对比使用C# unsafe代码和OpenCV进行图像处理的效率（上）

转 http://blog.csdn.net/wmesci/article/details/7009840

        OpenCV是一套使用C/C++编写的开源计算机视觉库，全称Open Computer Vision，因其高效、全面，在计算机视觉领域应用极广。其在C#下的包装有多种，最常用的是Emgu。

        本人最近在写一套计算机视觉处理软件，用的就是C# + Emgu，因为用到的OpenCV方法就那么几个（大概10多个），为了这些为数不多的方法而带着数MB的Emgu DLL，心里很是不爽，于是乎萌生了将这些方法全部用C# unsafe代码重写的想法，反正OpenCV是开源的，算法可以写成一样的，效率上应该差不到哪去。

下面是我自己写的一个图像类：

[csharp] view plaincopyprint?

1.  ///<summary>灰度图像处理类，作者：wmesci</summary>  

    ///<summary>灰度图像处理类，作者：wmesci</summary>

[csharp] view plaincopyprint?

1. unsafe class Image :CriticalHandle,  IDisposable  
2. {  
3.     [DllImport("kernel32.dll")]  
4.     static extern IntPtr LocalAlloc(int flags, int size);  
5.   
6.     [DllImport("kernel32.dll")]  
7.     static extern IntPtr LocalFree(IntPtr memBlock);  
8.   
9.     [DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "RtlMoveMemory")]  
10.     static extern unsafe void CopyMemory(byte* dst, byte* src, int count);  
11.   
12.     [DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "RtlMoveMemory")]  
13.     static extern unsafe void CopyMemory(byte* dst, IntPtr src, int count);  
14.   
15.     [DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "RtlMoveMemory")]  
16.     static extern unsafe void CopyMemory(byte* dst, byte[] src, int count);  
17.   
18.     const byte Max = 255;  
19.     const byte Min = 0;  
20.   
21.     public Image(int width, int height)   
22.         : base(IntPtr.Zero)  
23.     {  
24.         if (width <= 0 || height <= 0)  
25.             throw new ArgumentOutOfRangeException();  
26.   
27.         Width = width;  
28.         Height = height;  
29.         Length = Width * Height;  
30.         base.SetHandle(LocalAlloc(0x40, width * height));  
31.   
32.         Pointer = (byte*)handle.ToPointer();  
33.     }  
34.   
35.     public Image(int width, int height, byte[] dat)   
36.         : this(width, height)  
37.     {  
38.         if (dat != null)  
39.         {  
40.             CopyMemory(Pointer, dat, Length);  
41.         }  
42.     }  
43.   
44.     public Image(int width, int height, byte* dat)  
45.         : this(width, height)  
46.     {  
47.         CopyMemory(Pointer, dat, Length);  
48.     }  
49.   
50.     public Image(int width, int height, IntPtr dat)  
51.         : this(width, height)  
52.     {  
53.         CopyMemory(Pointer, dat, Length);  
54.     }  
55.   
56.     public readonly int Width;  
57.   
58.     public readonly int Height;  
59.   
60.     public readonly int Length;  
61.   
62.     public readonly byte* Pointer;  
63.   
64.     public byte this[int x, int y]   
65.     {  
66.         get  
67.         {  
68.             return *(Pointer + y * Width + x);  
69.         }  
70.         set  
71.         {  
72.             *(Pointer + y * Width + x) = value;  
73.         }  
74.     }  
75.   
76.     public Image Clone()  
77.     {  
78.         return new Image(Width, Height, Pointer);  
79.     }  
80.   
81.     public void Add(Image img)   
82.     {  
83.         Action<int> act = y =>  
84.         {  
85.             byte* p1 = Pointer + y * Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;  
86.             for (int x = 0; x < Width; x++, p1++, p2++)  
87.             {  
88.                 double d = *p1 + *p2;  
89.                 if (d < 0)  
90.                     *p1 = 0;  
91.                 else if (d > 255)  
92.                     *p1 = 255;  
93.                 else  
94.                     *p1 = (byte)d;  
95.             }  
96.         };  
97.         Parallel.For(0, Height, act);  
98.     }  
99.   
100.     public void Sub(Image img)   
101.     {  
102.         Action<int> act = y =>  
103.         {  
104.             byte* p1 = Pointer + y * Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;  
105.             for (int x = 0; x < Width; x++, p1++, p2++)  
106.             {  
107.                 double d = *p1 - *p2;  
108.                 if (d < 0)  
109.                     *p1 = 0;  
110.                 else if (d > 255)  
111.                     *p1 = 255;  
112.                 else  
113.                     *p1 = (byte)d;  
114.             }  
115.         };  
116.         Parallel.For(0, Height, act);  
117.     }  
118.   
119.     public void Mul(Image img, double scale)  
120.     {  
121.         Action<int> act = y =>  
122.         {  
123.             byte* p1 = Pointer + y * Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;  
124.             for (int x = 0; x < Width; x++, p1++, p2++)  
125.             {  
126.                 double d = scale * *p1 * *p2;  
127.                 if (d < 0)  
128.                     *p1 = 0;  
129.                 else if (d > 255)  
130.                     *p1 = 255;  
131.                 else  
132.                     *p1 = (byte)d;  
133.             }  
134.         };  
135.         Parallel.For(0, Height, act);  
136.     }  
137.   
138.     public void Threshold(byte threshold)   
139.     {  
140.         Action<int> act = y =>   
141.         {  
142.             byte* p = Pointer + y * Width;  
143.             for (int x = 0; x < Width; x++, p++)  
144.             {  
145.                 *p = *p > threshold ? Max : Min;  
146.             }  
147.         };  
148.         Parallel.For(0, Height, act);  
149.     }  
150.   
151.     public void AddWeighted(Image img, double a, double b)  
152.     {  
153.         Action<int> act = y =>  
154.         {  
155.             byte* p1 = this.Pointer + y * this.Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;  
156.             for (int x = 0; x < this.Width; x++, p1++, p2++)  
157.             {  
158.                 double d = a * *p1 + b * *p2;  
159.                 if (d < 0)  
160.                     *p1 = 0;  
161.                 else if (d > 255)  
162.                     *p1 = 255;  
163.                 else  
164.                     *p1 = (byte)d;  
165.             }  
166.         };  
167.         Parallel.For(0, this.Height, act);  
168.     }  
169.   
170.     public static void Smooth(Image src, Image dst, int n)  
171.     {  
172.         int* tmp = (int*)Marshal.AllocHGlobal(src.Width * src.Height * 4).ToPointer();  
173.         Action<int> act = y =>  
174.         {  
175.             byte* p = src.Pointer + y * src.Width;  
176.             int d = 0;  
177.             for (int i = -n; i <= n; i++)  
178.             {  
179.                 int xx = GetIndex(i, src.Width);  
180.   
181.                 d += p[xx];  
182.             }  
183.             tmp[y * src.Width] = d;  
184.         };  
185.         Parallel.For(0, src.Height, act);  
186.   
187.         act = y =>  
188.         {  
189.             int i = y * src.Width;  
190.             byte* p = src.Pointer + y * src.Width;  
191.             for (int x = 1; x < src.Width; x++)  
192.             {  
193.                 int d = tmp[i];  
194.   
195.                 int x1 = GetIndex(x - n - 1, src.Width);  
196.                 int x2 = GetIndex(x + n, src.Width);  
197.   
198.                 d += (p[x2] - p[x1]);  
199.   
200.                 tmp[++i] = d;  
201.             }  
202.         };  
203.         Parallel.For(0, src.Height, act);  
204.   
205.         double f = 1.0 / (2 * n + 1);  
206.         f *= f;  
207.   
208.         act = x =>  
209.         {  
210.             int d = 0;  
211.             byte* p = dst.Pointer + x;  
212.             for (int j = -n; j <= n; j++)  
213.             {  
214.                 int yy = GetIndex(j, src.Height);  
215.   
216.                 d += tmp[x + yy * src.Width];  
217.             }  
218.             *p = (byte)(d * f);  
219.             p += src.Width;  
220.   
221.             for (int y = 1; y < src.Height; y++, p += src.Width)  
222.             {  
223.                 int y1 = GetIndex(y - n - 1, src.Height);  
224.                 int y2 = GetIndex(y + n, src.Height);  
225.   
226.                 d += (tmp[x + y2 * src.Width] - tmp[x + y1 * src.Width]);  
227.   
228.                 *p = (byte)(d * f);  
229.             }  
230.         };  
231.   
232.         Parallel.For(0, src.Width, act);  
233.         Marshal.FreeHGlobal(new IntPtr(tmp));  
234.     }  
235.   
236.     private static int GetIndex(int i, int max)  
237.     {  
238.         if (i < 0) return 0;  
239.         if (i >= max) return max - 1;  
240.         return i;  
241.     }  
242.   
243.     public override bool IsInvalid  
244.     {  
245.         get { return handle == IntPtr.Zero; }  
246.     }  
247.   
248.     protected override bool ReleaseHandle()  
249.     {  
250.         LocalFree(handle);  
251.         return true;  
252.     }  
253. }  

    unsafe class Image :CriticalHandle,  IDisposable    {        [DllImport("kernel32.dll")]        static extern IntPtr LocalAlloc(int flags, int size);        [DllImport("kernel32.dll")]        static extern IntPtr LocalFree(IntPtr memBlock);        [DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "RtlMoveMemory")]        static extern unsafe void CopyMemory(byte* dst, byte* src, int count);        [DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "RtlMoveMemory")]        static extern unsafe void CopyMemory(byte* dst, IntPtr src, int count);        [DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "RtlMoveMemory")]        static extern unsafe void CopyMemory(byte* dst, byte[] src, int count);        const byte Max = 255;        const byte Min = 0;        public Image(int width, int height)             : base(IntPtr.Zero)        {            if (width <= 0 || height <= 0)                throw new ArgumentOutOfRangeException();            Width = width;            Height = height;            Length = Width * Height;            base.SetHandle(LocalAlloc(0x40, width * height));            Pointer = (byte*)handle.ToPointer();        }        public Image(int width, int height, byte[] dat)             : this(width, height)        {            if (dat != null)            {                CopyMemory(Pointer, dat, Length);            }        }        public Image(int width, int height, byte* dat)            : this(width, height)        {            CopyMemory(Pointer, dat, Length);        }        public Image(int width, int height, IntPtr dat)            : this(width, height)        {            CopyMemory(Pointer, dat, Length);        }        public readonly int Width;        public readonly int Height;        public readonly int Length;        public readonly byte* Pointer;        public byte this[int x, int y]         {            get            {                return *(Pointer + y * Width + x);            }            set            {                *(Pointer + y * Width + x) = value;            }        }        public Image Clone()        {            return new Image(Width, Height, Pointer);        }        public void Add(Image img)         {            Action<int> act = y =>            {                byte* p1 = Pointer + y * Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;                for (int x = 0; x < Width; x++, p1++, p2++)                {                    double d = *p1 + *p2;                    if (d < 0)                        *p1 = 0;                    else if (d > 255)                        *p1 = 255;                    else                        *p1 = (byte)d;                }            };            Parallel.For(0, Height, act);        }        public void Sub(Image img)         {            Action<int> act = y =>            {                byte* p1 = Pointer + y * Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;                for (int x = 0; x < Width; x++, p1++, p2++)                {                    double d = *p1 - *p2;                    if (d < 0)                        *p1 = 0;                    else if (d > 255)                        *p1 = 255;                    else                        *p1 = (byte)d;                }            };            Parallel.For(0, Height, act);        }        public void Mul(Image img, double scale)        {            Action<int> act = y =>            {                byte* p1 = Pointer + y * Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;                for (int x = 0; x < Width; x++, p1++, p2++)                {                    double d = scale * *p1 * *p2;                    if (d < 0)                        *p1 = 0;                    else if (d > 255)                        *p1 = 255;                    else                        *p1 = (byte)d;                }            };            Parallel.For(0, Height, act);        }        public void Threshold(byte threshold)         {            Action<int> act = y =>             {                byte* p = Pointer + y * Width;                for (int x = 0; x < Width; x++, p++)                {                    *p = *p > threshold ? Max : Min;                }            };            Parallel.For(0, Height, act);        }        public void AddWeighted(Image img, double a, double b)        {            Action<int> act = y =>            {                byte* p1 = this.Pointer + y * this.Width, p2 = (byte*)img.Pointer + y * img.Width;                for (int x = 0; x < this.Width; x++, p1++, p2++)                {                    double d = a * *p1 + b * *p2;                    if (d < 0)                        *p1 = 0;                    else if (d > 255)                        *p1 = 255;                    else                        *p1 = (byte)d;                }            };            Parallel.For(0, this.Height, act);        }        public static void Smooth(Image src, Image dst, int n)        {            int* tmp = (int*)Marshal.AllocHGlobal(src.Width * src.Height * 4).ToPointer();            Action<int> act = y =>            {                byte* p = src.Pointer + y * src.Width;                int d = 0;                for (int i = -n; i <= n; i++)                {                    int xx = GetIndex(i, src.Width);                    d += p[xx];                }                tmp[y * src.Width] = d;            };            Parallel.For(0, src.Height, act);            act = y =>            {                int i = y * src.Width;                byte* p = src.Pointer + y * src.Width;                for (int x = 1; x < src.Width; x++)                {                    int d = tmp[i];                    int x1 = GetIndex(x - n - 1, src.Width);                    int x2 = GetIndex(x + n, src.Width);                    d += (p[x2] - p[x1]);                    tmp[++i] = d;                }            };            Parallel.For(0, src.Height, act);            double f = 1.0 / (2 * n + 1);            f *= f;            act = x =>            {                int d = 0;                byte* p = dst.Pointer + x;                for (int j = -n; j <= n; j++)                {                    int yy = GetIndex(j, src.Height);                    d += tmp[x + yy * src.Width];                }                *p = (byte)(d * f);                p += src.Width;                for (int y = 1; y < src.Height; y++, p += src.Width)                {                    int y1 = GetIndex(y - n - 1, src.Height);                    int y2 = GetIndex(y + n, src.Height);                    d += (tmp[x + y2 * src.Width] - tmp[x + y1 * src.Width]);                    *p = (byte)(d * f);                }            };            Parallel.For(0, src.Width, act);            Marshal.FreeHGlobal(new IntPtr(tmp));        }        private static int GetIndex(int i, int max)        {            if (i < 0) return 0;            if (i >= max) return max - 1;            return i;        }        public override bool IsInvalid        {            get { return handle == IntPtr.Zero; }        }        protected override bool ReleaseHandle()        {            LocalFree(handle);            return true;        }    }

（如有可以优化的地方，烦请指正）

        用WPF写了个简单的测试程序，其中运行时间使用Stopwatch计算，取其ElapsedTicks值。

        先看下运行环境：

        OpenCV使用2.2版本。测试图像大小为600*896，预先进行了灰度化，然后再计算处理时间。

        下面直接上结果：

1、Add：

      Image：imgt.Add(img)

      OpenCV：CvInvoke.cvAdd(img, img, img, IntPtr.Zero)

      各执行50次，取平均数：

Image花费时间3246，OpenCV花费时间1514

2、Sub：

      Image：imgt.Sub(img)

      OpenCV：CvInvoke.cvSub(img, img, img, IntPtr.Zero)

      各执行50次，取平均数：

Image花费时间3378，OpenCV花费时间1370

3、Mul：

      Image：imgt.Mul(img, 1)

      OpenCV：CvInvoke.cvMul(img, img, img, 1)

      各执行50次，取平均数：

Image花费时间3817，OpenCV花费时间7480

4、Threshold：

      Image：imgt.Threshold(120)

      OpenCV：CvInvoke.cvcvThreshold(img, img, 120, 255, Emgu.CV.CvEnum.THRESH.CV_THRESH_BINARY)

      各执行50次，取平均数：

Image花费时间1645，OpenCV花费时间1361

5、Smooth：

      Image：Image.Smooth(img, dst, 3)

      OpenCV：CvInvoke.cvSmooth(img, dst, Emgu.CV.CvEnum.SMOOTH_TYPE.CV_BLUR, 7, 0, 0, 0)

      各执行50次，取平均数：

Image花费时间17589，OpenCV花费时间33574

6、AddWeighted：

      Image：dst.AddWeighted(img, 0.4, 0.4)

      OpenCV：CvInvoke.cvAddWeighted(img, 0.4, img, 0.4, 0, dst)

      各执行50次，取平均数：

Image花费时间3952，OpenCV花费时间9845

总结一下：

从上表可以看出，Image类和OpenCV基本上是胜率对半。至于为什么，且听下回分解~~~

更新在另一台电脑上运行的结果：

Image惨败！！

        源码及测试代码下载地址：http://download.csdn.net/detail/wmesci/3841089

        相关讨论帖：http://topic.csdn.net/u/20111124/23/1F236D07-420E-4E2E-83EE-C9C29E689477.html