基于雙邊濾波美顏算法的案例化C# 程序設(shè)計教學(xué)研究

（喀什大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 喀什 844000）

0 引言

C# 是微軟公司推出的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言[1-2]，開發(fā)人員可以在Visual Studio 開發(fā)平臺上使用C# 編程語言開發(fā)各種應(yīng)用程序.C# 程序語言以其功能強大的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用.Visual Studio 開發(fā)平臺憑借其強大的可視化用戶界面設(shè)計，讓C#編程易學(xué)易用.市面上通用的C#教材包含C# 基礎(chǔ)、C# 開發(fā)環(huán)境、C# 基本語法、控制語句、數(shù)組、類、集合、Windows 窗體控件等模塊.

在21 世紀(jì)，隨著社會的飛速發(fā)展，對大學(xué)畢業(yè)生的素質(zhì)要求越來越高.C# 程序設(shè)計語言課程是一門實踐色彩十分突出的課程，需要學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實際中，需要進行大量的編程練習(xí).然而在實際的C# 程序設(shè)計語言課程教學(xué)中，存在以下兩方面的不足：（1）在實際的課堂教學(xué)中，教師往往占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生往往處于被動地位，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的喪失；（2）學(xué)生上機作業(yè)基本都是教材上給出的課后習(xí)題，很少有考察學(xué)生實際運用能力的綜合性的練習(xí).[3-5]

本文使用雙邊濾波美顏算法，經(jīng)過C#Win form 程序處理后，能達到美顏效果.通過基于雙邊濾波美顏算法讓學(xué)生了解和掌握C# 程序設(shè)計語言在具體實際中的應(yīng)用.在該案例中首先讓學(xué)生掌握雙邊濾波算法的執(zhí)行流程，然后使用C# 程序語言設(shè)計的知識點，如變量的定義，使用系統(tǒng)類庫定義變量Bitmap bS=(Bitmap)pictureSrc.Image；定義基本數(shù)據(jù)類型變量int width=bS.Width；定義數(shù)組byte [，]bR=new byte[width，height]；定義方法private double[，]GetSpatial（int length，int sigmaS）；循環(huán)的使用；并且通過圖形界面的方式，使得學(xué)生通過實際案例激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，掌握C# 程序開發(fā)知識點，從而更好的達到教學(xué)要求，為進一步深造學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ).

1 雙邊濾波

雙邊濾波（Bilateral filter）是一種非線性的濾波方法[6-10]，是C# 程序語言設(shè)計中的常用美顏算法，其同時考慮空域信息和灰度相似性，并結(jié)合對圖像的空間鄰近度和像素值相似度的綜合處理，以達到去噪和保護邊緣的目的.雙邊濾波法主要是在圖像的空域（domain）和值域（range）上做工作，空域濾波（Domain Filtering）對空間上鄰近的點進行加權(quán)平均，加權(quán)系數(shù)隨著距離的增加而減少；值域濾波（Range filtering）則是對像素值相近的點進行加權(quán)平均，加權(quán)系數(shù)隨著值差的增大而減少.

Domain Filtering 表示為：

公式中kd（x）=∫∫c（r，x）dr；

Range filtering 表示為：

公式中kr（x）=∫∫s（f（r），f（x））dr.

雙邊濾波結(jié)合上述兩種濾波算法思想，可以表示為：

其 中，k（x）=∫∫c（r，x），s（f（r），f（x））dr，h（x）為像素點x 處濾波后像素亮度值，f（r）為在像素點r 處亮度值.在本文中Domian filtering 以高斯濾波為例，則c（r，x）和相似性函數(shù)s（f（r），f（x））分別定義為：

其中，d（r，x）=‖r-x‖（‖*‖表示像素點r 和x 的歐式距離），σd為平滑參數(shù)；

其中，d（f（r），f（x））=‖f（r）-f（x）‖（‖*‖表示像素點r 和x 處像素值的歐式距離），σr為平滑參數(shù).

2 C# 實現(xiàn)

2.1 定義控件

使用 C#Winform 窗體程序進行開發(fā)，Windows 窗體可用于設(shè)計窗體和可視控件，以創(chuàng)建豐富的基于Windows 的應(yīng)用程序.在Form1主窗體中定義四個ToolStripMenuItem 控件，分別為文件ToolStripMenuItem、打開圖像ToolStrip MenuItem、保存圖像ToolStripMenuItem 和美顏ToolStripMenuItem.定義三個Button 控件，分別為ButtonStart、ButtonOpen 和ButtonSave；定義9 個Lable 控件，以做顯示信息之用；定義三個trackBar，分別為雙邊濾波美顏算法的濾波窗口大小、值域（range）和空域（domain）的參數(shù)大小；定義三個ContextMenuStrip 菜單，作用分別是打開圖像、保存圖像和開始執(zhí)行美顏.兩個PictureBox，分別對應(yīng)原圖和美顏處理后圖.主窗體設(shè)計如圖1 所示.

圖1 主窗體設(shè)計

2.2 定義事件

對三個Button 按鈕、四個StripMenuItem 控件、三個ContextMenuStrip 菜單添加事件和事件處理程序，事件分別是 buttonStart_Click、buttonOpen_Click、buttonSave_Click、打開圖像ToolStripMenuItem_Click、保存圖像ToolStripMenu Item_Click、美顏ToolStripMenuItem_Click、打開圖像ToolStripMenuItem1_Click、保存圖像ToolStrip MenuI tem1_Click、開始執(zhí)行ToolStripMenuIte m_Click、trackBarS_Scroll、trackBarHalfLen_Scroll 和tra ckBarR_Scroll.對每一個事件添加相應(yīng)事件處理程序，如對buttonStart_Click 事件添加void buttonStart_Click(object sender，EventArgs e)事件處理程序，其他事件也做相應(yīng)處理.

2.3 具體實現(xiàn)步驟

（1）獲取源圖像數(shù)據(jù)信息

Bitmap bS=（Bitmap）pictureSrc.Image；

（2）定義雙邊濾波美顏算法中涉及到的各種變量信息

（3）定義二維數(shù)組保存圖像RGB 各個通道信息，byte[，]bR、byte[，]bG 和byte[，]bB；

（4）對圖像邊緣進行處理，本文使用擴展數(shù)組方式，對RGB 通道做同樣處理，如bR=ExtendArray（bR，halfLen）；

（5）雙邊濾波美顏算法處理，對RGB 通道做同樣的雙邊濾波美顏算法處理，如bR=BilateralFilter（bR，length，sigmaS，sigmaR）；

//具體過程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]；

使用循環(huán)執(zhí)行公式（1）（2）（3）；

（6）將雙邊濾波美顏后的數(shù)據(jù)設(shè)置到目的圖像.

2.4 實驗結(jié)果

本文采用從百度圖片獲得到的圖片進行試驗.圖2、圖3 分別是要進行美顏處理的圖片.

針對圖2 試驗圖像一初始設(shè)置如圖4 所示.通過trackBar 控件分別設(shè)置雙邊濾波美顏算法中參數(shù)SigmaR、SigmaS 和halfLength 的值.在圖4 中，原圖和處理后顯示的圖像都是未經(jīng)處理的原始屠屏，也就是圖2 所顯示圖片.圖4 通過雙邊濾波美顏算法處理后如圖5 所示.在圖5 中，原圖表示的是未經(jīng)處理的圖片，也就是試驗圖像一；處理后圖像是經(jīng)過美顏算法處理的圖片.從圖5 中可以明顯看出，經(jīng)過美顏算法處理后的圖像視覺效果更好.可以使用保存圖像功能，將處理后的圖像保存.再通過打開圖像功能打開另一個試驗圖像二，也就是圖3，效果如圖6 所示.和對圖2 圖像處理一樣，可以設(shè)置雙邊濾波美顏算法中參數(shù)SigmaR、SigmaS 和halfLength 的值.經(jīng)過美顏算法處理后，可以看出美顏后的圖像的視覺效果明顯優(yōu)于原圖，如圖7 所示.

圖2 試驗圖像一

圖3 試驗圖像二

圖4 試驗圖像一美顏前

圖5 試驗圖像一美顏處理后

圖6 試驗圖像二美顏前

圖7 試驗圖像二美顏處理后

3 結(jié)語

結(jié)合雙邊濾波美顏算法的案例化C# 程序設(shè)計教學(xué)，涉及到了C# 程序設(shè)計語言的變量、程序控制語句、類、Winform 窗體等，將C# 程序語言各個知識點串聯(lián)，將課堂理論知識點應(yīng)用到實際工程中，使學(xué)生能學(xué)以致用，學(xué)生對于算法的理解和學(xué)習(xí)為后續(xù)進一步深造打下了良好基礎(chǔ).