Trong thị giác máy tính, phân đoạn ảnh là quá trình phân vùng một ảnh kĩ thuật số thành các vùng rời rạc và đồng nhất với nhau hay nói cách khác là xác định các biên của các vùng ảnh đó. Các vùng ảnh đồng nhất này thông thường sẽ tương ứng với toàn bộ hay từng phần của các đối tượng thật sự bên trong ảnh.
“Phân đoạn ảnh chia nhỏ một ảnh thành các vùng cấu thành nên nó hoặc các đối tượng” .Trong một định nghĩa khác, phân đoạn ảnh được định nghĩa như là quá trình trích chọn những vùng hữu ích/cần quan tâm từ ảnh nền ban đầu.
Mục đích của phân đoạn là để đơn giản hóa và/hoặc thay đổi đại diện của một ảnh thành thứ có ý nghĩa hơn và dễ dàng để phân tích/xử lý. Phân đoạn ảnh thường được sử dụng để xác định vị trí đối tượng (chẳng hạn như các loại cây trồng, khu vực đô thị, rừng của một hình ảnh vệ tinh, v.v.) và các đường biên/ranh giới (đường thẳng, đường cong, v.v.) trong ảnh. Chính xác hơn, phân đoạn ảnh là quá trình gán nhãn cho mọi pixel trong ảnh mà những pixel có cùng nhãn thì có chung một số đặc điểm nhất định nào đó.
Kết quả của phân đoạn ảnh là một tập các phân đoạn mà nó bao trùm toàn bộ ảnh hoặc một tập các đường mức trích chọn được từ ảnh (như phát hiện cạnh trong ảnh). Mỗi một pixel trong một vùng là tương đồng nhau về một số thuộc tính hoặc tính chất tính toán, ví dụ như màu sắc, cường độ hoặc cách cấu tạo, v.v. Những khu vực liền kề là có sự khác nhau đáng kể về (những) thuộc tính giống nhau. Khi áp dụng với một tập các ảnh, điển hình là trong hình ảnh nha khoa, các đường mức thu được sau khi phân đoạn ảnh có thể được sử dụng để tạo dựng thành 3D với sự giúp đỡ của các thuật toán nội suy.
Có nhiều thuật toán và kĩ thuật với mục đích chung đã được phát triển cho phân đoạn ảnh.Thường thì những thuật toán này phải kết hợp với kiến thức của một lĩnh vực cụ thể thì mới giải quyết hiệu quả bài toán phân đoạn của các miền.