【C言語】マルチスレッドで画像の拡大縮小を高速化

multiresize.c

#include "myJpeg.h"
#include <time.h>
#include <pthread.h>

/* スレッドの数 */
#define NUM_THREAD 4

/* スレッドで参照するデータ */
struct thread_data{
  /* 拡大後画像の情報および拡大後BITMAPデータ格納用 */
  BITMAPDATA_t *output;
  /* 入力画像の情報 */
  BITMAPDATA_t *input;
  /* 拡大率 */
  double scaleW;
  double scaleH;
  /* このスレッドで処理する範囲 */
  int startm;
  int endm;
  int startn;
  int endn;
};

void *resize(void *arg);

/* スレッドで実行する関数 */
void *resize(void *arg){
  int m, n, c;
  int m0, m1, n0, n1;
  double originalm, originaln;
  double dm, dn;
  struct thread_data *thdata = (struct thread_data*)arg;

  /* このスレッドの処理する範囲に対して線形補間で画像拡大 */
  for(n = thdata->startn; n < thdata->endn; n++){
    for(m = thdata->startm; m < thdata->endm; m++){
      for(c = 0; c < thdata->input->ch; c++){

        /* 入力画像における横方向座標を線形補間で算出 */
        originalm = (double)m / (double)thdata->scaleW;
        m0 = (int)originalm;
        dm = originalm - m0;
        m1 = m0 + 1;
        if(m1 == thdata->input->width) m1 = thdata->input->width - 1;

        /* 入力画像における縦方向座標を線形補間で算出 */
        originaln = (double)n / (double)thdata->scaleH;
        n0 = (int)originaln;
        dn = originaln - n0;
        n1 = n0 + 1;
        if(n1 == thdata->input->height) n1 = thdata->input->height - 1;

        /* 線形補間で算出した座標のRGB値を拡大後画像用のメモリに格納 */
        thdata->output->data[thdata->output->ch * (m + n * thdata->output->width) + c]
          = thdata->input->data[thdata->input->ch * (m1 + n1 * thdata->input->width) + c] * dm * dn
          + thdata->input->data[thdata->input->ch * (m1 + n0 * thdata->input->width) + c] * dm * (1 - dn)
          + thdata->input->data[thdata->input->ch * (m0 + n1 * thdata->input->width) + c] * (1- dm) * dn
          + thdata->input->data[thdata->input->ch * (m0 + n0 * thdata->input->width) + c] * (1 -dm) * (1 - dn);
      }
    }
  }
  return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]){
  /* 画像のBITMAPデータ情報 */
  BITMAPDATA_t bitmap, scaledBitmap;
  /* 拡大率 */
  double scaleW, scaleH;
  /* 出力ファイル名 */
  char outname[256];
  /* スレッドのインデックス */
  int n;
  /* スレッド */
  pthread_t thread[NUM_THREAD];
  /* スレッドで参照するデータ */
  struct thread_data thdata[NUM_THREAD];
  /* 処理時間計測用 */
  time_t start, end;

  /* 引数チェック */
  if(argc != 4){
    printf("ファイル名、幅方向拡大率、高さ方向拡大率の３つを引数に指定してください\n");
    return -1;
  }

  /* 引数から拡大率を取得 */
  scaleW = atof(argv[2]);
  scaleH = atof(argv[3]);

  /* 入力jpegファイル読み込んで情報bitmapへ格納 */
  if(jpegFileReadDecode(&bitmap, argv[1]) == -1){
    printf("jpegFileReadDecode error\n");
    return -1;
  }

  /* 入力画像の情報と拡大率から拡大後の画像の情報を格納 */
  scaledBitmap.width = scaleW * bitmap.width;
  scaledBitmap.height = scaleH * bitmap.height;
  scaledBitmap.ch = bitmap.ch;

  /* パラメータチェック */
  if(scaledBitmap.width == 0 || scaledBitmap.height == 0){
    printf("拡大縮小後の幅もしくは高さが０です\n");
    freeBitmapData(&bitmap);
    return -1;
  }

  /* 拡大後画像のBITMAPデータ格納用のメモリ確保 */
  scaledBitmap.data = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * scaledBitmap.width * scaledBitmap.height * scaledBitmap.ch);
  if(scaledBitmap.data == NULL){
    printf("malloc scaledBitmap error\n");
    freeBitmapData(&bitmap);
    return -1;
  }

  /* スレッドで参照するためのデータを格納 */
  for(n = 0; n < NUM_THREAD; n++){
    /* 出力画像の情報および拡大後画像のBITMAPデータ格納用 */
    thdata[n].output = &scaledBitmap;
    /* 入力画像の情報 */
    thdata[n].input = &bitmap;
    /* 横方向拡大率 */
    thdata[n].scaleW = scaleW;
    /* 縦方向拡大率 */
    thdata[n].scaleH = scaleH;
    /* このスレッドで処理する横方向の開始点 */
    thdata[n].startm = 0;
    /* このスレッドで処理する横方向の終了点 */
    thdata[n].endm = scaledBitmap.width;
    /* このスレッドで処理する横縦方向の開始点 */
    thdata[n].startn = n * scaledBitmap.height / NUM_THREAD;
    /* このスレッドで処理する縦方向の終了点 */
    thdata[n].endn = (n+1) * scaledBitmap.height / NUM_THREAD;
  }
  /* 画像の高さがNUM_THRADの倍数でない場合の微調整 */
  thdata[NUM_THREAD-1].endn = scaledBitmap.height;

  start = time(NULL);

  /* NUM_THREAD個ののスレッドを生成 */
  /* スレッドで実行するのresize関数 */
  for(n = 0; n < NUM_THREAD; n++){
    pthread_create(&thread[n], NULL, resize, &thdata[n]);
  }

  /* NUM_THREAD個のスレッドの終了まで待つ */
  for(n = 0; n < NUM_THREAD; n++){
    pthread_join(thread[n], NULL);
  }

  end = time(NULL);
  printf("processing time:%ld[s]\n", end - start);

  /* 拡大後画像の出力ファイル名を設定 */
  sprintf(outname, "%s", "linear.jpeg");

  /* 拡大後画像をJPEG形式でファイル出力 */
  if(jpegFileEncodeWrite(&scaledBitmap, outname) == -1){
    printf("jpegFileEncodeWrite error\n");
    freeBitmapData(&scaledBitmap);
    freeBitmapData(&bitmap);
    return -1;
  }

  /* 確保したメモリを解放 */
  freeBitmapData(&scaledBitmap);
  freeBitmapData(&bitmap);

  return 0;
}

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また JPEG の読み込みと書き込みを行うため、libjpeg をインストールしておく必要があります。

libjpeg をインストールしておくとC言語でJPEGファイルを使ったプログラムが簡単に作れるようになりますので興味があればインストールしておくことをオススメします。

この libjpeg のインストール方法についても上記のページで紹介していますので、こちらを参考にしてインストールしていただければと思います。

gcc を用いたコマンドラインからのコンパイルは下記で行うことができます。

> gcc myJpeg.c -c
> gcc multiresize.c -c
> gcc myJpeg.o multiresize.o -ljpeg -lpthread -o multiresize.exe

–ljpeg を付けることで libjpeg ライブラリを、-lpthread を付けることで pthread ライブラリをそれぞれリンクしています。

実行時は下記のように３つの引数を指定します。

./multiresize.exe cat.jpeg 2 2

指定する引数は下記の３つになります。

• 第１引数：入力する JPEG ファイルへのパス
• 第２引数：横方向の拡大率
• 第３引数：縦方向の拡大率

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プログラムの解説

ではプログラムのポイントを解説していきます。

マルチスレッド以外の部分

線形補間による座標の計算方法等のマルチスレッド以外の部分については下のページで解説していますのでこちらを参考にしてください。

[kanren id=1840]

スレッド数の定義

スレッド数は下記で定義しています。

[codebox title="スレッド数の定義"]

/* スレッドの数 */
#define NUM_THREAD 4

構造体の定義

/* スレッドで参照するデータ */
struct thread_data{
  /* 拡大後画像の情報および拡大後BITMAPデータ格納用 */
  BITMAPDATA_t *output;
  /* 入力画像の情報 */
  BITMAPDATA_t *input;
  /* 拡大率 */
  double scaleW;
  double scaleH;
  /* このスレッドで処理する範囲 */
  int startm;
  int endm;
  int startn;
  int endn;
};

構造体への値の格納

  /* スレッドで参照するためのデータを格納 */
  for(n = 0; n < NUM_THREAD; n++){
    /* 出力画像の情報および拡大後画像のBITMAPデータ格納用 */
    thdata[n].output = &scaledBitmap;
    /* 入力画像の情報 */
    thdata[n].input = &bitmap;
    /* 横方向拡大率 */
    thdata[n].scaleW = scaleW;
    /* 縦方向拡大率 */
    thdata[n].scaleH = scaleH;
    /* このスレッドで処理する横方向の開始点 */
    thdata[n].startm = 0;
    /* このスレッドで処理する横方向の終了点 */
    thdata[n].endm = scaledBitmap.width;
    /* このスレッドで処理する横縦方向の開始点 */
    thdata[n].startn = n * scaledBitmap.height / NUM_THREAD;
    /* このスレッドで処理する縦方向の終了点 */
    thdata[n].endn = (n+1) * scaledBitmap.height / NUM_THREAD;
  }
  /* 画像の高さがNUM_THRADの倍数でない場合の微調整 */
  thdata[NUM_THREAD-1].endn = scaledBitmap.height;

スレッドの生成

  /* NUM_THREAD個ののスレッドを生成 */
  /* スレッドで実行するのresize関数 */
  for(n = 0; n < NUM_THREAD; n++){
    pthread_create(&thread[n], NULL, resize, &thdata[n]);
  }

拡大縮小を行うループ

  /* このスレッドの処理する範囲に対して線形補間で画像拡大 */
  for(n = thdata->startn; n < thdata->endn; n++){
    for(m = thdata->startm; m < thdata->endm; m++){
      /* 拡大縮小処理 */
   }
}

スレッドの同期

  /* NUM_THREAD個のスレッドの終了まで待つ */
  for(n = 0; n < NUM_THREAD; n++){
    pthread_join(thread[n], NULL);
  }

スレッド数の定義

/* スレッドの数 */
#define NUM_THREAD 4