将C或numpy数组转换为Tkinter PhotoImage，最少复制次数

Question

将C或numpy数组转换为Tkinter PhotoImage，最少复制次数

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我知道一种通过Tkinter显示MxNx3 numpy数组作为RGB图像的方法，但我的方法在过程中会制作几份数组副本:

a = np.random.randint(low=255, size=(100, 100, 3), dtype=np.uint8) # Original
ppm_header = b'P6\n%i %i\n255\n'%(a.shape[0], a.shape[1])
a_bytes = a.tobytes() # First copy
ppm_bytes = ppm_header + a_bytes # Second copy https://en.wikipedia.org/wiki/Netpbm_format
root = tk.Tk()
img = tk.PhotoImage(data=ppm_bytes) # Third and fourth copies?
canvas = tk.Canvas(root, width=a.shape[0], height=a.shape[1])
canvas.pack()
canvas.create_image(0, 0, anchor=tk.NW, image=img) # Fifth copy?
root.mainloop()

如何用最少的副本获得相同的结果？

理想情况下，我想创建一个numpy数组，它是与Tkinter的 PhotoImage 对象使用相同字节的视图，有效地给我一个可变像素值的 PhotoImage ，并使其便宜且快速地更新Tkinter显示。我不知道如何从Tkinter中提取这个指针。

也许有一种方法可以通过ctypes实现，就像在这里暗示？ PhotoImage.put()方法似乎非常慢，但也许我错了，这是一条前进的路？

我尝试创建一个包含ppm头和图像像素值的bytearray()，然后使用numpy.frombuffer()将图像像素值视为numpy数组，但我认为 PhotoImage 构造函数想要一个 bytes() 对象，而不是一个bytearray()对象，另外我认为Tkinter会将其 data 输入的字节复制到内部格式(32位RGBA?)。我猜这比上面的方法节省了一个副本？

- Andrew

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就此而言，Tk photo image 的底层数据存储是RGBA格式，每个通道每像素8位。最高效的方法肯定涉及从这里开始，但我不知道如何在Tkinter中实际实现它... - Donal Fellows

@donal-fellows 我有一些使用ctypes与C动态链接库通讯的经验，但我对tkinter的实现方式不太了解，因此无从下手。Python是否有类似于tkinter共享库并有文档化API供调用的呢？ - Andrew

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底层库API在这里，你需要的API调用是Tk_PhotoPutBlock()（这里）。组装它的参数...嗯，这有点棘手。_handle_可以从Tk_FindPhoto()中获取，但_interp_被埋在Tkinter（Python到Tcl/Tk包装库）中，我不太清楚如何帮助。此外，您必须仅从一个线程使用该代码，否则会遇到严重问题（这是常见的Python/Tkinter问题）。 - Donal Fellows

3个回答

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您可以消除第一个和第二个副本

使用numpy.frombuffer，您可以在任意数据上获得 numpy.ndarray：

shape=(100,100,3)
ppm_header = b'P6\n%i %i\n255\n'%(shape[0], shape[1])
ppm_bytes = ppm_header + b'\0'*(shape[0]*shape[1]*shape[2])
array_image = np.frombuffer(ppm_bytes, dtype=np.uint8, offset=len(ppm_header)).reshape(shape)

第三和第四份副本是不可避免的（见下文），但第三份副本在调用后立即被丢弃。
第五份副本实际上并没有被制作（也见下文）。
绘图阶段通过窗口系统的绘图API将内容复制到屏幕上，这也是不可避免的。

Tcl是一种安全的、垃圾回收的语言，就像Python一样，Tcl对象不支持“缓冲区协议”，也不使用它们不拥有的内存来存储数据（虽然对象可以共享）。

```
img = tk.PhotoImage(data=ppm_bytes) # Third and fourth copies?
```
When making most Tcl calls, Python variables are first converted into Equivalent Tcl objects (first into C values which doesn't involve copying for a bytestring which are then passed to Tcl constructors which does involve a copy), then these objects are passed to Tcl_EvalObjv.

On the Tcl side, photo (which PhotoImage() wraps) also parses input data (-data string argument) and as such, also cannot reuse its memory block. Even if it's a raw bitmap 'cuz Tcl strings have no "view" functionality.

So, for a bytestring, there's one mandatory copy of the bitmap data involved at Pythob-to-Tcl call stage, and one more at image construction stage. (On the bright side, one copy (the argument string for the Tcl call) is discarded after the call.)
```
canvas.create_image(0, 0, anchor=tk.NW, image=img) # Fifth copy?
```
A copy is not involved here, the canvas just saves a reference to the image object in its composition data.

Now, canvas create image requires a Tcl image identifier as image argument; so there's no way around PhotoImage(), either.
(drawing stage)

xlib's commands to draw a bitmap are used, no additional copies are involved.

The thing to note here is that a canvas doesn't even have direct access to the resulting screen pixels. Instead, xlib uses backend's graphical API for drawing (like WinGDI's GetDC(), BitBlt() etc that you might be familiar with). E.g. in Windows, xlib's XCopyArea uses BitBlt.

- ivan_pozdeev

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我认为他想要的是一种将二进制 blob 传递给 C API 调用的方法；numpy 肯定可以生成正确格式的数据。这样做至少可以让复制在底层是一个直接的 memcpy()。 - Donal Fellows

@DonalFellows Tk C API 在 Tkinter 中不可用。此外，photo create 是使用 tkImgPhoto.c:ImgPhotoCreate 实现的，但该函数甚至没有在 API 中公开。 - ivan_pozdeev

是的，这就是为什么这是一个专家级别的工作需求。但是，如果您可以获取句柄名称（一个小字符串），那么您应该能够使用相当小的一块C代码完成其余部分。它可能会在底层进行一些黑客操作，因为它正在桥接两个完全不同的内存管理方案（Python和Tcl），但它可以被制作成可行并且实际上很快。 - Donal Fellows

@DonalFellows 这不仅仅是一个“hack”，它将非常脆弱。因为Tcl的对象既不支持“缓冲区协议”，也不使用它们不拥有的内存来存储数据。你可以通过解析内存来访问数据缓冲区 - 在特定于Tcl/Tk版本、架构、编译器和编译选项的方式下，伪造该缓冲区的数据 - 以同样的方式 - 即使那个缓冲区随时可能被移动或丢弃。所以作为一名专家，我不能推荐这种方法。 - ivan_pozdeev

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我之前用numpy+TkInter实现了一个“波纹池”模拟器，我认为在速度方面进行了相当优化。您可以在这里免费获取它：

https://gist.github.com/FilipDominec/14761052f42d80d283bd3adcf7eb5347

- dominecf

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可以查看英文原文，
原文链接

- Novel · Accepted Answer

我可以使用PIL和Label将其缩减为1（也许2）份副本：

import numpy as np
import tkinter as tk
from PIL import Image, ImageTk

a = np.random.randint(low=255, size=(100, 100, 3), dtype=np.uint8) # Original
root = tk.Tk()
img = ImageTk.PhotoImage(Image.fromarray(a)) # First and maybe second copy.
lbl = tk.Label(root, image=img)
lbl.pack()
root.mainloop()

然而这仍然不是可变的。如果你想实现可变，我认为你需要通过自己在画布上放置像素来重新创造一幅图像。我曾经用这个项目做过这件事，并发现最快速的更新方法是使用matplotlib动画，这对你来说非常好，因为你已经在使用 np数组了。

我的代码使用了tk.Canvas，PIL Image（使用putpixel()），以及matplotlib。