基于局部统计的图像自适应二值化处理系统

资 源 简 介

本项目利用MATLAB开发了一套专门用于复杂光照环境下灰度图像二值化的自适应阈值处理系统。该系统的核心逻辑是放弃使用全局单一阈值，转而采用局部统计特征来为图像中的每一个像素点计算最优阈值。通过在像素邻域内建立滑动窗口，算法能够根据窗口内的局部均值、方差或加权分布动态确定分割界限，从而有效解决因光照不均、阴影遮挡、纸张反光或背景亮度变化导致的图像分割失效问题。功能涵盖了基于积分图（Integral Image）的快速计算实现、Sauvola局部算法、Niblack算法以及Bradley算法的实现，极大地提升

详 情 说 明

基于MATLAB的灰度图像自适应阈值二值化处理系统

项目简介

本项目是一套用于复杂光照环境下灰度图像二值化的MATLAB实现方案。针对全局阈值（如Otsu法）在处理光照不均匀、有阴影遮挡或背景亮度剧烈变化图像时的失效问题，系统通过提取图像局部统计特征，为每个像素动态计算最优分割阈值。本系统重点实现了基于积分图（Integral Image）加速的局部均值与方差提取算法，极大地提高了自适应处理的运算效率。

功能特性

1. 多种自适应算法集成：集成了经典的Niblack、Sauvola以及Bradley局部自适应阈值算法。
2. 高性能计算引擎：引入积分图（Summed Area Table）技术，将局部窗口统计信息的计算复杂度从 $O(N cdot W^2)$ 降低至 $O(N)$，确保在大尺寸图像上也能实时响应。
3. 复杂环境模拟：内置光照梯度模拟功能，通过向原始图像添加人工合成的亮度趋势，测试算法在极端对比度条件下的健壮性。
4. 多维度结果对比：系统自动生成对比视图，直观展示全局阈值与各类自适应局部阈值的处理差异。
5. 可视化热力图：支持局部标准差分布图与动态阈值矩阵热力图的输出，方便分析图像的对比度分布与算法灵敏度。

逻辑实现说明

1. 预处理与环境模拟

系统首先加载灰度或彩色图像（若为彩色则转换为灰度），随后利用 meshgrid 生成与图像尺寸一致的坐标矩阵，并在图像上叠加一个线性的亮度梯度（由左上至右下递增），以此模拟真实场景中常见的复杂光照不均问题。

2. 局部统计特征提取逻辑

系统的核心性能保障在于快速局部特征计算函数。实现步骤如下：

• 边界扩充：采用 replicate 模式对图像边缘进行填充，确保边缘像素也能拥有完整的搜索窗口。
• 积分图构建：同步计算原始图像的积分图（SAT）与像素平方值的积分图（SAT2）。
• 高效计算：利用积分图的性质，通过简单的四点查表法，在常数时间内求得任意矩形窗口内的像素和（Sum）与平方和（SumSq）。
• 分量计算：根据公式 $text{Var} = (text{SumSq} - (text{Sum}^2/N)) / N$ 计算局部方差，进而获得局部标准差。

3. 实现的深度算法

• Niblack 算法：阈值计算公式为 $T = m + k cdot s$。通过调节敏感度因子 $k$，控制背景噪声与目标细节的平衡。
• Sauvola 算法：针对文档图像优化的经典算法，公式为 $T = m times (1 + k times (s/R - 1))$。该算法在处理纸张反光、背景污渍方面表现极佳。
• Bradley 算法：基于局部均值的简化自适应方法，通过设置偏移百分比 $T = m times (1 - text{offset})$ 来实现快速分割。
• Otsu 全局法：作为基准对照，展示传统全局阈值在光照干扰下无法兼顾明亮区域与暗部区域的缺陷。

4. 结果展示系统

处理完成后，系统利用 figure 窗口输出六路对比视图：

• 待处理的复杂光照原始图。
• 全局 Otsu 阈值处理结果。
• Niblack 局部处理结果。
• Sauvola 局部处理结果。
• 局部标准差（对比度分布）热力图。
• Sauvola 动态阈值矩阵分布图。

系统要求

• 软件版本：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 工具箱要求：需要安装 Image Processing Toolbox（用于图像读取、灰度转换及全局阈值对比）。
• 硬件性能：由于采用了积分图加速，即使是普通办公笔记本也可流畅处理千万像素级的图像。

使用方法

1. 确保 MATLAB 工作路径包含项目的 .m 文件。
2. 在 MATLAB 命令行窗口输入 main 即可启动系统。
3. 参数调整：

* 修改 windowSize（默认25）可改变分析窗口的大小，窗口越大对低频光照抑制越好，但计算成本略增。 * 调整 k_sauvola（默认0.2）可改变算法对背景噪声的敏感度。 * 调整 padding_offset（默认0.15）可优化 Bradley 算法的分割力度。

1. 程序运行结束后，控制台会输出处理总结，并自动弹出六位一体的对比分析图像。