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環境

  • Python 3.11.2
  • numpy 1.24.2

やりたいこと

画像をPillowなどで読み込み、bool配列を使って、特定のピクセルを白色([255,255,255])にしたいです。

起きたこと

マスク用の配列のdtypeboolではなく、間違えてnumpy.uint8にしてしまいました。
そのマスク用の配列を利用して、特定のピクセルを白色に設定しようとしたら、処理時間が1分以上かかりました。

In [131]: height=1080; width=1920; channel=3

# Pillowなどで画像を読み込むことを想定
In [132]: data=numpy.random.randint(256, size=(height,width,channel))

In [133]: correct_mask = numpy.zeros((height, width), dtype=bool)

In [134]: %time data[correct_mask] = [255,255,255]
CPU times: user 773 µs, sys: 0 ns, total: 773 µs
Wall time: 526 µs


# マスク用の配列の型を間違えて`numpy.uint8`にしてしまった
In [135]: wrong_mask = numpy.zeros((height, width), dtype=numpy.uint8)

# 処理に時間がかかる。なぜ?
In [136]: %time data[wrong_mask] = [255,255,255]
CPU times: user 2min 17s, sys: 0 ns, total: 2min 17s
Wall time: 2min 17s


質問

なぜdtypenumpy.uint8の配列をインデックスに利用すると、dtypeboolの配列を利用するときと比較して、処理時間が長くなるのでしょうか
また、dtypenumpy.uint8の配列をインデックスに利用すると、どのような処理になるのでしょうか?

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  • 単に data[wrong_mask] としてみてください。おそらくメモリエラーになるかと思います。Unable to allocate 89.0 GiB for an array with shape (1080, 1920, 1920, 3) and data type int64 ここで、shape が (1080, 1920, 1920, 3) と表示されていて、次元が増えていることが処理時間が長くなってしまう原因です。
    – metropolis
    Commented 2023年5月8日 2:44
  • 確かにメモリエラーになりました。なぜ次元が増えるのでしょうか?ブロードキャストがよく分かっていません。
    – yuji38kwmt
    Commented 2023年5月8日 10:06

2 件の回答 2

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また、dtypeがnumpy.uint8の配列をインデックスに利用すると、どのような処理になるのでしょうか?

Y[i]とすればi番目の要素が取れます。
Y[[i]]とインデックスをリストにすると、
最初の要素がY[i]であるndarrayが取得できます。すなわち[Y[i]]
このような感じで、Y[X]とすると、(Xは整数配列)
Xの各要素x_iをY[x_i]に置き換えたndarrayが取得できます。
例えばY[ [[0,1],[2,3]] ][[Y[0],Y[1]],[Y[2],Y[3]]]

これを踏まえて質問文のdata[wrong_mask]を考えると、
wrong_maskの各要素は全部0ですので、
これはwrong_maskの各要素をdata[0]で置き換えたものとなります。

shape
wrong_mask(1080, 1920)
data[0](1920, 3)ですから、

結果data[wrong_mask](1080, 1920, 1920, 3)になってしまいます。

Indexing on ndarrays — NumPy v1.24 Manual

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ブール配列のインデックス付け

ブール配列の使用例

data[data[:, :, 1] == 0] = {255, 255, 255}   # RGBの緑の成分が無ければ白へ
data[data.sum(-1) < 32] = {255, 255, 255}   # RGB合計値が 32 未満(暗め) なら白へ

形状(.shape)の詳細を見てみると

>>> import numpy as np
>>> height, width, channel = 1080, 1920, 3
>>> data = np.random.randint(256, size=(height, width, channel), dtype=np.uint8)
>>> data.shape
(1080, 1920, 3)
>>> filt = data[:, :, 1] == 0
>>> filt.shape, filt.dtype
((1080, 1920), dtype('bool'))

data[filt] の記述では, filt の次元の数は data より少ないので, data[filt, ...] と解釈される
上記コードの場合, data[filt, :] ということになる(次元が一つ少ないため)

結果の形状については, ヒットした件数 * 残りの次元 の形状(.shape) になり

>>> filt.sum()
8100
>>> data[filt, :].shape
(8100, 3)

整数配列のインデックス付け

演算では, ブール配列は整数配列と同様に演算可能 (上記の filt.sum() のように) だが,
indexing(インデックス付け) においては ブール配列と整数配列はまったくの別物

整数, 整数配列, スライスなどの使用例

>>> data[100, 160]   # 座標指定
array([167, 167, 181], dtype=uint8)
>>> data[100, 160, 1]   # 座標と 緑のチャンネル
167
>>> data[0].shape   # 最初の一つの次元なら (このような指定の形状に意味があるとは思えないが)
(1920, 3)

仮に (2,3,4) の多次元配列での indexingなら, 残りの次元と合わせて 以下のような結果になる

>>> nums = np.zeros((2, 3, 4), dtype=int)
>>> data[nums, :, :].shape   # data[nums] は残りの次元から data[nums, :, :] と同じ意味
(2, 3, 4, 1920, 3)

それぞれの .shape について, 少しまとめ

  1. ブール配列の形状(.shape) は, もとの配列の (先頭に指定した場合)先頭から (途中または最後まで)合致している必要があり, .ndim の分の次元を指定したことになる
  2. 整数配列の形状(.shape) は, 結果の形状にのみ影響を与える

処理が遅い理由

処理が遅い理由は, 上記とはまた(少し)別のところにある

data[0], data[3:7] などの指定はビューが返され
data[[0]] などの高度なインデックス付け advanced indexing はコピーが返される

>>> data[[0]].base is None   # 「コピー」が返される
True

data[[0, 0, 0, 0] + [1]*100] のような整数配列では, [0]4つ, [1]100 の分 内容が繰り返された ndarray が返される (ビューでは返しようがない)
代入であっても似たようなもので, [0]4回, [1]100回, 代入することになる

質問のコードで, 仮に data[[0]] の代入に 50マイクロ秒の時間がかかると仮定すると,
単純計算で, トータル 50μsec * 1000 * 2000 でほぼ 100秒の処理時間になる

それほど単純でないにしても, それに近い倍率で行われると予測できる
以下は Colabでの実行時間

nums = np.zeros((height, width), dtype=np.uint8)
%timeit data[[0]] = (255,255,255)
# 20 µs ± 550 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000 loops each)

%timeit data[nums] = (255,255,255)
# 38.6 s ± 807 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)

参考

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