如何优化图像像素化程序

Posted 2023-03-06

【中文标题】如何优化图像像素化程序

【英文标题】：How to optimise an image pixelation program

【发布时间】：2019-04-16 19:23:30

【问题描述】：

我已经编写了一些串行代码，我希望在使用 OpenMP 对其进行并行化之前尽可能地对其进行优化。程序通过遍历 4x4 单元格（变量c）中的像素数据读取 PPM 文件，然后找到每个 4x4 单元格的平均 RGB 值，最后通过输出平均颜色写入新文件值，再次为每个 4x4 单元格。这会产生一种马赛克/像素化效果。

对我的代码进行性能分析后，主要瓶颈是fscanf 和fprintf。我忽略了读/写磁盘的执行时间，所以这两个函数无关紧要。

到目前为止我的优化工作：

循环阻塞：代码中有两个嵌套的 FOR 循环，它们具有完全相同的循环条件。但是，第二组嵌套 FOR 循环要求计算平均 RGB 值所需的函数保留在该特定组之外。然后需要在第三组嵌套 FOR 循环（与第二组具有相同的循环条件）中使用平均 RGB 值计算。因此，尽管第二组和第三组嵌套 FOR 循环很相似，但我一直在努力组合它们。

循环不变计算：我已尝试在可能的情况下将某些操作移出循环，但事实证明这很困难。

总结：如何优化这个程序以尽可能减少执行时间？

我的代码：

typedef struct                                 //struct holding RGB type int
    int r, g, b;    //12 bytes
 pixelInt;
typedef struct                                 //struct holding RGB type unsigned char
    unsigned char r, g, b;  //3 bytes
 pixel;

int c = 4;             // Variable of 4x4 grids
int width, height;    //image variable declarations

//Raw 1 dimensional store of pixel data - will contain all the data for each pixel in the image
pixel *data = (pixel *)calloc(width * height, sizeof(pixelInt));

//Loop through entire input image 
        for (int yy = 0; yy < height; yy += c)
        
            for (int xx = 0; xx < width; xx += c)
            
                //the total colour of cell of size 'c'
                pixelInt cell_tot =  0, 0, 0 ;        //zero initialize struct containing mosaic cell pixel totals.

                unsigned int counter = 0; //the counter for how many pixels are in a 4x4 cell

                int bx = xx + c;  //used in loop conditions
                int by = yy + c;

                // Store each color from the cell into cell_tot struct
                for (int y = yy; y < by; y++)
                
                    for (int x = xx; x < bx; x++)
                    
                        unsigned int index_1d = x + y * width;      //calculate 1d index from x-index (x), y-index(y) and width;

                        unsigned char r, g, b; //maximum vales are 255, i.e. unsigned char data type                    

                        fscanf(f, "%hhu %hhu %hhu", &r, &g, &b); //%hhu is unsigned char specifier

                        //store the pixel value into data array
                        data[index_1d].r = r;
                        data[index_1d].g = g;
                        data[index_1d].b = b;

                        counter++; //increment counter

                        //average pixel color of cell
                        cell_tot.r += r;
                        cell_tot.g += g;
                        cell_tot.b += b;

                    
                

                //average colour of cell found by dividing cell total by loop counter 
                pixel cell_average;
                cell_average.r = cell_tot.r / counter;
                cell_average.g = cell_tot.g / counter;
                cell_average.b = cell_tot.b / counter;

                //Loop through the new image in cells of size c 
                for (int y = yy; y < by; y++)
                
                    for (int x = xx; x < bx; x++)
                    
                        unsigned int index_1d = x + y * width;      //calculate 1d index from x-index (x), y-index(y) and width;

                        //Assign average cell value to the pixels in the cell
                        data[index_1d].r = cell_average.r;
                        data[index_1d].g = cell_average.g;
                        data[index_1d].b = cell_average.b;

                        //Output the average colour value for the image  
                        fprintf(f_output, "%hhu %hhu %hhu \t", data[index_1d].r, data[index_1d].g, data[index_1d].b);
                    
                    fprintf(f_output, "\n");    //Prints new line 
                
            
         

【问题讨论】：

尝试将循环前的完整文件读取到缓冲区中并从缓冲区中读取sscanf，然后将结果写入单独的缓冲区并在最后将结果写入文件。

OT：关于：pixel *data = (pixel *)calloc(width * height, sizeof(pixelInt)) 1) 在 C 中，返回的类型是 void*，可以分配给任何指针。强制转换只会使代码混乱，使其更难以理解、调试，建议删除“强制转换”

发布的代码没有考虑到像素行必须包含 2 的倍数的像素数。所以总是必须将“宽度”四舍五入为 2 的倍数跨度>

当问一个关于运行时问题的问题时，就像这个问题一样，发布minimal reproducible example以便我们可以重现问题并帮助您调试它。

关于：typedef struct //struct holding RGB type unsigned char unsigned char r, g, b; //3 bytes pixel; 图像标题中的一个字段说明了每个像素中有多少位。根据具体的图像，可以是每像素 1 字节、2 字节、3 字节、4 字节

【参考方案1】：

在我机器上的 1024x1024 图像上，您的代码在 0.325s 中执行。以下代码在0.182s中执行：

unsigned w = width/c, h = height/c;
unsigned *accum = (unsigned*)malloc(3*sizeof(unsigned)*w);
char *line = (char*)malloc(12*w);
unsigned denom = c*c;

//Loop through entire input image 
for (int yy = 0; yy < h; ++yy)

    memset(accum, 0, 3*sizeof(unsigned)*w);

    // read and accumulate c lines
    for(int y = 0; y < c; ++y)
    
        for (int xx = 0; xx < w; ++xx)
        
            for (int x = 0; x < c; ++x)
            
                unsigned char r, g, b;
                fscanf(f, "%hhu %hhu %hhu", &r, &g, &b);
                accum[3*xx+0] += r;
                accum[3*xx+1] += g;
                accum[3*xx+2] += b;
            
        
    

    // format a line
    for(int xx = 0; xx < w; ++xx)
    
        char *cell = line + 12*c*xx; 
        snprintf(cell, 12, "%3u%4u%4u", accum[3*xx]/denom, accum[3*xx+1]/denom, accum[3*xx+2]/denom);
        cell[11] = '\t';
        for(int x = 1; x < c; ++x)
            memcpy(cell + 12*x, cell, 12);
    

    // write it out times c
    line[12*w-1] = '\n';
    for(int y = 0; y < c; ++y)
        fwrite(line, 12*w, 1, f_output);

这里的技巧是只格式化一次平均值，然后复制格式化的字符串。此外，通过一次处理一行，我有更好的机会利用内存缓存。

要超越这一点，您需要重新实现 fscanf 以更快地解析整数。

【讨论】：

感谢您发布优化的解决方案。请问您在代码中声明变量c 的数据类型是什么？如果我将其定义为 unsigned int c = 0 我得到这个异常：Unhandled exception at 0x008D1169 in Assignment.exe: 0xC0000094: Integer division by zero 在这一行：unsigned *accum = (unsigned*)malloc(6 * sizeof(unsigned)*w);

@p.luck: c 是您代码中的变量，在您的示例中等于 4。

当然——抱歉，我没有想清楚。然而，我在fwrite(line, 12 * w, 1, f_output); 线上得到了Assignment.exe has triggered a breakpoint.。知道是什么原因造成的吗？

@p.luck：嗯，这真的很难说。确保w 和width 是正确的，并且width 可以被c 整除。仔细检查您是否正确复制了所有内容。