optimizing a for loop with lookup-table using ARM Neon instructions

I’m trying to optimize a for loop as fast I can achieve for the Quad-core ARM Cortex-A53
CPU. So I’ve done a comparison between four different approaches.

See the following plot, where Y axis is the frames per second and X axis is the frame number. The higher frame rate (Y axis) the better.

SIMD: using neon arm instructions

parallel omp: running the for loop in hist in parallel using OpenMP with pre starting threads

cv::parallel_for_: running the for loop in hist in parallel using OpenCV

SIMD + cv::parallel_for_: is using both

My question is about ARM NEON implementation, if you can review my code and any suggestions to run the code faster.

The following working code shows only the SIMD part with no parallelization:

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric> // For std::iota
#include <array> // Structure to hold cached parameters

#ifdef __ARM_NEON
#include <arm_neon.h>
#else
#error "ARM Compiler required."
#endif

struct Cache {
    std::array<uchar, 256> lut_b;
    std::array<uchar, 256> lut_g;
    std::array<uchar, 256> lut_r;
};

// Function to compute simple example data and lookup tables
void compute_data(const cv::Mat& image, Cache& cache) {
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        cache.lut_b[i] = static_cast<uchar>(i);
        cache.lut_g[i] = static_cast<uchar>(i);
        cache.lut_r[i] = static_cast<uchar>(i);
    }
}

// Function to apply lookup table. vy[i] = vtable[vx[i]]
static inline uint8x16_t lookup_neon(const uint8x16x4_t vtable[4], uint8x16_t vx) {
    const uint8x16_t voffset = vmovq_n_u8(64);
    uint8x16_t vy = vqtbl4q_u8(vtable[0], vx);
    vx = vsubq_u8(vx, voffset);
    vy = vqtbx4q_u8(vy, vtable[1], vx);
    vx = vsubq_u8(vx, voffset);
    vy = vqtbx4q_u8(vy, vtable[2], vx);
    vx = vsubq_u8(vx, voffset);
    vy = vqtbx4q_u8(vy, vtable[3], vx);
    return vy;
}

void hist(cv::Mat& image, Cache& cache, bool use_cache) {
    if (!use_cache) {
        compute_data(image, cache);
    }
    // Load cache in registers. (4x4 128-bit registers)
    const uint8x16x4_t vtable_b[4] = {
        vld1q_u8_x4(cache.lut_b.data() + 16 * 4 * 0),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_b.data() + 16 * 4 * 1),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_b.data() + 16 * 4 * 2),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_b.data() + 16 * 4 * 3)
    };
    const uint8x16x4_t vtable_g[4] = {
        vld1q_u8_x4(cache.lut_g.data() + 16 * 4 * 0),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_g.data() + 16 * 4 * 1),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_g.data() + 16 * 4 * 2),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_g.data() + 16 * 4 * 3)
    };
    const uint8x16x4_t vtable_r[4] = {
        vld1q_u8_x4(cache.lut_r.data() + 16 * 4 * 0),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_r.data() + 16 * 4 * 1),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_r.data() + 16 * 4 * 2),
        vld1q_u8_x4(cache.lut_r.data() + 16 * 4 * 3)
    };
    for (int i = 0; i < image.rows; ++i) {
        uint8_t* row_ptr = image.ptr(i);
        int j = 0;
        // Apply transformation on elements multiple of 16.
        for (; (j + 16) <= image.cols; j += 16) {
            // Load and deinterleave the elements.
            uint8x16x3_t vec = vld3q_u8(row_ptr);
            vec.val[0] = lookup_neon(vtable_b, vec.val[0]);
            vec.val[1] = lookup_neon(vtable_g, vec.val[1]);
            vec.val[2] = lookup_neon(vtable_r, vec.val[2]);
            vst3q_u8(row_ptr, vec);
            // Interleave and stores the elements.
            row_ptr += 3 * 16;
        }
        // Apply transformation on leftover elements.
        for (; j < image.cols; ++j) {
            row_ptr[0] = cache.lut_b[row_ptr[0]];
            row_ptr[1] = cache.lut_g[row_ptr[1]];
            row_ptr[2] = cache.lut_r[row_ptr[2]];
            row_ptr += 3;
        }
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    // Open the video file
    cv::VideoCapture cap("video.mp4");
    if (!cap.isOpened()) {
        std::cerr << "Error opening video file" << std::endl;
        return -1;
    }

    // Get the frame rate of the video
    double fps = cap.get(cv::CAP_PROP_FPS);
    int delay = static_cast<int>(1000 / fps);

    // Create a window to display the video
    cv::namedWindow("Processed Video", cv::WINDOW_NORMAL);

    cv::Mat frame;
    Cache cache;
    int frame_count = 0;
    int recompute_interval = 5; // Recompute every 5 frames

    while (true) {
        cap >> frame;
        if (frame.empty()) {
            break;
        }

        // Determine whether to use the cache or recompute the data
        bool use_cache = (frame_count % recompute_interval != 0);

        // Process the frame using cached or recomputed parameters
        hist(frame, cache, use_cache);

        // Display the processed frame
        cv::imshow("Processed Video", frame);

        // Break the loop if 'q' is pressed
        if (cv::waitKey(delay) == 'q') {
            break;
        }

        frame_count++;
    }

    cap.release();
    cv::destroyAllWindows();

    return 0;
}

1

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật