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C++如何进行快速二维前缀和计算?(图像/矩阵区域求和)

冰火之心

冰火之心

发布时间:2026-02-23 16:48:58

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来源于php中文网

原创

二维前缀和须用容斥原理初始化:dpi = matrixi-1 + dpi-1 + dpi - dpi-1,dp大小为(m+1)×(n+1),查询子矩阵和为dpr2+1 - dpr1 - dpr2+1 + dpr1。

c++如何进行快速二维前缀和计算?(图像/矩阵区域求和)

二维前缀和的正确初始化方式

直接套用一维前缀和思路会出错:不能简单对每行先做前缀和再对列做,必须用容斥原理同步更新每个 dp[i][j]。否则区域查询结果偏大或为 0。

核心公式是:dp[i][j] = matrix[i-1][j-1] + dp[i-1][j] + dp[i][j-1] - dp[i-1][j-1],注意下标偏移(通常让 dp 多开一行一列,避免边界判断)。

  • 输入矩阵是 matrix,大小为 m x n,则 dp 应声明为 vector<vector>>(m+1, vector<int>(n+1))</int></vector>
  • 循环从 i = 1j = 1 开始,对应访问 matrix[i-1][j-1]
  • 别漏掉减去重叠部分 dp[i-1][j-1],这是最常漏写的项

查询任意子矩阵和的写法与边界检查

查左上角 (r1, c1)、右下角 (r2, c2) 的闭区间和时,公式是:dp[r2+1][c2+1] - dp[r1][c2+1] - dp[r2+1][c1] + dp[r1][c1]。注意:输入坐标是 0-indexed,但 dp 是 1-indexed 偏移设计。

  • 如果传入的 r1 == 0c1 == 0dp[r1][...]dp[...][c1] 仍合法(因为 dp 第 0 行/列全为 0)
  • 务必确保 r2+1 且 <code>c2+1 ,否则越界访问 <code>dp 数组
  • 不要尝试用 dp[r2][c2] - ... 混用 0-indexed 下标,容易多减一行一列

int 溢出与数据类型选择

图像处理中像素值累加极易溢出:1024x1024 的 uint8 图像,最大前缀和可达 1024*1024*255 ≈ 268M,int 通常够用(上限约 2.1G),但若矩阵值本身是 int 或含负数,或尺寸更大(如 4K 图),就可能翻车。

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  • 保守起见,初始化 dplong long,尤其当原始数据是 int 或后续要支持差分更新
  • 如果确定值域安全(如 OpenCV 的 CV_8UC1 图像),可用 int 节省内存
  • 编译器不会报溢出警告,运行时结果静默错误——这是最难 debug 的点之一

和 OpenCV 的 cv::integral() 对比

OpenCV 的 cv::integral() 默认输出是 CV_32S(有符号 int),但它的定义和手写前缀和一致:输出矩阵第 (i,j) 元素表示原图 [0,i)×[0,j) 区域和(左闭右开)。这和你手写的 dp[i][j](表示 [0,i-1]×[0,j-1] 和)本质相同,只是索引解释略有差异。

  • 调用 cv::integral(src, dst) 后,查 [r1,c1] 到 [r2,c2](闭区间)需用:dst.at<int>(r2+1,c2+1) - dst.at<int>(r1,c2+1) - dst.at<int>(r2+1,c1) + dst.at<int>(r1,c1)</int></int></int></int>
  • OpenCV 版本 ≥ 4.5 支持 CV_64F 输出类型,可显式指定避免溢出:cv::integral(src, dst, CV_64F)
  • 自己手写更轻量、可控,但 OpenCV 实现做了 SIMD 优化,大数据量时快 2–3 倍

实际用的时候,最容易卡在坐标偏移和溢出上——前者导致结果差一倍,后者导致结果突然变负,而且都很难一眼看出来。

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