java - 如何进一步优化这个色差函数？

Question

我做了这个函数来计算 CIE Lab 颜色空间中的颜色差异，但它缺乏速度。由于我不是 Java 专家，我想知道周围是否有任何 Java 大师有一些可以提高这里速度的技巧。

代码基于评论区提到的matlab函数。

/**
 * Compute the CIEDE2000 color-difference between the sample color with
 * CIELab coordinates 'sample' and a standard color with CIELab coordinates
 * 'std'
 *
 * Based on the article:
 * "The CIEDE2000 Color-Difference Formula: Implementation Notes,
 * Supplementary Test Data, and Mathematical Observations,", G. Sharma,
 * W. Wu, E. N. Dalal, submitted to Color Research and Application,
 * January 2004.
 * available at http://www.ece.rochester.edu/~gsharma/ciede2000/
 */
public static double deltaE2000(double[] lab1, double[] lab2)
{
    double L1 = lab1[0];
    double a1 = lab1[1];
    double b1 = lab1[2];

    double L2 = lab2[0];
    double a2 = lab2[1];
    double b2 = lab2[2];

    // Cab = sqrt(a^2 + b^2)
    double Cab1 = Math.sqrt(a1 * a1 + b1 * b1);
    double Cab2 = Math.sqrt(a2 * a2 + b2 * b2);

    // CabAvg = (Cab1 + Cab2) / 2
    double CabAvg = (Cab1 + Cab2) / 2;

    // G = 1 + (1 - sqrt((CabAvg^7) / (CabAvg^7 + 25^7))) / 2
    double CabAvg7 = Math.pow(CabAvg, 7);
    double G = 1 + (1 - Math.sqrt(CabAvg7 / (CabAvg7 + 6103515625.0))) / 2;

    // ap = G * a
    double ap1 = G * a1;
    double ap2 = G * a2;

    // Cp = sqrt(ap^2 + b^2)
    double Cp1 = Math.sqrt(ap1 * ap1 + b1 * b1);
    double Cp2 = Math.sqrt(ap2 * ap2 + b2 * b2);

    // CpProd = (Cp1 * Cp2)
    double CpProd = Cp1 * Cp2;

    // hp1 = atan2(b1, ap1)
    double hp1 = Math.atan2(b1, ap1);
    // ensure hue is between 0 and 2pi
    if (hp1 < 0) {
        // hp1 = hp1 + 2pi
        hp1 += 6.283185307179586476925286766559;
    }

    // hp2 = atan2(b2, ap2)
    double hp2 = Math.atan2(b2, ap2);
    // ensure hue is between 0 and 2pi
    if (hp2 < 0) {
        // hp2 = hp2 + 2pi
        hp2 += 6.283185307179586476925286766559;
    }

    // dL = L2 - L1
    double dL = L2 - L1;

    // dC = Cp2 - Cp1
    double dC = Cp2 - Cp1;

    // computation of hue difference
    double dhp = 0.0;
    // set hue difference to zero if the product of chromas is zero
    if (CpProd != 0) {
        // dhp = hp2 - hp1
        dhp = hp2 - hp1;
        if (dhp > Math.PI) {
            // dhp = dhp - 2pi
            dhp -= 6.283185307179586476925286766559;
        } else if (dhp < -Math.PI) {
            // dhp = dhp + 2pi
            dhp += 6.283185307179586476925286766559;
        }
    }

    // dH = 2 * sqrt(CpProd) * sin(dhp / 2)
    double dH = 2 * Math.sqrt(CpProd) * Math.sin(dhp / 2);

    // weighting functions
    // Lp = (L1 + L2) / 2 - 50
    double Lp = (L1 + L2) / 2 - 50;

    // Cp = (Cp1 + Cp2) / 2
    double Cp = (Cp1 + Cp2) / 2;

    // average hue computation
    // hp = (hp1 + hp2) / 2
    double hp = (hp1 + hp2) / 2;

    // identify positions for which abs hue diff exceeds 180 degrees
    if (Math.abs(hp1 - hp2) > Math.PI) {
        // hp = hp - pi
        hp -= Math.PI;
    }
    // ensure hue is between 0 and 2pi
    if (hp < 0) {
        // hp = hp + 2pi
        hp += 6.283185307179586476925286766559;
    }

    // LpSqr = Lp^2
    double LpSqr = Lp * Lp;

    // Sl = 1 + 0.015 * LpSqr / sqrt(20 + LpSqr)
    double Sl = 1 + 0.015 * LpSqr / Math.sqrt(20 + LpSqr);

    // Sc = 1 + 0.045 * Cp
    double Sc = 1 + 0.045 * Cp;

    // T = 1 - 0.17 * cos(hp - pi / 6) +
    //       + 0.24 * cos(2 * hp) +
    //       + 0.32 * cos(3 * hp + pi / 30) -
    //       - 0.20 * cos(4 * hp - 63 * pi / 180)
    double hphp = hp + hp;
    double T = 1 - 0.17 * Math.cos(hp - 0.52359877559829887307710723054658)
            + 0.24 * Math.cos(hphp)
            + 0.32 * Math.cos(hphp + hp + 0.10471975511965977461542144610932)
            - 0.20 * Math.cos(hphp + hphp - 1.0995574287564276334619251841478);

    // Sh = 1 + 0.015 * Cp * T
    double Sh = 1 + 0.015 * Cp * T;

    // deltaThetaRad = (pi / 3) * e^-(36 / (5 * pi) * hp - 11)^2
    double powerBase = hp - 4.799655442984406;
    double deltaThetaRad = 1.0471975511965977461542144610932 * Math.exp(-5.25249016001879 * powerBase * powerBase);

    // Rc = 2 * sqrt((Cp^7) / (Cp^7 + 25^7))
    double Cp7 = Math.pow(Cp, 7);
    double Rc = 2 * Math.sqrt(Cp7 / (Cp7 + 6103515625.0));

    // RT = -sin(delthetarad) * Rc
    double RT = -Math.sin(deltaThetaRad) * Rc;

    // de00 = sqrt((dL / Sl)^2 + (dC / Sc)^2 + (dH / Sh)^2 + RT * (dC / Sc) * (dH / Sh))
    double dLSl = dL / Sl;
    double dCSc = dC / Sc;
    double dHSh = dH / Sh;
    return Math.sqrt(dLSl * dLSl + dCSc * dCSc + dHSh * dHSh + RT * dCSc * dHSh);
}

Answer 1

cos 很贵，尤其是连续4个。您似乎在计算 cos(na+b)，其中 b 是常数，n 是小整数。这意味着您可以预先计算 cos(b) 和 sin(b)，并在运行时只计算 cos(hp) 和 sin(hp)。您可以通过重复使用

来获得 cos(na+b)

cos(a+b) = cos(a)*cos(b)-sin(a)*sin(b)

您将用一些 sin 和 cos 来换取一些乘法和加法，这几乎肯定是值得的。

如果您有雄心壮志，您可以做得更好。您正在从 atan2 间接获得 hp。模式 trig-function(rational-function(inverse-trig-function(x))) 可以经常替换为多项式和根的某种组合，这些组合的计算速度比三角函数快。

我不知道 pow 在 Java 中是如何实现的，但如果它使用日志，你最好使用 Cp2=Cp* 获取 Cp7 Cp;Cp4=Cp2*Cp2;Cp7=Cp4*Cp2*Cp;

更新:因为我没有时间真正重写代码，所以现在有点猜测。功率优化和三角优化实际上是变相的同一件事!三角优化是应用于复数的幂优化的一个版本。更重要的是，行

double dH = 2 * Math.sqrt(CpProd) * Math.sin(dhp / 2);

是复数平方根运算的一部分。这让我觉得实际上可以编写大部分代码来使用复数来消除几乎所有的三角函数。虽然我不知道你的复数算术怎么样......