Vivado設(shè)計(jì)流程分析 Vivado HLS實(shí)現(xiàn)OpenCV的開發(fā)流程

　　本文通過對(duì)OpenCV中圖像類型和函數(shù)處理方法的介紹，通過設(shè)計(jì)實(shí)例描述在vivadoHLS中調(diào)用OpenCV庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像處理的幾個(gè)基本步驟，完成從OpenCV設(shè)計(jì)到RTL轉(zhuǎn)換綜合的開發(fā)流程。

　　開源計(jì)算機(jī)視覺 （OpenCV） 被廣泛用于開發(fā)計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用，它包含2500多個(gè)優(yōu)化的視頻函數(shù)的函數(shù)庫并且專門針對(duì)臺(tái)式機(jī)處理器和GPU進(jìn)行優(yōu)化。OpenCV的用戶成千上萬，OpenCV的設(shè)計(jì)無需修改即可在 Zynq器件的ARM處理器上運(yùn)行。但是利用OpenCV實(shí)現(xiàn)的高清處理經(jīng)常受外部存儲(chǔ)器的限制，尤其是存儲(chǔ)帶寬會(huì)成為性能瓶頸，存儲(chǔ)訪問也會(huì)限制功耗效率。使用VivadoHLS高級(jí)語言綜合工具，可以輕松實(shí)現(xiàn)OpenCV C++視頻處理設(shè)計(jì)到RTL代碼的轉(zhuǎn)換，輸出硬件加速器或者直接在FPGA上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻處理功能。同時(shí)，Zynq All-programmable SOC是實(shí)現(xiàn)嵌入式計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的極好方法，很好解決了在單一處理器上實(shí)現(xiàn)視頻處理性能低功耗高的限制，Zynq高性能可編程邏輯和嵌入式ARM內(nèi)核，是一款功耗優(yōu)化的集成式解決方案。

　　1 OpenCV中圖像IplImage， CvMat， Mat 類型的關(guān)系和VivadoHLS中圖像hls：：Mat類型介紹

　　OpenCv中常見的與圖像操作有關(guān)的數(shù)據(jù)容器有Mat，cvMat和IplImage，這三種類型都可以代表和顯示圖像，但是，Mat類型側(cè)重于計(jì)算，數(shù)學(xué)性較高，openCV對(duì)Mat類型的計(jì)算也進(jìn)行了優(yōu)化。而CvMat和IplImage類型更側(cè)重于“圖像”，opencv對(duì)其中的圖像操作（縮放、單通道提取、圖像閾值操作等）進(jìn)行了優(yōu)化。在opencv2.0之前，opencv是完全用C實(shí)現(xiàn)的，但是，IplImage類型與CvMat類型的關(guān)系類似于面向?qū)ο笾械睦^承關(guān)系。實(shí)際上，CvMat之上還有一個(gè)更抽象的基類----CvArr，這在源代碼中會(huì)常見。

　　1.1 OpenCV中Mat類型：矩陣類型（Matrix）。

　　在openCV中，Mat是一個(gè)多維的密集數(shù)據(jù)數(shù)組?？梢杂脕硖幚硐蛄亢途仃?、圖像、直方圖等等常見的多維數(shù)據(jù)。

　　Mat有3個(gè)重要的方法：

　　1、Mat mat = imread（const String* filename）; 讀取圖像

　　2、imshow（const string frameName， InputArray mat）; 顯示圖像

　　3、imwrite （const string& filename， InputArray img）; 儲(chǔ)存圖像

　　Mat類型較CvMat與IplImage類型來說，有更強(qiáng)的矩陣運(yùn)算能力，支持常見的矩陣運(yùn)算。在計(jì)算密集型的應(yīng)用當(dāng)中，將CvMat與IplImage類型轉(zhuǎn)化為Mat類型將大大減少計(jì)算時(shí)間花費(fèi)。

　　1.2 OpenCV中CvMat類型與IplImage類型：“圖像”類型

　　在openCV中，Mat類型與CvMat和IplImage類型都可以代表和顯示圖像，但是，Mat類型側(cè)重于計(jì)算，數(shù)學(xué)性較高，openCV對(duì)Mat類型的計(jì)算也進(jìn)行了優(yōu)化。而CvMat和IplImage類型更側(cè)重于“圖像”，openCV對(duì)其中的圖像操作（縮放、單通道提取、圖像閾值操作等）進(jìn)行了優(yōu)化。

　　補(bǔ)充：IplImage由CvMat派生，而CvMat由CvArr派生即CvArr -》 CvMat -》 IplImage

　　CvArr用作函數(shù)的參數(shù)，無論傳入的是CvMat或IplImage，內(nèi)部都是按CvMat處理。

　　在openCV中，沒有向量（vector）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。任何時(shí)候，但我們要表示向量時(shí)，用矩陣數(shù)據(jù)表示即可。

　　但是，CvMat類型與我們?cè)诰€性代數(shù)課程上學(xué)的向量概念相比，更抽象，比如CvMat的元素?cái)?shù)據(jù)類型并不僅限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型，比如，下面創(chuàng)建一個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣：

　　CvMat* cvCreatMat（int rows ，int cols ， int type）;

　　這里的type可以是任意的預(yù)定義數(shù)據(jù)類型，比如RGB或者別的多通道數(shù)據(jù)。這樣我們便可以在一個(gè)CvMat矩陣上表示豐富多彩的圖像了。

　　1.3 OpenCV中IplImage類型

　　在OpenCV類型關(guān)系上，我們可以說IplImage類型繼承自CvMat類型，當(dāng)然還包括其他的變量將之解析成圖像數(shù)據(jù)。

　　IplImage類型較之CvMat多了很多參數(shù)，比如depth和nChannels。在普通的矩陣類型當(dāng)中，通常深度和通道數(shù)被同時(shí)表示，如用32位表示RGB+Alpha.但是，在圖像處理中，我們往往將深度與通道數(shù)分開處理，這樣做是OpenCV對(duì)圖像表示的一種優(yōu)化方案。

　　IplImage的對(duì)圖像的另一種優(yōu)化是變量origin----原點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)視覺處理上，一個(gè)重要的不便是對(duì)原點(diǎn)的定義不清楚，圖像來源，編碼格式，甚至操作系統(tǒng)都會(huì)對(duì)原地的選取產(chǎn)生影響。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，openCV允許用戶定義自己的原點(diǎn)設(shè)置。取值0表示原點(diǎn)位于圖片左上角，1表示左下角。

　　1.4 VivadoHLS中圖像數(shù)據(jù)類型hls：：Mat《》

　　VivadoHLS視頻處理函數(shù)庫使用hls：：Mat《》數(shù)據(jù)類型，這種類型用于模型化視頻像素流處理，實(shí)質(zhì)等同于hls：：steam《》流的類型，而不是OpenCV中在外部memory中存儲(chǔ)的matrix矩陣類型。因此，在HLS實(shí)現(xiàn)OpenCV的設(shè)計(jì)中，需要將輸入和輸出HLS可綜合的視頻設(shè)計(jì)接口，修改為Video stream接口，也就是采用HLS提供的video接口可綜合函數(shù)，實(shí)現(xiàn)AXI4 video stream到VivadoHLS中hls：：Mat《》類型的轉(zhuǎn)換。

　　2 使用VivadoHLS實(shí)現(xiàn)OpenCV到RTL代碼轉(zhuǎn)換的流程

　　2.1 OpenCV設(shè)計(jì)中的權(quán)衡

　　OpenCV圖像處理是基于存儲(chǔ)器幀緩存而構(gòu)建的，它總是假設(shè)視頻frame數(shù)據(jù)存放在外部DDR 存儲(chǔ)器中，因此，OpenCV對(duì)于訪問局部圖像性能較差，因?yàn)樘幚砥鞯男∪萘扛咚倬彺嫘阅懿蛔阋酝瓿蛇@個(gè)任務(wù)。而且出于性能考慮，基于OpenCV設(shè)計(jì)的架構(gòu)比較復(fù)雜，功耗更高。在對(duì)分辨率或幀速率要求低，或者在更大的圖像中對(duì)需要的特征或區(qū)域進(jìn)行處理是，OpenCV似乎足以滿足很多應(yīng)用的要求，但對(duì)于高分辨率高幀率實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)景下，OpenCV很難滿足高性能和低功耗的需求。

　　基于視頻流的架構(gòu)能提供高性能和低功耗，鏈條化的圖像處理函數(shù)能減少外部存儲(chǔ)器訪問，針對(duì)視頻優(yōu)化的行緩存和窗口緩存比處理器高速緩存更簡(jiǎn)單，更易于用FPGA部件，使用VivadoHLS中的數(shù)據(jù)流優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

　　VivadoHLS對(duì)OpenCV的支持，不是指可以將OpenCV的函數(shù)庫直接綜合成RTL代碼，而是需要將代碼轉(zhuǎn)換為可綜合的代碼，這些可綜合的視頻庫稱為HLS視頻庫，由VivadoHLS提供。

　　OpenCV函數(shù)不能直接通過HLS進(jìn)行綜合，因?yàn)镺penCV函數(shù)一般都包含動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配、浮點(diǎn)以及假設(shè)圖像在外部存儲(chǔ)器中存放或者修改。

　　VivadoHLS視頻庫用于替換很多基本的 OpenCV函數(shù)，它與OpenCV具有相似的接口和算法，主要針對(duì)在FPGA架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的圖像處理函數(shù)，包含了專門面向FPGA的優(yōu)化，比如定點(diǎn)運(yùn)算而非浮點(diǎn)運(yùn)算（不必精確到比特位），片上的行緩存（line buffer）和窗口緩存（window buffer）。

　　2.2 VivadoHLS實(shí)現(xiàn)OpenCV設(shè)計(jì)流程介紹

　　使用VivadoHLS實(shí)現(xiàn)OpenCV的開發(fā)，主要的三個(gè)步驟如下：

　　在計(jì)算機(jī)上開發(fā)OpenCV應(yīng)用，由于是開源的設(shè)計(jì)，采用C++的編譯器對(duì)其進(jìn)行編譯，仿真和debug，最后產(chǎn)生可執(zhí)行文件。這些設(shè)計(jì)無需修改即可在 ARM內(nèi)核上運(yùn)行OpenCV應(yīng)用。

　　使用I/O函數(shù)抽取FPGA實(shí)現(xiàn)的部分，并且使用可綜合的VivadoHLS Video庫函數(shù)代碼代替OpenCV函數(shù)的調(diào)用。

　　運(yùn)行HLS生成RTL代碼，在vivadoHLS工程中啟動(dòng)co-sim，重用openCV的測(cè)試激勵(lì)驗(yàn)證產(chǎn)生的RTL代碼。在ISE或者Vivado開發(fā)環(huán)境中做RTL的集成和SOC/FPGA實(shí)現(xiàn)。

　　2.2.1 VivadoHLS視頻庫函數(shù)

　　HLS視頻庫是包含在hls命名空間內(nèi)的C++代碼。#include “hls_video.h”

　　與OpenCV等具有相似的接口和等效的行為，例如：

　　OpenCV庫：cvScale（src， dst， scale， shift）;

　　HLS視頻庫：hls：cale《。。?！罚╯rc， dst， scale， shift）;

　　一些構(gòu)造函數(shù)具有類似的或替代性的模板參數(shù)，例如：

　　OpenCV庫：cv：：Mat mat（rows， cols， CV_8UC3）;

　　HLS視頻庫：hls：：Mat mat（rows， cols）;

　　ROWS和COLS指定處理的最大圖像尺寸

　　表2.2.1 VivadoHLS視頻處理函數(shù)庫

　　2.2.2 VivadHLS實(shí)現(xiàn)OpenCV設(shè)計(jì)的局限性

　　首先，必須用HLS視頻庫函數(shù)代替OpenCV調(diào)用。

　　其次，不支持OpenCV通過指針訪問幀緩存，可以在HLS中使用VDMA和 AXI Stream adpater函數(shù)代替。

　　再者，不支持OpenCV的隨機(jī)訪問。HLS對(duì)于讀取超過一次的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行復(fù)制，更多的例子可以參見見hls：uplicate（）函數(shù)。

　　最后，不支持OpenCVS的In-place更新，比如 cvRectangle （img， point1， point2）。

　　下面表格2.2.2列舉了OpenCV中隨機(jī)訪問一幀圖像處理對(duì)應(yīng)HLS視頻庫的實(shí)現(xiàn)方法。

　　OpenCVHLS視頻庫

　　讀操作pix = cv_mat.at（i，j）

　　pix = cvGet2D（cv_img，i，j）hls_img 》》 pix

　　寫操作cv_mat.at（i，j） = pix

　　cvSet2D（cv_img，i，j，pix）hls_img 《《 pix

　　表 2.2.2 OpenCV和HLS中對(duì)一幀圖像像素訪問對(duì)應(yīng)方法

　　2.3 用HLS實(shí)現(xiàn)OpenCV應(yīng)用的實(shí)例（快速角點(diǎn)濾波器image_filter）

　　我們通過快速角點(diǎn)的例子，說明通常用VivadoHLS實(shí)現(xiàn)OpenCV的流程。首先，開發(fā)基于OpenCV的快速角點(diǎn)算法設(shè)計(jì)，并使用基于OpenCV的測(cè)試激勵(lì)仿真驗(yàn)證這個(gè)算法。接著，建立基于視頻數(shù)據(jù)流鏈的OpenCV處理算法，改寫前面直覺的OpenCV的通常設(shè)計(jì)，這樣的改寫是為了與HLS視頻庫處理機(jī)制相同，方便后面步驟的函數(shù)替換。最后，將改寫的OpenCV設(shè)計(jì)中的函數(shù)，替換為HLS提供的相應(yīng)功能的視頻函數(shù)，并用VivadoHLS綜合，最后在Xilinx開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這些可綜合代碼也可在處理器或ARM上運(yùn)行。

　　2.3.1 設(shè)計(jì)基于OpenCV的視頻濾波器設(shè)計(jì)和測(cè)試激勵(lì)

　　在這個(gè)例子中，首先設(shè)計(jì)開發(fā)完全調(diào)用OpenCV庫函數(shù)的快速角點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)opencv_image_filter.cpp和這個(gè)濾波器的測(cè)試激勵(lì)opencv_image_filter_tb.cpp，測(cè)試激勵(lì)用于仿真驗(yàn)證opencv_image_filter算法功能。算法和測(cè)試激勵(lì)設(shè)計(jì)代碼如下：

　　void opencv_image_filter（IplImage* src， IplImage* dst）

　　{

　　IplImage* gray = cvCreateImage（ cvGetSize（src）， 8， 1 ）;

　　std：：vector keypoints;

　　cv：：Mat gray_mat（gray，0）;

　　cvCvtColor（ src， gray， CV_BGR2GRAY ）;

　　cv：：FAST（ gray_mat， keypoints， 20， true）;

　　cvCopy（ src，dst）;

　　for （int i=0;i

　　{

　　cvRectangle（dst， cvPoint（keypoints［i］.pt.x-1，keypoints［i］.pt.y-1），

　　cvPoint（keypoints［i］.pt.x+1，keypoints［i］.pt.y+1）， cvScalar（255，0，0），CV_FILLED）;

　　}

　　cvReleaseImage（ &gray ）;

　　}

　　例子2.3.1.1 通常的OpenCV視頻處理代碼opencv_image_filter.cpp

　　int main （int argc， char** argv） {

　　IplImage* src=cvLoadImage（INPUT_IMAGE）;

　　IplImage* dst = cvCreateImage（cvGetSize（src）， src-》depth， src-》nChannels）;

　　opencv_image_filter（src， dst）;

　　cvSaveImage（OUTPUT_IMAGE_GOLDEN， dst）;

　　cvReleaseImage（&src）;

　　cvReleaseImage（&dst）;

　　return 0;

　　}

　　例子2.3.1.2 OpenCV視頻處理測(cè)試激勵(lì)代碼opencv_image_filter_tb.cpp

　　上面的例子是直接調(diào)用OpenCV在處理器上軟件應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的例子，可以看到在算法設(shè)計(jì)中直接調(diào)用opencV庫函數(shù)，測(cè)試激勵(lì)讀入圖像，經(jīng)過濾波器處理輸出的圖像保存分析?？梢钥吹?，算法的處理基于IPIimage類型，輸入和輸出圖像都使用此類型。

　　2.3.2 使用IO函數(shù)和Vivado HLS視頻庫替換OpenCV函數(shù)庫

　　需要特別說明的是，xilinx通常使用的視頻處理模塊都是基于axi4 streaming協(xié)議進(jìn)行不同模式見像素?cái)?shù)據(jù)的交互，也就是我們所說的AXI4 video接口協(xié)議格式。為了和xilinx視頻庫接口協(xié)議統(tǒng)一，VivadoHLS提供了視頻接口函數(shù)庫，用于從OpenCV程序中抽取需要進(jìn)行RTL綜合轉(zhuǎn)換的頂層函數(shù)，并把這些可綜合的代碼和OpenCV不可綜合轉(zhuǎn)換的代碼進(jìn)行隔離。然后，對(duì)需要綜合轉(zhuǎn)換為RTL代碼的OpenCV函數(shù)，用xilinx VivadoHLS提供相應(yīng)功能的可綜合video函數(shù)進(jìn)行替換。最后在C/C++編譯環(huán)境下仿真驗(yàn)證OpenCV代碼和替換video函數(shù)后功能的一致，并在VivadoHLS開發(fā)環(huán)境中做代碼綜合和產(chǎn)生RTL代碼的co-sim混合仿真驗(yàn)證。

　　VivadoHLS可綜合的視頻接口函數(shù)：

　　Hls：：AXIvideo2Mat 轉(zhuǎn)換AXI4 video stream到hls：：Mat表示格式

　　Hls：：Mat2AXIvideo 轉(zhuǎn)換hls：：Mat數(shù)據(jù)格式到AXI4 video stream

　　首先，我們對(duì)2.3.1中OpenCV的設(shè)計(jì)進(jìn)行改寫，改寫的代碼還是完全基于OpenCV的函數(shù)，目的是為了對(duì)視頻的處理機(jī)制基于視頻流的方式，與VivadoHLS視頻庫提供函數(shù)的處理機(jī)制一致。下面是OpenCV設(shè)計(jì)的另一種寫法：

　　void opencv_image_filter（IplImage* src， IplImage* dst）

　　{

　　IplImage* gray = cvCreateImage（ cvGetSize（src）， 8， 1 ）;

　　IplImage* mask = cvCreateImage（ cvGetSize（src）， 8， 1 ）;

　　IplImage* dmask = cvCreateImage（ cvGetSize（src）， 8， 1 ）;

　　std：：vector keypoints;

　　cv：：Mat gray_mat（gray，0）;

　　cvCvtColor（src， gray， CV_BGR2GRAY ）;

　　cv：：FAST（gray_mat， keypoints， 20， true）;

　　GenMask（mask， keypoints）;

　　cvDilate（mask，dmask）;

　　cvCopy（src，dst）;

　　PrintMask（dst，dmask，cvScalar（255，0，0））;

　　cvReleaseImage（ &mask ）;

　　cvReleaseImage（ &dmask ）;

　　cvReleaseImage（ &gray ）;

　　}

　　例子2.3.2.1另一種OpenCV設(shè)計(jì)應(yīng)用opencv_image_filter.cpp

　　其次，使用Vivado HLS視頻庫替代標(biāo)準(zhǔn)OpenCV函數(shù)，并使用可綜合的視頻接口函數(shù)，采用video stream的方式交互視頻數(shù)據(jù)。用于FPGA的硬件可綜合模塊由VivadoHLS視頻庫函數(shù)與接口組成，我們用hls命名空間中的相似函數(shù)代替OpenCV函數(shù)，增加接口函數(shù)構(gòu)建AXI4 stream類型的接口。

　　void image_filter（AXI_STREAM& input， AXI_STREAM& output， int rows， int cols）

　　{

　　//Create AXI streaming interfaces for the core

　　#pragma HLS RESOURCE variable=input core=AXIS metadata=“-bus_bundle INPUT_STREAM”

　　#pragma HLS RESOURCE variable=output core=AXIS metadata=“-bus_bundle OUTPUT_STREAM”

　　#pragma HLS RESOURCE core=AXI_SLAVE variable=rows metadata=“-bus_bundle CONTROL_BUS”

　　#pragma HLS RESOURCE core=AXI_SLAVE variable=cols metadata=“-bus_bundle CONTROL_BUS”

　　#pragma HLS RESOURCE core=AXI_SLAVE variable=return metadata=“-bus_bundle CONTROL_BUS”

　　#pragma HLS interface ap_stable port=rows

　　#pragma HLS interface ap_stable port=cols

　　hls：：Mat _src（rows，cols）;

　　hls：：Mat _dst（rows，cols）;

　　#pragma HLS dataflow

　　hls：：AXIvideo2Mat（input， _src）;

　　hls：：Mat src0（rows，cols）;

　　hls：：Mat src1（rows，cols）;

　　#pragma HLS stream depth=20000 variable=src1.data_stream

　　hls：：Mat mask（rows，cols）;

　　hls：：Mat dmask（rows，cols）;

　　hls：calar《3，unsigned char》 color（255，0，0）;

　　hls：uplicate（_src，src0，src1）;

　　hls：：Mat gray（rows，cols）;

　　hls：：CvtColor（src0，gray）;

　　hls：：FASTX（gray，mask，20，true）;

　　hls：ilate（mask，dmask）;

　　hls：aintMask（src1，dmask，_dst，color）;

　　hls：：Mat2AXIvideo（_dst， output）;

　　}

　　例子2.3.2.2 采用VivadoHLS視頻庫替換后可綜合的設(shè)計(jì)opencv_image_filter.cpp

　　最后，在vivadoHLS開發(fā)環(huán)境下綜合例子2.3.2.2的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生RTL代碼并重用OpenCV的測(cè)試激勵(lì)驗(yàn)證RTL代碼功能。

　　3 VHLS實(shí)現(xiàn)OpenCV設(shè)計(jì)流程總結(jié)

　　通過上面章節(jié)介紹以及在vivadoHLS工具中實(shí)現(xiàn)opencV設(shè)計(jì)的例子可以看出，OpenCV函數(shù)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺算法的快速原型設(shè)計(jì)，并使用VivadoHLS工具轉(zhuǎn)換為RTL代碼在FPGA或者Zynq SOC上實(shí)現(xiàn)高分辨率高幀率的實(shí)時(shí)視頻處理。計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用與生俱來的異構(gòu)特性，使其需要軟硬件相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案。Vivado HLS視頻庫能加快OpenCV函數(shù)向FPGA可編程架構(gòu)的映射。