在 C++ 中加速图像过滤器

Posted 2023-02-22

【中文标题】在 C++ 中加速图像过滤器

【英文标题】：Speed up image filter in C++

【发布时间】：2014-06-28 21:11:38

【问题描述】：

我用 C++ 编写了一个图像过滤器。它采用具有 256 行的 32bpp 位图的每个像素（将像素逐行存储在连续数组中），对其在 5x5 区域内的相邻像素执行操作，并生成 4 个输出像素以使图像的分辨率为原始图像的 2 倍图片。这一切都在 CPU 上完成。

过滤器的运行速度没有我想要的那么快。我需要它始终运行在 16 毫秒以下。我可以用多线程加速它，还是开销不一致并且总共可能需要超过 16 毫秒？有没有其他方法可以加快速度？

如果多线程可以加快速度，那么实现越具体越好。任何代码示例将不胜感激！

【问题讨论】：

我认为多线程会很困难，因为像素都相互依赖以进行最终输出。我曾经做过类似的事情，我计算了如果某个像素的相邻值低于某个阈值，那么变化不会很明显，所以忽略它们，直到它附近的像素会发生更多变化。我不知道这是否适用于您的具体情况。

@Ellery, I think multi threading would be hard because the pixels all rely on each other for the final output，我相信，像素依赖于未修改的相邻像素。

我应该提到，输入像素永远不会被修改，每个输出像素都会被修改一次，但是由于每个输入像素都会读取其相邻像素，因此每个输入像素都会被读取多次。

为什么需要16ms以下的？如果是因为您的程序正在处理连续的帧流并且您希望达到 60 帧/秒，那么最好先确定您有多少个内核，然后将整个帧发送到每个内核，而不是细分每个帧在您可用的核心中。它也可能高度依赖于您的 CPU 缓存大小。

发布实现过滤器的处理代码的核心可能是个好主意，因为那里可能需要进行一些改进......

【参考方案1】：

听起来您的问题是“微不足道的并行”，因此多线程绝对可以帮助实现近乎线性的改进。这是一个经典的数据细分问题。您可以将图像细分为 N 个区域（ N = 您想要的线程数）。每个区域都需要图像的 (Dimension/N+4) 像素（每个区域将有几个重叠像素，“Ghost Cells”，以适应您正在应用的 5x5 内核）。然后所有线程写入公共“输出”区域的特定区域。由于线程不重叠其输出区域，因此您不需要任何互斥锁或锁定。

例如，如果您有一个 256x256 的图像并且您使用 4 个线程：

每个线程都有一条 (256 / 4 + 4) = 68 像素。它们自己独特的 64 像素区域和每边 2 个额外像素。他们在中心的 64 像素区域上进行计算（外部像素仅用于 5x5 卷积核） 或者，每个线程获得一个 132x132 块（每边 128x128 + 4 个），并且执行相同的操作。

这是一种经典的 MPI 细分技术，但在许多其他库中也很容易实现。

【讨论】：

我不确定它会起作用。例如，高斯模糊通常是内存有界的（如果用 SSE 编写），所以除非他仔细平铺图像处理，否则它不会产生加速。

【参考方案2】：

手头的任务显然是高度可并行化的——这意味着多线程会有所帮助。总体思路是：

为目标图像分配（连续）内存，考虑适当的间距/填充（如有必要） 算出你有多少 CPU 可用 将图像区域分成n 区域 - 行、列或矩形区域 产生 n 并行工作线程，每个线程负责一大块工作 如果您为这些线程设置关联掩码，这样它们每次处于活动状态时都会在同一个内核上执行，这肯定会有所帮助

【讨论】：

什么是关联掩码？将其保持在内存带宽限制以下怎么样？

亲和掩码指定为哪个威胁分配哪个 CPU 内核，换句话说，它保证威胁不会从 CPU 内核跳到 CPU 内核（因此称为“亲和性”）。内存带宽是你不能真正依赖的东西，因为它受主板物理架构/布局、内存控制器的性能、缓存特性等因素的影响——所有这些都超出了软件应用程序的访问范围（而且有充分的理由，也是)。