OpenCV-Python 中文教程7——程序性能检测及优化

目标

在图像处理中你每秒钟都要做大量的运算，所以你的程序不仅要能给出正确的结果，同时还必须要快。所以这节我们将要学习：
• 检测程序的效率
• 一些能够提高程序效率的技巧

• 你要学到的函数有： cv2.getTickCount,cv2.getTickFrequency等

除了 OpenCV， Python 也提供了一个叫 time 的的模块，你可以用它来测量程序的运行时间。另外一个叫做 profile 的模块会帮你得到一份关于你的程序的详细报告，其中包含了代码中每个函数运行需要的时间，以及每个函数被调用的次数。如果你正在使用 IPython 的话，所有这些特点都被以一种用户友好的方式整合在一起了。我们会学习几个重要的，要想学到更加详细的知识就打开更多资源中的链接吧。

1、使用 OpenCV 检测程序效率

cv2.getTickCount 函数返回从参考点到这个函数被执行的时钟数。所以当你在一个函数执行前后都调用它的话，你就会得到这个函数的执行时间（时钟数）。
cv2.getTickFrequency 返回时钟频率，或者说每秒钟的时钟数。所以你可以按照下面的方式得到一个函数运行了多少秒：

import cv2
import numpy as np
e1 = cv2.getTickCount()
# your code execution
e2 = cv2.getTickCount()
time = (e2 - e1)/ cv2.getTickFrequency()
print(time)

我们将会用下面的例子演示。下面的例子是用窗口大小不同（5， 7， 9）的核函数来做中值滤波：

import cv2
import numpy as np
img1 = cv2.imread('1.png')
e1 = cv2.getTickCount()
for i in range(5,49,2):
    img1 = cv2.medianBlur(img1,i)
e2 = cv2.getTickCount()
t = (e2 - e1)/cv2.getTickFrequency()
print (t)
# Result I got is 0.4196422406580672 seconds

你也可以中 time 模块实现上面的功能。但是要用的函数是time.time() 而不是 cv2.getTickCount。比较一下这两个结果的差别。

import cv2
import numpy as np
import time
img1 = cv2.imread('1.png')
e1 = time.time()
for i in range(5,49,2):
    img1 = cv2.medianBlur(img1,i)
e2 = time.time()
t = (e2 - e1)/cv2.getTickFrequency()
print (t)
# Result I got is 1.7107049191048137e-08 seconds

2、OpenCV 中的默认优化
OpenCV 中的很多函数都被优化过（使用 SSE2， AVX 等）。也包含一些没有被优化的代码。如果我们的系统支持优化的话要尽量利用只一点。在编译时优化是被默认开启的。因此 OpenCV 运行的就是优化后的代码，如果你把优化关闭的话就只能执行低效的代码了。你可以使用函数 cv2.useOptimized()来查看优化是否被开启了，使用函数 cv2.setUseOptimized() 来开启优化。让我们来看一个简单的例子吧。

import cv2
import numpy as np
img = cv2.imread('1.png')
print(cv2.useOptimized()) # True

# % timeit res = cv2.medianBlur(img, 49)
# 10 loops, best of 3: 34.9 ms per loop

cv2.setUseOptimized(False)
print(cv2.useOptimized()) # False

# % timeit res = cv2.medianBlur(img, 49)
# 10 loops, best of 3: 64.1 ms per loop

优化后中值滤波的速度是原来的两倍。如果你查看源代码的话，你会发现中值滤波是被 SIMD 优化的。所以你可以在代码的开始处开启优化（要记住优化是默认开启的）。

3、在 IPython 中检测程序效率

有时你需要比较两个相似操作的效率，这时你可以使用 IPython 为你提供的魔法命令%time。他会让代码运行好几次从而得到一个准确的（运行）时间。它也可以被用来测试单行代码的。

例如，你知道下面这同一个数学运算用哪种行式的代码会执行的更快吗？

x = 5; y = x ∗ ∗2
x = 5; y = x ∗ x
x = np:uint([5]); y = x ∗ x
y = np:squre(x)

我们可以在 IPython 的 Shell 中使用魔法命令找到答案。

import cv2
import numpy as np
x = 5
% timeit y=x ** 2
The slowest run took 5.99 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000000 loops, best of 3: 260 ns per loop
%timeit y=x*x
10000000 loops, best of 3: 48.2 ns per loop
z = np.uint8([5])
% timeit y=z * z
The slowest run took 41517.43 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000000 loops, best of 3: 533 ns per loop
%timeit y=np.square(z)
The slowest run took 50.12 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000000 loops, best of 3: 459 ns per loop

运行效果：

竟然是第一种写法，它居然比 Nump 快了 20 倍。如果考虑到数组构建的话，能达到 100 倍的差。 Python 的标量计算比 Nump 的标量计算要快。对于仅包含一两个元素的操作 Python 标量比 Numpy 的数组要快。但是当数组稍微大一点时Numpy 就会胜出了。 cv2.countNonZero() 和np.count_nonzero()的对比类似。
OpenCV 的函数是 Numpy 函数的 25 倍，一般情况下 OpenCV 的函数要比 Numpy 函数快。所以对于相同的操作最好使用 OpenCV 的函数。当然也有例外，尤其是当使用 Numpy 对视图（而非复制）进行操作时。

4、更多 IPython 的魔法命令

还有几个魔法命令可以用来检测程序的效率， profiling， line profiling，内存使用等。他们都有完善的文档。

5、效率优化技术

有些技术和编程方法可以让我们最大的发挥 Python 和 Numpy 的威力。我们这里仅仅提一下相关的，你可以通过超链接查找更多详细信息。我们要说的最重要的一点是：首先用简单的方式实现你的算法（结果正确最重要），当结果正确后，再使用上面的提到的方法找到程序的瓶颈来优化它。
1. 尽量避免使用循环，尤其双层三层循环，它们天生就是非常慢的。
2. 算法中尽量使用向量操作，因为 Numpy 和 OpenCV 都对向量操作进行了优化。
3. 利用高速缓存一致性。
4. 没有必要的话就不要复制数组。使用视图来代替复制。数组复制是非常浪费资源的。

就算进行了上述优化，如果你的程序还是很慢，或者说大的训话不可避免的话，你应该尝试使用其他的包，比如说 Cython，来加速你的程序。

更多资源
1. Python Optimization Techniques
2. Scipy Lecture Notes - Advanced Numpy
3. Timing and Profiling in IPython

OpenCV-Python 中文教程7——程序性能检测及优化

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