性能衡量和提升技术

作者|OpenCV-Python Tutorials
编译|Vincent
来源|OpenCV-Python Tutorials

目标

在图像处理中，由于每秒要处理大量操作，因此必须使代码不仅提供正确的解决方案，而且还必须以最快的方式提供。因此，在本章中，你将学习

  • 衡量代码的性能。
  • 一些提高代码性能的技巧。
  • 你将看到以下功能：cv.getTickCount，cv.getTickFrequency等。

除了OpenCV，Python还提供了一个模块time，这有助于衡量执行时间。另一个模块profile有助于获取有关代码的详细报告，例如代码中每个函数花费了多少时间，调用了函数的次数等。但是，如果你使用的是IPython，则所有这些功能都集成在用户友好的界面中方式。我们将看到一些重要的信息，有关更多详细信息，请查看“ 其他资源”部分中的链接。

使用OpenCV衡量性能

cv.getTickCount函数返回从参考事件（如打开机器的那一刻）到调用此函数那一刻之间的时钟周期数。因此，如果在函数执行之前和之后调用它，则会获得用于执行函数的时钟周期数。

cv.getTickFrequency函数返回时钟周期的频率或每秒的时钟周期数。因此，要找到执行时间（以秒为单位），你可以执行以下操作：

  1. e1 = cv.getTickCount()
  2. # 你的执行代码
  3. e2 = cv.getTickCount()
  4. time = (e2 - e1)/ cv.getTickFrequency()

我们将通过以下示例进行演示。下面的示例应用中位数过滤，其内核的奇数范围为5到49。（不必担心结果会是什么样，这不是我们的目标）：

  1. img1 = cv.imread('messi5.jpg')
  2. e1 = cv.getTickCount()
  3. for i in range(5,49,2):
  4.     img1 = cv.medianBlur(img1,i)
  5. e2 = cv.getTickCount()
  6. t = (e2 - e1)/cv.getTickFrequency()
  7. print( t )
  8. # 我得到的结果是0.521107655秒

注意 你可以使用时间模块执行相同的操作。代替cv.getTickCount，使用time.time()函数。然后取两次相差。

OpenCV中的默认优化

许多 OpenCV 函数都是使用 SSE2、 AVX 等进行优化的。 它还包含未优化的代码。因此，如果我们的系统支持这些特性，我们就应该利用它们(几乎所有现代的处理器都支持它们)。在编译时默认启用它。因此，如果启用了 OpenCV，它将运行优化的代码，否则它将运行未优化的代码。你可以使用 cvUseoptimized 检查是否启用 / 禁用和 cvSetuseoptimized 以启用 / 禁用它。让我们看一个简单的例子。

＃检查是否启用了优化

  1. # 检查是否启用了优化
  2. In [5]: cv.useOptimized()
  3. Out[5]: True
  4. In [6]: %timeit res = cv.medianBlur(img,49)
  5. 10 loops, best of 3: 34.9 ms per loop
  6. # 关闭它
  7. In [7]: cv.setUseOptimized(False)
  8. In [8]: cv.useOptimized()
  9. Out[8]: False
  10. In [9]: %timeit res = cv.medianBlur(img,49)
  11. 10 loops, best of 3: 64.1 ms per loop

看，优化的中值滤波比未优化的版本快2倍。如果你检查其来源，你可以看到中值滤波是 SIMD 优化。因此，你可以使用它在代码顶部启用优化(请记住，它是默认启用的)

在IPython中衡量性能

有时你可能需要比较两个类似操作的性能。IPython为你提供了一个神奇的命令计时器来执行此操作。它会多次运行代码以获得更准确的结果。同样，它们适用于测量单行代码。

例如，你知道以下哪个加法运算更好，x = 5; y = x**2, x = 5; y = x*x, x = np.uint8([5]); y = x*x或y = np.square(x)?我们将在IPython shell中使用timeit得到答案。

  1. In [10]: x = 5
  3. In [11]: %测时 y=x**2
  4. 10000000 loops, best of 3: 73 ns per loop
  6. In [12]: %测时 y=x*x
  7. 10000000 loops, best of 3: 58.3 ns per loop
  9. In [15]: z = np.uint8([5])
  11. In [17]: %测时 y=z*z
  12. 1000000 loops, best of 3: 1.25 us per loop
  14. In [19]: %测时 y=np.square(z)
  15. 1000000 loops, best of 3: 1.16 us per loop

你可以看到x = 5; y = x x最快，比Numpy快20倍左右。如果你还考虑阵列的创建，它可能会快100倍。酷吧？（大量开发人员正在研究此问题）*

注意 Python标量操作比Numpy标量操作快。因此，对于包含一两个元素的运算，Python标量比Numpy数组好。当数组大小稍大时，Numpy会占优势。

我们将再尝试一个示例。这次，我们将比较cv.countNonZero和np.count_nonzero对于同一张图片的性能。

  1. In [35]: %测时 z = cv.countNonZero(img) 
  2. 100000 loops, best of 3: 15.8 us per loop
  3. In [36]: %测时 z = np.count_nonzero(img) 
  4. 1000 loops, best of 3: 370 us per loop

看，OpenCV 函数比 Numpy 函数快近25倍。

注意 通常，OpenCV函数比Numpy函数要快。因此，对于相同的操作，首选OpenCV功能。但是，可能会有例外，尤其是当Numpy处理视图而不是副本时。

更多IPython魔术命令

还有其他一些魔术命令可以用来测量性能，性能分析，行性能分析，内存测量等。它们都有很好的文档记录。因此，此处仅提供指向这些文档的链接。建议有兴趣的读者尝试一下。

性能优化技术

有几种技术和编码方法可以充分利用 Python 和 Numpy 的最大性能。这里只注明相关信息，并提供重要信息来源的链接。这里要注意的主要事情是，首先尝试以一种简单的方式实现算法。一旦它运行起来，分析它，找到瓶颈并优化它们。

  1. 尽量避免在Python中使用循环，尤其是双/三重循环等。它们本来就很慢。
  2. 由于Numpy和OpenCV已针对向量运算进行了优化，因此将算法/代码向量化到最大程度。
  3. 利用缓存一致性。
  4. 除非需要，否则切勿创建数组的副本。尝试改用视图。数组复制是一项昂贵的操作。

即使执行了所有这些操作后，如果你的代码仍然很慢，或者不可避免地需要使用大循环，请使用Cython等其他库来使其更快。

其他资源

  1. Python优化技术：http://wiki.python.org/moin/PythonSpeed/PerformanceTips
  2. Scipy讲义- 高级Numpy：http://scipy-lectures.github.io/advanced/advanced_numpy/index.html#advanced-numpy
  3. IPython中的时序和性能分析：http://pynash.org/2013/03/06/timing-and-profiling/

练习题