【问题标题】:OpenCV: how to perform batch processing of folder with images?OpenCV:如何对带有图像的文件夹进行批处理?
【发布时间】:2016-09-20 18:54:56
【问题描述】:

我有图像文件夹,我对它们执行了一些基本操作:

  1. 加载源图像。
  2. 对图像执行一些图像处理。
  3. 保存结果图片。

所以我想在单独的线程中处理每个图像以加快处理速度。

这是我的示例代码:

ThreadExample.h

#include <thread>


    class ThreadProcessing
    {
         static unsigned int concurentThreadsSupported;

         static void ImageProcessingFunction(const std::string &input_dir, const std::string &filename);
    public:
         void PrintNumberOfCPU();
         void MultithreadingProcessing(const std::string &dir, int N);
         void SingleThreadProcessing(const std::string &dir);
    };

ThreadExample.cpp

    #include "ThreadExample.h"

    unsigned int ThreadProcessing::concurentThreadsSupported = std::thread::hardware_concurrency();

    using namespace std;

    void ThreadProcessing::PrintNumberOfCPU()
    {
        cout << "Number of CPU : " << concurentThreadsSupported << endl;
    }

void ThreadProcessing::ImageProcessingFunction(const string &input_dir, const string &filename)
    {
        Mat src= imread(input_dir+"/"+filename);
        Mat dst;

        for(int i=0; i<10; ++i)
        {
            medianBlur(src, dst, 71);
        }

        boost::filesystem::path name= path(filename).stem();

        string output_filename= (input_dir/name).string()+"_output.png";
        imwrite(output_filename, dst);
    }

    void ThreadProcessing::SingleThreadProcessing(const string &dir)
    {
        time_t SingleThreadProcessingTime = clock();

        vector<string> imageNames= GetAllFilenamesInDir(dir, ".jpg");

        for(int i=0; i<(int)imageNames.size(); ++i)
        {
            ImageProcessingFunction(dir, imageNames[i]);
        }

        SingleThreadProcessingTime = clock() - SingleThreadProcessingTime;
        cout << "SingleThreadProcessingTime : " << (float(SingleThreadProcessingTime) / CLOCKS_PER_SEC) << endl;
    }

    void ThreadProcessing::MultithreadingProcessing(const string &dir, int N)
    {
        time_t MultithreadingProcessingTime = clock();

        std::thread threads[N];

        bool isAllImageProcessed= false;
        vector<string> imageNames= GetAllFilenamesInDir(dir, ".jpg");

        for(int i=0; i<(int)imageNames.size();)
        {
            //Launch a group of threads
            for(int k= 0; k< N; ++k)
            {
                threads[k] = std::thread(ImageProcessingFunction, dir, imageNames[i]);

                i++;

                if(i>=(int)imageNames.size())
                {
                    N= k+1;
                    isAllImageProcessed= true;
                    break;
                }
            }

            //Join the threads with the main thread
            for(int k= 0; k< N; ++k)
            {
                threads[k].join();
            }

            if(isAllImageProcessed)
                break;
        }

        MultithreadingProcessingTime = clock() - MultithreadingProcessingTime;
        cout << "MultithreadingProcessingTime : " << (float(MultithreadingProcessingTime) / CLOCKS_PER_SEC) << endl;
    }

main.cpp

int main(int argc, char** argv)
{
    ThreadProcessing threadProcessing;
    threadProcessing.PrintNumberOfCPU();
    threadProcessing.SingleThreadProcessing("/home/user/Images");
    threadProcessing.MultithreadingProcessing("/home/user/Images", 1);
    cout << "Done." << endl;
    return 0;
}

但似乎没有速度提升:

当我使用 1 个线程时,输出是:

Number of CPU : 8
SingleThreadProcessingTime : 6.54173
MultithreadingProcessingTime : 6.73393
Done.

当我使用 4 个线程时,输出是:

Number of CPU : 8
SingleThreadProcessingTime : 6.39089
MultithreadingProcessingTime : 8.3365
Done.

我的代码有问题还是概念上有问题?

更新:

我还尝试了 2 个变体:

  1. 每个图像 1 个线程 - 似乎这种方法可以达到最大线程数操作系统限制?而且效率低下?

代码:

void ThreadProcessing::SingleThreadForEachImage(const string &dir)
{
    time_t SingleThreadForEachImageTime = clock();

    vector<string> imageNames= GetAllFilenamesInDir(dir, ".jpg");

    int N= imageNames.size();
    std::thread threads[imageNames.size()];

    for(int i=0; i<N; ++i)
    {

        threads[i] = std::thread(ImageProcessingFunction, dir, imageNames[i]);
    }

    for(int i=0; i<N; ++i)
    {
        threads[i].join();
    }

    SingleThreadForEachImageTime = clock() - SingleThreadForEachImageTime;
    cout << "SingleThreadForEachImageTime : " << (float(SingleThreadForEachImageTime) / CLOCKS_PER_SEC) << endl;
}
  1. 将图像拆分为 N 个块,并在单独的线程中处理每个块。

代码:

vector<vector<string>> ThreadProcessing::SplitNamesVector(const vector<string> &imageNames, int N)
{
    vector<vector<string>> imageNameChunks;

    int K=0; //Number images in chunk
    if(imageNames.size()%N==0)
        K= imageNames.size()/N;
    else
        K= imageNames.size()/N+1;

    vector<string> chunk;
    for(int i=0; i<(int)imageNames.size(); ++i)
    {
        chunk.push_back(imageNames[i]);
        if(i%K==0 && i!=0)
        {
            imageNameChunks.push_back(chunk);
            chunk.clear();
        }
    }

    if(chunk.size()!=0)
        imageNameChunks.push_back(chunk);

    assert((int)imageNameChunks.size()==N);

    return imageNameChunks;
}

void ThreadProcessing::EachThreadProcessChunkOfImages(const std::string &dir, int N)
{
    time_t EachThreadProcessChunkOfImagesTime = clock();

    N= std::min(N, (int)concurentThreadsSupported);
    std::thread threads[N];

    vector<string> imageNames= GetAllFilenamesInDir(dir, ".jpg");
    vector<vector<string>> imageNameChunks= SplitNamesVector(imageNames, N);

    //Launch a group of threads
    for(int k= 0; k< N; ++k)
    {
        threads[k] = std::thread(ImageProcessingFunctionChunk, dir, imageNameChunks[k]);
    }

    for(int k= 0; k< N; ++k)
    {
        threads[k].join();
    }

    EachThreadProcessChunkOfImagesTime = clock() - EachThreadProcessChunkOfImagesTime;
    cout << "EachThreadProcessChunkOfImagesTime : " << (float(EachThreadProcessChunkOfImagesTime) / CLOCKS_PER_SEC) << endl;
}

这是结果(MultithreadingProcessingEachThreadProcessChunkOfImages 使用 4 个线程):

SingleThreadProcessingTime : 13.552
MultithreadingProcessingTime : 15.581
SingleThreadForEachImageTime : 26.7727
EachThreadProcessChunkOfImagesTime : 15.9078

更新 2:

我也做了一个没有 IO 操作的测试,只有图像处理。

代码:

void ThreadProcessing::ImageProcessingFunction(const cv::Mat &img)
{
    Mat dst;

    for(int i=0; i<10; ++i)
    {
        medianBlur(img, dst, 71);
    }
}
    vector<Mat> ThreadProcessing::LoadBatchOfImages(const std::string &dir, int batchSize)
    {
        vector<string> imageNames= GetAllFilenamesInDir(dir, ".jpg");

        vector<Mat> imageVec;
        for(int i=0; i<N; ++i)
        {
            string filename= dir+"/"+imageNames[i];
            Mat img= imread(filename);
            imageVec.push_back(img);
        }

        return imageVec;
    }

    void ThreadProcessing::OnlyProcessingTimeSequential(const std::string &dir, int batchSize)
    {
        //Load batch of images
        vector<Mat> imageVec= LoadBatchOfImages(dir, batchSize);

        assert((int)imageVec.size() == batchSize);
        cout << "imageVec.size() : " << imageVec.size() << endl;

        time_t OnlyProcessingTimeSequentialTime = clock();

        for(int i=0; i<batchSize; ++i)
        {
            ImageProcessingFunction(imageVec[i]);
        }

        OnlyProcessingTimeSequentialTime = clock() - OnlyProcessingTimeSequentialTime;
        cout << "OnlyProcessingTimeSequentialTime : " << (float(OnlyProcessingTimeSequentialTime) / CLOCKS_PER_SEC) << endl;
    }

    void ThreadProcessing::OnlyProcessingTimeMultithread(const std::string &dir, int batchSize)
    {
        //Load batch of images
        vector<Mat> imageVec= LoadBatchOfImages(dir, batchSize);

        assert((int)imageVec.size() == batchSize);
        cout << "imageVec.size() : " << imageVec.size() << endl;

        time_t OnlyProcessingTimeMultithread = clock();

        std::thread threads[batchSize];
        for(int i=0; i<batchSize; ++i)
        {
            threads[i] = std::thread(ImageProcessingFunction, imageVec[i]);
        }

        for(int i=0; i<batchSize; ++i)
        {
            threads[i].join();
        }

        OnlyProcessingTimeMultithread = clock() - OnlyProcessingTimeMultithread;
        cout << "OnlyProcessingTimeMultithread : " << (float(OnlyProcessingTimeMultithread) / CLOCKS_PER_SEC) << endl;
    }

我发现clock()在使用多线程代码时会给出错误的结果,所以我使用time ./MyBinary

结果如下:

imageVec.size() : 8
OnlyProcessingTimeSequentialTime : 2.34174
Done.

real    0m2.551s
user    0m2.640s
sys 0m0.316s


imageVec.size() : 8
OnlyProcessingTimeMultithread : 4.36681
Done.

real    0m0.861s
user    0m4.564s
sys 0m0.404s

我们可以看到real 时间更短。

所以之前的结果应该是:

SingleThreadProcessingTime : 13.6235

real    0m13.845s
user    0m13.932s
sys 0m0.280s

MultithreadingProcessingTime : 21.0902

real    0m3.584s
user    0m20.356s
sys 0m1.316s

SingleThreadForEachImageTime : 23.961

real    0m3.370s
user    0m22.584s
sys 0m1.976s

EachThreadProcessChunkOfImagesTime : 20.7885

real    0m3.433s
user    0m20.292s
sys 0m1.116s

那么应该如何测量多线程代码执行时间呢?

更新:找到答案here

我需要使用wallclock time 而不是cpu time

这是正确的结果:

SingleThreadProcessing :  WALLCLOCK TIME: 13.8245 seconds
MultithreadingProcessing :  WALLCLOCK TIME: 4.1977 seconds
SingleThreadForEachImage :  WALLCLOCK TIME: 3.25084 seconds
EachThreadProcessChunkOfImages :  WALLCLOCK TIME: 3.36626 seconds
OnlyProcessingTimeSequential :  WALLCLOCK TIME: 2.36041 seconds
OnlyProcessingTimeMultithread :  WALLCLOCK TIME: 0.706921 seconds

【问题讨论】:

  • 首先,为每个图像启动一个线程,然后等待所有线程完成,然后再对另一组图像执行此操作,这确实是低效的。为什么不将文件列表分成 8 个部分,并为每个线程分配列表的整个部分?另外,请尽量减少您的示例——不需要所有那些注释掉的行。
  • @DanMašek 我尝试了你的建议,没有加快速度,请参阅更新。
  • 今天晚些时候我会再调查一下。但在这一点上:“每个图像 1 个线程”——是的,这是一个糟糕的选择。这不是关于操作系统的限制,而是关于硬件——你只有这么多的 CPU 内核,所以如果有更多的任务,它们必须被切换以看起来一次运行并且切换需要时间。每个线程也需要内存,并且它们将开始破坏彼此的缓存,从而导致进一步的减速等。您的第一个想法是,仅运行足以满足当前 CPU 计数的线程数是好的。你看过CPU使用图吗?它看起来像什么?
  • 对,关于clock() 的好消息。 "...另一方面,如果当前进程是多线程的并且有多个执行内核可用,std::clock 时间可能会比挂钟快。"
  • 只是出于好奇,你在做SingleThreadForEachImageTime 只用 8 张图片来测试这个?只是为了教育目的尝试更多,比如 64,看看相对性能如何变化——你似乎有超线程的四核 CPU,所以 8 线程仍然是一个合理的数字。即使在测试的其余部分,也需要更多数量的测试图像才能获得体面的测量结果。

标签: c++ multithreading opencv c++11


【解决方案1】:

正如this question 中明确指出的那样,当涉及到单个磁盘上的 I/O 操作时,多线程确实效率不高。您的线程所做的大部分工作就是 I/O 操作。

您可能受到磁盘速度的限制,并且由于线程的创建和join() 操作导致您的函数的多线程版本变慢而遭受开销。

编辑:

正如@Dan Mašek 在他的评论中所说,大部分时间实际上都花在了压缩上。改进流程的一种方法是创建一个线程,从磁盘读取图像并将它们提供给其他工作线程(可能通过queue,参见Thread pool)。这样,您可以按顺序阅读,但繁重的工作是由很多工人完成的。

【讨论】:

  • 也许有办法以某种智能的方式将 IO 操作和图像处理操作分开?即一些线程加载图像并处理它们?
  • 看看here。他们详细介绍了一些可能对您有所帮助的多线程阅读方法。
  • 这取决于图像的大小,但如果它们真的很大,那么仅从磁盘读取可能会很慢。没有比在单个磁盘上顺序读取更好的了。
  • @Sunreef 我预计实际磁盘 I/O 所花费的时间主要是实际压缩图像所花费的时间。
  • 确实,应用 10 倍大小为 71 的 medianBlur 计算成本很高。在这种情况下,让一个线程将所有图像加载到 RAM 上,而其他几个线程处理模糊可以加快整个过程
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