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让你的软件飞起来

技术2022-05-11  2


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速度取决于算法

 

代码的运算速度取决于以下几个方面

 

                         算法本身的复杂度,比如MPEG比JPEG复杂,JPEG比BMP图片的编码复杂。                          CPU 自身的速度和设计架构                          CPU的总线带宽                          您自己的代码的写法

 

本文主要介绍如何优化您自己的code,实现软件的 加速

 

     先看看我的需求

     我们一个图象模式识别的项目,需要将RGB格式的彩色图像先转换成黑白图像。

     图像转换的公式如下:

         Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

     图像尺寸640*480*24bit,RGB图像已经按照RGBRGB顺序排列的格式,放在内存里面了。

 

 

我已经悄悄的完成了第一个优化

                                 #define XSIZE 640

                                 #define YSIZE 480

                                 #define IMGSIZE XSIZE*YSIZE

                                Typedef   struct RGB

                                      {

                                      unsigned char R;

                                      unsigned char G;

                                      unsigned char B;

                                      }RGB;

                                 struct RGB in[IMGSIZE]  //需要计算的原始数据

                                 Unsigned char out[IMGSIZE]    //计算后的结果

 

优化原则:

图像是一个2D数组,我用一个1维数组来存储。

编译器处理1维数组的效率要高过2维数组

 

先写一个代码

  Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

 

                    Void calc_lum()

 

                    {int I;

 

                              for(i=0;i<IMGSIZE;i++)

 

                              {double r,g,b,y;

 

                              unsigned char yy;

 

                              r=in[i].r;  g=in[i].g; b=in[i].b;

 

                              y=0.299*r+0.587*g+0.114*b;

 

                              yy=y;     out[i]=yy;

 

                              }

                    }

 

这大概是能想得出来的最简单的写法了,实在看不出有什么毛病,好

了,编译一下跑一跑吧。

 

 第一次试跑 Void calc_lum()

 这个代码分别用VC6.0和GCC编译,生成2个版本,分别在PC上和embedded system上面跑。

 速度多少?说出来吓死你!

 

 

 在PC上,由于存在硬件浮点处理器,CPU频率也够高,计算速度为20秒

我的embedded system ,没有以上2个优势,浮点操作被编译器分解成了整数运算,运算速度为120秒左右

 这只是一副图像的运算速度!!

 

优化原则:

去掉浮点运算

 

上面这个代码还没有跑,我已经知道会很慢了,因为这其中有大量

的浮点运算。只要能不用浮点运算,一定能快很多。

 

                 Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

 

                   那这个公式怎么能用定点的整数运算替代呢?

 

0.299 * R可以如何化简?

 

              Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

              Y=D+E+F;

              D=0.299*R;

              E=0.587*G;

              F=0.114*B;

              我们就先简化算式D吧!

 

       RGB的取值范围都是0~255,都是整数,只是这个系数比较麻烦,

       不过这个系数可以表示为:

       0.299=299/1000

       所以 D=(R*299)/1000

      Y=(R*299)/1000+(G*587)/1000+(B*114)/1000

       再简化为:

      Y=(R*299+G*587+B*114)/1000

 

       这一下,能快多少呢?

 

化简后的成绩

 

                    Embedded system

                   上的速度45秒

                    PC上的速度2秒

 

0.299 * R进一步化简

 

           Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B

 

        Y=(R*299+G*587+B*114)/1000

        这个式子好像还有点复杂,可以再砍掉一个除法运算。

        前面的算式D可以这样写:

        0.299=299/1000=1224/4096

        所以 D=(R*1224)/4096

        Y=(R*1224)/1000+(G*2404)/4096+(B*467)/4096

        再简化为:

        Y=(R*1224+G*2404+B*467)/4096

 

优化原则:  

 这里的/4096除法,因为它是2的N次方,所以可以用移位操作替代,往右移位12bit就是把某个数除以4096了

 

0.299 * R进一步化简

 

              Y=(R*1224+G*2404+B*467)/4096

 

              Void calc_lum()

 

               {int I;

 

                        for(i=0;i<IMGSIZE;i++)

 

                        {int r,g,b,y;

 

                        r=1224*in[i].r;  g=2404*in[i].g; b=467*in[i].b;

 

                        y=r+g+b;

 

                        y=y>>12;      //这里去掉了除法运算

 

                        out[i]=y;

 

                        }

               }

 

        这个代码编译后,又快了20%

 

还是太慢!

 

      虽然快了不少,还是太慢了一些,

      20秒处理一幅图像,地球人都不能

      接受!

 

      但是目前这个式子好像优化到极限

       了,要想突破音障,只能拆掉活塞

      发动机,安装蜗轮引擎!

 

仔细端详一下这个式子!

 

                Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

                Y=D+E+F;

                D=0.299*R;

                E=0.587*G;

                F=0.114*B;

 

              仔细端详一下这个式子!

 

              RGB的取值有文章可做,RGB的取值永远都大于等于0,小于等于

              255,我们能不能将D,E,F都预先计算好呢?然后用查表算法计

              算呢?

              我们使用3个数组分别存放DEF的256种可能的取值,然后。。。

 

优化原则:   

查表数组初始化 (数值表提前计算好)

 

                        Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

                        Y=D+E+F;

                        D=0.299*R;

                        E=0.587*G;

                        F=0.114*B;

 

                     Int D[256],E[256],F[256]; //查表数组

 

                    Void table_init()

 

                     {int I;

 

                              for(i=0;i<256;i++)

 

                              {D[i]=i*1224;       D[i]=D[i]>>12;

 

                              E[i]=i*2404;      E[i]=E[i]>>12;

 

                              F[i]=i*467;      F[i]=F[i]>>12;

                              }

                     }

 

使用查表数组

 

                            Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

                            Y=D+E+F;

                            D=0.299*R;

                            E=0.587*G;

                            F=0.114*B;

 

            Void calc_lum()

 

            {int I;

 

                     for(i=0;i<IMGSIZE;i++)

 

                     {int r,g,b,y;

 

                     r=D[in[i].r]; g=E[in[i].g]; b=F[in[i].b];  //查表

 

                     y=r+g+b;

 

                     out[i]=y;

 

                     }

            }

 

突破音障!

 

这一次的成绩把我吓出一身冷汗,执行时间居然从30秒一下提高到

了2秒!在PC上测试这段代码,眼皮还没眨一下,代码就执行完了。

 

一下提高15倍,爽不爽?

 

 

踩足油门,向2马赫进军!

 

          很多embedded sysytem 的32bitCPU,都至少有2个ALU,能不

          能让2个ALU都跑起来?

 

Void calc_lum()

{int I;

              for(i=0;i<IMGSIZE;i++)

              {int r,g,b,y;

              r=D[in[i].r];  g=E[in[i].g]; b=F[in[i].b];  //查表

              y=r+g+b;

              out[i]=y;

              }

                              Void calc_lum()

}

                              {int I;

 

                                            for(i=0;i<IMGSIZE;i+=2)  //一次并行处理2个数据

 

                                            {int r,g,b,y,r1,g1,b1,y1; //第一个ALU执行

                                            r=D[in[i].r];  g=E[in[i].g]; b=F[in[i].b];  //查表  //第一个ALU执行

                                            y=r+g+b;  //第一个ALU执行

                                            out[i]=y;  //第一个ALU执行

                                            r1=D[in[i+1].r];  g1=E[in[i+1].g]; b1=F[in[i+1].b];  //查表  //第二个ALU执行

                                            y1=r1+g1+b1; //第二个ALU执行

                                            out[i+1]=y1; //第二个ALU执行

 

                                            }

                              }

优化原则:  

并行计算,2个ALU处理的数据不能有数据依赖,也就是说:某个ALU的输入条件不能是别的ALU的输出,这样才可以并行

 

加足燃料,进军3马赫!

 

                        Int D[256],E[256],F[256]; //查表数组

 

                        Void table_init()

 

                         {int I;

 

                                  for(i=0;i<256;i++)

 

                                  {D[i]=i*1224; D[i]=D[i]>>12;

 

                                  E[i]=i*2404; E[i]=E[i]>>12;

 

                                  F[i]=i*467; F[i]=F[i]>>12;

                                  }

                         }

 

          看看这个代码,

 

          到这里,似乎已经足够快了,但是我们反复实验,发现,还有办法再快!

          可以将

 

          Int D[256],E[256],F[256]; //查表数组

 

          更改为:

 

          Unsigned short    D[256],E[256],F[256]; //查表数组

优化原则:   

这是因为编译器处理int类型和处理unsigned short类型的效率不一样

 

再改动一下

 

             Unsigned short D[256],E[256],F[256]; //查表数组

             Inline Void calc_lum()

             {int I;

                       for(i=0;i<IMGSIZE;i+=2)  //一次并行处理2个数据

                       {int r,g,b,y,r1,g1,b1,y1;

                       r=D[in[i].r]; g=E[in[i].g]; b=F[in[i].b]; //查表

                       y=r+g+b;

                       out[i]=y;

                       r1=D[in[i+1].r]; g1=E[in[i+1].g]; b1=F[in[i+1].b]; //查表

                       y1=r1+g1+b1;

                       out[i+1]=y1;

                       }

             }

优化原则: 

将函数声明为inline,这样编译器就会将其嵌入到母函数中,可以减少CPU调用子函数所产生的开销

 

这2个小小的改进带来的效益!

其实,我们还可以飞出地球的!

 

             如果加上以下措施,应该还可以更快:

 

             *把查表的数据放置在CPU的高速数据CACHE

             里面

 

             *把函数calc_lum()用汇编语言来写

 

 

 


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