Tal como lo mencionas, la idea es sustituir una región de la imagen grande que ha sido filtrada utilizando un umbral diferente, así pues, lo único que necesitas es hacer una sustitución de elementos de una matriz, para ello usas la indexación:
Matriz(i1:i2, j1:j2) = matriz_reemplazo
Donde matriz_reemplazo
será una matriz de dimensiones (i2-i1)x(j2-j1), es decir, de las mismas dimensiones que la submatriz que estás refiriendo con la indexación.
Para dejar más claro lo anterior, un ejemplo:
IG = imread('cameraman.tif');
I2 = imcrop(IG,[50 50 100 100]);
BWG = im2bw(IG, 0.3);
BW2 = im2bw(I2, 0.6);
% Sin sustituir la región recortada
subplot(1,2,1);
imshow(BWG);
% Sustituyendo la región recortada
subplot(1,2,2);
BWG(50:150,50:150) = BW2;
imshow(BWG);
Que produce las siguientes imágenes:
Sin sustituir la región recortada
Sustituyendo la región recortada