cv::Mat::forEachを使った高速なピクセル操作

この記事はOpenCV Advent Calendar 2015の14日目の記事です．

はじめに

OpenCV 3.0からレンジの要素すべてに指定された関数を適用するcv::Mat::forEachメソッドが追加されました．詳細は公式ドキュメントを参照ください．

また，この機能はkazuki-ma氏によって実装が行われたものであり，Pull Requestのやり取りはhttps://github.com/Itseez/opencv/pull/2117にて読むことができます．

普段C++(C++11以降)を使っている方だとstd::for_eachのMat版みたいなものと考えるとイメージしやすいかもしれません．

cv::Mat::forEachメソッドの内部処理

ということで，modules/core/include/opencv2/core/utility.hppにあるMat::forEach_implの中身を追ってみましょう．以降，Mat::forEach_implの内部処理で重要なところをピックアップして紹介します．

途中で出てくるcv::ParallelLoopBodyや**cv::parallel_for_**は@fukushima1981さんの記事や筆者のwikiを参考にして下さい．

1. ライン数を計算する

const int LINES = static_cast<int>(this->total() / this->size[this->dims - 1]);

2. ParallelLoopBodyクラスを継承したピクセル操作関数を用意する

ParallelLoopBodyクラスを継承したピクセル操作関数を実装しています．

class PixelOperationWrapper :public ParallelLoopBody
{
public:
    PixelOperationWrapper(Mat_<_Tp>* const frame, const Functor& _operation)
        : mat(frame), op(_operation) {};
    virtual ~PixelOperationWrapper(){};
    // ! Overloaded virtual operator
    // convert range call to row call.
    virtual void operator()(const Range &range) const {
        const int DIMS = mat->dims;
        const int COLS = mat->size[DIMS - 1];

3. parallel_for_を使って並列処理する

**parallel_for_**によってピクセル操作を並列処理します．そのため，マルチコア環境であればパフォーマンス向上が期待できます．

parallel_for_(cv::Range(0, LINES), PixelOperationWrapper(reinterpret_cast<Mat_<_Tp>*>(this), operation));

サンプルコード

以下にcv::Mat::forEachメソッドとatメソッド（比較用），イテレータ（比較用），ポインタ（比較用）でピクセルにアクセスするサンプルコードを示します．

#include <opencv2/core.hpp>
#include <iostream>

// 画像サイズの定数
const cv::Size szXGA = cv::Size(1024, 768);
const cv::Size sz720p = cv::Size(1280, 720);
const cv::Size sz1080p = cv::Size(1920, 1080);

// 計測用マクロ
#define MEASUREMENT(func_name, sz, loop) \
    measurement(#func_name, func_name, sz, loop);

void measurement(const std::string func_name,
    void func(cv::Mat &), cv::Size sz, int loop)
{
    cv::Mat image = cv::Mat::zeros(sz, CV_8UC3);
    double f = 1000.0f / cv::getTickFrequency();
    int64 start = cv::getTickCount();
    for (int i = 0; i < loop; i++)
    {
        func(image);
    }
    int64 end = cv::getTickCount();
    std::cout << func_name << ": " << (end - start) * f << "[ms]" << std::endl;
}

// atメソッドによるピクセル操作
void atAccess(cv::Mat &src)
{
    for (int y = 0; y < src.rows; y++)
    {
        for (int x = 0; x < src.cols; x++)
        {
            src.at<cv::Vec3b>(y, x)[0] = 0;
            src.at<cv::Vec3b>(y, x)[1] = 0;
            src.at<cv::Vec3b>(y, x)[2] = 255;
        }
    }
}

// イテレータによるピクセル操作
void iteratorAccess(cv::Mat &src)
{
    cv::MatIterator_<cv::Vec3b> itr = src.begin<cv::Vec3b>();
    cv::MatIterator_<cv::Vec3b> itr_end = src.end<cv::Vec3b>();

    for (int i = 0; itr != itr_end; itr++, i++)
    {
        cv::Vec3b bgr = (*itr);

        (*itr)[0] = 0;
        (*itr)[1] = 0;
        (*itr)[2] = 255;
    }
}

// ポインタによるピクセル操作
void pointerAccess(cv::Mat &src)
{
    for (int y = 0; y < src.rows; y++)
    {
        cv::Vec3b *p = &src.at<cv::Vec3b>(y, 0);
        for (int x = 0; x < src.cols; x++)
        {
            (*p)[0] = 0;
            (*p)[1] = 0;
            (*p)[2] = 255;
            p++;
        }
    }
}

// cv::Mat::forEachメソッドによるピクセル操作
void forEachAccess(cv::Mat &src)
{
    src.forEach<cv::Vec3b>([](cv::Vec3b &p, const int * position) -> void {
        p[0] = 0;
        p[1] = 0;
        p[2] = 255;
    });
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int loop = 100;

    std::cout << "[XGA]" << std::endl;
    MEASUREMENT(atAccess, szXGA, loop);
    MEASUREMENT(iteratorAccess, szXGA, loop);
    MEASUREMENT(pointerAccess, szXGA, loop);
    MEASUREMENT(forEachAccess, szXGA, loop);

    std::cout << "\n[720p]" << std::endl;
    MEASUREMENT(atAccess, sz720p, loop);
    MEASUREMENT(iteratorAccess, sz720p, loop);
    MEASUREMENT(pointerAccess, sz720p, loop);
    MEASUREMENT(forEachAccess, sz720p, loop);

    std::cout << "\n[1080p]" << std::endl;
    MEASUREMENT(atAccess, sz1080p, loop);
    MEASUREMENT(iteratorAccess, sz1080p, loop);
    MEASUREMENT(pointerAccess, sz1080p, loop);
    MEASUREMENT(forEachAccess, sz1080p, loop);

    return 0;
}

パフォーマンス

前述のサンプルコードを実行させた結果は以下の通りです．
この結果からもわかるようにcv::Mat::forEachメソッドの方が高速に処理できていることがわかります．

[XGA]
atAccess: 192.748[ms]
iteratorAccess: 194.007[ms]
pointerAccess: 55.3249[ms]
forEachAccess: 12.6574[ms]

[720p]
atAccess: 225.619[ms]
iteratorAccess: 228.75[ms]
pointerAccess: 64.8113[ms]
forEachAccess: 12.4458[ms]

[1080p]
atAccess: 509.205[ms]
iteratorAccess: 517.512[ms]
pointerAccess: 145.582[ms]
forEachAccess: 25.1963[ms]

また，筆者の計測環境は以下の通りです．
CPU：Intel Core i7-3930K 3.20GHz
メモリ：32GB

おわりに

この記事ではcv::Mat::forEachメソッドの内部処理および使い方を紹介しました．

備考

筆者は以下の環境で動作確認しました．

• OpenCV 3.0.0
• Windows 8.1 Pro（64bit）
• Visual Studio 2013 Update5