c++ - 使用For循环生成随机视觉噪声

Question

我开始使用arduinos之类的语言开始进入C的中等深度，并且只想提供一些有关如何使用For循环生成随机噪声的建议。
重要的一点：

void testdrawnoise() {  
  int j = 0;
  for (uint8_t i=0; i<display.width(); i++) {
    if (i == display.width()-1) {
      j++;
      i=0;
    }
    M = random(0, 2); // Random 0/1
    display.drawPixel(i, j, M); // (Width, Height, Pixel on/off)
    display.refresh();
    }
  }

该功能在屏幕上一个接一个地绘制像素，一旦 i达到 display.width()-1，则向下移动到下一行。像素是亮（黑）还是灭（白）由 M确定。

该代码运行良好，但我认为它可以做得更好，或者至少更整洁，并且也许更有效。

输入和批评非常赞赏。

Answer 1

首先，循环永远不会结束，并且继续不断地递增j，因此，在填满屏幕一次之后，您将继续在屏幕高度之外进行循环。尽管您的库does bounds checking，在j溢出并恢复为零之前，在没有实际做有用工作的情况下肯定不会有效地使用CPU来继续循环。

另外，有符号的溢出在C ++中是未定义的行为，因此从技术上讲，您的立场是不稳定的（我本来以为Arduino总是使用-fwrapv进行编译，从而保证了有符号整数溢出（aa）的折回）。

鉴于您正在使用的库将整个帧缓冲区保留在内存中并通过refresh调用将其全部发送，因此在每个像素处重新发送它没有多大意义-尤其是因为帧传输可能是通过这是该循环中最慢的部分。因此，您可以将其移出循环。

将它们放在一起（加上缓存宽度和高度，并使用更简单的random重载），可以将其更改为：

void testdrawnoise() {
    int w = display.width(), h = display.height();
    for (int j=0; j<h; ++j) {
        for (int i=0; i<w; ++i) {
            display.drawPixel(i, j, random(2));
        }
    }
    display.refresh();
}

（如果您的屏幕尺寸在AVR Arduino上小于256，则可以通过将所有 int更改为 byte来获得一些好处，但是请不要相信我）

请注意，这只会执行一次，您可以将其放入 loop()函数或无限循环以使其继续生成随机模式。



您可以使用提供的界面来完成此操作。现在，进入无证件领域，我们可以更快。

如上所述，您正在使用的库将整个帧缓冲区保存在内存中，按预期以每字节8位打包（按预期）在单个名为 but apparently I was mistaken且初始化为 sharpmem_buffer的全局变量中。

还应注意的是，当您在代码中要求一个随机位时，PRNG会生成一个完整的31位随机数，并且仅占用低位。为什么要浪费所有其他完美的随机位？

同时，当您调用 malloc时，库将对内存中的相应字节执行一系列布尔运算，以仅设置您要的位，而不会触及其余位。相当愚蠢，因为无论如何您都会随机覆盖其他对象。

因此，将这两个事实放在一起，我们可以执行以下操作：

void testdrawnoise() {
    // access the buffer defined in another .cpp
    extern byte *sharpmem_buffer;
    byte *ptr = sharpmem_buffer; // pointer to current position
    // end position
    byte *end = ptr + display.width()*display.height()/8;
    for (; ptr!=end; ++ptr) {
        // store a full byte of random
        *ptr = random(256);
    }
    display.refresh();
}

减去 drawPixel时间，它应该比以前的版本至少快8倍（我实际上期望的要多得多，因为不仅循环的核心执行了1/8的迭代，而且它也更简单-除了 refresh()之外，没有函数调用，没有分支，没有对内存的布尔操作）。

在AVR Arduino上，唯一可以进一步优化的地方可能是RNG-我们仍然只使用31位中的8位（如果它们实际上是31位？Arduino文档照常糟透了，无法提供有用的技术信息）RNG，因此我们可能会从单个RNG调用中生成3个字节的随机数，如果切换到不打扰符号位的手摇式LCG，则可能会生成4个字节。在最后一种情况下，在ARM Arduino上，我们甚至可以通过在内存中执行完整的32位存储而不是写入单个字节来获得收益。

但是，这些进一步的优化是（1）编写乏味的（如果您必须处理像素数不是24/32的倍数的屏幕），并且（2）考虑到大部分时间都将花费不大通过SPI传输。无论如何都值得一提，因为它们在没有传输瓶颈来减慢所有速度的其他情况下可能很有用。

鉴于OP的MCU实际上是Cortex M0（因此是32位ARM），因此值得尝试使用完整的32位PRNG和32位存储来使其更快。

如上所述，内置的 random返回一个带符号的值，还不清楚它提供的范围是什么。因此，我们必须推出自己的PRNG，以保证提供32个完整的随机位。

一个能提供32个随机位且状态最小的PRNG是 with a random of the obvious size；我们将直接使用来自Wikipedia的xorshift32，因为我们实际上并不需要改进的“ *”或“ +”版本（我们也不关心较大的同行提供更长的期限）。

struct XorShift32 {
    uint32_t state = 0x12345678;
    uint32_t next() {
        uint32_t x = state;
        x ^= x << 13;
        x ^= x >> 17;
        x ^= x << 5;
        state = x;
        return x;
    }
};

XorShift32 xorShift;

现在我们可以重写 testdrawnoise()：

void testdrawnoise() {
    int size = display.width()*display.height();
    // access the buffer defined in another .cpp
    extern byte *sharpmem_buffer;
    /*
        we can access the framebuffer as if it was an array of 32-bit words;
        this is fine, since it was alloc-ed with malloc, which guarantees memory
        aligned for the most restrictive built-in type, and the library only
        uses it with byte pointers, so there should be no strict aliasing problem
    */
    uint32_t *ptr = (uint32_t *)sharpmem_buffer;
    /*
        notice that the division is an integer division, which truncates; so, we
        are filling the framebuffer up the the last multiple of 4 bytes; with
        "strange" sizes we may be leaving out up to 3 bytes (see later)
    */
    uint32_t *end = ptr + size/32;
    for (; ptr!=end; ++ptr) {
        // store a full byte of random
        *ptr = xorShift.next();
    }
    // now to fill the possibly missing last three bytes
    // pick it up where we left it
    byte *final_ptr = (byte *)end;
    byte *final_end = sharpmem_buffer + size/8;
    // generate 32 random bits; it's ok, we'll need at most 24
    uint32_t r = xorShift.next();
    for(; final_ptr!=final_end; ++final_ptr) {
        // take the lower 8 bits
        *final_ptr = r;
        // throw away the bits we used, get in the upper ones
        r = r>>8;
    }
    display.refresh();
}