从Opencv之图像直方图源码，探讨高性能计算设计思想

Posted 2022-12-15 Briwisdom

前言

        纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。学会算法的理论很重要，但是把理论高效的实现也是需要一点点练习的。

        图像直方图的理论很简单，就是把一个图像的像素区间划分为几个子区间，然后统计图像中的像素包含在子区间内的个数。这里，我们可以很容易想到，图像每个像素之间对结果的影响是独立的，所以，代码实现时候可以考虑并行化设计。

• 输入：image[h][w], bins, low, hign
• 输出： hist[bins]

Opencv的实现

opencv的实现流程，以uint8编码的图像为例

1，建立0-255到bins子区间的映射table。

即table[256], index是0-255， table[index]是在histogram[bins]中的index。

 opencv建立table的接口函数

static void calcHistLookupTables_8u( const Mat& hist, 
                                const SparseMat& shist,
                                 int dims, const float** ranges, 
                                 const double* uniranges,
                                 bool uniform, bool issparse, 
                                 vector<size_t>& _tab )

关键逻辑代码：

double t = bins/(high - low);
double a = t
double b = -t*low
for (int j=low; j<high; j++)

    int idx =cvFloor( j*a +b);
    table[j-low]=idx;

2，统计图像上0-255各像素值对应的个数。

opencv每次统计四个相邻位置的像素，好像为利用了CPU流水线加速的原理，即同一指令，不同空间可以并行执行。
 

opencv接口函数：

static void calcHist_8u( vector<uchar*>& _ptrs, 
            const vector<int>& _deltas,
            Size imsize, Mat& hist, int dims, 
            const float** _ranges,
            const double* _uniranges, bool uniform )

关键逻辑代码： 

int matH[256] =  0, ;
for( x = 0; x <= imsize.width - 4; x += 4 )
 
    int t0 = p0[x], t1 = p0[x+1];
    matH[t0]++; matH[t1]++;

    t0 = p0[x+2]; t1 = p0[x+3];
    matH[t0]++; matH[t1]++;
                        
  
 p0 += x;
 for( ; x < imsize.width; x++, p0 += step)
     matH[*p0]++;

3，合并matH和table，得到最终hist的输出。

OUT_OF_RANGE =bins;
uchar* H = hist.data;
for(int i = 0; i < 256; i++ )

    size_t hidx = tab[i];
    if( hidx < OUT_OF_RANGE )
         *(int*)(H + hidx) += matH[i];

整体流程关系：

设计思路探讨

1，为什么要拆分成三步完成呢？这样的时间复杂度=O（256+256+h*w）

在遍历一次图像时候，为什么不同时完成hist的统计呢？可能opencv的映射查表用时更短，拆分步骤中1,2步可以同时完成。

for i in range(Height):

        for j in range(width):

                scale=bins/(high-low)

                index=image[i][i]*scale

                hist[index]+=1

2，在实现遍历图像，每个点对结果的影响又是独立的，那么软件层面如何进行并行化加速？

是不是能够分成多个线程读写image，在读取了image的像素值后，要对hist[pixes]或者matH[pixes]同一位置写数时候，加一个锁保护，即同一位置一次只能一个线程写数，只能串行，不能并行。