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Private GIT Repository
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[dmems12.git] / dmems12.tex
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19
20 \usepackage[ruled,lined,linesnumbered]{algorithm2e}
21
22 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% LyX specific LaTeX commands.
23 \newcommand{\noun}[1]{\textsc{#1}}
24
25 \newcommand{\tab}{\ \ \ }
26
27 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% my bib path.
28
29
30 \title{Using FPGAs for high speed and real time cantilever deflection estimation}
31
32 \author{ Raphaël COUTURIER\\
33 Laboratoire d'Informatique 
34 de l'Universit\'e de  Franche-Comt\'e, \\
35 BP 527, \\
36 90016~Belfort CEDEX, France\\
37  \and Stéphane Domas\\
38 Laboratoire d'Informatique 
39 de l'Universit\'e de  Franche-Comt\'e, \\
40 BP 527, \\
41 90016~Belfort CEDEX, France\\
42  \and Gwenhaël Goavec\\
43 ??
44 ?? \\
45 ??, \\
46 ??\\}
47
48
49 \begin{document}
50
51 \maketitle
52
53 \thispagestyle{empty}
54
55 \begin{abstract}
56
57   
58
59 {\it keywords}: FPGA, cantilever, interferometry.
60 \end{abstract}
61
62 \section{Introduction}
63
64 %% blabla +
65 %% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
66
67 \section{Measurement principles}
68 \label{sec:measure}
69
70 \subsection{Architecture}
71 \label{sec:archi}
72 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
73 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
74 %% qu'elle est.
75
76 %% image tirée des expériences.
77
78 \subsection{Cantilever deflection estimation}
79 \label{sec:deflest}
80
81 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
82 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
83 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
84 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
85 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
86 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
87 that a linear relation binds these phases, which can be use to
88 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
89
90 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
91 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
92 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
93 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
94 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
95 the cantilever array.
96
97 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
98
99 \begin{equation}
100 \label{equ:profile}
101 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
102 \end{equation}
103
104 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
105
106 The global method consists in two main sequences. The first one aims
107 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
108 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
109 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
110 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
111 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
112 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
113
114 \subsection{Design goals}
115 \label{sec:goals}
116
117 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
118 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
119 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
120 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
121 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
122 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
123 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
124 pixels, it implies that computing the deflection of a single
125 cantilever should take less than 25$µ$s, thus 12.5$µ$s by phase.\\
126
127 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
128 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
129 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
130 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
131 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
132 implies that the phase computation algorithm should not take more than
133 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
134 $3000$ operations.
135
136 %% to be continued ...
137
138 %% à faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
139
140
141
142
143 \section{Proposed solution}
144 \label{sec:solus}
145
146
147 \subsection{FPGA constraints}
148
149 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
150
151
152 \subsection{Considered algorithms}
153
154 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
155 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
156 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
157 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
158 classical least square method but suppose that frequency is already
159 known.
160
161 \subsubsection{Spline algorithm}
162 \label{sec:algo-spline}
163 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
164 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
165 \in [0,M[$. 
166
167 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
168 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
169 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
170 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
171 (typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
172 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
173
174 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
175 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
176 the period thus the frequency.
177
178 The phase is computed via the equation :
179 \begin{equation}
180 \theta = atan \left[ \frac{\sum_{i=0}^{N-1} sin(2\pi f x^s_i) \times I^s(x^s_i)}{\sum_{i=0}^{N-1} cos(2\pi f x^s_i) \times I^s(x^s_i)} \right]
181 \end{equation}
182
183 Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
184 obtained using the derivates of spline equations, which only implies
185 to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
186 computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
187 x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
188 much faster computation of $\theta$.
189
190 \subsubsection{Least square algorithm}
191
192 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
193 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
194 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
195 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
196 determine these four parameters. Since it is an iterative process
197 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
198 particularly adapted to our design goals.
199
200 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
201 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
202 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
203 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
204
205 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
206
207 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
208 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
209
210 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
211
212 Assuming an overlined symbol means an average, then :
213
214 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
215
216 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
217
218 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
219
220 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
221
222 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
223
224 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
225
226 \begin{eqnarray*}
227 2\left[ cos\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).sin(2\pi f.i) + sin\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).cos(2\pi f.i)\right] \\
228 - A\left[ cos2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right]   = 0
229 \end{eqnarray*}
230
231 Several points can be noticed :
232 \begin{itemize}
233 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
234   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
235   not depend on $\theta$ :
236
237 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
238
239 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
240 computed.
241
242 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
243   $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
244   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
245   also be computed before the loop :
246
247 \[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
248
249 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
250
251 \end{itemize}
252
253 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
254 \begin{algorithm}[h]
255 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
256 \label{alg:lsq-before}
257
258    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
259    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
260    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
261    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
262    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
263    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
264
265    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
266      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
267      lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
268      lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
269      lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
270      lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
271      lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
272    }
273 \end{algorithm}
274
275 \begin{algorithm}[h]
276 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
277 \label{alg:lsq-during}
278
279    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
280    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
281    \For{$i=0$ to $M-1$}{
282      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
283      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
284    }
285    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
286    \For{$i=0$ to $M-1$}{
287      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
288    }
289    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
290    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
291    \For{$i=0$ to $M-1$}{
292      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
293    }
294    
295    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
296    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
297
298    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
299    \For{$i=0$ to $M-1$}{
300      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
301      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
302    }
303
304    $\theta \leftarrow -\pi$\\
305    $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
306    \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
307      $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
308      $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
309
310      \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
311        $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
312      }
313      $val_1 \leftarrow val_2$\\
314    }
315
316 \end{algorithm}
317
318
319 \subsubsection{Comparison}
320
321 \subsection{VDHL design paradigms}
322
323 \subsection{VDHL implementation}
324
325 \section{Experimental results}
326 \label{sec:results}
327
328
329
330
331 \section{Conclusion and perspectives}
332
333
334 \bibliographystyle{plain}
335 \bibliography{biblio}
336
337 \end{document}