OpenCV:加速EM算法预测

Question

我使用cv::EM算法对图像流进行高斯混合模型分类。然而，当使用EM::prediction方法将像素分类为不同的模型时，我发现它太慢了，一张600x800图像需要大约3秒的时间。另一方面，由MOG background subtractor提供的OpenCV非常快地执行这个部分，只使用大约30 is。因此，我决定使用它的执行方法来替换EM::prediction部件。然而，我不知道如何改变它。

我正在使用的prediction部件的代码如下：

cv::Mat floatSource;
source.convertTo ( floatSource, CV_32F );
cv::Mat samples ( source.rows * source.cols, 3, CV_32FC1 );

int idx = 0; 

for ( int y = 0; y < source.rows; y ++ )
{
    cv::Vec3f* row = floatSource.ptr <cv::Vec3f> (y);
    for ( int x = 0; x < source.cols; x ++ )
    {
        samples.at<cv::Vec3f> ( idx++, 0 ) = row[x];
    }
}

cv::EMParams params(2);  // num of mixture we use is 2 here
cv::ExpectationMaximization em ( samples, cv::Mat(), params );
cv::Mat means = em.getMeans();
cv::Mat weight = em.getWeights();

const int fgId = weights.at<float>(0) > weights.at<flaot>(1) ? 0:1;
idx = 0; 

for ( int y = 0; y < source.rows; y ++ )
{
    for ( int x = 0; x < source.cols; x ++ )
    {
        const int result = cvRound ( em.predict ( samples.row ( idx++ ), NULL );
    }
}

我从cvbgfg_gaussmix.cpp中为EM prediction找到的部分代码如下所示：

static void process8uC3 ( BackgroundSubtractorMOG& obj, const Mat& image, Mat& fgmask, double learningRate )
{
    int x, y, k, k1, rows = image.rows, cols = image.cols;
    float alpha = (float)learningRate, T = (float)obj.backgroundRatio, vT = (float)obj.varThreshold;
    int K = obj.nmixtures;

    const float w0 = (float)CV_BGFG_MOG_WEIGHT_INIT;
    const float sk0 = (float)(CV_BGFG_MOG_WEIGHT_INIT/CV_BGFG_MOG_SIGMA_INIT);
    const float var0 = (float) (CV_BGFG_MOG_SIGMA_INIT*CV_BGFG_MOG_SIGMA_INIT);

    for ( y = 0; y < rows; y ++ )
    {
        const uchar* src = image.ptr<uchar>(y);
        uchar* dst = fgmask.ptr<uchar>(y);
        MixData<Vec3f>* mptr = (MixData<Vec3f>*)obj.bgmodel.ptr(y);

        for ( x = 0; x < cols; x++, mptr += K )
        {

            float wsum = 0, dw = 0; 
            Vec3f pix ( src [x*3], src[x*3+1], src[x*3+2]);
            for ( k = 0; k < K; k ++ )
            {
                float w = mptr[k].weight;
                Vec3f mu = mptr[k].mean[0];
                Vec3f var = mptr[k].var[0];
                Vec3f diff = pix - mu; 
                float d2 = diff.dot(diff);

                if ( d2 < vT * (var[0] +var[1] + var[2] )
                {
                    dw = alpha * ( 1.f - w );
                    mptr[k].weight = w + dw;
                    mptr[k].mean = mu + alpha * diff;
                    var = Vec3f ( max ( var[0] + alpha * ( diff[0] * diff[1] - var[0] ), FLT_EPSILON),
                        max ( var[1] + alpha * ( diff[1]*diff[1] - var[1] ), FLT_EPSILON,
                        max ( var[2] + alpha * ( diff[2]*diff[2] - var[2] ), FLT_EPSILON ));

                    mptr[k].var = var;
                    mptr[k].sortKey = w/sqrt ( var[0] + var[1] + var[2] );

                    for ( k1 = k-1; k1 >= 0; k1-- )
                    {
                        if ( mptr[k1].sortKey > mptr[k1+1].sortKey)
                            break;
                        std::swap ( mptr[k1],mptr[k1+1]);
                    }
                    break;
                }

                wsum += w;
            }


            dst[x] = (uchar) (-(wsum >= T ));
            wsum += dw;

            if ( k == K )
            {
                wsum += w0 - mptr[K-1].weight;
                mptr[k-1].weight = w0;
                mptr[K-1].mean = pix;
                mptr[K-1].var = Vec3f ( var0, var0, var0 );
                mptr[K-1].sortKey = sk0;
            }
            else
                for ( ; k < K; k ++ )
                    wsum += mptr[k].weight;

            dw = 1.f/wsum;

            for ( k = 0; k < K; k ++ )
            {
                mptr[k].weight *= dw;
                mptr[k].sortKey *= dw;
            }
    }
}
}

如何将这个部分代码更改为可以在我的第一个代码中使用为em.predict部件？提前谢谢你。

更新

我自己这样做是为了在代码中使用process8uC3函数：

cv::Mat fgImg ( 600, 800, CV_8UC3 );
cv::Mat bgImg ( 600, 800, CV_8UC3 );

double learningRate = 0.001;
int x, y, k, k1;
int rows = sourceMat.rows;  //source opencv matrix
int cols = sourceMat.cols;  //source opencv matrix
float alpha = (float) learningRate;
float T = 2.0;
float vT = 0.30;
int K = 3;

const float w0 = (float) CV_BGFG_MOG_WEIGTH_INIT;
const float sk0 = (float) (CV_BGFG_MOG_WEIGHT_INIT/CV_BGFG_MOG_SIGMA_INIT);
const float var0 = (float) (CV_BGFG_MOG_SIGMA_INIT*CV_BGFG_MOG_SIGMA_INIT);
const float minVar = FLT_EPSILON;

for ( y = 0; y < rows; y ++ )
{
    const char* src = source.ptr < uchar > ( y );
    uchar* dst = fgImg.ptr < uchar > ( y );
    uchar* tmp = bgImg.ptr ( y ); 
    MixData<cv::Vec3f>* mptr = (MixData<cv::Vec3f>*)tmp;

    for ( x = 0; x < cols; x ++, mptr += K )
    {
         float w = mptr[k].weight;
         cv::Vec3f mu = mpptr[k].mean[0];
         cv::Vec3f var = mptr[k].var[0];
         cv::Vec3f diff = pix - mu;
         float d2 = diff.dot ( diff );

         if ( d2 < vT * ( var[0] + var[1] + var[2] ) )
         {
             dw = alpha * ( 1.f - w );
             mptr[k].weight = w + dw;
             mptr[k].mean = mu + alpha * diff;
             var = cv::Vec3f ( max ( var[0] + alpha*(diff[0]*diff[0]-var[0]),minVar),
                     max ( var[1]+ alpha*(diff[1]*diff[1]-var[1]),minVar),
                     max ( var[2] + alpha*(diff[2]*diff[2]-var[2]),minVar) );

             mptr[k].var = var;
             mptr[k].sortKey = w/sqrt ( var[0] + var[1] + var[2] );

             for ( k1 = k-1; k1 >= 0; k1 -- )
             {
                 if ( mptr[k1].sortKey > mptr[k1+1].sortKey )
                     break;
                     std::swap ( mptr[k1], mptr[k1+1] );
             }
             break;
         }
         wsum += w;
     }
     dst[x] = (uchar) (-(wsum >= T ));
     wsum += dw;

     if ( k == K )
     {
          wsum += w0 - mptr[k-1].weight;
          mptr[k-1].weight = w0;
          mptr[k-1].mean = pix; 
          mptr[k-1].var = cv::Vec3f ( var0, var0, var0 );
          mptr[k-1].sortKey = sk0;
      }
      else 
          for ( ; k < K; k ++ )
          {
              mptr[k].weight *= dw;
              mptr[k].sortKey *= dw;
          }
      }
  }
}

它没有错误地编译，但结果完全是大量的。我怀疑这可能是与值T和vT有关的东西，并用其他几个值对它们进行了更改，但没有产生任何区别。所以我相信，即使它没有错误地编译，我也用错了它。

Answer 1

不是直接回答您的问题，而是对您的代码进行一些评论：

int idx = 0; 

for ( int y = 0; y < source.rows; y ++ )
{
    cv::Vec3f* row = floatSource.ptr <cv::Vec3f> (y);
    for ( int x = 0; x < source.cols; x ++ )
    {
        samples.at<cv::Vec3f> ( idx++, 0 ) = row[x];
    }
}

我的猜测是，这里您希望创建一个矩阵，其中包含逐行行和3列，存储像素RGB (或其他可能使用的颜色空间)值。首先，您的样本矩阵被错误初始化，因为您忘记了图像通道上的循环。您的代码中只填充第一个通道。但是无论如何，您也可以通过调用reshape来做同样的事情

cv::Mat samples = floatSource.reshape(1, source.rows*source.cols)

这不仅将修复您的错误，而且还将加快您的进程，因为使用Mat.at<>访问像素的速度并不快，整形是O(1)操作，因为基础矩阵数据没有更改，只有行/cols/通道数。

其次，您可以通过将完整的样本矩阵传递给em::predict而不是每个样本来节省一些时间。目前，您可以逐行调用em：：预测，而您只能执行一次，加上对mat.row()的逐行调用，这将创建一个临时矩阵(标头)。

进一步加快速度的一种方法是并行化要预测的调用，例如使用OpenCV使用的TBB (您在编译OpenCV时打开了TBB吗？)也许预测已经是多线程的，而不是检查)。

Answer 2

看看GrabCut在OpenCV中的源代码:OpenCV/imgproc/src/grabcut.cpp。该模块有私有类GMM (实现训练高斯混合模型和样本分类)。要初始化GMM，使用k-均值。如果您需要更快的初始化，可以尝试K-表示++算法(请参阅模块/core/src/madx.cpp模块中的generateCentersPP函数)。