基于双边滤波美颜算法的案例化C# 程序设计教学研究

（喀什大学 计算机科学与技术学院，新疆 喀什 844000）

0 引言

C# 是微软公司推出的一种面向对象的编程语言[1-2]，开发人员可以在Visual Studio 开发平台上使用C# 编程语言开发各种应用程序.C# 程序语言以其功能强大的优势被广泛应用.Visual Studio 开发平台凭借其强大的可视化用户界面设计，让C#编程易学易用.市面上通用的C#教材包含C# 基础、C# 开发环境、C# 基本语法、控制语句、数组、类、集合、Windows 窗体控件等模块.

在21 世纪，随着社会的飞速发展，对大学毕业生的素质要求越来越高.C# 程序设计语言课程是一门实践色彩十分突出的课程，需要学生将所学知识应用到实际中，需要进行大量的编程练习.然而在实际的C# 程序设计语言课程教学中，存在以下两方面的不足：（1）在实际的课堂教学中，教师往往占据主导地位，学生往往处于被动地位，导致学生学习积极性的丧失；（2）学生上机作业基本都是教材上给出的课后习题，很少有考察学生实际运用能力的综合性的练习.[3-5]

本文使用双边滤波美颜算法，经过C#Win form 程序处理后，能达到美颜效果.通过基于双边滤波美颜算法让学生了解和掌握C# 程序设计语言在具体实际中的应用.在该案例中首先让学生掌握双边滤波算法的执行流程，然后使用C# 程序语言设计的知识点，如变量的定义，使用系统类库定义变量Bitmap bS=(Bitmap)pictureSrc.Image；定义基本数据类型变量int width=bS.Width；定义数组byte [，]bR=new byte[width，height]；定义方法private double[，]GetSpatial（int length，int sigmaS）；循环的使用；并且通过图形界面的方式，使得学生通过实际案例激发学习兴趣，掌握C# 程序开发知识点，从而更好的达到教学要求，为进一步深造学习打下了基础.

1 双边滤波

双边滤波（Bilateral filter）是一种非线性的滤波方法[6-10]，是C# 程序语言设计中的常用美颜算法，其同时考虑空域信息和灰度相似性，并结合对图像的空间邻近度和像素值相似度的综合处理，以达到去噪和保护边缘的目的.双边滤波法主要是在图像的空域（domain）和值域（range）上做工作，空域滤波（Domain Filtering）对空间上邻近的点进行加权平均，加权系数随着距离的增加而减少；值域滤波（Range filtering）则是对像素值相近的点进行加权平均，加权系数随着值差的增大而减少.

Domain Filtering 表示为：

公式中kd（x）=∫∫c（r，x）dr；

Range filtering 表示为：

公式中kr（x）=∫∫s（f（r），f（x））dr.

双边滤波结合上述两种滤波算法思想，可以表示为：

其 中，k（x）=∫∫c（r，x），s（f（r），f（x））dr，h（x）为像素点x 处滤波后像素亮度值，f（r）为在像素点r 处亮度值.在本文中Domian filtering 以高斯滤波为例，则c（r，x）和相似性函数s（f（r），f（x））分别定义为：

其中，d（r，x）=‖r-x‖（‖*‖表示像素点r 和x 的欧式距离），σd为平滑参数；

其中，d（f（r），f（x））=‖f（r）-f（x）‖（‖*‖表示像素点r 和x 处像素值的欧式距离），σr为平滑参数.

2 C# 实现

2.1 定义控件

使用 C#Winform 窗体程序进行开发，Windows 窗体可用于设计窗体和可视控件，以创建丰富的基于Windows 的应用程序.在Form1主窗体中定义四个ToolStripMenuItem 控件，分别为文件ToolStripMenuItem、打开图像ToolStrip MenuItem、保存图像ToolStripMenuItem 和美颜ToolStripMenuItem.定义三个Button 控件，分别为ButtonStart、ButtonOpen 和ButtonSave；定义9 个Lable 控件，以做显示信息之用；定义三个trackBar，分别为双边滤波美颜算法的滤波窗口大小、值域（range）和空域（domain）的参数大小；定义三个ContextMenuStrip 菜单，作用分别是打开图像、保存图像和开始执行美颜.两个PictureBox，分别对应原图和美颜处理后图.主窗体设计如图1 所示.

图1 主窗体设计

2.2 定义事件

对三个Button 按钮、四个StripMenuItem 控件、三个ContextMenuStrip 菜单添加事件和事件处理程序，事件分别是 buttonStart_Click、buttonOpen_Click、buttonSave_Click、打开图像ToolStripMenuItem_Click、保存图像ToolStripMenu Item_Click、美颜ToolStripMenuItem_Click、打开图像ToolStripMenuItem1_Click、保存图像ToolStrip MenuI tem1_Click、开始执行ToolStripMenuIte m_Click、trackBarS_Scroll、trackBarHalfLen_Scroll 和tra ckBarR_Scroll.对每一个事件添加相应事件处理程序，如对buttonStart_Click 事件添加void buttonStart_Click(object sender，EventArgs e)事件处理程序，其他事件也做相应处理.

2.3 具体实现步骤

（1）获取源图像数据信息

Bitmap bS=（Bitmap）pictureSrc.Image；

（2）定义双边滤波美颜算法中涉及到的各种变量信息

（3）定义二维数组保存图像RGB 各个通道信息，byte[，]bR、byte[，]bG 和byte[，]bB；

（4）对图像边缘进行处理，本文使用扩展数组方式，对RGB 通道做同样处理，如bR=ExtendArray（bR，halfLen）；

（5）双边滤波美颜算法处理，对RGB 通道做同样的双边滤波美颜算法处理，如bR=BilateralFilter（bR，length，sigmaS，sigmaR）；

//具体过程G

int width=bS.GetLength （0）；int height=bS.GetLength（1）；int halfLength=（int）length/2；

byte[，]bC=new byte[width-2*halfLength，height-2*halfLength]；

double[，]spatial=GetSpatial（length，sigmaS）；

int i，j，x，y；

double tmp，sum；

double[，]range=new double[length，length]；

使用循环执行公式（1）（2）（3）；

（6）将双边滤波美颜后的数据设置到目的图像.

2.4 实验结果

本文采用从百度图片获得到的图片进行试验.图2、图3 分别是要进行美颜处理的图片.

针对图2 试验图像一初始设置如图4 所示.通过trackBar 控件分别设置双边滤波美颜算法中参数SigmaR、SigmaS 和halfLength 的值.在图4 中，原图和处理后显示的图像都是未经处理的原始屠屏，也就是图2 所显示图片.图4 通过双边滤波美颜算法处理后如图5 所示.在图5 中，原图表示的是未经处理的图片，也就是试验图像一；处理后图像是经过美颜算法处理的图片.从图5 中可以明显看出，经过美颜算法处理后的图像视觉效果更好.可以使用保存图像功能，将处理后的图像保存.再通过打开图像功能打开另一个试验图像二，也就是图3，效果如图6 所示.和对图2 图像处理一样，可以设置双边滤波美颜算法中参数SigmaR、SigmaS 和halfLength 的值.经过美颜算法处理后，可以看出美颜后的图像的视觉效果明显优于原图，如图7 所示.

图2 试验图像一

图3 试验图像二

图4 试验图像一美颜前

图5 试验图像一美颜处理后

图6 试验图像二美颜前

图7 试验图像二美颜处理后

3 结语

结合双边滤波美颜算法的案例化C# 程序设计教学，涉及到了C# 程序设计语言的变量、程序控制语句、类、Winform 窗体等，将C# 程序语言各个知识点串联，将课堂理论知识点应用到实际工程中，使学生能学以致用，学生对于算法的理解和学习为后续进一步深造打下了良好基础.