ZedBoard Linux上でカメラの画像を処理する７（ラプラシアンフィルタ５）

”ZedBoard Linux上でカメラの画像を処理する６（ラプラシアンフィルタ４）”でラプラシアン・フィルタが出来たと思ったのだが、次にやってみたら、Linuxカーネルが落ちてしまった。どうやら偶然に出来たようだ。そこで、mmap() で同時に領域を取らないようにしてみた。つまり、ReadとWriteで同時に mmap() して領域を確保していたが、Readで mmap() を使用して、領域を確保したら、一度、munmap() してから、Write用に mmap() で領域を確保するように書き換えた。
Readするときにいちいち mmap() してからReadして、munmap() しているので、とっても遅い。今度は、ラプラシアン・フィルタリングを完了するまでに、139秒かかっている。

ラプラシアン・フィルタを掛けるためには3x3の画像のピクセルを使用して、真ん中の1点を演算する。（”画像のエッジ検出６（3X3での方式の検討）”参照）
下の図で説明すると、オレンジ色の四角の9点を使用して、黄緑色の1点を計算するのだが、9点のメモリを読みために、それぞれ mmap() してからReadして、munmap() している。つまり、9回、 mmap() と munmap() を繰り返している。その後、Writeのために mmap() で領域を確保し、そして、munmap() で領域を開放している。そのため、遅くなっていると考えられる。


下にCのソースコードを示す。
（2013/09/24：追記）今日は、このコードもカーネルパニックで動作しません。昨日は完全に動作していたんですが、何が悪いんでしょうか？
（2013/09/25：Cソースコード修正）フレーム・バッファの開始アドレスをページ境界に設定したら、うまく動作しているようです。

// laplacian_filter.c
// RGBをYに変換後にラプラシアンフィルタを掛ける。
// ピクセルのフォーマットは、{8'd0, R(8bits), G(8bits), B(8bits)}, 1pixel = 32bits
// 2013/09/16

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <dirent.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/kernel.h>

#define HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH    800
#define VERTICAL_PIXEL_WIDTH    600
#define ALL_PIXEL_VALUE    (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH*VERTICAL_PIXEL_WIDTH)

#define PAGE_SIZE (4*1024)
#define BLOCK_SIZE (4*1024)
#define ALLC_SIZE (PAGE_SIZE * 469)    // 800*600*4 を超えるPAGE_SIZEの倍数

#define BUFSIZE    1024

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 chkhex(char *str);
volatile unsigned int *setup_io(off_t mapped_addr, unsigned int *buf_addr);
void Xil_DCacheInvalidateLine(unsigned int adr);
void Xil_DCacheFlushLine(unsigned int adr);

int main()
{
    FILE *fd;
    int xy[3][3];
    char buf[BUFSIZE], *token;
    unsigned int read_num;
    unsigned int bitmap_dc_reg_addr;
    volatile unsigned *bm_disp_cnt_reg;
    unsigned int fb_addr, next_frame_addr;
    int x, y;
    unsigned int val;
    int i, j;
    int lap_fil_val;
    int *r_pixel, *w_pixel;
    unsigned int r_addr, w_addr;
    unsigned int r_addr_page, w_addr_page;
    unsigned int r_addr_page_pre=0, w_addr_page_pre=0;
    unsigned int r_addr_offset, w_addr_offset;
    unsigned int r_buf, w_buf, bitmap_buf;
    
    // fb_start_addr.txt の内容をパイプに入れる
    memset(buf, '\0', sizeof(buf)); // buf すべてに\0 を入れる
    // fb_start_addr.txt を開く
    fd = popen("cat /Apps/fb_start_addr.txt", "r");
    if (fd != NULL){
        read_num = fread(buf, sizeof(unsigned char), BUFSIZE, fd);
        if (read_num > 0){
            sscanf(buf, "%x\n", &fb_addr);
        }
    }
    pclose(fd);
    
    // ラプラシアンフィルタの結果を入れておくフレーム・バッファ
    next_frame_addr = ((fb_addr + (ALL_PIXEL_VALUE*4)) & (~(int)(PAGE_SIZE-1))) + PAGE_SIZE;

    // 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<VERTICAL_PIXEL_WIDTH; y++){
        for (x=0; x<HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; x++){
            if (y==0 || y==VERTICAL_PIXEL_WIDTH-1){ // 縦の境界の時の値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else if (x==0 || x==HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH-1){ // 横の境界の時も値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else{
                for (j=-1; j<2; j++){
                    for (i=-1; i<2; i++){
                        r_addr = fb_addr+((y+j)*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH+(x+i))*4;
                        r_addr_page = r_addr & (~(int)(PAGE_SIZE-1));
                        r_addr_offset = r_addr & ((int)(PAGE_SIZE-1));
                        r_pixel = setup_io((off_t)r_addr_page, &r_buf);

                        xy[i+1][j+1] = *(volatile int *)((unsigned int)r_pixel + r_addr_offset);
                        munmap(r_pixel, BLOCK_SIZE);
                        free((char *)r_buf);
                        xy[i+1][j+1] = conv_rgb2y(xy[i+1][j+1]);
                    }
                }
                lap_fil_val = laplacian_fil(xy[0][0], xy[1][0], xy[2][0], xy[0][1], xy[1][1], xy[2][1], xy[0][2], xy[1][2], xy[2][2]);
            }
            
            w_addr = next_frame_addr+(y*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH + x)*4;
            w_addr_page = w_addr & (~(int)(PAGE_SIZE-1));
            w_addr_offset = w_addr & ((int)(PAGE_SIZE-1));
            w_pixel = setup_io((off_t)w_addr_page, &w_buf);
            *(volatile int *)((unsigned int)w_pixel + w_addr_offset) = (lap_fil_val<<16)+(lap_fil_val<<8)+lap_fil_val ;
            munmap(w_pixel, BLOCK_SIZE);
            free((char *)w_buf);
            // printf("x = %d  y = %d", x, y);
        }
    }
    
    // bitmap-disp-cntrler-axi-master　のアドレスを取得
    memset(buf, '\0', sizeof(buf)); // buf すべてに\0 を入れる
    // ls /sys/devices/axi.0 の内容をパイプに入れる
    fd = popen("ls /sys/devices/axi.0", "r");
    if (fd != NULL){
        read_num = fread(buf, sizeof(unsigned char), BUFSIZE, fd);
        if (read_num > 0){
            token = buf;
            if ((token=strtok(token, ".\n")) != NULL){
                do {
                    if (chkhex(token)){ // 16進数
                        sscanf(token, "%x", &val);
                    } else {
                        if (strcmp(token, "bitmap-disp-cntrler-axi-master") == 0)
                            bitmap_dc_reg_addr = val;
                    }
                }while((token=strtok(NULL, ".\n")) != NULL);
            }
        }
    }
    pclose(fd);
    
    // ラプラシアンフィルタの掛かった画像のスタートアドレスを bitmap-disp-cntrler-axi-master にセット
    bm_disp_cnt_reg = setup_io((off_t)bitmap_dc_reg_addr, &bitmap_buf);
    *bm_disp_cnt_reg = next_frame_addr;

    munmap((unsigned int *)bm_disp_cnt_reg, BLOCK_SIZE);
    free((char *)bitmap_buf);

    return(0);
}
                    
            
// 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
//
int conv_rgb2y(int rgb){
    float r, g, b, y_f;
    int y;
    
    b = (float)(rgb & 0xff);
    g = (float)((rgb>>8) & 0xff);
    r = (float)((rgb>>16) & 0xff);
    
    y_f = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b;
    y = (int)y_f;
    
    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)
{
     return(abs(-x0y0 -x1y0 -x2y0 -x0y1 +8*x1y1 -x2y1 -x0y2 -x1y2 -x2y2));
}

//
// Set up a memory regions to access GPIO
//
volatile unsigned int *setup_io(off_t mapped_addr, unsigned int *buf_addr)
// void setup_io()
{
    int  mem_fd;
    char *gpio_mem, *gpio_map;

   /* open /dev/mem */
   if ((mem_fd = open("/dev/mem", O_RDWR|O_SYNC) ) < 0) {
      printf("can't open /dev/mem \n");
      printf("mapped_addr = %x\n", (unsigned int)mapped_addr);
      exit (-1);
   }

   /* mmap GPIO */

   // Allocate MAP block
   if ((gpio_mem = malloc(BLOCK_SIZE + (PAGE_SIZE-1))) == NULL) {
      printf("allocation error \n");
      exit (-1);
   }
    *buf_addr = (unsigned int)gpio_mem;    // mallocしたアドレスをコピー
    
   // Make sure pointer is on 4K boundary
   if ((unsigned long)gpio_mem % PAGE_SIZE)
     gpio_mem += PAGE_SIZE - ((unsigned long)gpio_mem % PAGE_SIZE);

   // Now map it
   gpio_map = (unsigned char *)mmap(
      (caddr_t)gpio_mem,
      BLOCK_SIZE,
      PROT_READ|PROT_WRITE,
      MAP_SHARED|MAP_FIXED,
      mem_fd,
      mapped_addr
   );

   if ((long)gpio_map < 0) {
      printf("mmap error %d\n", (int)gpio_map);
      printf("mapped_addr = %x\n", (unsigned int)mapped_addr);
      exit (-1);
   }

   close(mem_fd); // /dev/mem のクローズ

   // Always use volatile pointer!
   // gpio = (volatile unsigned *)gpio_map;
   return((volatile unsigned *)gpio_map);

} // setup_io

// 文字列が16進数かを調べる
int chkhex(char *str){
    while (*str != '\0'){
        if (!isxdigit(*str))
            return 0;
        str++;
    }
    return 1;
}