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Vivado HLS 2014.4 でAXI4-Stream版ラプラシアンフィルタIP を作製する1(C++ ソースコードの公開)

今回は、1次元の俺様フィルタを元にラプラシアンフィルタを作製する。

tu1978 さんのサンプルをほとんどコピーしながらも、自分なりのAXI4-Stream版ラプラシアンフィルタのC++ ソースコードを作製した。

なお、Vivado 2015.1 はダウンロードしてあるのだが、AXI4-Stream版ラプラシアンフィルタのブログを書くまでは、インストールを行わない。

AXI4-Stream版ラプラシアンフィルタのC++ ソースコード lap_filter_axis.cpp を公開する。画像ピクセルのカウントは for() ループだけでやっている。AXI VDMA IP の仕様だと、ラインごとに TLAST が来るはずなのであるが、今回はピクセルのカウントを使用する。
AXI4-Master 版との大きな違いは、ラプラシアンフィルタは3 x 3 画素の行列を使用して、画像にフィルタを掛けるので、画像の最初の2行と2列はラプラシアンフィルタからの出力は不正な値となる。その部分をAXI4-Master では、回りに1行、1列ずつの黒い画素を追加していた。今回のAXI4-Stream版ラプラシアンフィルタでは、最初の2行、2列に黒い画素を追加している。
(2015/06/25:修正 ラプラシアンフィルタ処理後のデータがBにしか書かれていなかったので、RGBの領域全部に書いた)

//
// lap_filter_axis.cpp
// 2015/05/01
// 2015/06/25 : 修正、ラプラシアンフィルタの値が青だけ担っていたので、RGBに拡張した
//

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <ap_int.h>
#include <hls_stream.h>
#include <ap_axi_sdata.h>

#include "lap_filter_axis.h"

int laplacian_fil(int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2);
int conv_rgb2y(int rgb);

int lap_filter_axis(hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& ins, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs){
#pragma HLS INTERFACE axis port=ins
#pragma HLS INTERFACE axis port=outs
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return

    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    ap_axis<32,1,1,1> lap;

    unsigned int line_buf[2][HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH];
#pragma HLS array_partition variable=line_buf block factor=2 dim=1
#pragma HLS resource variable=line_buf core=RAM_2P

    int pix_mat[3][3];
#pragma HLS array_partition variable=pix_mat complete

    int lap_fil_val;

    do {    // user が 1になった時にフレームがスタートする
        ins >> pix;
    } while(pix.user == 0);

    for (int y=0; y<VERTICAL_PIXEL_WIDTH; y++){
        for (int x=0; x<HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; x++){
#pragma HLS PIPELINE
            if (!(x==0 && y==0))    // 最初の入力はすでに入力されている
                ins >> pix;    // AXI4-Stream からの入力

            for (int k=0; k<3; k++){
                for (int m=0; m<2; m++){
#pragma HLS UNROLL
                    pix_mat[k][m] = pix_mat[k][m+1];
                }
            }
            pix_mat[0][2] = line_buf[0][x];
            pix_mat[1][2] = line_buf[1][x];

            int y_val = conv_rgb2y(pix.data);
            pix_mat[2][2] = y_val;

            line_buf[0][x] = line_buf[1][x];    // 行の入れ替え
            line_buf[1][x] = y_val;

            lap_fil_val = laplacian_fil(    pix_mat[0][0], pix_mat[0][1], pix_mat[0][2],
                                        pix_mat[1][0], pix_mat[1][1], pix_mat[1][2], 
                                        pix_mat[2][0], pix_mat[2][1], pix_mat[2][2]);
            lap.data = (lap_fil_val<<16)+(lap_fil_val<<8)+lap_fil_val; // RGB同じ値を入れる

            if (x<2 || y<2// 最初の2行とその他の行の最初の2列は無効データなので0とする
                lap.data = 0;

            if (x==0 && y==0// 最初のデータでは、TUSERをアサートする
                lap.user = 1;
            else
                lap.user = 0;
            
            if (x == (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH-1))    // 行の最後で TLAST をアサートする
                lap.last = 1;
            else
                lap.last = 0;

            outs << lap;    // AXI4-Stream へ出力
        }
    }

    return 1;
}

// 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(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(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);
}


次に、lap_filter_axis.h を下に貼っておく。これは、RTLシミュレーション用にわざと小さい値を定義している。

// lap_filter_axis.h
// 2015/05/01

// #define HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH 800
// #define VERTICAL_PIXEL_WIDTH 600

#define HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH 50
#define VERTICAL_PIXEL_WIDTH 10

#define ALL_PIXEL_VALUE (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH*VERTICAL_PIXEL_WIDTH)


最後に、テストベンチのC++ ソースコード、lap_filter_axis_tb.cpp を貼っておく。

// lap_filter_axis_tb.cpp
// 2015/05/01

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <ap_int.h>
#include <hls_stream.h>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <ap_axi_sdata.h>

#include "lap_filter_axis.h"

int lap_filter_axis(hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& ins, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs);

#define CLOCK_PERIOD 10

int main()
{
    using namespace std;

    hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> > ins;
    hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> > outs;
    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    ap_axis<32,1,1,1> vals;

    int m_seq = 1// M系列の値
    int i;
    int xor_shift;

    cout << "ins" << endl;

    for(int i=0; i<5; i++){    // dummy data
           pix.user = 0;
         pix.data = i;
        ins << pix;
    }

    for(int j=0; j < VERTICAL_PIXEL_WIDTH; j++){
        for(i=0; i < HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; i++){
            //xor_shift = (m_seq>>31) ^ ((m_seq>>21)& 1) ^ ((m_seq>>1) & 1) ^ (m_seq & 1); // (32, 22, 2, 1)
            //m_seq = (m_seq<<1) | xor_shift;
            if (((i+j)%CLOCK_PERIOD) < (CLOCK_PERIOD/2))
                m_seq = 0;
            else
                m_seq = 1000;

            pix.data = (ap_int<32>)m_seq;

            if (j==0 && i==0)    // 最初のデータの時に TUSER を 1 にする
                pix.user = 1;
            else
                pix.user = 0;

            if (i == HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH-1// 行の最後でTLASTをアサートする
                pix.last = 1;
            else
                pix.last = 0;

            ins << pix;

            cout << hex << m_seq << endl;
        }
    }


    lap_filter_axis(ins, outs);

    cout << endl;
    cout << "outs" << endl;
    for(int j=0; j < VERTICAL_PIXEL_WIDTH; j++){
        for(i=0; i < HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; i++){
            outs >> vals;
            ap_int<32> val = vals.data;
            cout << hex << val << endl;
            if (vals.last)
                cout << "AXI-Stream is end" << endl;
        }
    }

    return 0;
}


  1. 2015年05月02日 05:21 |
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