【CUDA】C++实现warpaffine仿射变换及其逆变换

news2024/12/22 19:18:20

目录

  • 仿射变换矩阵工具类
  • 进行前向仿射变换:i->d
  • 进行仿射变换逆向变换d->i

仿射变换矩阵工具类

假设有图片i,要将其仿射变换至图片d,使用下面的类计算仿射变换矩阵i2d及d2i:
在调用compute函数后,输入i及d的尺寸,自动得到仿射变换矩阵i2d及d2i。

struct AffineMatrix{
    float i2d[6];   
    float d2i[6];  
    void invertAffineTransform(float imat[6], float omat[6]){
        float i00 = imat[0];  float i01 = imat[1];  float i02 = imat[2];
        float i10 = imat[3];  float i11 = imat[4];  float i12 = imat[5];
        float D = i00 * i11 - i01 * i10;
        D = D != 0 ? 1.0 / D : 0;
        float A11 = i11 * D;
        float A22 = i00 * D;
        float A12 = -i01 * D;
        float A21 = -i10 * D;
        float b1 = -A11 * i02 - A12 * i12;
        float b2 = -A21 * i02 - A22 * i12;
        omat[0] = A11;  omat[1] = A12;  omat[2] = b1;
        omat[3] = A21;  omat[4] = A22;  omat[5] = b2;
    }

    void compute(const Size& from, const Size& to){
        float scale_x = to.width / (float)from.width;
        float scale_y = to.height / (float)from.height;
        float scale = min(scale_x, scale_y); 
        i2d[0] = scale;  i2d[1] = 0;  i2d[2] = 
            -scale * from.width  * 0.5  + to.width * 0.5 + scale * 0.5 - 0.5;

        i2d[3] = 0;  i2d[4] = scale;  i2d[5] = 
            -scale * from.height * 0.5 + to.height * 0.5 + scale * 0.5 - 0.5;

        invertAffineTransform(i2d, d2i);
    }
};

进行前向仿射变换:i->d

在将i变换到d时,是对d进行变换操作,使用cuda遍历d中的每个点,找出d映射到i的对应关系,此时应使用d2i进行变换,相关代码如下:
调用处代码:

#include <cuda_runtime.h>
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <stdio.h>

using namespace cv;

#define min(a, b)  ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define checkRuntime(op)  __check_cuda_runtime((op), #op, __FILE__, __LINE__)

bool __check_cuda_runtime(cudaError_t code, const char* op, const char* file, int line){
    if(code != cudaSuccess){
        const char* err_name = cudaGetErrorName(code);    
        const char* err_message = cudaGetErrorString(code);  
        printf("runtime error %s:%d  %s failed. \n  code = %s, message = %s\n", file, line, op, err_name, err_message);   
        return false;
    }
    return true;
}

void warp_affine_bilinear( // 声明
    uint8_t* src, int src_line_size, int src_width, int src_height, 
    uint8_t* dst, int dst_line_size, int dst_width, int dst_height, 
	uint8_t fill_value
);

Mat warpaffine_to_center_align(const Mat& image, const Size& size){  
    Mat output(size, CV_8UC3);
    uint8_t* psrc_device = nullptr;
    uint8_t* pdst_device = nullptr;
    size_t src_size = image.cols * image.rows * 3;
    size_t dst_size = size.width * size.height * 3;
    checkRuntime(cudaMalloc(&psrc_device, src_size)); // 在GPU上开辟两块空间
    checkRuntime(cudaMalloc(&pdst_device, dst_size));
    checkRuntime(cudaMemcpy(psrc_device, image.data, src_size, cudaMemcpyHostToDevice)); // 搬运数据到GPU上
    
    warp_affine_bilinear(
        psrc_device, image.cols * 3, image.cols, image.rows,
        pdst_device, size.width * 3, size.width, size.height,
        114
    );

    // 检查核函数执行是否存在错误
    checkRuntime(cudaPeekAtLastError());
    checkRuntime(cudaMemcpy(output.data, pdst_device, dst_size, cudaMemcpyDeviceToHost)); 
    checkRuntime(cudaFree(psrc_device));
    checkRuntime(cudaFree(pdst_device));
    return output;
}

int main(){ 
    Mat image = imread("i.jpg");
    Mat output = warpaffine_to_center_align(image, Size(640, 640));
    imwrite("d.jpg", output);
    return 0;
}

核函数代码:

#include <cuda_runtime.h>

#define min(a, b)  ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define num_threads   512
typedef unsigned char uint8_t;
struct Size{
    int width = 0, height = 0;

    Size() = default;
    Size(int w, int h)
    :width(w), height(h){}
};


struct AffineMatrix{
    float i2d[6];   
    float d2i[6];     
    void invertAffineTransform(float imat[6], float omat[6]){
        float i00 = imat[0];  float i01 = imat[1];  float i02 = imat[2];
        float i10 = imat[3];  float i11 = imat[4];  float i12 = imat[5];

        // 计算行列式
        float D = i00 * i11 - i01 * i10;
        D = D != 0 ? 1.0 / D : 0;

        // 计算剩余的伴随矩阵除以行列式
        float A11 = i11 * D;
        float A22 = i00 * D;
        float A12 = -i01 * D;
        float A21 = -i10 * D;
        float b1 = -A11 * i02 - A12 * i12;
        float b2 = -A21 * i02 - A22 * i12;
        omat[0] = A11;  omat[1] = A12;  omat[2] = b1;
        omat[3] = A21;  omat[4] = A22;  omat[5] = b2;
    }

    void compute(const Size& from, const Size& to){
        float scale_x = to.width / (float)from.width;
        float scale_y = to.height / (float)from.height;
        float scale = min(scale_x, scale_y); // 缩放比例辅助视频讲解 https://v.douyin.com/NhrH8Gm/
        i2d[0] = scale;  i2d[1] = 0;  i2d[2] = 
            -scale * from.width  * 0.5  + to.width * 0.5 + scale * 0.5 - 0.5;

        i2d[3] = 0;  i2d[4] = scale;  i2d[5] = 
            -scale * from.height * 0.5 + to.height * 0.5 + scale * 0.5 - 0.5;

        invertAffineTransform(i2d, d2i);
    }
};

__device__ void affine_project(float* matrix, int x, int y, float* proj_x, float* proj_y){
    *proj_x = matrix[0] * x + matrix[1] * y + matrix[2];
    *proj_y = matrix[3] * x + matrix[4] * y + matrix[5];
}

__global__ void warp_affine_bilinear_kernel(
    uint8_t* src, int src_line_size, int src_width, int src_height, 
    uint8_t* dst, int dst_line_size, int dst_width, int dst_height, 
	uint8_t fill_value, AffineMatrix matrix
){int dx = blockDim.x * blockIdx.x + threadIdx.x; 
    int dy = blockDim.y * blockIdx.y + threadIdx.y;
    if (dx >= dst_width || dy >= dst_height)  return;

    float c0 = fill_value, c1 = fill_value, c2 = fill_value;
    float src_x = 0; float src_y = 0;
    //这里使用了d2i
    affine_project(matrix.d2i, dx, dy, &src_x, &src_y);
    if(src_x < -1 || src_x >= src_width || src_y < -1 || src_y >= src_height){
    }else{
        int y_low = floorf(src_y);
        int x_low = floorf(src_x);
        int y_high = y_low + 1;
        int x_high = x_low + 1;

        uint8_t const_values[] = {fill_value, fill_value, fill_value};
        float ly    = src_y - y_low;
        float lx    = src_x - x_low;
        float hy    = 1 - ly;
        float hx    = 1 - lx;
        float w1    = hy * hx, w2 = hy * lx, w3 = ly * hx, w4 = ly * lx;
        uint8_t* v1 = const_values;
        uint8_t* v2 = const_values;
        uint8_t* v3 = const_values;
        uint8_t* v4 = const_values;
        if(y_low >= 0){
            if (x_low >= 0)
                v1 = src + y_low * src_line_size + x_low * 3;

            if (x_high < src_width)
                v2 = src + y_low * src_line_size + x_high * 3;
        }
        
        if(y_high < src_height){
            if (x_low >= 0)
                v3 = src + y_high * src_line_size + x_low * 3;

            if (x_high < src_width)
                v4 = src + y_high * src_line_size + x_high * 3;
        }
        
        c0 = floorf(w1 * v1[0] + w2 * v2[0] + w3 * v3[0] + w4 * v4[0] + 0.5f);
        c1 = floorf(w1 * v1[1] + w2 * v2[1] + w3 * v3[1] + w4 * v4[1] + 0.5f);
        c2 = floorf(w1 * v1[2] + w2 * v2[2] + w3 * v3[2] + w4 * v4[2] + 0.5f);
    }

    uint8_t* pdst = dst + dy * dst_line_size + dx * 3;
    pdst[0] = c0; pdst[1] = c1; pdst[2] = c2;
}

void warp_affine_bilinear(
    uint8_t* src, int src_line_size, int src_width, int src_height, 
    uint8_t* dst, int dst_line_size, int dst_width, int dst_height, 
	uint8_t fill_value
){
    dim3 block_size(32, 32); 
    dim3 grid_size((dst_width + 31) / 32, (dst_height + 31) / 32);
    AffineMatrix affine;
    affine.compute(Size(src_width, src_height), Size(dst_width, dst_height));

    warp_affine_bilinear_kernel<<<grid_size, block_size, 0, nullptr>>>(
        src, src_line_size, src_width, src_height,
        dst, dst_line_size, dst_width, dst_height,
        fill_value, affine
    );
}

进行仿射变换逆向变换d->i

此时的输入图片为d,待求i,遍历待求i的每一像素,根据i至d的映射关系找出i(即前向计算出矩阵的i2d);调用处为:

int main(){ 
    Mat image = imread("d.jpg");
    Mat output = warpaffine_to_center_align(image, Size(550, 676));
    imwrite("i.jpg", output);
    return 0;
}

这个例子中i尺寸为Size(550, 676),d的尺寸为(640,640)
核函数只需改一处代码即可:

//这里使用了i2d
affine_project(matrix.i2d, dx, dy, &src_x, &src_y);

注意,这里的矩阵matrix仍是前向计算时得出的矩阵:

AffineMatrix affine;
affine.compute(Size(550, 676), Size(640, 640));

变换前后效果如下图:
请添加图片描述
请添加图片描述

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