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Private GIT Repository
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[dmems12.git] / dmems12.tex
1
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19 \usepackage{fancybox}
20
21 \usepackage[ruled,lined,linesnumbered]{algorithm2e}
22
23 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% LyX specific LaTeX commands.
24 \newcommand{\noun}[1]{\textsc{#1}}
25
26 \newcommand{\tab}{\ \ \ }
27
28
29
30 \begin{document}
31
32
33 %% \author{\IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 1st Affiliation (Author)}
34 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
35 %% line 2: name of organization, acronyms acceptable\\
36 %% line 3: City, Country\\
37 %% line 4: Email: name@xyz.com}
38 %% \and
39 %% \IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 2nd Affiliation (Author)}
40 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
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44 %% }
45
46
47
48 \title{Using FPGAs for high speed and real time cantilever deflection estimation}
49 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Stéphane Domas\IEEEauthorrefmark{1}, Gwenhaël Goavec-Merou\IEEEauthorrefmark{2} and Michel Lenczner\IEEEauthorrefmark{2}}
50 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, DISC, University of Franche-Comte, Belfort, France\\
51 \{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr}
52 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Time-Frequency, University of Franche-Comte, Besançon, France\\
53 \{michel.lenczner@utbm.fr,gwenhael.goavec@trabucayre.com}
54 }
55
56
57
58
59
60
61 \maketitle
62
63 \thispagestyle{empty}
64
65 \begin{abstract}
66
67   
68
69 {\it keywords}: FPGA, cantilever, interferometry.
70 \end{abstract}
71
72 \section{Introduction}
73
74 Cantilevers  are  used  inside  atomic  force  microscope  which  provides  high
75 resolution images of  surfaces.  Several technics have been  used to measure the
76 displacement  of cantilevers  in litterature.   For example,  it is  possible to
77 determine  accurately  the  deflection  with different  mechanisms. 
78 In~\cite{CantiPiezzo01},   authors  used   piezoresistor  integrated   into  the
79 cantilever.   Nevertheless this  approach  suffers from  the  complexity of  the
80 microfabrication  process needed  to  implement the  sensor  in the  cantilever.
81 In~\cite{CantiCapacitive03},  authors  have  presented an  cantilever  mechanism
82 based on  capacitive sensing. This kind  of technic also  involves to instrument
83 the cantiliver which result in a complex fabrication process.
84
85 In this  paper our attention is focused  on a method based  on interferometry to
86 measure cantilevers' displacements.  In  this method cantilevers are illuminated
87 by  an optic  source. The  interferometry produces  fringes on  each cantilevers
88 which enables to  compute the cantilever displacement.  In  order to analyze the
89 fringes a  high speed camera  is used. Images  need to be processed  quickly and
90 then  a estimation  method is  required to  determine the  displacement  of each
91 cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11},  the authors have  used an algorithm  based on
92 spline to estimate the cantilevers' positions.
93 %%RAPH : ce qui est génant c'est qu'ils ne parlent pas de spline dans ce papier...
94    The overall  process gives
95 accurate results  but all the computation  are performed on  a standard computer
96 using labview.  Consequently,  the main drawback of this  implementation is that
97 the computer is a bootleneck in the overall process. In this paper we propose to
98 use a  method based on least  square and to  implement all the computation  on a
99 FGPA.
100
101 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
102 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
103 least  square   method  and   the  implementation  on   FPGA  is   presented  in
104 Section~\ref{sec:solus}.       Experimentations      are       described      in
105 Section~\ref{sec:results}.  Finally  a  conclusion  and  some  perspectives  are
106 presented.
107
108
109
110 %% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
111
112 \section{Measurement principles}
113 \label{sec:measure}
114
115 In  order to  develop simple,  cost  effective and  user-friendly probe  arrays,
116 authors of ~\cite{AFMCSEM11} have developped a system based of interferometry.
117
118
119 \subsection{Architecture}
120 \label{sec:archi}
121 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
122 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
123 %% qu'elle est.
124
125 %% image tirée des expériences.
126
127 \subsection{Cantilever deflection estimation}
128 \label{sec:deflest}
129
130 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
131 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
132 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
133 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
134 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
135 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
136 that a linear relation binds these phases, which can be use to
137 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
138
139 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
140 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
141 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
142 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
143 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
144 the cantilever array.
145
146 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
147
148 \begin{equation}
149 \label{equ:profile}
150 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
151 \end{equation}
152
153 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
154
155 The global method consists in two main sequences. The first one aims
156 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
157 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
158 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
159 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
160 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
161 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
162
163 \subsection{Design goals}
164 \label{sec:goals}
165
166 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
167 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
168 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
169 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
170 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
171 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
172 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
173 pixels, it implies that computing the deflection of a single
174 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
175
176 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
177 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
178 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
179 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
180 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
181 implies that the phase computation algorithm should not take more than
182 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
183 $3000$ operations.
184
185 %% to be continued ...
186
187 %% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
188
189
190
191
192 \section{Proposed solution}
193 \label{sec:solus}
194
195
196 \subsection{FPGA constraints}
197
198 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
199
200
201 \subsection{Considered algorithms}
202
203 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
204 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
205 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
206 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
207 classical least square method but suppose that frequency is already
208 known.
209
210 \subsubsection{Spline algorithm}
211 \label{sec:algo-spline}
212 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
213 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
214 \in [0,M[$. 
215
216 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
217 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
218 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
219 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
220 (typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
221 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
222
223 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
224 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
225 the period thus the frequency.
226
227 The phase is computed via the equation :
228 \begin{equation}
229 \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]
230 \end{equation}
231
232 Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
233 obtained using the derivates of spline equations, which only implies
234 to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
235 computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
236 x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
237 much faster computation of $\theta$.
238
239 \subsubsection{Least square algorithm}
240
241 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
242 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
243 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
244 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
245 determine these four parameters. Since it is an iterative process
246 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
247 particularly adapted to our design goals.
248
249 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
250 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
251 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
252 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
253
254 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
255
256 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
257 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
258
259 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
260
261 Assuming an overlined symbol means an average, then :
262
263 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
264
265 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
266
267 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
268
269 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
270
271 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
272
273 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
274
275 \begin{eqnarray*}
276 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] \\
277 - 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
278 \end{eqnarray*}
279
280 Several points can be noticed :
281 \begin{itemize}
282 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
283   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
284   not depend on $\theta$ :
285
286 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
287
288 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
289 computed.
290
291 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
292   $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
293   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
294   also be computed before the loop :
295
296 \[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
297
298 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
299
300 \end{itemize}
301
302 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
303 \begin{algorithm}[h]
304 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
305 \label{alg:lsq-before}
306
307    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
308    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
309    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
310    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
311    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
312    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
313
314    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
315      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
316      lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
317      lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
318      lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
319      lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
320      lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
321    }
322 \end{algorithm}
323
324 \begin{algorithm}[h]
325 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
326 \label{alg:lsq-during}
327
328    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
329    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
330    \For{$i=0$ to $M-1$}{
331      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
332      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
333    }
334    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
335    \For{$i=0$ to $M-1$}{
336      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
337    }
338    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
339    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
340    \For{$i=0$ to $M-1$}{
341      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
342    }
343    
344    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
345    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
346
347    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
348    \For{$i=0$ to $M-1$}{
349      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
350      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
351    }
352
353    $\theta \leftarrow -\pi$\\
354    $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
355    \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
356      $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
357      $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
358
359      \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
360        $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
361      }
362      $val_1 \leftarrow val_2$\\
363    }
364
365 \end{algorithm}
366
367
368 \subsubsection{Comparison}
369
370 \subsection{VHDL design paradigms}
371
372 \subsection{VHDL implementation}
373
374 \section{Experimental results}
375 \label{sec:results}
376
377
378
379
380 \section{Conclusion and perspectives}
381
382
383 \bibliographystyle{plain}
384 \bibliography{biblio}
385
386 \end{document}