基于Jetson Nano的并行图像滤波算法优化与部署

news2024/11/16 21:39:13

基于 Jetson Nano 的并行图像滤波算法优化

在这里插入图片描述

我们实现了基于 GPU (CUDA) 和 CPU (PThread) 的卷积算法，在此基础之上，我们进一步实现 Sobel、Laplacian、均值和高斯滤波器，它们可以被用于图像处理，一个典型的应用场景就是图像降噪。
因此，我们的实验内容主要围绕这些滤波器在图像降噪上效果和它们在Jetson Nano 上的性能表现展开。

在这里插入图片描述

我们分别从两个角度对这些滤波器进行上层封装，即实验角度和部署角度。
既然谈到部署，当然不能局限于人工输入图像，因此，我们加入了摄像头。

您只需要一个普通的USB摄像头，和 Nvidia Jetson 系列下的任意产品即可完整体验我们的项目。
当然，我们的项目是可以在任意支持 CUDA 的 x86 或 ARM 平台上运行的。
当您需要在 x86平台运行我们的项目时，您只需要重新编译即可。
本文档中提供编译指令。

注意：Nano支持最大线程数为 1024 1024 1024，在我们的项目中，实际线程数等于 Block Size 的平方。也就是是说，Block Size 最大为 32 32 32。

项目分工相关文件
基于PThread的矩阵运算
和卷积算法		conv_cpu.cpp
基于CUDA的矩阵运算
和卷积算法		conv_gpu.cu
上层应用（图像滤波）
项目整合		其余内容

项目源码下载链接

基于Jetson Nano的并行图像滤波算法优化与部署源码

硬件特性

我们的核心算法（卷积）最初是在 x86 架构的 Linux 上进行的，但所有的实验和部署都是在 Jetson Nano （ARM 架构）上进行。

据 Nvidia 官网：

Jetson Nano 包含一个基于 Maxwell 架构的 GPU，具有 128 个 CUDA 核心和 4GB 的 LPDDR4 内存，最大内存带宽为 25.6 GB/s。此外，Jetson Nano 还配备了一个四核 ARM Cortex-A57 CPU，最高主频为 1.43 GHz。

执行下列语句查看 Jetson Nano 信息：

./executable/infoNano

infoNano由下列命令编译：

nvcc src/utils/infoNano.cu -w -O3 -o executable/infoNano

实验材料

通过 materials.py为 实验生成材料，实验材料包括：

  • 一组原图
  • 一组加高斯噪声的图
  • 一组加椒盐噪声的图
  • 一组加泊松噪声的图
    这些图像被存储在 images/Origin 目录下。

执行下列语句，即可对 images/Origin 目录下的图片增加不同噪声：

python3 src/utils/materials.py

实验

注意：所有的程序都不会创建目录，因此需要确保输出路径存在，否则将无法得到图片结果。

编译

快速开始

你可以执行 buildAll.sh 以编译所有程序。

sh buildAll.sh

CPU 滤波

编译 Gauss、Laplacian、Mean和Sobel多合一滤波器：

g++ src/exp/expCPU.cpp src/filters/cpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_cpu.cpp -Iinclude -O3 -w -pthread -o executable/exp/cpuFilter `pkg-config --cflags --libs opencv4`

对实验材料执行滤波

./executable/exp/cpuFilter mean images/Origin/ output/CPU 2 3

【Filter】：滤波器类型，可选 gauss lap mean sobel
【Input (Image) Path】：输入图片路径，可以是图片或目录
【Output Path】：输出图片路径，只能是目录
【Num of Thread】：线程数
【Kernel Size】：对于一些滤波器这个参数可能是无效的
【Sigma】：对于一些滤波器这个参数可能是无效的

GPU 滤波

编译 Gauss、Laplacian、Mean和Sobel多合一滤波器：

nvcc src/exp/expGPU.cpp src/filters/gpuFilters.cpp src/core/conv_gpu.cu src/utils/utils.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/exp/gpuFilter `pkg-config --cflags --libs opencv4`

对实验材料执行滤波

./executable/exp/gpuFilter sobel images/Origin/ output/exp/ 32

【Filter】：滤波器类型，可选 gauss lap mean sobel
【Input (Image) Path】：输入图片路径，可以是图片或目录
【Output Path】：输出图片路径，只能是目录
【Block Size】：实际值为传入值的平方
【Kernel Size】：对于一些滤波器这个参数可能是无效的
【Sigma】：对于一些滤波器这个参数可能是无效的

OpenCV 滤波

编译 Gauss、Laplacian、Mean和Sobel多合一滤波器：

nvcc src/exp/expOpenCV.cpp src/filters/openCVFilters.cpp src/utils/utils.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/exp/openCVFilter `pkg-config --cflags --libs opencv4`

对实验材料执行滤波

./executable/exp/openCVFilter sobel images/Origin/ output/epx/

【Filter】：滤波器类型，可选 gauss lap mean sobel
【Input (Image) Path】：输入图片路径，可以是图片或目录
【Output Path】：输出图片路径，只能是目录
【Kernel Size】：对于一些滤波器这个参数可能是无效的
【Sigma】（必须）：对于一些滤波器这个参数可能是无效的

部署

与实验部分的编译内容不同的是，每个滤波器是独立的，并没有被集成到一个对象，因此它们占用资源更少。

编译

编译相机

g++ src/deploy/capture.cpp src/utils/utils.cpp -o executable/deploy/capture  -O3 -w -Iinclude `pkg-config --cflags --libs openc
v4`

捕获视频

./executable/deploy/capture

【Camera】：相机编号
【FPS】：写入帧率
【Path to save Video】：保存路径

CPU

编译 Gaussian Filter 部署应用

g++ -pthread src/deploy/cpuGauss.cpp src/filters/cpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_cpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/cpuGauss `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Laplacian Filter 部署应用

g++ -pthread src/deploy/cpuLap.cpp src/filters/cpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_cpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/cpuLap `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Mean Filter 部署应用

g++ -pthread src/deploy/cpuMean.cpp src/filters/cpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_cpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/cpuMean `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Sobel Filter 部署应用

g++ -pthread src/deploy/cpuSobel.cpp src/filters/cpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_cpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/cpuSobel `pkg-config --cflags --libs opencv4`

GPU

编译 Gaussian Filter 部署应用

nvcc src/deploy/gpuGauss.cpp src/filters/gpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_gpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/gpuGauss `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Laplacian Filter 部署应用

nvcc src/deploy/gpuLap.cpp src/filters/gpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_gpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/gpuLap `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Mean Filter 部署应用

nvcc src/deploy/gpuMean.cpp src/filters/gpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_gpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/gpuMean `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Sobel Filter 部署应用

nvcc src/deploy/gpuSobel.cpp src/filters/gpuFilters.cpp src/utils/utils.cpp src/core/conv_gpu.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/gpuSobel `pkg-config --cflags --libs opencv4`

OpenCV

编译 Gaussian Filter 部署应用

g++ src/deploy/openCVGauss.cpp src/filters/openCVFilters.cpp src/utils/utils.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/openCVGauss `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Laplacian Filter 部署应用

g++ src/deploy/openCVLap.cpp src/filters/openCVFilters.cpp src/utils/utils.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/openCVLap `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Mean Filter 部署应用

g++ src/deploy/openCVMean.cpp src/filters/openCVFilters.cpp src/utils/utils.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/openCVMean `pkg-config --cflags --libs opencv4`

编译 Sobel Filter 部署应用

g++ src/deploy/openCVSobel.cpp src/filters/openCVFilters.cpp src/utils/utils.cpp -Iinclude -O3 -w -o executable/deploy/openCVSobel `pkg-config --cflags --libs opencv4`

运行

CPU

运行 Gaussian Filter 部署应用

./executable/deploy/cpuGauss 0 32 1 0.5 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Num of Thread】
【Kernel Size】
【Sigma】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Laplacian Filter 部署应用

./executable/deploy/cpuLap 0 32 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Num of Thread】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Mean Filter 部署应用

./executable/deploy/cpuMean 0 32 5 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Num of Thread】
【Kernel Size】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Sobel Filter 部署应用

./executable/deploy/cpuSobel 0 32 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Num of Thread】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

GPU

运行 Gaussian Filter 部署应用

./executable/deploy/gpuGauss 0 32 1 0.5 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Block Size】
【Kernel Size】
【Sigma】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Laplacian Filter 部署应用

./executable/deploy/gpuLap 0 32 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Block Size】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Mean Filter 部署应用

./executable/deploy/gpuMean 0 32 5 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Block Size】
【Kernel Size】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Sobel Filter 部署应用

./executable/deploy/gpuSobel 0 32 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Block Size】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

OpenCV

运行 Gaussian Filter 部署应用

./executable/deploy/openCVGauss 0 1 0.5 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Block Size】
【Kernel Size】
【Sigma】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Laplacian Filter 部署应用

./executable/deploy/openCVLap 0 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Mean Filter 部署应用

./executable/deploy/openCVMean 0 5 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Kernel Size】
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

运行 Sobel Filter 部署应用

./executable/deploy/openCVSobel 0 on on on

【Camera/Video】：相机/视频路径，视频仅支持MP4
【Open Origin】：开启原图窗口 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Origin Video】：保存原视频 （设置为“on”时开启，其他情况不开启）
【Save Output Video】：保存输出视频（设置为“on”时开启，其他情况不开启）

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