Les méthodes par ensemble de niveaux constituent une représentation alternative des surfaces implicites et sont dues à Osher et Sethian ainsi que Caselles.
Les méthodes par ensembles de niveaux permettent d’effectuer des changements de topologie pendant le processus de segmentation.

Dans les méthodes par ensembles de niveaux, la surface C est implicitement définie comme l’ensemble de niveau 0 d’une fonction de dimension supérieure µ. Partant d’une forme donnée C0, le modèle est capable d’évoluer vers les bords de l’objet à segmenter selon la loi d’évolution du premier ordre :

où F est la force appliquée sur la surface et le vecteur

normal à la surface.

Cette force peut être décomposée en deux termes :
- une force interne Fint , imposant une contrainte de régularité de la surface
- une force externe, Fext , terme d’attache aux données contrôlant la convergence de la forme du modèle deforme vers les données.

Étant donné un contour initial C0, la fonction d’ensemble de niveaux est initialisée comme où d désigne la distance signée. Le contour iniitial est alors défini par.
µ est ainsi représenté comme une carte des distances signée. A l’extérieur du contour, les valeurs de la carte des distances sont positives, à l’intérieur, elles sont négatives.

L'évolution du modèle correspond à l'évolution de la carte des distances vérifiant l'équation :

où µ(x,y,t) est la carte des distances en évolution.

Cette équation est valide uniquement sur le contour. Par conséquent, la propriété de carte de distance pour µ n’est pas préservée. Afin de résoudre ce problème, il est nécessaire de réinitialiser µ régulièrement afin de le faire correspondre à une véritable carte des distances, on impose donc

On résout l'équation après discrétisation en utilisant un schéma numérique explicite.