如何优化OpenCV中cv::Mat的初始化耗时？

程序启动时需要初始化16个指定尺寸、默认黑色像素的cv::Mat变量，通过如下函数逐个完成初始化操作。在Intel W-2295 3.00 GHz处理器、Windows系统Visual Studio 2022 Release模式下，该初始化过程耗时约22秒。请问此过程耗时较长的原因是什么？又该如何优化耗时？

int init_mat(cv::Mat& mat)
{
    cv::Size size_from_config(80000, 3000);

    mat = cv::Mat(size_from_config, CV_8UC3, cv::Vec3b(0, 0, 0));

    return EXIT_SUCCESS;
}

• 内存占用过大且逐像素初始化：单个cv::Mat的尺寸是80000×3000，每个像素占3字节，计算下来单张图内存为8000030003 = 720,000,000字节（约686MB），16张总内存超过11GB。创建cv::Mat时，OpenCV会逐像素写入cv::Vec3b(0,0,0)，这种逐像素赋值的操作在内存量极大时会产生大量CPU开销，同时大内存分配也会触发系统内存管理的额外工作（比如虚拟内存页调度）。
• 默认内存分配机制的开销：OpenCV默认的内存分配器在处理超大内存块时，可能会因为内存碎片、连续内存块申请困难等问题，导致分配和初始化的耗时增加。
• 单线程串行初始化：当前是逐个调用函数初始化，所有操作都在单线程执行，完全没有利用多核CPU的并行能力，Intel W-2295是18核36线程的处理器，单线程处理11GB级别的内存写入完全浪费了硬件资源。

• 跳过逐像素初始化，利用内存零填充机制
  可以直接申请内存而不手动赋值黑色，因为系统分配的内存如果是从虚拟内存页映射来的，Windows会自动将新页初始化为零（对应黑色像素）。修改方式：

  int init_mat(cv::Mat& mat)
  {
      cv::Size size_from_config(80000, 3000);
      // 创建不初始化数据的Mat，之后系统会自动将内存置零
      mat = cv::Mat(size_from_config, CV_8UC3);
      return EXIT_SUCCESS;
  }
  

  或者使用cv::Mat::create方法，同样可以避免显式初始化：

  mat.create(size_from_config, CV_8UC3);
  

  这种方式能省去逐像素写入的CPU开销，直接利用系统零页机制，大幅缩短初始化时间。

• 并行化初始化
  利用OpenMP或C++标准库的线程池，将16个cv::Mat的初始化任务分配到多个线程并行执行。比如用OpenMP：

  // 假设是在循环中调用init_mat
  #pragma omp parallel for num_threads(16)
  for(int i=0; i<16; i++){
      init_mat(mats[i]);
  }
  

  这样可以充分利用Intel W-2295的多核优势，把串行的耗时分散到多个线程，整体时间会大幅下降。

• 使用高效内存分配器
  可以切换OpenCV的内存分配器为更适合大内存块的类型，或者在Windows下启用大页内存分配，减少内存页调度的开销。比如配置系统大页权限后，让OpenCV使用大页内存，能降低大内存块分配时的碎片化问题，提升分配效率。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者gear