FC2カウンター FPGAの部屋 2019年12月16日
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FPGAやCPLDの話題やFPGA用のツールの話題などです。 マニアックです。 日記も書きます。

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Vitis 2019.2 アプリケーション・プロジェクト ラプラシアン・フィルタAXI Masterバージョン1

前回の square Vitis 2019.2 アプリケーション・プロジェクトで、自作(といってOpenCL シーケンス部分はほとんど引用だが)Vitis 2019.2 アプリケーション・プロジェクトを初めて作ったが、今回は、いつも題材にしているラプラシアン・フィルタをVitis 2019.2 アプリケーション・プロジェクトにして作成してみよう。

ソースコードを貼っておく。
bmp_header.h を示す。

// bmp_header.h
// BMP ファイルフォーマットから引用させて頂きました
// http://www.kk.iij4u.or.jp/~kondo/bmp/
//
// 2017/05/04 : takseiさんのご指摘によりintX_tを使った宣言に変更。takseiさんありがとうございました
//              変数の型のサイズの違いによってLinuxの64ビット版では動作しなかったためです
//              http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3354.html#comment2808
//

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// BITMAPFILEHEADER 14bytes
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
    uint16_t bfType;
    uint32_t bfSize;
    uint16_t bfReserved1;
    uint16_t bfReserved2;
    uint32_t bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;

// BITMAPINFOHEADER 40bytes
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
    uint32_t biSize;
    int32_t biWidth;
    int32_t biHeight;
    uint16_t biPlanes;
    uint16_t biBitCount;
    uint32_t biCompression;
    uint32_t biSizeImage;
    int32_t biXPixPerMeter;
    int32_t biYPixPerMeter;
    uint32_t biClrUsed;
    uint32_t biClrImporant;
} BITMAPINFOHEADER;

typedef struct BMP24bitsFORMAT {
    uint8_t blue;
    uint8_t green;
    uint8_t red;
} BMP24FORMAT;



カーネルアプリケーションの laplacian_filter1.cpp を示す。AXI4 Master のVivado HLS 記述だ。

// laplacian_filter1.cpp
// 2019/12/16 by marsee

#include <stdio.h>
#include <string.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);

extern "C" {
void lap_filter_axim(volatile int *cam_fb, volatile int *lap_fb, int x_size, int y_size)
{
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=3072 port=cam_fb offset=slave bundle=gmem
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=3072 port=lap_fb offset=slave bundle=gmem
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port = x_size bundle = control
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port = y_size bundle = control
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return bundle=control

    int line_buf[3][1920]; // supported HD resolution
    int x, y;
    int lap_fil_val;
    int a, b;
    int fl, sl, tl;

    // 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。
    Loop0: for (y=0; y<y_size; y++){
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT min=48 max=600
        Loop1: for (x=0; x<x_size; x++){
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT min=64 max=800
            if (y==0 || y==y_size-1){ // 縦の境界の時の値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else if (x==0 || x==x_size-1){ // 横の境界の時も値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else{
                if (y == 1 && x == 1){ // 最初のラインの最初のピクセルでは2ライン分の画素を読み出す
                    Loop3: for (a=0; a<2; a++){ // 2ライン分
                        Loop4: for (b=0; b<x_size; b++){ // ライン
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT min=64 max=800
                            line_buf[a][b] = cam_fb[(a*x_size)+b];
                            line_buf[a][b] = conv_rgb2y(line_buf[a][b]);
                        }
                    }
                }
                if (x == 1) {    // ラインの最初なので、2つのピクセルを読み込む
                    Loop5: for (b=0; b<2; b++){ // ライン
                        line_buf[(y+1)%3][b] = cam_fb[((y+1)*x_size)+b];
                        // (y+1)%3 は、使用済みのラインがに読み込む、y=2 の時 line[0], y=3の時 line[1], y=4の時 line[2]
                        line_buf[(y+1)%3][b] = conv_rgb2y(line_buf[(y+1)%3][b]);
                    }
                }

                // 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+1)%3][x+1] = cam_fb[((y+1)*x_size)+(x+1)];
                // (y+1)%3 は、使用済みのラインがに読み込む、y=2 の時 line[0], y=3の時 line[1], y=4の時 line[2]
                line_buf[(y+1)%3][x+1] = conv_rgb2y(line_buf[(y+1)%3][x+1]);

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

// 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);
}



最後にホストアプリケーションの laplacian_filter1_host.cpp を示す。これも、OpenCL シーケンスは、Vitis-Tutorials/docs/mixing-c-rtl-kernels/reference-files/src/host/host_step1.cpp のコードを引用している。
temp.bmp ファイルを読み込んで、ハードウェアで、ラプラシアン・フィルタ処理を行う。そして、ソフトウェアのラプラシアン・フィルタ処理結果と比較して、temp_lap.bmp ファイルに結果を書き込む。

// laplacian_filter1_host.cpp
// 2019/12/09 by marsee
//

// Vitis-Tutorials/docs/mixing-c-rtl-kernels/reference-files/src/host/host_step1.cpp のコードを引用します
// https://github.com/Xilinx/Vitis-Tutorials/blob/master/docs/mixing-c-rtl-kernels/reference-files/src/host/host_step1.cpp
#define CL_HPP_CL_1_2_DEFAULT_BUILD
#define CL_HPP_TARGET_OPENCL_VERSION 120
#define CL_HPP_MINIMUM_OPENCL_VERSION 120
#define CL_HPP_ENABLE_PROGRAM_CONSTRUCTION_FROM_ARRAY_COMPATIBILITY 1
#define CL_USE_DEPRECATED_OPENCL_1_2_APIS

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <vector>
#include <CL/cl2.hpp>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <CL/cl_ext_xilinx.h>
#include <unistd.h>
#include <limits.h>
#include <sys/stat.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

static const std::string error_message =
    "Error: Result mismatch:\n"
    "i = %d CPU result = %d Device result = %d\n";

//Some Library functions to be used.
template <typename T>
struct aligned_allocator
{
  using value_type = T;
  T* allocate(std::size_t num)
  {
    void* ptr = nullptr;
    if (posix_memalign(&ptr,4096,num*sizeof(T)))
      throw std::bad_alloc();
    return reinterpret_cast<T*>(ptr);
  }
  void deallocate(T* p, std::size_t num)
  {
    free(p);
  }
};


#define OCL_CHECK(error,call)                                       \
    call;                                                           \
    if (error != CL_SUCCESS) {                                      \
      printf("%s:%d Error calling " #call ", error code is: %d\n",  \
              __FILE__,__LINE__, error);                            \
      exit(EXIT_FAILURE);                                           \
    }

namespace xcl {
std::vector<cl::Device> get_devices(const std::string& vendor_name) {

    size_t i;
    cl_int err;
    std::vector<cl::Platform> platforms;
    OCL_CHECK(err, err = cl::Platform::get(&platforms));
    cl::Platform platform;
    for (i  = 0 ; i < platforms.size(); i++){
        platform = platforms[i];
        OCL_CHECK(err, std::string platformName = platform.getInfo<CL_PLATFORM_NAME>(&err));
        if (platformName == vendor_name){
            std::cout << "Found Platform" << std::endl;
            std::cout << "Platform Name: " << platformName.c_str() << std::endl;
            break;
        }
    }
    if (i == platforms.size()) {
        std::cout << "Error: Failed to find Xilinx platform" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //Getting ACCELERATOR Devices and selecting 1st such device
    std::vector<cl::Device> devices;
    OCL_CHECK(err, err = platform.getDevices(CL_DEVICE_TYPE_ACCELERATOR, &devices));
    return devices;
}

std::vector<cl::Device> get_xil_devices() {
    return get_devices("Xilinx");
}

char* read_binary_file(const std::string &xclbin_file_name, unsigned &nb)
{
    std::cout << "INFO: Reading " << xclbin_file_name << std::endl;

    if(access(xclbin_file_name.c_str(), R_OK) != 0) {
        printf("ERROR: %s xclbin not available please build\n", xclbin_file_name.c_str());
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //Loading XCL Bin into char buffer
    std::cout << "Loading: '" << xclbin_file_name.c_str() << "'\n";
    std::ifstream bin_file(xclbin_file_name.c_str(), std::ifstream::binary);
    bin_file.seekg (0, bin_file.end);
    nb = bin_file.tellg();
    bin_file.seekg (0, bin_file.beg);
    char *buf = new char [nb];
    bin_file.read(buf, nb);
    return buf;
}
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    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 blue, green, red;
    const char* xclbinFilename;

    if (argc==2) {
        xclbinFilename = argv[1];
        std::cout <<"Using FPGA binary file specfied through the command line: " << xclbinFilename << std::endl;
    }
    else {
        xclbinFilename = "../lap_filter_axim.xclbin";
        std::cout << "No FPGA binary file specified through the command line, using:" << xclbinFilename <<std::endl;
    }

    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(uint16_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfSize, sizeof(uint32_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(uint16_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(uint16_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(uint32_t), 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
    std::vector<int,aligned_allocator<int>> rd_bmp(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight);
    std::vector<int,aligned_allocator<int>> hw_lapd(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight);
    std::vector<int,aligned_allocator<int>> sw_lapd(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight);
    size_t size_in_bytes = (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int);

    // 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);

    std::vector<cl::Device> devices = xcl::get_xil_devices();
    cl::Device device = devices[0];
    devices.resize(1);


    // Creating Context and Command Queue for selected device
    cl::Context context(device);
    cl::CommandQueue q(context, device, CL_QUEUE_PROFILING_ENABLE);

    // Load xclbin
    std::cout << "Loading: '" << xclbinFilename << "'\n";
    std::ifstream bin_file(xclbinFilename, std::ifstream::binary);
    bin_file.seekg (0, bin_file.end);
    unsigned nb = bin_file.tellg();
    bin_file.seekg (0, bin_file.beg);
    char *buf = new char [nb];
    bin_file.read(buf, nb);

    // Creating Program from Binary File
    cl::Program::Binaries bins;
    bins.push_back({buf,nb});
    cl::Program program(context, devices, bins);

    // This call will get the kernel object from program. A kernel is an
    // OpenCL function that is executed on the FPGA.
    cl::Kernel krnl_lap_filter(program,"lap_filter_axim");

    // These commands will allocate memory on the Device. The cl::Buffer objects can
    // be used to reference the memory locations on the device.
    cl::Buffer rd_bmp_buf(context, CL_MEM_USE_HOST_PTR | CL_MEM_READ_ONLY,
            size_in_bytes, rd_bmp.data());
    cl::Buffer hw_lapd_buf(context, CL_MEM_USE_HOST_PTR | CL_MEM_READ_WRITE,
            size_in_bytes, hw_lapd.data());

    // Data will be transferred from system memory over PCIe to the FPGA on-board
    // DDR memory.
    q.enqueueMigrateMemObjects({rd_bmp_buf},0/* 0 means from host*/);

    //set the kernel Arguments
    krnl_lap_filter.setArg(0,rd_bmp_buf);
    krnl_lap_filter.setArg(1,hw_lapd_buf);
    krnl_lap_filter.setArg(2,bmpihr.biWidth);
    krnl_lap_filter.setArg(3,bmpihr.biHeight);

    //Launch the Kernel
    q.enqueueTask(krnl_lap_filter);

    // The result of the previous kernel execution will need to be retrieved in
    // order to view the results. This call will transfer the data from FPGA to
    // source_results vector

    q.enqueueMigrateMemObjects({hw_lapd_buf},CL_MIGRATE_MEM_OBJECT_HOST);

    q.finish();

    laplacian_filter_soft(rd_bmp.data(), sw_lapd.data(), 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; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
            if (hw_lapd[y*bmpihr.biWidth+x] != sw_lapd[y*bmpihr.biWidth+x]){
                printf("ERROR HW and SW results mismatch x = %ld, y = %ld, HW = %d, SW = %d\n", x, y, hw_lapd[y*bmpihr.biWidth+x], sw_lapd[y*bmpihr.biWidth+x]);
                //return(1);
            }
        }
    }
    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(uint16_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfSize, sizeof(uint32_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(uint16_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(uint16_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(uint32_t), 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);

    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++){
            if (y==0 || y==height-1){ // 縦の境界の時の値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else if (x==0 || x==width-1){ // 横の境界の時も値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else{
                if (y == 1 && x == 1){ // 最初のラインの最初のピクセルでは2ライン分の画素を読み出す
                    for (a=0; a<2; a++){ // 2ライン分
                        for (b=0; b<width; b++){ // ライン
                            line_buf[a][b] = cam_fb[(a*width)+b];
                            line_buf[a][b] = conv_rgb2y_soft(line_buf[a][b]);
                        }
                    }
                }
                if (x == 1) {    // ラインの最初なので、2つのピクセルを読み込む
                    for (b=0; b<2; b++){ // ライン
                        line_buf[(y+1)%3][b] = cam_fb[((y+1)*width)+b];
                        // (y+1)%3 は、使用済みのラインがに読み込む、y=2 の時 line[0], y=3の時 line[1], y=4の時 line[2]
                        line_buf[(y+1)%3][b] = conv_rgb2y_soft(line_buf[(y+1)%3][b]);
                    }
                }

                // 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+1)%3][x+1] = cam_fb[((y+1)*width)+(x+1)];
                // (y+1)%3 は、使用済みのラインがに読み込む、y=2 の時 line[0], y=3の時 line[1], y=4の時 line[2]
                line_buf[(y+1)%3][x+1] = conv_rgb2y_soft(line_buf[(y+1)%3][x+1]);

                fl = (y-1)%3;    // 最初のライン, y=1 012, y=2 120, y=3 201, y=4 012
                sl = y%3;        // 2番めのライン
                tl = (y+1)%3;    // 3番目のライン
                lap_fil_val = laplacian_fil_soft(line_buf[fl][x-1], line_buf[fl][x], line_buf[fl][x+1], line_buf[sl][x-1], line_buf[sl][x], line_buf[sl][x+1], line_buf[tl][x-1], line_buf[tl][x], line_buf[tl][x+1]);
            }
            // 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 ;
        }
    }
    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. 2019年12月16日 20:54 |
  2. Vitis
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