针对三维Otsu图像分割算法运算量大和图像细节分割不够准确的问题，提出一种改进的三维Otsu图像分割算法。该算法基于灰度-邻域平均灰度-梯度的新的三维特征模型，构建三维直方图；将三维Otsu分解为三个一维Otsu；在同时考虑类间距离和类内距离的基础上，提出一种新的最大散度差准则。实验结果表明，该算法不仅可以取得较好的分割效果，而且计算量较小，比三维Otsu阈值分割递推算法快900倍左右。