RGB-YUV変換パフォーマンス比較(Java, JNI, RenderScript)

(2016/12/26 追記)
コメント頂いたlibyuvを使用した場合の測定結果も追記しました。

カメラプレビューや MediaCodec から得られる画像を解析・編集する際に
RGB-YUV間での変換が必要になることもあるかと思います。
そこで、 Pure Java、JNI、RenderScript、libyuvを使用した場合、それぞれの処理時間を測定してみました。

測定環境

Nexus 5X (arm64-v8a), Android 6.0.1

測定結果

各サイズのARGB8888画像をYUV420 Semi-Planar(NV21)に10回変換して、
最小値、最大値を除いた平均値を出しています。
単位はいずれもusec.

リリースビルド

画像サイズ	Pure Java	JNI	libyuv	RenderScript
320x180	4,428	1,633	362	10,860
640x360	17,505	6,542	2,353	13,954
1280x720	70,808	26,115	6,706	25,159
1920x1080	157,301	58,643	15,000	39,918
3840x2160	625,875	234,650	58,470	162,353

デバッグビルド

画像サイズ	Pure Java	JNI	libyuv	RenderScript
320x180	29,979	8,580	337	9,219
640x360	119,860	33,908	2,002	12,535
1280x720	477,142	136,232	6,731	38,462
1920x1080	1,073,609	305,510	14,922	38,462
3840x2160	4,287,866	1,228,023	58,094	120,606

libyuvとRenderScriptはどちらのビルドでも最適化されているため、
デバッグビルド・リリースビルドに大きな違いはありません。

Pure Java、JNIどちらもリリースビルドの効果が出ており、
Pure Javaの場合は320x180、
JNIの場合は320x180、640x360
の場合にRenderScriptよりも速くなっています。
libyuvは圧倒的。4KでもRenderScriptの2〜3倍です。

libyuvのように最適化されたライブラリがあるならば、その使用を検討すべきだと思います。
自分で書くのであれば、RenderScriptにはある程度、オーバーヘッドがあるということを認識して、
対象画像のサイズによって、どの方法で実装するかなどを検討する必要がありそうです。

なお、今回の平均値の算出方法では出てきませんが、
RenderScriptの初回実行時はコンパイル処理が走るため、
320x180でも 300〜500 msec程度かかりました。

ソース

それぞれの変換処理ソースは以下の通り。

PureJavaによる変換処理

public void rgbToYuv(byte[] rgb, int width, int height, byte[] yuv) {
  int rgbIndex = 0;
  int yIndex = 0;
  int uvIndex = width * height;
  for (int j = 0; j < height; ++j) {
    for (int i = 0; i < width; ++i) {
      final int r = rgb[rgbIndex] & 0xFF;
      final int g = rgb[rgbIndex + 1] & 0xFF;
      final int b = rgb[rgbIndex + 2] & 0xFF;

      final int y = (int) (0.257 * r + 0.504 * g + 0.098 * b + 16);
      final int u = (int) (-0.148 * r - 0.291 * g + 0.439 * b + 128);
      final int v = (int) (0.439 * r - 0.368 * g - 0.071 * b + 128);

      yuv[yIndex++] = (byte) Math.max(0, Math.min(255, y));
      if ((i & 0x01) == 0 && (j & 0x01) == 0) {
        yuv[uvIndex++] = (byte) Math.max(0, Math.min(255, v));
        yuv[uvIndex++] = (byte) Math.max(0, Math.min(255, u));
      }

      rgbIndex += 4;
    }
  }
}

JNIによる変換処理

void rgbToYuv(JNIEnv *env, jobject, jbyteArray rgbArray, jint width, jint height, jbyteArray yuvArray) {
  jbyte *rgb = env->GetByteArrayElements(rgbArray, NULL);
  jbyte *yuv = env->GetByteArrayElements(yuvArray, NULL);

  int rgbIndex = 0;
  int yIndex = 0;
  int uvIndex = width * height;
  for (int j = 0; j < height; ++j) {
    for (int i = 0; i < width; ++i) {
      int r = rgb[rgbIndex] & 0xFF;
      int g = rgb[rgbIndex + 1] & 0xFF;
      int b = rgb[rgbIndex + 2] & 0xFF;

      int y = (int) (0.257 * r + 0.504 * g + 0.098 * b + 16);
      int u = (int) (-0.148 * r - 0.291 * g + 0.439 * b + 128);
      int v = (int) (0.439 * r - 0.368 * g - 0.071 * b + 128);

      yuv[yIndex++] = (jbyte) (y < 0 ? 0 : y > 255 ? 255 : y);
      if ((i & 0x01) == 0 && (j & 0x01) == 0) {
        yuv[uvIndex++] = (jbyte) (v < 0 ? 0 : v > 255 ? 255 : v);
        yuv[uvIndex++] = (jbyte) (u < 0 ? 0 : u > 255 ? 255 : u);
      }

      rgbIndex += 4;
    }
  }

  env->ReleaseByteArrayElements(yuvArray, yuv, 0);
  env->ReleaseByteArrayElements(rgbArray, rgb, 0);
}

libyuvによる変換処理

void rgbToBgr(JNIEnv *env, jobject, jbyteArray rgbArray, jint width, jint height, jbyteArray bgrArray) {
  jbyte *rgb = env->GetByteArrayElements(rgbArray, NULL);
  jbyte *bgr = env->GetByteArrayElements(bgrArray, NULL);

  ABGRToARGB((uint8*) rgb, width << 2, (uint8*) bgr, width << 2, width, height);

  env->ReleaseByteArrayElements(bgrArray, bgr, 0);
  env->ReleaseByteArrayElements(rgbArray, rgb, 0);
}

void bgrToYuv(JNIEnv *env, jobject, jbyteArray bgrArray, jint width, jint height, jbyteArray yuvArray) {
  jbyte *bgr = env->GetByteArrayElements(bgrArray, NULL);
  jbyte *yuv = env->GetByteArrayElements(yuvArray, NULL);

  ARGBToNV21((uint8*) bgr, width << 2, (uint8*) yuv, width, (uint8*) &yuv[width * height], width, width, height);

  env->ReleaseByteArrayElements(yuvArray, yuv, 0);
  env->ReleaseByteArrayElements(bgrArray, bgr, 0);
}

RenderScriptによる変換処理

rs_allocation gOut;
int width;
int height;
int frameSize;

void RS_KERNEL convert(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y) {
  uchar r = in.r;
  uchar g = in.g;
  uchar b = in.b;

  int yInt = (int) (0.257f * r + 0.504f * g + 0.098f * b) + 16;
  int uInt = (int) (-0.148f * r - 0.291f * g + 0.439f * b) + 128;
  int vInt = (int) (0.439f * r - 0.368f * g - 0.071f * b) + 128;

  uchar yChar = (uchar) (yInt < 0 ? 0 : yInt > 255 ? 255 : yInt);
  uchar uChar = (uchar) (uInt < 0 ? 0 : uInt > 255 ? 255 : uInt);
  uchar vChar = (uchar) (vInt < 0 ? 0 : vInt > 255 ? 255 : vInt);

  rsSetElementAt_uchar(gOut, yChar, width * y + x);

  if ((x & 0x01) == 0 && (y & 0x01) == 0) {
    uint32_t offset = frameSize + width * (y >> 1) + x;
    rsSetElementAt_uchar(gOut, vChar, offset);
    rsSetElementAt_uchar(gOut, uChar, offset + 1);
  }
}

RenderScriptによる変換処理の呼び出し元

public void rgbToYuv(byte[] rgb, int width, int height, byte[] yuv) {
  final Type.Builder inType = new Type.Builder(mRenderScript, Element.RGBA_8888(mRenderScript))
      .setX(width)
      .setY(height);

  final Type.Builder outType = new Type.Builder(mRenderScript, Element.U8(mRenderScript))
      .setX(width * height * 3 / 2);

  final Allocation inAllocation = Allocation.createTyped(mRenderScript, inType.create(), Allocation.USAGE_SCRIPT);
  final Allocation outAllocation = Allocation.createTyped(mRenderScript, outType.create(), Allocation.USAGE_SCRIPT);

  inAllocation.copyFrom(rgb);

  final ScriptC_rgb2yuv script = new ScriptC_rgb2yuv(mRenderScript);
  script.set_gOut(outAllocation);
  script.set_width(width);
  script.set_height(height);
  script.set_frameSize(width * height);
  script.forEach_convert(inAllocation);

  outAllocation.copyTo(yuv);
}

すべてのソースは GitHub にあります。