FC2カウンター FPGAの部屋 手書き数字認識用畳み込みニューラルネットワーク回路の製作7(ハードとソフトの比較)

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手書き数字認識用畳み込みニューラルネットワーク回路の製作7(ハードとソフトの比較)

手書き数字認識用畳み込みニューラルネットワーク回路の製作6(PYNQボードで動作確認)”の続き。

前回は、mnist_conv_nn_test.c を作成して、手書き数字を認識してみたところ、今のところ 100 % の精度で手書き数字を認識することができた。今回は、ハードウェアのMNISTの手書き数字を認識する時間とソフトウェアでMNISTの手書き数字を認識する時間を比較してみようと思う。

ハードウェアの手書き数字を認識時間とソフトウェアの手書き数字を認識時間を比べるためにmnist_conv_soft_test.c を作成した。ソフトウェアの手書き数字の認識は、float で演算している。更に、カーソルを動かすのが面倒なため、それぞれの方向キーをシフトキーを押したときに、5ピクセルずつ移動できるように改良した。なお、時間の計測には、”SDKのベアメタル・アプリケーションで時間を計測する方法(Zynq)”で試したXTime_GetTime() を使用している。
hand_draw_num_100_170708.png

mnist_conv_soft_test.elf を起動して、1 を認識してみた。
hand_draw_num_90_170706.png

ハードウェアの実行時間は 12.9 ms 程度、ソフトウェアの実行時間は 34.2 ms 程度だった。ハードウェアの方がソフトウェアより、約 2.66 倍速い。

2 を認識してみた。
hand_draw_num_91_170706.png

3 を認識してみた。
hand_draw_num_92_170706.png

4 を認識してみた。
hand_draw_num_93_170706.png

5 を認識してみた。
hand_draw_num_94_170706.png

6 を認識してみた。
hand_draw_num_95_170706.png

7 を認識してみた。
hand_draw_num_96_170706.png

8 を認識してみた。
hand_draw_num_97_170706.png

9 を認識してみた。
hand_draw_num_98_170706.png

0 を認識してみた。
hand_draw_num_99_170706.png

ハードウェアの実行時間はほとんど変動はない。ソフトウェアの実行時間にもそれほど変動はないので、約 2.7 倍ハードウェアの方が速いという結果だった。ハードウェア、ソフトウェア共に精度は今のところ 100 % だった。
ソフトウェアの方が float というハンデはあるが、ハードウェアの方が速かった。だが、ソフトウェアもチューニングするとどうなるかわからないと思う。まあ、ハードウェアにオフロードして、仕様を満足できたので良かったと思う。

最後に、mnist_conv_soft_test.c を貼っておく。
なお、

float buf[28][28];
float conv_out[10][24][24];
float pool_out[10][12][12];
float dot1[100];
float dot2[10];

をグローバル変数にしたのは、ローカル変数にしていては動作がおかしかったからだ。スタックに積むことができる大きさに制限があるのかもしれない?

/* * mnist_conv_soft_test.c * *  Created on: 2017/07/06 *      Author: ono */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "xaxivdma.h"
#include "xil_io.h"
#include "xparameters.h"
#include "sleep.h"
#include "xgpio.h"
#include "xtime_l.h"

#include "xmnist_conv_nn.h"
#include "xsquare_frame_gen.h"
#include "af1_bias_float.h"
#include "af1_weight_float.h"
#include "af2_bias_float.h"
#include "af2_weight_float.h"
#include "conv1_bias_float.h"
#include "conv1_weight_float.h"

#define FRAME_BUFFER_ADDRESS 0x10000000
#define NUMBER_OF_WRITE_FRAMES    3 // Note: If not at least 3 or more, the image is not displayed in succession.

#define HORIZONTAL_PIXELS    800
#define VERTICAL_LINES        600
#define PIXEL_NUM_OF_BYTES    4

int max_int(int out[10]);
int max_float(float out[10]);
int mnist_conv_nn_float(int in[22400], int addr_offset, float out[10]);
float conv_rgb2y_soft(int rgb);

static XAxiVdma_DmaSetup Vdma0_WriteCfg;
float buf[28][28];
float conv_out[10][24][24];
float pool_out[10][12][12];
float dot1[100];
float dot2[10];

void cam_i2c_init(volatile unsigned *mt9d111_i2c_axi_lites) {
    mt9d111_i2c_axi_lites[64] = 0x2// reset tx fifo ,address is 0x100, i2c_control_reg
    mt9d111_i2c_axi_lites[64] = 0x1// enable i2c
}

void cam_i2x_write_sync(void) {
    // unsigned c;

    // c = *cam_i2c_rx_fifo;
    // while ((c & 0x84) != 0x80)
        // c = *cam_i2c_rx_fifo; // No Bus Busy and TX_FIFO_Empty = 1
    usleep(1000);
}

void cam_i2c_write(volatile unsigned *mt9d111_i2c_axi_lites, unsigned int device_addr, unsigned int write_addr, unsigned int write_data){
    mt9d111_i2c_axi_lites[66] = 0x100 | (device_addr & 0xfe);   // Slave IIC Write Address, address is 0x108, i2c_tx_fifo
    mt9d111_i2c_axi_lites[66] = write_addr;
    mt9d111_i2c_axi_lites[66] = (write_data >> 8)|0xff;         // first data
    mt9d111_i2c_axi_lites[66] = 0x200 | (write_data & 0xff);        // second data
    cam_i2x_write_sync();
}

int main(){
    XMnist_conv_nn mcnn;
    XSquare_frame_gen sf_gen;
    int inbyte_in;
    int xval, yval;
    int i, res;
    int result[10];
    float result_float[10];
    static XGpio GPIOInstance_Ptr;
    int XGpio_Status;
    int max_id;
    XAxiVdma_Config *XAxiVdma0_Config;
    XAxiVdma XAxiVdma0;
    int XAxiVdma0_Status;
    int result_disp = 0;
    int conv_addr;
    int max_id_float;
    XTime start_time, end_time;

    // AXI VDMA Initialization sequence
    XAxiVdma0_Config = XAxiVdma_LookupConfig(XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXI_VDMA_0_DEVICE_ID); // Look up the hardware configuration for a device instance
    if (XAxiVdma0_Config == NULL){
        fprintf(stderr, "No AXI VDMA found\n");
        return(-1);
    }

    XAxiVdma0_Status = XAxiVdma_CfgInitialize(&XAxiVdma0, XAxiVdma0_Config, XAxiVdma0_Config->BaseAddress); // Initialize the driver with hardware configuration
    if (XAxiVdma0_Status != XST_SUCCESS){
        fprintf(stderr, "XAxiVdma_CfgInitialize() failed\n");
        return(-1);
    }

    XAxiVdma_Reset(&XAxiVdma0, XAXIVDMA_WRITE);
    while(XAxiVdma_ResetNotDone(&XAxiVdma0, XAXIVDMA_WRITE)) ;

    XAxiVdma0_Status = XAxiVdma_SetFrmStore(&XAxiVdma0, NUMBER_OF_WRITE_FRAMES, XAXIVDMA_WRITE); // Set the number of frame store buffers to use.

    Vdma0_WriteCfg.VertSizeInput = VERTICAL_LINES;
    Vdma0_WriteCfg.HoriSizeInput = HORIZONTAL_PIXELS * PIXEL_NUM_OF_BYTES;
    Vdma0_WriteCfg.Stride = HORIZONTAL_PIXELS * PIXEL_NUM_OF_BYTES; // Indicates the number of address bytes between the first pixels of each video line.
    Vdma0_WriteCfg.FrameDelay = 0// Indicates the minimum number of frame buffers the Genlock slave is to be behind the locked master. This field is only used if the channel is enabled for Genlock Slave operations. This field has no meaning in other Genlock modes.
    Vdma0_WriteCfg.EnableCircularBuf = 1// Indicates frame buffer Circular mode or frame buffer Park mode.  1 = Circular Mode Engine continuously circles through frame buffers.
    Vdma0_WriteCfg.EnableSync = 0// Enables Genlock or Dynamic Genlock Synchronization. 0 = Genlock or Dynamic Genlock Synchronization disabled.
    Vdma0_WriteCfg.PointNum = 0// No Gen-Lock
    Vdma0_WriteCfg.EnableFrameCounter = 0// Endless transfers
    Vdma0_WriteCfg.FixedFrameStoreAddr = 0// We are not doing parking

    XAxiVdma0_Status = XAxiVdma_DmaConfig(&XAxiVdma0, XAXIVDMA_WRITE, &Vdma0_WriteCfg);
    if (XAxiVdma0_Status != XST_SUCCESS){
        fprintf(stderr, "XAxiVdma_DmaConfig() failed\n");
        return(-1);
    }

    // Frame buffer address set
    unsigned int frame_addr = (unsigned int)FRAME_BUFFER_ADDRESS;
    for (i=0; i<NUMBER_OF_WRITE_FRAMES; i++){
        Vdma0_WriteCfg.FrameStoreStartAddr[i] = frame_addr;
        //frame_addr += HORIZONTAL_PIXELS * PIXEL_NUM_OF_BYTES * VERTICAL_LINES;
    }

    XAxiVdma0_Status = XAxiVdma_DmaSetBufferAddr(&XAxiVdma0, XAXIVDMA_WRITE, Vdma0_WriteCfg.FrameStoreStartAddr);
    if (XAxiVdma0_Status != XST_SUCCESS){
        fprintf(stderr, "XAxiVdma_DmaSetBufferAddr() failed\n");
        return(-1);
    }

    // Mnist_conv_nn, Square_frame_gen Initialize
    XMnist_conv_nn_Initialize(&mcnn, 0);
    XSquare_frame_gen_Initialize(&sf_gen, 0);

    // square_frame_gen initialize
    XSquare_frame_gen_Set_x_pos(&sf_gen, HORIZONTAL_PIXELS/2);
    xval = HORIZONTAL_PIXELS/2;
    XSquare_frame_gen_Set_y_pos(&sf_gen, VERTICAL_LINES/2);
    yval = VERTICAL_LINES/2;
    XSquare_frame_gen_Set_width(&sf_gen, 28);
    XSquare_frame_gen_Set_height(&sf_gen, 28);
    XSquare_frame_gen_Set_off_on(&sf_gen, 1); // on

    // XSquare_frame_gen start
    XSquare_frame_gen_DisableAutoRestart(&sf_gen);
    while(!XSquare_frame_gen_IsIdle(&sf_gen)) ;
    XSquare_frame_gen_Start(&sf_gen);
    XSquare_frame_gen_EnableAutoRestart(&sf_gen);

    // mnist_conv_nn initialize
    XMnist_conv_nn_Set_addr_offset(&mcnn, HORIZONTAL_PIXELS/2);
    XMnist_conv_nn_Set_in_r(&mcnn, FRAME_BUFFER_ADDRESS+HORIZONTAL_PIXELS*(VERTICAL_LINES/2)*sizeof(int));

    // axis_switch_1, 1to2 ,Select M00_AXIS
    // Refer to http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3177.html
    Xil_Out32((XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXIS_SWITCH_1_BASEADDR+0x40), 0x80000000); // disable
    Xil_Out32((XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXIS_SWITCH_1_BASEADDR+0x44), 0x0); // square_frame_gen enable
    Xil_Out32((XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXIS_SWITCH_1_BASEADDR), 0x2); // Commit registers

    // axis_switch_0, 2to1, Select S00_AXIS
    // Refer to http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3177.html
    Xil_Out32((XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXIS_SWITCH_0_BASEADDR+0x40), 0x1);
    Xil_Out32((XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXIS_SWITCH_0_BASEADDR), 0x2); // Commit registers

    // VDMA start
    XAxiVdma0_Status = XAxiVdma_DmaStart(&XAxiVdma0, XAXIVDMA_WRITE);
    if (XAxiVdma0_Status != XST_SUCCESS){
        fprintf(stderr, "XAxiVdma_DmaStart() failed\n");
        return(-1);
    }

    // mt9d111_inf_axis_0, axi_iic_0, bitmap_disp_cntrler_axi_master_0
    volatile unsigned int *bmdc_axi_lites;
    volatile unsigned int *mt9d111_axi_lites;
    volatile unsigned int *mt9d111_i2c_axi_lites;

    bmdc_axi_lites = (volatile unsigned *)XPAR_BITMAP_DISP_CNTRLER_AXI_MASTER_0_BASEADDR;
    mt9d111_axi_lites = (volatile unsigned *)XPAR_CAMERA_INTERFACE_MT9D111_INF_AXIS_0_BASEADDR;
    mt9d111_i2c_axi_lites = (volatile unsigned *)XPAR_CAMERA_INTERFACE_AXI_IIC_0_BASEADDR;

    bmdc_axi_lites[0] = (volatile unsigned int)FRAME_BUFFER_ADDRESS; // Bitmap Display Controller start
    mt9d111_axi_lites[0] = (volatile unsigned int)FRAME_BUFFER_ADDRESS; // Camera Interface start (Address is dummy)

    // CMOS Camera initialize, MT9D111
    cam_i2c_init(mt9d111_i2c_axi_lites);

    cam_i2c_write(mt9d111_i2c_axi_lites, 0xba, 0xf00x1);      // Changed regster map to IFP page 1
    cam_i2c_write(mt9d111_i2c_axi_lites, 0xba, 0x970x20);        // RGB Mode, RGB565

    mt9d111_axi_lites[1] = 0// One_shot_mode is disabled

    // AXI GPIO Initialization
    XGpio_Status = XGpio_Initialize(&GPIOInstance_Ptr,XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID);
    if(XST_SUCCESS != XGpio_Status)
        print("GPIO INIT FAILED\n\r");
    // AXI GPIO Set the Direction(output setting)
    XGpio_SetDataDirection(&GPIOInstance_Ptr, 10);

    while(1){
        printf("mnist_conv_nn_test, <h> : left, <k> : up, <j> : down, <l> : right, <q> : exit\n");
        inbyte_in = inbyte();
        switch(inbyte_in) {
            case 'h' : // left
            case 'H' : // left -5
                if(inbyte_in == 'h' && xval > 0)
                    --xval;
                else if(inbyte_in == 'H' && xval >= 5)
                    xval -= 5;
                XSquare_frame_gen_Set_x_pos(&sf_gen, xval);
                XMnist_conv_nn_Set_addr_offset(&mcnn, xval);
                printf("X_POS = %d, Y_POS = %d\n", xval, yval);
                break;
            case 'l' : // right
            case 'L' : // right +5
                if(inbyte_in == 'l' && xval < HORIZONTAL_PIXELS-28)
                    xval++;
                else if(inbyte_in == 'L' && xval <= HORIZONTAL_PIXELS-28-5)
                    xval += 5;
                XSquare_frame_gen_Set_x_pos(&sf_gen, xval);
                XMnist_conv_nn_Set_addr_offset(&mcnn, xval);
                printf("X_POS = %d, Y_POS = %d\n", xval, yval);
                break;
            case 'k' : // up
            case 'K' : // up -5
                if(inbyte_in == 'k' && yval > 0)
                    --yval;
                else if(inbyte_in == 'K' && yval >= 5)
                    yval -= 5;
                XSquare_frame_gen_Set_y_pos(&sf_gen, yval);
                XMnist_conv_nn_Set_in_r(&mcnn, FRAME_BUFFER_ADDRESS+HORIZONTAL_PIXELS*yval*sizeof(int));
                printf("X_POS = %d, Y_POS = %d\n", xval, yval);
                break;
            case 'j' : // down
            case 'J' : // down +5
                if(inbyte_in == 'j' && xval < VERTICAL_LINES-28)
                    yval++;
                else if(inbyte_in == 'J' && xval <= VERTICAL_LINES-28-5)
                    yval += 5;
                XSquare_frame_gen_Set_y_pos(&sf_gen, yval);
                XMnist_conv_nn_Set_in_r(&mcnn, FRAME_BUFFER_ADDRESS+HORIZONTAL_PIXELS*yval*sizeof(int));
                printf("X_POS = %d, Y_POS = %d\n", xval, yval);
                break;
            case 'r' : // result check
                result_disp = 1;
                break;
            case 'q' : // exit
                return(0);
        }

        if(result_disp){
            printf("\nHardware\n");
            // XMnist_conv_nn start
            XMnist_conv_nn_DisableAutoRestart(&mcnn);
            while(!XMnist_conv_nn_IsIdle(&mcnn));
            XTime_GetTime(&start_time);
            XMnist_conv_nn_Start(&mcnn);
            while(!XMnist_conv_nn_IsIdle(&mcnn));
            XTime_GetTime(&end_time);
            printf("conv_time = %f ms\n", (float)((long)end_time-(long)start_time)/325000.0);

            // mnist cnn result check
            for(i=0; i<5; i++){
                XMnist_conv_nn_Read_out_V_Words(&mcnn, i, &res, 1);
                result[i*2] = res & 0x0fff;
                if(result[i*2] & 0x800// minus
                    result[i*2] = 0xfffff000 | result[i*2]; // Sign extension

                result[i*2+1] = (res & 0x0fff0000) >> 16;
                if(result[i*2+1] & 0x800// minus
                    result[i*2+1] = 0xfffff000 | result[i*2+1]; // Sign extension
            }

            max_id = max_int(result);
            XGpio_DiscreteWrite(&GPIOInstance_Ptr, 1, max_id);

            for(i=0; i<10; i++){
                printf("result[%d] = %x\n", i, result[i]);
            }
            printf("max_id = %d\n", max_id);

            printf("\nSoftware\n");
            conv_addr = FRAME_BUFFER_ADDRESS+HORIZONTAL_PIXELS*yval*sizeof(int);
            XTime_GetTime(&start_time);
            mnist_conv_nn_float((int *)conv_addr, xval, result_float);
            XTime_GetTime(&end_time);
            max_id_float = max_float(result_float);
            printf("conv_time = %f ms\n", (float)((long)end_time-(long)start_time)/325000.0);
            for(i=0; i<10; i++){
                printf("result_float[%d] = %f\n", i, result_float[i]);
            }
            printf("max_id_float = %d\n", max_id_float);

            result_disp = 0;
        }
    }
}

int max_int(int out[10]){
    int max_id;
    int max, i;

    for(i=0; i<10; i++){
        if(i == 0){
            max = out[0];
            max_id = 0;
        }else if(out[i]>max){
            max = out[i];
            max_id = i;
        }
    }
    return(max_id);
}

int mnist_conv_nn_float(int in[22400], int addr_offset, float out[10]){

    // 手書き数字の値を表示
    /*for (int i=0; i<28; i++){        for (int j=0; j<800; j++){            if (j>=addr_offset && j<addr_offset+28)                printf("%2x, ", (int)(conv_rgb2y_soft(in[i*800+j])*256.0));        }        printf("\n");    } */

    buf_copy1: for(int i=0; i<28; i++){
        buf_copy2: for(int j=0; j<800; j++){
            if (j>=addr_offset && j<addr_offset+28)
                buf[i][j-addr_offset] = (float)0.99609375 - (float)conv_rgb2y_soft(in[i*800+j]);
        }
    }

    // Convolutional Neural Network 5x5 kernel, Stride = 1, Padding = 0
    // + ReLU
    CONV1: for(int i=0; i<10; i++){    // カーネルの個数
        CONV2: for(int j=0; j<24; j++){
            CONV3: for(int k=0; k<24; k++){
                conv_out[i][j][k] = 0;
                CONV4: for(int m=0; m<5; m++){
                    CONV5: for(int n=0; n<5; n++){
                        conv_out[i][j][k] += buf[j+m][k+n] * conv1_fweight[i][0][m][n];
                    }
                }
                conv_out[i][j][k] += conv1_fbias[i];

                if(conv_out[i][j][k]<0)    // ReLU
                    conv_out[i][j][k] = 0;
            }
        }
    }

    // Pooling Kernel = 2 x 2, Stride = 2
    POOL1: for(int i=0; i<10; i++){
        POOL2: for(int j=0; j<24; j += 2){
            POOL3: for(int k=0; k<24; k += 2){
                POOL4: for(int m=0; m<2; m++){
                    POOL5: for(int n=0; n<2; n++){
                        if(m==0 && n==0){
                            pool_out[i][j/2][k/2] = conv_out[i][j][k];
                        } else if(pool_out[i][j/2][k/2] < conv_out[i][j+m][k+n]){
                            pool_out[i][j/2][k/2] = conv_out[i][j+m][k+n];
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

    af1_dot1: for(int col=0; col<100; col++){
        dot1[col] = 0;
        af1_dot2: for(int i=0; i<10; i++){
            af1_dot3: for(int j=0; j<12; j++){
                af1_dot4: for(int k=0; k<12; k++){
                    dot1[col] += pool_out[i][j][k]*af1_fweight[i*12*12+j*12+k][col];
                }
            }
        }
        dot1[col] += af1_fbias[col];

        if(dot1[col] < 0)    // ReLU
            dot1[col] = 0;
    }

    af2_dot1: for(int col=0; col<10; col++){
        dot2[col] = 0;
        af2_dot2: for(int row=0; row<100; row++){
            dot2[col] += dot1[row]*af2_fweight[row][col];
        }
        dot2[col] += af2_fbias[col];

        out[col] = dot2[col];
    }

    return(0);
}

int max_float(float out[10]){
    int max_id;
    float max;

    for(int i=0; i<10; i++){
        if(i == 0){
            max = out[0];
            max_id = 0;
        }else if(out[i]>max){
            max = out[i];
            max_id = i;
        }
    }
    return(max_id);
}


// 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
// 2017/06/30 : retval を float にした
float conv_rgb2y_soft(int rgb){
    int r, g, b, y_f;
    int y;
    float y_float;

    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

    if (y >= 256)
        y = 255;

    y_float = (float)y/256.0;

    return(y_float);
}

  1. 2017年07月08日 04:50 |
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