 Bernsen 算法
或 Niblack 算法求得一个阈值,再将该阈值与整幅图像的全
局阈值进行加权后求得一个最终的新阈值,利用新阈值再将
像素判定为背景或目标。经过这类方法的处理,图像二值化
结果存在的目标虚假或目标断裂的问题可以得到一定的缓
解,但有些情况下获得的结果仍然不能满足需要。
针对上述情况,本文提出了一种基于图像分块思想的二
值化方法。该方法不再是简单地将整幅图像的全局阈值和局
部窗口阈值相结合,而是首先将一幅图像分为若干子块,通
过计算每个子块内所有像素的平均绝对偏差来考察其像素
灰度变化情况。接着利用一定大小的局部窗口在整幅图像中
滑动,计算不同子块在局部窗口中所占的面积比例并求得对
应的比例因子,将该因子作为加权系数将不同子块的平均绝
对偏差进行加权求和之后得到新阈值,利用该阈值判断局部
窗口内像素灰度变化是否为平坦(或剧烈)区域,再针对不
同的区域设计了局部窗口中心像素点的二值化具体方案。
1 Niblack 及 Bernsen 算法及其存在的问题
Niblack 算法是一种典型的局部阈值二值化方法,图像
每个像素点与通过局部邻域计算得到的阈值相比较进行二
值化。局部阈值的计算方法为:设 ),( yxf 是图像某一点