本文是該系列的第13篇。Vivado HLS是Xilinx FPGA開發套件中的一款軟體，可以使用C/C++語言進行設計，並轉換為RTL級模型。System Generator中的Vivado HLS block可以將HLS開發軟體設計的C/C++程式碼整合到Simulink環境中，利用Simulink強大的模擬特性對設計進行模擬測試。

ug948中提供的官方例程為影象的中值濾波，該設計將一副256*256大小的RGB影象，新增噪聲後提取出其中的Y通道，使用C++語言完成中值濾波。該設計將在Simulink環境下進行模擬。本文將完成改該設計，藉此介紹上述功能。

Vivado HLS完成中值濾波設計

中值濾波是一種常見的影象濾波方法，選取一個核（本設計為3*3）在影象上滑動，取核的中間值作為核中心畫素點的值。中值濾波在濾除椒鹽噪聲的同時模糊效應會明顯低於線性平滑濾波。Xilinx提供的C++設計原始檔程式碼清單如下：

#include "MedianFilter.h"
#define WINDOW_SIZE  3
typedef unsigned char PixelType;

#define PIX_SWAP(a,b) { PixelType temp=(a);(a)=(b);(b)=temp; }
#define PIX_SORT(a,b) { if ((a)>(b)) PIX_SWAP((a),(b)); }
 


PixelType OptMedian9(PixelType * p)
{
    PIX_SORT(p[1], p[2]) ; PIX_SORT(p[4], p[5]) ; PIX_SORT(p[7], p[8]) ;
    PIX_SORT(p[0], p[1]) ; PIX_SORT(p[3], p[4]) ; PIX_SORT(p[6], p[7]) ;
    PIX_SORT(p[1], p[2]) ; PIX_SORT(p[4], p[5]) ; PIX_SORT(p[7], p[8]) ;
    PIX_SORT(p[0], p[3]) ; PIX_SORT(p[5], p[8
 
]) ; PIX_SORT(p[4], p[7]) ;
    PIX_SORT(p[3], p[6]) ; PIX_SORT(p[1], p[4]) ; PIX_SORT(p[2], p[5]) ;
    PIX_SORT(p[4], p[7]) ; PIX_SORT(p[4], p[2]) ; PIX_SORT(p[6], p[4]) ;
    PIX_SORT(p[4], p[2]) ; 
    return(p[4]) ;
}

PixelType Mean(PixelType* buffer)
{
    PixelType i, j, min;
    unsigned int sum;
    for (i = 0;i<9; i++) {
        sum+=buffer[i];
    }
    sum/=(WINDOW_SIZE*WINDOW_SIZE);
    return sum;
}

PixelType Min(PixelType* buffer)
{
    PixelType i, j, min;
    min = buffer[0];
    for (i = 1;i<9; i++) {
        if (min>buffer[i]) min = buffer[i];
    }
    return min;
}

void MedianFilter(PixelType row1, PixelType row2, PixelType row3, PixelType* V)
{
#pragma AP PIPELINE  II=1
    /*
     * Create a local Pixel Buffer based on WindowSize
     */
    static PixelType pixelWindowBuffer[WINDOW_SIZE*WINDOW_SIZE];

    PixelType sortBuffer[WINDOW_SIZE*WINDOW_SIZE];

    /*
    * Each Iteration Interval Update the Pixel Buffers
    */
    for(int i = 0;i<WINDOW_SIZE;++i) {
        for(int j=0;j<(WINDOW_SIZE-1);++j) {
            pixelWindowBuffer[WINDOW_SIZE*i + (WINDOW_SIZE-j-1)] = pixelWindowBuffer[WINDOW_SIZE*i + (WINDOW_SIZE-j-1)-1];
        }
    }

    /*
     * Update the first Pixel of each row
     */
    pixelWindowBuffer[0] = row1;
    pixelWindowBuffer[3] = row2;
    pixelWindowBuffer[6] = row3;

    for(int k = 0;k<9;++k) {
        sortBuffer[k] = pixelWindowBuffer[k];
    }

    *V = OptMedian9(sortBuffer);
};

可以自己建立HLS工程，如對HLS的使用不熟悉也可以在Xilinx官網搜尋“ug948-design-files.zip”下載，其中有示例工程。

右鍵Solution->C Synthesis->Active Solution，綜合設計原始檔。完成後，再右鍵Solution->Export RTL，Format Selection選擇為“System Generator for DSP”，點選OK將設計原始檔打包為System Generator可以使用的形式。

將HLS設計匯入System Generator

新增一個Vivado HLS block，雙擊開啟該block：

點選Browse，將路徑指定到HLS工程的Solution資料夾下。如果路徑選擇錯誤，或者HLS工程綜合或匯出失敗導致solution資料夾下沒有可用的System Generator檔案，軟體會提示錯誤。

設定完畢後，block埠也會隨之改變，部分埠名稱以ap_開頭，表示與block之間的ap_hs通訊協議。model的整體連線圖如下：

其中包含幾個子系統，各子系統及其作用如下：

• Noisy Image：匯入一副256*256的影象，轉換為一維資料，併為其新增椒鹽噪聲；
• RGB2Y：將R、G、B通道轉換為Y通道（Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B，可以簡化為只用兩個乘法器的形式Y=0.299*(R-G)+0.114*(B-G)+G）；
• LineBuffer：快取器儲存資料；
• Noisy Input Image/Filtered Image：快取資料，將一維資料轉換為二維影象顯示。

模擬測試

在Noisy Image子系統下，開啟Image From File這個block（屬於Computer Vision System Toolbox庫）。點選Browse，將路徑指向一副256*256大小的彩色圖片。將模擬時間設定為256*256*2，確保可以完成一次影象濾波。執行結果如下：

可以看到經過中值濾波後，很好地濾除了影象中的椒鹽噪聲。

Vivado HLS block詳解

該block支援C、C++和System C三種設計原始檔。使用是首先需要在Vivado HLS開發環境下將設計原始檔打包到Solution目錄下，然後在block中指向該目錄，將設計匯入到System Generator設計中。

點選“Edit”可以開啟與該solution對應的Vivado HLS工程，允許設計者修改；修改後點選“Refresh”更新block的埠資訊。

block預設採用RTL-model進行模擬，如果HLS中包含C模擬模型，可以選中“Use C simulation model if available”，選擇C模擬模型。

當選中“Display signal types”時，輸入和輸出的資料型別會顯示在圖示上，設計者可以根據該提示設定向此block輸入的資料，如下圖：

C/C++資料型別和System Generator資料型別之間的轉換關係如下表：

在Vivado HLS中進行設計時有如下限制：

• 設計不能是純組合邏輯，綜合到RTL設計後必須包含一個時鐘和時鐘使能輸入訊號；
• 頂層模組中不能包含C/C++模板語法；
• C模擬模型與block通訊時支援ap_hs通訊協議，但不支援ap_memory和ap_bus介面。