将图像切成重叠的补丁并将补丁合并到图像的快速方法

Question

尝试将大小为 100x100 的灰度图像分割成大小为 39x39 的重叠块，步幅大小为 1。这意味着下一个从右侧/或下方开始一个像素的块仅与另一列/或行中的上一个补丁。

代码粗略概述：首先计算每个补丁的索引，以便能够 从图像构造二维补丁数组，并能够从补丁构造图像：

patches = imgFlat[ind]

'patches' 是一个二维数组，每列包含一个向量形式的补丁。

处理这些补丁，每个补丁单独并随后再次合并到图像中，并使用预先计算的索引。

img = np.sum(patchesWithColFlat[ind],axis=2)

由于补丁重叠，最后需要将 img 与预先计算的权重相乘：

imgOut = weights*imgOut

我的代码真的很慢，速度是一个关键问题，因为这应该在 ca. 10^8 个补丁。

函数 get_indices_for_un_patchify 和 weights_unpatchify 可以预先计算一次，因此速度只是 patchify 和 unpatchify 的问题。

感谢任何提示。

卡洛斯

import numpy as np
import scipy
import collections
import random as rand


def get_indices_for_un_patchify(sImg,sP,step):
    ''' creates indices for fast patchifying and unpatchifying

    INPUTS:
      sx    image size
      sp    patch size
      step  offset between two patches (default == [1,1])

      OUTPUTS:
       patchInd             collection with indices
       patchInd.img2patch   patchifying indices
                            patch = img(patchInd.img2patch);
       patchInd.patch2img   unpatchifying indices

    NOTE: * for unpatchifying necessary to add a 0 column to the patch matrix
          * matrices are constructed row by row, as normally there are less rows than columns in the 
            patchMtx
     '''
    lImg = np.prod(sImg)
    indImg = np.reshape(range(lImg), sImg)

    # no. of patches which fit into the image
    sB = (sImg - sP + step) / step

    lb              = np.prod(sB)
    lp              = np.prod(sP)
    indImg2Patch    = np.zeros([lp, lb])
    indPatch        = np.reshape(range(lp*lb), [lp, lb])

    indPatch2Img = np.ones([sImg[0],sImg[1],lp])*(lp*lb+1)

    # default value should be last column
    iRow   = 0;
    for jCol in range(sP[1]):
        for jRow in range(sP[0]):
            tmp1 = np.array(range(0, sImg[0]-sP[0]+1, step[0]))
            tmp2 = np.array(range(0, sImg[1]-sP[1]+1, step[1]))
            sel1                    = jRow  + tmp1
            sel2                    = jCol  + tmp2
            tmpIndImg2Patch = indImg[sel1,:]          
            # do not know how to combine following 2 lines in python
            tmpIndImg2Patch = tmpIndImg2Patch[:,sel2]
            indImg2Patch[iRow, :]   = tmpIndImg2Patch.flatten()

            # next line not nice, but do not know how to implement it better
            indPatch2Img[min(sel1):max(sel1)+1, min(sel2):max(sel2)+1, iRow] = np.reshape(indPatch[iRow, :, np.newaxis], sB)
            iRow                    += 1

    pInd = collections.namedtuple
    pInd.patch2img = indPatch2Img
    pInd.img2patch = indImg2Patch

    return pInd

def weights_unpatchify(sImg,pInd):
    weights = 1./unpatchify(patchify(np.ones(sImg), pInd), pInd)
    return weights

# @profile
def patchify(img,pInd):
    imgFlat = img.flat
   # imgFlat = img.flatten()
    ind = pInd.img2patch.tolist()
    patches = imgFlat[ind]

    return patches

# @profile
def unpatchify(patches,pInd):
    # add a row of zeros to the patches matrix    
    h,w = patches.shape
    patchesWithCol = np.zeros([h+1,w])
    patchesWithCol[:-1,:] = patches
    patchesWithColFlat = patchesWithCol.flat
   #  patchesWithColFlat = patchesWithCol.flatten()
    ind = pInd.patch2img.tolist()
    img = np.sum(patchesWithColFlat[ind],axis=2)
    return img

我在这里调用这些函数，例如随机图片

if __name__ =='__main__':
    img = np.random.randint(255,size=[100,100])
    sImg = img.shape
    sP = np.array([39,39])  # size of patch
    step = np.array([1,1])  # sliding window step size
    pInd = get_indices_for_un_patchify(sImg,sP,step)
    patches = patchify(img,pInd)
    imgOut = unpatchify(patches,pInd)
    weights = weights_unpatchify(sImg,pInd)
    imgOut = weights*imgOut

    print 'Difference of img and imgOut = %.7f' %sum(img.flatten() - imgOut.flatten())

Answer 1

一个有效的“patchify”数组的方法，也就是得到一个windows数组到原来的数组是用自定义strides创建一个视图，跳转到后面元素的字节数。将 numpy 数组视为（美化的）内存块可能会有所帮助，然后 strides 是将索引映射到内存地址的一种方式。

例如，在

a = np.arange(10).reshape(2, 5)

a.itemsize 等于 4（即每个元素 4 个字节或 32 位），a.strides 是 (20, 4)（5 个元素，1 个元素），因此 a[1,2] 指的是 1*20 + 2*4 字节的元素（或1*5 + 2 元素）在第一个之后：

0 1 2 3 4
5 6 7 x x

实际上，元素是一个接一个地放在内存中的，0 1 2 3 4 5 6 7 x x 但是跨步让我们将其索引为二维数组。

基于这个概念，我们可以重写patchify如下

def patchify(img, patch_shape):
    img = np.ascontiguousarray(img)  # won't make a copy if not needed
    X, Y = img.shape
    x, y = patch_shape
    shape = ((X-x+1), (Y-y+1), x, y) # number of patches, patch_shape
    # The right strides can be thought by:
    # 1) Thinking of `img` as a chunk of memory in C order
    # 2) Asking how many items through that chunk of memory are needed when indices
    #    i,j,k,l are incremented by one
    strides = img.itemsize*np.array([Y, 1, Y, 1])
    return np.lib.stride_tricks.as_strided(img, shape=shape, strides=strides)

这个函数返回一个img 的视图，所以没有分配内存，它只运行了几十微秒。输出的形状并不是你想要的，实际上它必须被复制才能得到那个形状。

在处理比基本数组大得多的数组视图时必须小心，因为操作会触发需要分配大量内存的副本。在你的情况下，由于数组不是太大并且没有那么多补丁，应该没问题。

最后，我们可以稍微梳理一下补丁数组：

patches = patchify(img, (39,39))
contiguous_patches = np.ascontiguousarray(patches)
contiguous_patches.shape = (-1, 39**2)

这不会重现您的 patchify 函数的输出，因为您是按 Fortran 顺序开发补丁的。我建议你改用这个，因为

1. 它会导致以后更自然的索引（即，第一个补丁是您的解决方案的补丁[0] 而不是补丁[:, 0]）。

2. 在 numpy 中使用 C 排序也更容易，因为您需要更少的输入（避免使用 order='F' 之类的东西，数组默认按 C 顺序创建...）。

“提示”以防你坚持：strides = img.itemsize * np.array([1, Y, Y, 1])，在contiguous_patches 上使用.reshape(..., order='F')，最后转置.T