OpenCV-Python实战（番外篇）——OpenCV、NumPy和Matplotlib直方图比较

前言

在《OpenCV-Python实战（7）——直方图详解（❤️万字长文，含大量示例❤️）》中，我们学习了使用 OpenCV 提供的 cv2.calcHist() 函数来计算直方图。此外，NumPy 和 Matplotlib 同样也为创建直方图提供了类似的函数。出于提高性能目的，我们来比较这些函数，使用 OpenCV、NumPy 和 Matplotlib 创建直方图，然后测量每个直方图计算的执行时间并将结果绘制在图形中。

OpenCV、NumPy和Matplotlib灰度直方图比较

使用 timeit.default_timer 测量执行时间，因为它会自动提供系统平台和 Python 版本上可用的最佳时钟，首先将其导入：

from timeit import default_timer as timer

可以使用以下方法计算程序的执行时间：

start = timer()
# 程序执行
end = timer()
execution_time = start - end

考虑到 default_timer() 测量值可能会受到同时运行的其他程序的影响。因此，获取准确计时的最佳方法是重复数次并使用最佳时间。
而为了计算和比较直方图，我们需要使用以下函数：

1. OpenCV 提供 cv2.calcHist() 函数
2. NumPy 提供的 np.histogram() 函数
3. Matplotlib 提供的 plt.hist() 函数

用于计算上述每个函数的执行时间的代码如下：

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt
from timeit import default_timer as timer


def show_img_with_matplotlib(color_img, title, pos):
    img_RGB = color_img[:, :, ::-1]

    ax = plt.subplot(1, 4, pos)
    plt.imshow(img_RGB)
    plt.title(title)
    plt.axis('off')

def show_hist_with_matplotlib_gray(hist, title, pos, color):
    ax = plt.subplot(1, 4, pos)
    plt.title(title)
    plt.xlabel("bins")
    plt.ylabel("number of pixels")
    plt.xlim([0, 256])
    plt.plot(hist, color=color)


plt.figure(figsize=(18, 6))
plt.suptitle("Comparing histogram (OpenCV, numpy, matplotlib)", fontsize=14, fontweight='bold')

image = cv2.imread('example.png')
gray_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

# 计算 cv2.calcHist() 执行时间
start = timer()
hist = cv2.calcHist([gray_image], [0], None, [256], [0, 256])
end = timer()
# 乘以1000将单位转换为毫秒
exec_time_calc_hist = (end - start) * 1000

# 计算 np.histogram() 执行时间
start = timer()
hist_np, bin_np = np.histogram(gray_image.ravel(), 256, [0, 256])
end = timer()
exec_time_np_hist = (end - start) * 1000

# 计算 plt.hist() 执行时间
start = timer()
# 调用 plt.hist() 计算直方图
(n, bins, patches) = plt.hist(gray_image.ravel(), 256, [0, 256])
end = timer()
exec_time_plt_hist = (end - start) * 1000

# 绘制灰度图及其直方图
how_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(gray_image, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray", 1)
show_hist_with_matplotlib_gray(hist, "grayscale histogram (OpenCV)-" + str('% 6.2f ms' % exec_time_calc_hist), 2, 'm')
show_hist_with_matplotlib_gray(hist_np, "grayscale histogram (Numpy)-" + str('% 6.2f ms' % exec_time_np_hist), 3, 'm')
show_hist_with_matplotlib_gray(n, "grayscale histogram (Matplotlib)-" + str('% 6.2f ms' % exec_time_plt_hist), 4, 'm')

plt.show()

OpenCV、NumPy和Matplotlib颜色直方图比较

对比颜色直方图的方法与灰度直方图类似：

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt
from timeit import default_timer as timer


def show_img_with_matplotlib(color_img, title, pos):
    img_RGB = color_img[:, :, ::-1]

    ax = plt.subplot(1, 4, pos)
    plt.imshow(img_RGB)
    plt.title(title)
    plt.axis('off')

def show_hist_with_matplotlib_rgb(hist, title, pos, color):
    ax = plt.subplot(1, 4, pos)
    plt.title(title)
    plt.xlabel("bins")
    plt.ylabel("number of pixels")
    plt.xlim([0, 256])

    for (h, c) in zip(hist, color):
        plt.plot(h, color=c)

plt.figure(figsize=(18, 6))
plt.suptitle("Comparing histogram (OpenCV, numpy, matplotlib)", fontsize=14, fontweight='bold')

image = cv2.imread('example.png')

# 计算 cv2.calcHist() 执行时间
start = timer()
def hist_color_img(img):
    histr = []
    histr.append(cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0, 256]))
    histr.append(cv2.calcHist([img], [1], None, [256], [0, 256]))
    histr.append(cv2.calcHist([img], [2], None, [256], [0, 256]))
    return histr

hist= hist_color_img(image)
end = timer()
exec_time_calc_hist = (end - start) * 1000

# 计算 np.histogram() 执行时间
start = timer()
def hist_color_img_np(img):
    histr = []
    hist_np, bin_np = np.histogram(img[:,:,0].ravel(), 256, [0, 256])
    histr.append(hist_np)
    hist_np, bin_np = np.histogram(img[:,:,1].ravel(), 256, [0, 256])
    histr.append(hist_np)
    hist_np, bin_np = np.histogram(img[:,:,2].ravel(), 256, [0, 256])
    histr.append(hist_np)
    return histr
hist_np = hist_color_img_np(image)
end = timer()
exec_time_np_hist = (end - start) * 1000

# 计算 plt.hist 执行时间
start = timer()
def hist_color_img_plt(img):
    histr = []
    (n, bins, patches) = plt.hist(image[:,:,0].ravel(), 256, [0, 256])
    histr.append(n)
    (n, bins, patches) = plt.hist(image[:,:,1].ravel(), 256, [0, 256])
    histr.append(n)
    (n, bins, patches) = plt.hist(image[:,:,2].ravel(), 256, [0, 256])
    histr.append(n)
    return histr
n = hist_color_img_plt(image)
end = timer()
exec_time_plt_hist = (end - start) * 1000

# 绘制图像及其颜色直方图
show_img_with_matplotlib(image, "color", 1)
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist, "color histogram (OpenCV)-" + str('% 6.2f ms' % exec_time_calc_hist), 2, ['b', 'g', 'r'])
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist_np, "color histogram (Numpy)-" + str('% 6.2f ms' % exec_time_np_hist), 3, ['b', 'g', 'r'])
show_hist_with_matplotlib_rgb(n, "color histogram (Matplotlib)-" + str('% 6.2f ms' % exec_time_plt_hist), 4, ['b', 'g', 'r'])

plt.show()

由上面两个实例可以看出，cv2.calcHist() 的执行速度比 np.histogram() 和 plt.hist() 都快。因此，出于性能考虑，在计算图像直方图时可以使用 OpenCV 函数。

相关链接

《OpenCV-Python实战（7）——直方图详解（❤️万字长文，含大量示例❤️）》