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Private GIT Repository
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[dmems12.git] / dmems12.tex
1
2 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
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6 %\usepackage[cyr]{aeguill}
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18 \usepackage{fullpage}
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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42 %% line 3: City, Country\\
43 %% line 4: Email: name@xyz.com}
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        optic
78 interferometer~\cite{CantiOptic89},     pizeoresistor~\cite{CantiPiezzo01}    or
79 capacitive  sensing~\cite{CantiCapacitive03}.  In  this paper  our  attention is
80 focused   on  a  method   based  on   interferometry  to   measure  cantilevers'
81 displacements.   In  this  method   cantilevers  are  illiminated  by  an  optic
82 source. The interferometry produces fringes on each cantilevers which enables to
83 compute the  cantilever displacement.   In order to  analyze the fringes  a high
84 speed camera is used. Images need  to be processed quickly and then a estimation
85 method  is   required  to  determine   the  displacement  of   each  cantilever.
86 In~\cite{AFMCSEM11} {\bf verifier ref}, the authors have used an algorithm based
87 on spline  to estimate  the cantilevers' positions.   The overall  process gives
88 accurate results  but all the computation  are performed on  a standard computer
89 using labview.  Consequently,  the main drawback of this  implementation is that
90 the computer is a bootleneck in the overall process. In this paper we propose to
91 use a  method based on least  square and to  implement all the computation  on a
92 FGPA.
93
94 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
95 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
96 least  square   method  and   the  implementation  on   FPGA  is   presented  in
97 Section~\ref{sec:solus}.       Experimentations      are       described      in
98 Section~\ref{sec:results}.  Finally  a  conclusion  and  some  perspectives  are
99 presented.
100
101
102
103 %% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
104
105 \section{Measurement principles}
106 \label{sec:measure}
107
108 \subsection{Architecture}
109 \label{sec:archi}
110 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
111 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
112 %% qu'elle est.
113
114 %% image tirée des expériences.
115
116 \subsection{Cantilever deflection estimation}
117 \label{sec:deflest}
118
119 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
120 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
121 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
122 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
123 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
124 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
125 that a linear relation binds these phases, which can be use to
126 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
127
128 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
129 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
130 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
131 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
132 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
133 the cantilever array.
134
135 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
136
137 \begin{equation}
138 \label{equ:profile}
139 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
140 \end{equation}
141
142 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
143
144 The global method consists in two main sequences. The first one aims
145 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
146 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
147 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
148 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
149 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
150 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
151
152 \subsection{Design goals}
153 \label{sec:goals}
154
155 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
156 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
157 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
158 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
159 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
160 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
161 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
162 pixels, it implies that computing the deflection of a single
163 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
164
165 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
166 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
167 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
168 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
169 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
170 implies that the phase computation algorithm should not take more than
171 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
172 $3000$ operations.
173
174 %% to be continued ...
175
176 %% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
177
178
179
180
181 \section{Proposed solution}
182 \label{sec:solus}
183
184
185 \subsection{FPGA constraints}
186
187 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
188
189
190 \subsection{Considered algorithms}
191
192 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
193 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
194 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
195 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
196 classical least square method but suppose that frequency is already
197 known.
198
199 \subsubsection{Spline algorithm}
200 \label{sec:algo-spline}
201 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
202 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
203 \in [0,M[$. 
204
205 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
206 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
207 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
208 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
209 (typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
210 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
211
212 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
213 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
214 the period thus the frequency.
215
216 The phase is computed via the equation :
217 \begin{equation}
218 \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]
219 \end{equation}
220
221 Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
222 obtained using the derivates of spline equations, which only implies
223 to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
224 computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
225 x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
226 much faster computation of $\theta$.
227
228 \subsubsection{Least square algorithm}
229
230 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
231 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
232 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
233 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
234 determine these four parameters. Since it is an iterative process
235 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
236 particularly adapted to our design goals.
237
238 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
239 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
240 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
241 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
242
243 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
244
245 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
246 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
247
248 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
249
250 Assuming an overlined symbol means an average, then :
251
252 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
253
254 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
255
256 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
257
258 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
259
260 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
261
262 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
263
264 \begin{eqnarray*}
265 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] \\
266 - 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
267 \end{eqnarray*}
268
269 Several points can be noticed :
270 \begin{itemize}
271 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
272   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
273   not depend on $\theta$ :
274
275 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
276
277 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
278 computed.
279
280 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
281   $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
282   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
283   also be computed before the loop :
284
285 \[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
286
287 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
288
289 \end{itemize}
290
291 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
292 \begin{algorithm}[h]
293 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
294 \label{alg:lsq-before}
295
296    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
297    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
298    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
299    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
300    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
301    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
302
303    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
304      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
305      lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
306      lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
307      lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
308      lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
309      lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
310    }
311 \end{algorithm}
312
313 \begin{algorithm}[h]
314 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
315 \label{alg:lsq-during}
316
317    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
318    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
319    \For{$i=0$ to $M-1$}{
320      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
321      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
322    }
323    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
324    \For{$i=0$ to $M-1$}{
325      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
326    }
327    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
328    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
329    \For{$i=0$ to $M-1$}{
330      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
331    }
332    
333    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
334    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
335
336    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
337    \For{$i=0$ to $M-1$}{
338      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
339      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
340    }
341
342    $\theta \leftarrow -\pi$\\
343    $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
344    \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
345      $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
346      $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
347
348      \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
349        $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
350      }
351      $val_1 \leftarrow val_2$\\
352    }
353
354 \end{algorithm}
355
356
357 \subsubsection{Comparison}
358
359 \subsection{VHDL design paradigms}
360
361 \subsection{VHDL implementation}
362
363 \section{Experimental results}
364 \label{sec:results}
365
366
367
368
369 \section{Conclusion and perspectives}
370
371
372 \bibliographystyle{plain}
373 \bibliography{biblio}
374
375 \end{document}