Как можно изменить код, чтобы он работал быстрее?
result = numpy.zeros(mask.shape + (3,), dtype=numpy.uint8)
result[mask > 0] = (255, 255, 255)
циклы в питоне - штука медленная. Если есть возможность, лучше использовать индексные операции numpy. Они заметно быстрее, чем тот же цикл в питоне.
Не уверен что данный код можно как то ускорить
Например можно сменить python на nuitka и компилировать бинарник из получаемого им c++ кода, вот такие простые вещи там однозначно могут быть быстрее, особенно если вручную ковырять
Как частный случая - написать критичный кусок кода на c++/c и вызывать его из питона, но сразу скажу что если по тупому заменить этот кусок на код си, никакого ускорения не получится, может даже ухудшение.

Правильно - разобраться в архитектуре приложения, где такая простая операция становится критичной и требует ускорения. Возможно лучше по другому хранить данные?

Поясни главную задачу, зачем у тебя исходный массив в виде двумерного числового, когда к примеру подошел какой-нибудь битмап (не уверен что это было бы быстрее но попробовать)? Почему надо генерировать итоговый массив таким? куда пойдут эти 3 числа, это описания RGB colors? а потом они все будут инициализироваться?