python - 多进程视频处理

Question

我想对相邻帧进行视频处理。更具体地说，我想计算相邻帧之间的均方误差:

mean_squared_error(prev_frame,frame)

我知道如何以线性直接的方式计算它:我使用 imutils包利用队列来分离加载帧和处理它们。通过将它们存储在队列中，我不需要在处理它们之前等待它们。 ...但我想更快...

# import the necessary packages to read the video
import imutils
from imutils.video import FileVideoStream
# package to compute mean squared errror
from skimage.metrics import mean_squared_error

if __name__ == '__main__':

    # SPECIFY PATH TO VIDEO FILE
    file = "VIDEO_PATH.mp4" 

    # START IMUTILS VIDEO STREAM
    print("[INFO] starting video file thread...")
    fvs = FileVideoStream(path_video, transform=transform_image).start()

    # INITALIZE LIST to store the results
    mean_square_error_list = []

    # READ PREVIOUS FRAME
    prev_frame = fvs.read()

    # LOOP over frames from the video file stream
    while fvs.more():

        # GRAP THE NEXT FRAME from the threaded video file stream
        frame = fvs.read()

        # COMPUTE the metric
        metric_val = mean_squared_error(prev_frame,frame)
        mean_square_error_list.append(1-metric_val) # Append to list

        # UPDATE previous frame variable 
        prev_frame = frame

现在我的问题是:如何对指标的计算进行多重处理以提高速度并节省时间？

My operating system is Windows 10 and I am using python 3.8.0

Answer 1

让事情变得更快的方面太多了，我只关注多处理部分。

由于您不想一次阅读整个视频，我们必须逐帧阅读视频。

我将使用 opencv (cv2)、numpy 读取帧、计算 mse 并将 mse 保存到磁盘。

首先，我们可以在没有任何多处理的情况下开始，这样我们就可以对我们的结果进行基准测试。我正在使用 1920 x 1080 尺寸的视频，60 FPS，持续时间:1:29，大​​小:100 MB。

import cv2
import sys
import time

import numpy as np
import subprocess as sp
import multiprocessing as mp

filename = '2.mp4'

def process_video():    
    cap = cv2.VideoCapture(filename)

    proc_frames = 0

    mse = []
    prev_frame = None
    ret = True
    while ret:
        ret, frame = cap.read() # reading frames sequentially
        if ret == False:
            break

        if not (prev_frame is None):
            c_mse = np.mean(np.square(prev_frame-frame))
            mse.append(c_mse)

        prev_frame = frame

        proc_frames += 1

    np.save('data/' + 'sp' + '.npy', np.array(mse))

    cap.release()
    return


if __name__ == "__main__":

    t1 = time.time()

    process_video()

    t2 = time.time()

    print(t2-t1)

在我的系统中，它运行了 142 秒。

现在，我们可以采用多处理方法。这个想法可以用下图来概括。

---

GIF 图片来源:Google

---

我们制作一些片段(基于我们有多少 cpu 内核)并并行处理这些片段帧。

import cv2
import sys
import time

import numpy as np
import subprocess as sp
import multiprocessing as mp

filename = '2.mp4'

def process_video(group_number):    
    cap = cv2.VideoCapture(filename)
    num_processes = mp.cpu_count()
    frame_jump_unit = cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT) // num_processes
    cap.set(cv2.CAP_PROP_POS_FRAMES, frame_jump_unit * group_number)
    proc_frames = 0

    mse = []
    prev_frame = None
    while proc_frames < frame_jump_unit:
        ret, frame = cap.read()
        if ret == False:
            break

        if not (prev_frame is None):
            c_mse = np.mean(np.square(prev_frame-frame))
            mse.append(c_mse)

        prev_frame = frame

        proc_frames += 1

    np.save('data/' + str(group_number) + '.npy', np.array(mse))

    cap.release()
    return


if __name__ == "__main__":

    t1 = time.time()

    num_processes =  mp.cpu_count()
    print(f'CPU: {num_processes}')

    # only meta-data
    cap = cv2.VideoCapture(filename)

    width = int(cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
    height = int(cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))
    fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)
    frame_jump_unit = cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT) // num_processes
    cap.release()

    p = mp.Pool(num_processes)
    p.map(process_video, range(num_processes))

    # merging



    # the missing mse will be 

    final_mse = []
    for i in range(num_processes):
        na = np.load(f'data/{i}.npy')
        final_mse.extend(na)


        try:
            cap = cv2.VideoCapture(filename) # you could also take it outside the loop to reduce some overhead
            frame_no = (frame_jump_unit) * (i+1) - 1
            print(frame_no)
            cap.set(1, frame_no)
            _, frame1 = cap.read()
            #cap.set(1, ((frame_jump_unit) * (i+1)))
            _, frame2 = cap.read()
            c_mse = np.mean(np.square(frame1-frame2))
            final_mse.append(c_mse)
            cap.release()
        except:
            print('failed in 1 case')
            # in the last few frames, nothing left
            pass




    t2 = time.time()

    print(t2-t1)

    np.save(f'data/final_mse.npy', np.array(final_mse))

我只使用 numpy save要保存部分结果，您可以尝试更好的方法。

这个用我的 cpu_count 运行 49.56 秒 = 12. 肯定有一些瓶颈可以避免以使其运行得更快。

我的实现的唯一问题是，它缺少 mse对于视频被分割的区域，添加起来非常容易。因为我们可以在 O(1) 中使用 OpenCV 在任何位置索引单个帧，所以我们可以直接转到这些位置并计算 mse。分开并合并到最终解决方案。 [检查更新的代码，它修复了合并部分]

您可以编写一个简单的完整性检查来确保两者提供相同的结果。

import numpy as np

a = np.load('data/sp.npy')

b = np.load('data/final_mse.npy')

print(a.shape)

print(b.shape)

print(a[:10])

print(b[:10])

for i in range(len(a)):
    if a[i] != b[i]:
        print(i)

现在，一些额外的加速可以来自使用 CUDA 编译的 opencv、ffmpeg、添加排队机制和多处理等。