FC2カウンター FPGAの部屋 hls::LineBufferとhls::Windowでラプラシアンフィルタを実装する2

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hls::LineBufferとhls::Windowでラプラシアンフィルタを実装する2

hls::LineBufferとhls::Windowでラプラシアンフィルタを実装する1”の続き。

前回は、hls::LineBuffer と hls::Window を教えて頂いたので、それを使ってラプラシアンフィルタを実装した。今回は、そのC++ソースコードをディレクティブを追加してチューンアップしていく。

追加するディレクティブは PIPELINE ディレクティブだ。II=1 (Iteration Interval) のオプションを指定する。早速やってみよう。
II=1 の PIPELINE ディレクティブを追加した様子を下図に示す。
LineBuffer_Window_5_160317.png

これで高位合成を行った。結果を下に示す。
LineBuffer_Window_9_160317.png

Latency = 3091, Interval = 3092 だった。
64 x 48 = 3072 ピクセルなので、1 ピクセル当たり 1 クロックで処理していることになる。凄い。これならば、AXI VDMA は要らないかも知れない?

リソースの使用状況を下に示す。
LineBuffer_Window_10_160317.png

前回より、FF は増えたが、LUTは減った。

Analysis 表示にしてみた。
LineBuffer_Window_11_160317.png

C19 までになって、1つ減った。

次に、C/RTL コシミュレーションを行った。
LineBuffer_Window_12_160316.png

高位合成のレポートから Latency は倍以上に増えてしまった。

Open Wave Viewer... ボタンをクリックして、Vivado を起動し、波形を表示した。
LineBuffer_Window_13_160316.png

拡大してみた。
LineBuffer_Window_14_160316.png

なんと、Read、Write 共にシングル転送だった。これでは、Latency が倍に増える訳も分かった。
Read、Write 共にシングル転送だとすると、実機で動作させると、PSのDDRx SDRAMコントローラが要求をマージしてくれるインテリジェントなコントローラでない場合は、実効転送速度は相当に遅くなる場合がある。まあ、バンクをアクティブに状態に保持しておいて、Read, Write を入れれば、それほどは遅くならないかもしれないが、CPU からのアクセスもあるので、いくつバンクを開けて置けるか?が鍵を握りそう。だけど、ハードマクロで実装されたDDRx SDRAMコントローラなので、それほど心配は要らないのだろうか?いずれにせよ。懸念材料であることだけは確かだ。

次は、新たなC++ソースコードをやってみることにする。

最後にテストベンチを貼っておく。

// Testbench of laplacian_filter.c
// lap_filter_tb.c
// BMPデータをハードウェアとソフトウェアで、ラプラシアン・フィルタを掛けて、それを比較する
// m_axi offset=slave version
// 2015/08/26 by marsee
//

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include "gmp.h"
#include "bmp_header.h"

int laplacian_fil_soft(int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2);
int conv_rgb2y_soft(int rgb);
int lap_filter_axim(volatile int *cam_fb, volatile int *lap_fb);    // hardware
void laplacian_filter_soft(int *cam_fb, int *lap_fb, long width, long height); // software

int main()
{
    int *s, *h;
    long x, y;
    BITMAPFILEHEADER bmpfhr; // BMPファイルのファイルヘッダ(for Read)
    BITMAPINFOHEADER bmpihr; // BMPファイルのINFOヘッダ(for Read)
    FILE *fbmpr, *fbmpw;
    int *rd_bmp, *hw_lapd, *sw_lapd;
    int blue, green, red;
    char blue_c, green_c, red_c;

    if ((fbmpr = fopen("test.bmp""rb")) == NULL){ // test.bmp をオープン
        fprintf(stderr, "Can't open test.bmp by binary read mode\n");
        exit(1);
    }
    // bmpヘッダの読み出し
    fread(&bmpfhr.bfType, sizeof(char), 2, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfSize, sizeof(long), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(short), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(short), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(long), 1, fbmpr);
    fread(&bmpihr, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fbmpr);

    // ピクセルを入れるメモリをアロケートする
    if ((rd_bmp =(int *)malloc(sizeof(int) * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate rd_bmp memory\n");
        exit(1);
    }
    if ((hw_lapd =(int *)malloc(sizeof(int) * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate hw_lapd memory\n");
        exit(1);
    }
    if ((sw_lapd =(int *)malloc(sizeof(int) * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate sw_lapd memory\n");
        exit(1);
    }

    // rd_bmp にBMPのピクセルを代入。その際に、行を逆転する必要がある
    for (y=0; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
            blue = fgetc(fbmpr);
            green = fgetc(fbmpr);
            red = fgetc(fbmpr);
            rd_bmp[((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x] = (blue & 0xff) | ((green & 0xff)<<8) | ((red & 0xff)<<16);
        }
    }
    fclose(fbmpr);

    lap_filter_axim((int *)rd_bmp, (int *)hw_lapd);    // ハードウェアのラプラシアン・フィルタ
    laplacian_filter_soft(rd_bmp, sw_lapd, bmpihr.biWidth, bmpihr.biHeight);    // ソフトウェアのラプラシアン・フィルタ

    // ハードウェアとソフトウェアのラプラシアン・フィルタの値のチェック
    for (y=0, h=hw_lapd, s=sw_lapd; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
            //if (*s != 0){
            if (*h != *s){
                printf("ERROR HW and SW results mismatch x = %ld, y = %ld, HW = %d, SW = %d\n", x, y, *h, *s);
                //return(1);
            } else {
                h++;
                s++;
            }
        }
    }
    printf("Success HW and SW results match\n");

    // ハードウェアのラプラシアンフィルタの結果を temp_lap.bmp へ出力する
    if ((fbmpw=fopen("temp_lap.bmp""wb")) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't open temp_lap.bmp by binary write mode\n");
        exit(1);
    }
    // BMPファイルヘッダの書き込み
    fwrite(&bmpfhr.bfType, sizeof(char), 2, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfSize, sizeof(long), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(short), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(short), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(long), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpihr, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fbmpw);

    // RGB データの書き込み、逆順にする
    for (y=0; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
            blue = hw_lapd[((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x] & 0xff;
            green = (hw_lapd[((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x] >> 8) & 0xff;
            red = (hw_lapd[((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x]>>16) & 0xff;

            fputc(blue, fbmpw);
            fputc(green, fbmpw);
            fputc(red, fbmpw);
        }
    }
    fclose(fbmpw);
    free(rd_bmp);
    free(hw_lapd);
    free(sw_lapd);

    return(0);
}

void laplacian_filter_soft(int *cam_fb, int *lap_fb, long width, long height)
{
    int **line_buf;
    int *lap_buf;
    int x, y, i;
    int lap_fil_val;
    int a, b;
    int fl, sl, tl;

    // line_buf の1次元目の配列をアロケートする
    if ((line_buf =(int **)malloc(sizeof(int *) * 3)) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate line_buf[3][]\n");
        exit(1);
    }

    // メモリをアロケートする
    for (i=0; i<3; i++){
        if ((line_buf[i]=(int *)malloc(sizeof(int) * width)) == NULL){
            fprintf(stderr, "Can't allocate line_buf[%d]\n", i);
            exit(1);
        }
    }

    if ((lap_buf=(int *)malloc(sizeof(int) * (width))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate lap_buf memory\n");
        exit(1);
    }

    // RGB値をY(輝度成分)のみに変換し、ラプラシアンフィルタを掛けた。
    for (y=0; y<height; y++){
        for (x=0; x<width; x++){
            // 1つのピクセルを読み込みながらラプラシアン・フィルタを実行する
            line_buf[y%3][x] = cam_fb[(y*width)+x];
            line_buf[y%3][x] = conv_rgb2y_soft(line_buf[y%3][x]);

            if ((y < 2) || (x < 2)){
                lap_fb[(y*width)+x] = 0;
                continue;
            }

            fl = (y+1)%3;    // 最初のライン, y=2 012, y=3 120, y=4 201
            sl = (y+2)%3;    // 2番めのライン
            tl = (y+3)%3;    // 3番目のライン
            lap_fil_val = laplacian_fil_soft(line_buf[fl][x-2], line_buf[fl][x-1], line_buf[fl][x], line_buf[sl][x-2], line_buf[sl][x-1], line_buf[sl][x], line_buf[tl][x-2], line_buf[tl][x-1], line_buf[tl][x]);
            // ラプラシアンフィルタ・データの書き込み
            lap_fb[(y*width)+x] = (lap_fil_val<<16)+(lap_fil_val<<8)+lap_fil_val ;
            // printf("x = %d  y = %d", x, y);
        }
    }
    free(lap_buf);
    for (i=0; i<3; i++)
        free(line_buf[i]);
    free(line_buf);
}

// RGBからYへの変換
// RGBのフォーマットは、{8'd0, R(8bits), G(8bits), B(8bits)}, 1pixel = 32bits
// 輝度信号Yのみに変換する。変換式は、Y =  0.299R + 0.587G + 0.114B
// "YUVフォーマット及び YUV<->RGB変換"を参考にした。http://vision.kuee.kyoto-u.ac.jp/~hiroaki/firewire/yuv.html
// 2013/09/27 : float を止めて、すべてint にした
int conv_rgb2y_soft(int rgb){
    int r, g, b, y_f;
    int y;

    b = rgb & 0xff;
    g = (rgb>>8) & 0xff;
    r = (rgb>>16) & 0xff;

    y_f = 77*r + 150*g + 29*b; //y_f = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b;の係数に256倍した
    y = y_f >> 8// 256で割る

    return(y);
}

// ラプラシアンフィルタ
// x0y0 x1y0 x2y0 -1 -1 -1
// x0y1 x1y1 x2y1 -1  8 -1
// x0y2 x1y2 x2y2 -1 -1 -1
int laplacian_fil_soft(int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2)
{
    int y;

    y = -x0y0 -x1y0 -x2y0 -x0y1 +8*x1y1 -x2y1 -x0y2 -x1y2 -x2y2;
    if (y<0)
        y = 0;
    else if (y>255)
        y = 255;
    return(y);
}

  1. 2016年03月16日 04:31 |
  2. Vivado HLS
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