基于c++的yolov5推理之前处理详解及代码（一）

目录

一、前言：

二、关于环境安装：

三、首先记录下自己的几个问题

  问题：c++部署和python部署的区别？

四、正文开始

  4.1 图像预处理讲解

  1、BGR---->RBG

  2、等比例放缩图片（涉及到短边的填充）

  3、归一化

  4、HWC---->NCHW

  5、将图像转为一维向量格式并将整理为连续内存

  4.2图像内存开辟与传递

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一、前言：

  之前实现了基于win环境中的python的加速部署过程，现在将c++实现过程进行记录，这次记录会非常详细。总的来说只要整个过程的思路捋清楚，保证思路是正确的，做起工作来就比较有方向性，开始记录。

二、关于环境安装：

  环境：wsl2+Ubuntu2004+cuda113+cudnn8.9.5.30+tensrort8.6.1.6+opencv4.2.0

  主要要安装的是cuda和cudnn和tensorrt。确定好版本，我本地cuda是11.7，cuda可以向下兼容，所以我wsl中使用11.3也是支持的。参考博客：【教程】Install NVIDIA TensorRT on WSL 在WSL上安装英伟达TensorRT_wsl tensorrt-CSDN博客，win11 WSL ubuntu安装CUDA、CUDNN、TensorRT最有效的方式-CSDN博客，这两个博客互补一下。

  tips：1、安装位置最好新建一个文件夹，放在一起，在设定环境变量的时候会方便些。

   2、opencv4版本会和libtorch1.10冲突，如果没有装libtorch之前opencv是好的，装了libtorch发现这两个库都用不了，大概率是版本冲突了（一踩坑，心态崩了一天时间，sad）但是不用libtorch也完全不影响推理。

三、首先记录下自己的几个问题

  问题：c++部署和python部署的区别？

    我最开始个人理解可能c++会更多设计自己手动开辟回收内存，在我实现c++部署之后，会过头看python实现过程，发现python也是手动开辟回收内存的，所以他们最重要的区别到底在哪里呢？

    回答：最重要的东西确实还是内存管理上，然后自然而然的会影响性能，还有系统集成中。      在内存管理方面：

        1、C++版本需要显式地管理所有资源的生命周期，包括内存分配和释放。

        2、Python版本虽然也进行了一些手动内存管理，但仍然依赖于Python的垃圾回收机制来处理大部分对象的清理。

        3、C++版本提供了更细粒度的控制，可以精确地控制何时分配和释放资源。

        4、Python版本在语法上更简洁，并且某些资源管理被抽象化，使得代码更容易编写和维护。

      性能方面：我理解在一些计算开销没有非常限制的情况下，或者执行次数不多的情况下两者区别不会拉太卡，但是涉及到性能的极致使用的情况下，肯定是c++性能要高出python。

        1、C++：通常能提供更高的性能，尤其是在低延迟场景中。直接编译为机器码，没有解释器开销。

        2、Python：有解释器开销，但在许多情况下，性能差异可能不明显，特别是当大部分计算都在GPU上进行时。

      生态集成方面：

        python更加依赖于python开发环境，而c++可以编译为动态库，限制更少一些。总的来说在工业应用中肯定吃c++更加方便些。

四、正文开始

  前处理主要分为两部分，第一部分是对image的格式的转换，即cv::imread读取上来的单张图片要转为符合深度学习torch中dataload中读取上来的nchw格式的数据。第二部分就是将这样格式的数据从cpu传输到GPU中。第二部分相对操作固定一些。

  Opencv读取图片格式转换为深度学习图片输入格式

  一般有两方面需要转换，第一方面是格式，第二方面是尺寸。一般来说应该是先进行格式转换，然后在进行尺寸变化，因为尺寸变化要是涉及到放缩的话，uint8的数据空间可能会一点，可能会有一些精度的损失。

  使用opencv中cv::imread读取上来的image一般保存在cv::Mat中，OpenCV 中的 cv::Mat 格式如下：

1. 数据类型：cv::Mat 默认使用 8 位无符号整数（CV_8U）存储图像数据。

2. 通道顺序：cv::Mat 默认使用 BGR 顺序存储图像通道。

3. 形状：cv::Mat 通常具有二维或三维矩阵结构，对应于 (height, width, channels)。

  而深度学习一般需要的输入数据格式如下：

1. 数据类型：深度学习模型通常使用 32 位浮点数（float32）存储图像数据。

2. 通道顺序：深度学习模型通常使用 RGB 顺序存储图像通道。

3. 形状：深度学习模型的输入形状通常为 (batch_size, channels, height, width)，即 NCHW 格式。

  以上是格式方面的区别，往往还有尺寸方面的区别。yolov5一般要求输入尺寸大小为640*640大小。我们还需要将图片进行缩放。注意：是等比例缩放。

  前处理流程和代码：

  4.1 图像预处理讲解

  首先创建处理图像的函数：

cv::Mat preImage(cv::Mat& rawBGRImage,int inputH, int inputW)

  我们创建一个preImage的函数，返回类型是cv::Mat类型，参数输入是一个cv::Mat类型的rawBGRImage的引用，同时输入两个整数，代表深度学习输入的大小，这里为640*640。

  第一步：

  1、BGR---->RBG

// BGR --> RGBcv::cvtColor(oriImage,image,cv::COLOR_BGR2RGB);

  2、等比例放缩图片（涉及到短边的填充）

首先获得原始图像的h和w；假设1280*1920int ori_h = oriImage.rows;int ori_w = oriImage.cols;std::cout<<"原始图片的size是"<<oriImage.size<<std::endl;
两边不一样长的图片要保证长边缩小到640，短边进行填充操作。// 取最小的因子，以保证长的一边被正确缩放，短边过度缩放可在后面使用padding填充// 这两个结果肯定小于1，使用整除会将结果截断为0double r = std::min(static_cast<double>(inputH) / ori_h, static_cast<double>(inputW) / ori_w);  std::cout<<"缩放因子 r 是"<< r <<std::endl;int new_h = std::round(ori_h * r);//四舍五入int new_w = std::round(ori_w * r);std::cout<<"新图片的size是"<<new_h <<","<<new_w<<std::endl;
计算填充大小，640减去新图像的边长//计算padding的大小,int dh = inputH - new_h;int dw = inputW - new_w;std::cout<<"需要填充的size是"<<dh <<","<<dw<<std::endl;// 使用双线性插值将图像进行等比例缩放cv::resize(image,image,cv::Size(new_h,new_w),0, 0, cv::INTER_LINEAR);
此时得到了一幅（427，640）的图像，需要对h边进行填充 //判断是否需要填充   if(dh > 0 || dw > 0){cv::resize(image,image,cv::Size(new_h,new_w),0, 0, cv::INTER_LINEAR);
计算填充的像素// Pad the short side with (128,128,128)int top = dh / 2;int bottom = dh - top;int left = dw / 2;int right = dw - left;std::cout<<"方框是"<<top <<","<<bottom<<","<<left<<","<<right<<std::endl;
进行填充，其中top，bottom，left，right等代表填充到图像上下左右的像素行数//扩充边界cv::copyMakeBorder(image, image, left, right, top, bottom, cv::BORDER_CONSTANT, cv::Scalar(128, 128, 128));std::cout<<"扩充边界之后的图片的size是"<<image.size<<std::endl;}
得到一幅填充到640*640大小的图像

  3、归一化

image.convertTo(image, CV_32F); //自动转，如果原图是32f，只拷贝，不做转换。image /= 255.0; // 8u转32f之后，原始像素值还是不变的，只是可表示范围变大了。

  4、HWC---->NCHW

// HWC to CHW format:并处理成cv中的dnn多维格式数据，类似于tensor？cv::Mat imageCHW;cv::dnn::blobFromImage(image, imageCHW, 1.0, cv::Size(), cv::Scalar(), false, false);//这种缩放会影响图像精度//该函数默认bs维度=1。cv::dnn::blobFromImages函数可以自由设定bs维度的值std::cout << "NCHW shape: " << imageCHW.size << std::endl;

    函数介绍：

    cv::dnn::blobFromImage 函数是 OpenCV 中的一个实用工具，用于将图像转换为深度学习模型所需的多维格式（通常是 NCHW，即 batch size、channels、height、width）。这是深度学习中常用的数据格式。

cv::Mat blobFromImage(const cv::Mat& image, //输入图像double scalefactor = 1.0, //缩放因子，用于缩放图像的每个像素值。默认值是 1.0const cv::Size& size = cv::Size(),//目标图像的大小。cv::Size(width, height) 格式。如果为 Size()，则保持原始图像大小。const cv::Scalar& mean = cv::Scalar(),//用于减去的均值向量，cv::Scalar(mean_r, mean_g, mean_b) 格式。用于均值归一化。bool swapRB = false,//是否交换R和B通道bool crop = false,//是否在缩放后裁剪图像。如果设置为 true，则图像会被裁剪以适应目标大小int ddepth = CV_32F//默认32位
);

  5、将图像转为一维向量格式并将整理为连续内存

    //此处还待确认，是否一定需要转为一维向量。实际测试下来发现转或不转都可以识别。

    cv::Mat imageNCHW = imageCHW.reshape(1, 1);std::cout << "zuihou d  NCHW shape: " << imageNCHW.size << std::endl;// Convert the image to row-major order, also known as "C order":// 复制矩阵 转换位行主序（C order）存储。意味着数据在内存中是按行连续存储的// 某些深度学习框架或推理引擎可能要求输入数据是连续存储的cv::Mat imageRowMajor;imageNCHW.copyTo(imageRowMajor);

  4.2图像内存开辟与传递

    首先设定图像大小并计算数据缓存区，然后将数据从cpu复制到gpu。

// 图像前处理函数实现
void YoLov5TRT::preprocessImage(const cv::Mat& image, float* gpu_input) {cv::Mat Image = image;// preImage函数中对图片进行详细前处理cv::Mat risezed_image = preImage(Image, H, W);size_t image_size = risezed_image.total() * risezed_image.channels(); // 计算输入大小，用来分配缓存区std::vector<float> input_data(image_size); // 分配输入数据缓冲区// 5. 使用 memcpy 复制数据std::memcpy(input_data.data(), risezed_image.data, image_size * sizeof(float));// 6. 异步复制数据到 GPUcudaMemcpyAsync(gpu_input, input_data.data(), image_size * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice, stream_);
}