day-15 用opencv怎么扫描图像，利用查找表和计时

一、本节知识预览

　　1、  怎样遍历图像的每一个像素点？

　　2、  opencv图像矩阵怎么被存储的？

　　3、  怎样衡量我们算法的性能？

　　4、  什么是查表，为什么要使用它们？

二、什么是查表，为什么要使用它们？

　　假设一张三通道RGB图像，每个像素通道有256种不同颜色取值，那么一个像素点可能有256*256*256（1600多万）种可能颜色取值，这对于实际计算来说，开销是相当大的。而实际计算中，只需要少量的颜色值就能达到相同的效果。常用的一种方法是进行颜色空间缩减。用如下方法，我们可以将颜色空间取值减少10倍：

　　然而如果对每个像素点，都应用一次公式减少颜色空间取值，开销仍然很大，因此我们引入一个新方法：查表。

	//定义查表
	uchar table[256];
	int divideWidth = 10;
	for (int i = 0;i < 256; ++i)
	{
		table[i] = (uchar)(divideWidth*(i/divideWidth));
	}

　　divideWith可以简单理解为取值减少的倍数，例如取值为10，颜色取值由256种可能变成25种。单个像素也只有25*25*25（15625）种可能，较之前1600多万种，计算量极大减少。然后将某个像素点某个通道的值，作为查表的数组索引，可以直接获取到最后的颜色值，避免了数学运算的工作量。

三、怎样衡量我们算法的性能？

　　opencv中，我们需要经常衡量一个接口/算法的时间，通过使用Opencv两个自带的函数cv::getTickCount()和cv::getTickFrequency()可以实现，前者记录从系统启动开始CPU计数次数，后者记录CPU计数频率，可用如下代码实现时间衡量：　　

double t = (double)getTickCount();

// do something ...

t = ((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();

cout << "Times passed in seconds: " << t << endl;

四、opencv图像矩阵怎么被存储的？

　　再来回顾下之前的问题，图像是怎么在内存中被存储的。假设我们的图像是一张n*m的灰度图像，在内存中的存储方式将会是这样的：

　　

　　如果图像是一张RGB多通道图像，实际在内存中存储是这样的：

　　

　　可以注意到，通道顺序是BGR而不是原有的RGB。另外由于我们的内存足够大，我们的矩阵可以一行接一行连续被存储，这样可以加快图像扫描的速度，通过cv::Mat::isContinuous()函数确认图像是否被连续存储。

五、怎样遍历图像的每一个像素点？

　　一谈到性能，没有什么能比C 风格的[]数组访问操作更高效了，因此可以用如下高效的方式实现查表法减少颜色空间取值：

Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I,const uchar* const table)
{
	//accept only char type matrices
	CV_Assert(I.depth() == CV_8U);
	int channels = I.channels();
	int nRows = I.rows;
	int nCols = I.cols*channels;
	if(I.isContinuous())
	{
		nCols *= nRows;
		nRows = 1;
	}

	int i,j;
	uchar *p;
	for ( i = 0; i < nRows; ++i)
	{
		p = I.ptr<uchar>(i);
		for(j = 0;j < nCols;++j)
		{
			p[j] = table[p[j]];
		}
	}
	return I;
}

　　此外，我们还可以通过opencv提供的递归方法实现图像的遍历：

Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I,const uchar* const table)
{
	CV_Assert(I.depth() == CV_8U);
	const int channels = I.channels();
	switch(channels)
	{
	case 1:
		{
			MatIterator_<uchar> it,end;
			for( it = I.begin<uchar>(),end = I.end<uchar>();it != end;++it)
			{
				*it = table[*it];
			}
			break;
		}
	case 3:
		{
			MatIterator_<Vec3b> it,end;
			for(it = I.begin<Vec3b>(),end = I.end<Vec3b>();it != end;++it)
			{
				(*it)[0] = table[(*it)[0]];
				(*it)[1] = table[(*it)[1]];
				(*it)[2] = table[(*it)[2]];
			}
			break;
		}
	}
	return I;
}

　　同时，还可以使用at方法实时计算图像坐标实现图像的遍历，新定义Mat_<Vec3b> _I是为了编码偷懒的方式，可以直接使用()运算符而不是at函数：

Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I,const uchar * const table)
{
	CV_Assert(I.depth() == CV_8U);
	const int channels = I.channels();
	switch(channels)
	{
	case 1:
		{
			for (int i = 0;i < I.rows;++i)
				for (int j = 0; j < I.cols; ++j)
				{
					I.at<uchar>(i,j) = table[I.at<uchar>(i,j)];
				}
			break;
		}
	case 3:
		{
			Mat_<Vec3b> _I = I;
			for (int i = 0;i < I.rows; ++i)
				for (int j = 0;j < I.cols; ++j)
				{
					//_I.at<Vec3b>(i,j)[0] = table[_I.at<Vec3b>(i,j)[0]];
					//_I.at<Vec3b>(i,j)[1] = table[_I.at<Vec3b>(i,j)[1]];
					//_I.at<Vec3b>(i,j)[2] = table[_I.at<Vec3b>(i,j)[2]];
					_I(i,j)[0] = table[_I(i,j)[0]];
					_I(i,j)[1] = table[_I(i,j)[1]];
					_I(i,j)[2] = table[_I(i,j)[2]];
				}
			I = _I;
			break;
		}
	}
	return I;
}

　　OpenCV库也为我们提供一个快速查表的库函数：

Mat lookUpTable(1, 256, CV_8U);
uchar* p = lookUpTable.ptr();
for( int i = 0; i < 256; ++i)
    p[i] = table[i];
LUT(I, lookUpTable, J);

　　最后，我们附上整个程序源码，通过调用摄像头，获取图像，然后对前100帧图像利用查表法进行颜色空间缩减：

#include<opencv2/opencv.hpp>
#include<cv.h>

using namespace cv;
using namespace std;

Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I,const uchar* const table)
{
	//accept only char type matrices
	CV_Assert(I.depth() == CV_8U);
	int channels = I.channels();
	int nRows = I.rows;
	int nCols = I.cols*channels;
	if(I.isContinuous())
	{
		nCols *= nRows;
		nRows = 1;
	}

	int i,j;
	uchar *p;
	for ( i = 0; i < nRows; ++i)
	{
		p = I.ptr<uchar>(i);
		for(j = 0;j < nCols;++j)
		{
			p[j] = table[p[j]];
		}
	}
	return I;
}

Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I,const uchar* const table)
{
	CV_Assert(I.depth() == CV_8U);
	const int channels = I.channels();
	switch(channels)
	{
	case 1:
		{
			MatIterator_<uchar> it,end;
			for( it = I.begin<uchar>(),end = I.end<uchar>();it != end;++it)
			{
				*it = table[*it];
			}
			break;
		}
	case 3:
		{
			MatIterator_<Vec3b> it,end;
			for(it = I.begin<Vec3b>(),end = I.end<Vec3b>();it != end;++it)
			{
				(*it)[0] = table[(*it)[0]];
				(*it)[1] = table[(*it)[1]];
				(*it)[2] = table[(*it)[2]];
			}
			break;
		}
	}
	return I;
}

Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I,const uchar * const table)
{
	CV_Assert(I.depth() == CV_8U);
	const int channels = I.channels();
	switch(channels)
	{
	case 1:
		{
			for (int i = 0;i < I.rows;++i)
				for (int j = 0; j < I.cols; ++j)
				{
					I.at<uchar>(i,j) = table[I.at<uchar>(i,j)];
				}
			break;
		}
	case 3:
		{
			Mat_<Vec3b> _I = I;
			for (int i = 0;i < I.rows; ++i)
				for (int j = 0;j < I.cols; ++j)
				{
					//_I.at<Vec3b>(i,j)[0] = table[_I.at<Vec3b>(i,j)[0]];
					//_I.at<Vec3b>(i,j)[1] = table[_I.at<Vec3b>(i,j)[1]];
					//_I.at<Vec3b>(i,j)[2] = table[_I.at<Vec3b>(i,j)[2]];
					_I(i,j)[0] = table[_I(i,j)[0]];
					_I(i,j)[1] = table[_I(i,j)[1]];
					_I(i,j)[2] = table[_I(i,j)[2]];
				}
			I = _I;
			break;
		}
	}
	return I;
}

Mat& ScanImageAndReduceLut(Mat& I,Mat& J,const uchar * const table)
{
	Mat lookUpTable(1,256,CV_8U);
	uchar* p = lookUpTable.ptr();
	for ( int i = 0;i < 256; ++i)
		p[i] = table[i];
	LUT(I,lookUpTable,J);
	return J;
}

int main( )
{
	Mat frame_input,frame_src,frame_reduce_c,frame_reduce_iterator,frame_reduce_random_access,frame_reduce_lut;
	VideoCapture capture(0);
	if(capture.isOpened())
	{
		printf("打开摄像头成功\n");
		capture >> frame_input;
		printf("图像分辨率为:%d * %d，通道数为%d\n",frame_input.rows,frame_input.cols,frame_input.channels());
	}

	//定义查表
	uchar table[256];
	int divideWidth = 30;
	for (int i = 0;i < 256; ++i)
	{
		table[i] = (uchar)(divideWidth*(i/divideWidth));
	}

	float time_cnts_c = 0,time_cnts_iterator = 0,time_cnts_random_access = 0,time_cnts_lut = 0;
	double tick = 0,number = 0;

	while(number < 100){

		++number;
		printf("读取第%f帧图像\n",number);

		capture >> frame_input;
		if(frame_input.empty()){
			printf("--(!) No captured frame -- Break!");
		}
		else{

			frame_src = frame_input.clone();
			frame_reduce_c = frame_input.clone();
			frame_reduce_iterator = frame_input.clone();
			frame_reduce_random_access = frame_input.clone();

			tick = getTickCount();
			ScanImageAndReduceC(frame_reduce_c,table);
			time_cnts_c += ((double)getTickCount()- tick)*1000 / getTickFrequency();

			tick = getTickCount();
			ScanImageAndReduceIterator(frame_reduce_iterator,table);
			time_cnts_iterator += ((double)getTickCount()- tick)*1000 / getTickFrequency();

			tick = getTickCount();
			ScanImageAndReduceRandomAccess(frame_reduce_random_access,table);
			time_cnts_random_access += ((double)getTickCount()- tick)*1000 / getTickFrequency();

			tick = getTickCount();
			ScanImageAndReduceLut(frame_src,frame_reduce_lut,table);
			time_cnts_lut += ((double)getTickCount()- tick)*1000 / getTickFrequency();

			imshow("原始图像", frame_src);
			imshow("ScanImageAndReduceC",frame_reduce_c);
			imshow("ScanImageAndReduceIterator",frame_reduce_iterator);
			imshow("ScanImageAndReduceRandomAccess",frame_reduce_random_access);
			imshow("ScanImageAndReduceLut",frame_reduce_lut);

		}
 		waitKey(10);
	}

	printf("time_cnts_c:%f\n",time_cnts_c/100);
	printf("time_cnts_iterator:%f\n",time_cnts_iterator/100);
	printf("time_cnts_random_access:%f\n",time_cnts_random_access/100);
	printf("time_cnts_lut:%f\n",time_cnts_lut/100);

	waitKey(1000000);
	return 0;
} 

六、实验结果

　　opencv教程给出的时间参考如下：

　　https://docs.opencv.org/master/db/da5/tutorial_how_to_scan_images.html

Method	Time
Efficient Way	79.4717 milliseconds
Iterator	83.7201 milliseconds
On-The-Fly RA	93.7878 milliseconds
LUT function	32.5759 milliseconds

　　实际在我们环境上（480*640,3通道）测试的结果如下：

Method	Time
Efficient Way	4.605026 milliseconds
Iterator	92.846123 milliseconds
On-The-Fly RA	240.321487 milliseconds
LUT function	3.741437 milliseconds

　　实验结果表明，使用opencv自带的LUT函数，效率最高。这是因为OpenCV内建的多线程原因。其次是c语言高效的[]数组访问方式。