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Private GIT Repository
5ème commit :
[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 $k=4$ 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 :
222 \begin{itemize}
223 \item the frequency could also be obtained using the derivates of
224   spline equations, which only implies to solve quadratic equations.
225 \item frequency of each profile is computed a single time, before the
226   acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$
227   could also be computed before the loop, which leads to a much faster
228   computation of $\theta$.
229 \end{itemize}
230
231 \subsubsection{Least square algorithm}
232
233 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
234 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
235 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
236 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
237 determine these four parameters. Since it is an iterative process
238 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
239 particularly adapted to our design goals.
240
241 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
242 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
243 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
244 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
245
246 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
247
248 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
249 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
250
251 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
252
253 Assuming an overlined symbol means an average, then :
254
255 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
256
257 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
258
259 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
260
261 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
262
263 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
264
265 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
266
267 \begin{eqnarray*}
268 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] \\
269 - 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
270 \end{eqnarray*}
271
272 Several points can be noticed :
273 \begin{itemize}
274 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
275   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
276   not depend on $\theta$ :
277
278 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
279
280 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
281 computed.
282
283 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
284   $[-\pi,\pi]$ in $nb_s$ steps, and to search which step leads to the
285   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
286   also be computed before the loop :
287
288 \[ sin \theta, cos \theta, \]
289
290 \[ \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
291
292 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(nb_s)$ 
293
294 \end{itemize}
295
296 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
297 \begin{algorithm}[h]
298 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
299 \label{alg:lsq-before}
300
301    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
302    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
303    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
304    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
305    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
306    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
307
308    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
309      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
310      lut$_s$[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
311      lut$_c$[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
312      lut$_A$[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
313      lut$_{sfi}$[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
314      lut$_{cfi}$[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
315    }
316 \end{algorithm}
317
318 \begin{algorithm}[ht]
319 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
320 \label{alg:lsq-during}
321
322    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
323    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
324    \For{$i=0$ to $M-1$}{
325      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
326      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
327    }
328    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
329    \For{$i=0$ to $M-1$}{
330      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
331    }
332    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
333    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
334    \For{$i=0$ to $M-1$}{
335      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
336    }
337    
338    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
339    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
340
341    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
342    \For{$i=0$ to $M-1$}{
343      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut$_{sfi}$[$i$]\\
344      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut$_{cfi}$[$i$]\\
345    }
346
347    $\delta \leftarrow \frac{nb_s}{2}$, $b_l \leftarrow 0$, $b_r \leftarrow \delta$\\
348    $v_l \leftarrow -2.I_s - amp.$lut$_A$[$b_l$]\\
349
350    \While{$\delta >= 1$}{
351
352      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
353
354      \If{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
355        $v_l \leftarrow v_r$ \\
356        $b_l \leftarrow b_r$ \\
357      }
358      $\delta \leftarrow \frac{\delta}{2}$\\
359      $b_r \leftarrow b_l + \delta$\\
360    }
361    \uIf{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
362      $v_l \leftarrow v_r$ \\
363      $b_l \leftarrow b_r$ \\
364      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
365      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
366    }
367    \Else {
368      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
369    }
370
371    \uIf{$ abs(v_l) < v_r$}{
372      $b_{\theta} \leftarrow b_l$ \\
373    }
374    \Else {
375      $b_{\theta} \leftarrow b_r$ \\
376    }
377    $\theta \leftarrow \pi\times \left[\frac{2.b_{ref}}{nb_s}-1\right]$\\
378
379 \end{algorithm}
380
381 \subsubsection{Comparison}
382
383 We compared the two algorithms on the base of three criterions :
384 \begin{itemize}
385 \item precision of results on a cosinus profile, distorted with noise,
386 \item number of operations,
387 \item complexity to implement an FPGA version.
388 \end{itemize}
389
390 For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
391 running with double precision values. The profile was generated for
392 about 34000 different values of period ($\in [3.1, 6.1]$, step = 0.1),
393 phase ($\in [-3.1 , 3.1]$, step = 0.062) and slope ($\in [-2 , 2]$,
394 step = 0.4). For LSQ, $nb_s = 1024$, which leads to a maximal error of
395 $\frac{\pi}{1024}$ on phase computation. Current A. Meister and
396 M. Favre experiments show a ratio of 50 between variation of phase and
397 the deflection of a lever. Thus, the maximal error due to
398 discretization correspond to an error of 0.15nm on the lever
399 deflection, which is smaller than the best precision they achieved,
400 i.e. 0.3nm.
401
402 For each test, we add some noise to the profile : each group of two
403 pixels has its intensity added to a random number picked in $[-N,N]$
404 (NB: it should be noticed that picking a new value for each pixel does
405 not distort enough the profile). The absolute error on the result is
406 evaluated by comparing the difference between the reference and
407 computed phase, out of $2\pi$, expressed in percents. That is : $err =
408 100\times \frac{|\theta_{ref} - \theta_{comp}|}{2\pi}$.
409
410 Table \ref{tab:algo_prec} gives the maximum and average error for the two algorithms and increasing values of $N$.
411
412 \begin{table}[ht]
413   \begin{center}
414     \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
415       \hline
416   & \multicolumn{2}{c|}{SPL} & \multicolumn{2}{c|}{LSQ} \\ \cline{2-5}
417   noise & max. err. & aver. err. & max. err. & aver. err. \\ \hline
418   0 & 2.46 & 0.58 & 0.49 & 0.1 \\ \hline
419   2.5 & 2.75 & 0.62 & 1.16 & 0.22 \\ \hline
420   5 & 3.77 & 0.72 & 2.47 & 0.41 \\ \hline
421   7.5 & 4.72 & 0.86 & 3.33 & 0.62 \\ \hline
422   10 & 5.62 & 1.03 & 4.29 & 0.81 \\ \hline
423   15 & 7.96 & 1.38 & 6.35 & 1.21 \\ \hline
424   30 & 17.06 & 2.6 & 13.94 & 2.45 \\ \hline
425
426 \end{tabular}
427 \caption{Error (in \%) for cosinus profiles, with noise.}
428 \label{tab:algo_prec}
429 \end{center}
430 \end{table}
431
432 These results show that the two algorithms are very close, with a
433 slight advantage for LSQ. Furthemore, both behave very well against
434 noise. Assuming the experimental ratio of 50 (see above), an error of
435 1 percent on phase correspond to an error of 0.5nm on the lever
436 deflection, which is very close to the best precision.
437
438 Obviously, it is very hard to predict which level of noise will be
439 present in real experiments and how it will distort the
440 profiles. Nevertheless, we can see on figure \ref{fig:noise20} the
441 profile with $N=10$ that leads to the biggest error. It is a bit
442 distorted, with pikes and straight/rounded portions, and relatively
443 close to most of that come from experiments. Figure \ref{fig:noise60}
444 shows a sample of worst profile for $N=30$. It is completly distorted,
445 largely beyond the worst experimental ones. 
446
447 \begin{figure}[ht]
448 \begin{center}
449   \includegraphics[width=9cm]{intens-noise20-spl}
450 \end{center}
451 \caption{Sample of worst profile for N=10}
452 \label{fig:noise20}
453 \end{figure}
454
455 \begin{figure}[ht]
456 \begin{center}
457   \includegraphics[width=9cm]{intens-noise60-lsq}
458 \end{center}
459 \caption{Sample of worst profile for N=30}
460 \label{fig:noise60}
461 \end{figure}
462
463 The second criterion is relatively easy to estimate for LSQ and harder
464 for SPL because of $atan$ operation. In both cases, it is proportional
465 to numbers of pixels $M$. For LSQ, it also depends on $nb_s$ and for
466 SPL on $N = k\times M$, i.e. the number of interpolated points. 
467
468 We assume that $M=20$, $nb_s=1024$, $k=4$, all possible parts are
469 already in lookup tables and only arithmetic operations (+, -, *, /)
470 are taken account. Translating the two algorithms in C code, we obtain
471 about 400 operations for LSQ and 1340 (plus the unknown for $atan$)
472 for SPL. Even if the result is largely in favor of LSQ, we can notice
473 that executing the C code (compiled with \tt{-O3}) of SPL on an
474 2.33GHz Core 2 Duo only takes 6.5µs in average, which is under our
475 desing goals. The final decision is thus driven by the third criterion.\\
476
477 The Spartan 6 used in our architecture has hard constraint : it has no
478 floating point units. Thus, all computations have to be done with
479 integers. 
480
481
482
483 \subsection{VHDL design paradigms}
484
485 \subsection{VHDL implementation}
486
487 \section{Experimental results}
488 \label{sec:results}
489
490
491
492
493 \section{Conclusion and perspectives}
494
495
496 \bibliographystyle{plain}
497 \bibliography{biblio}
498
499 \end{document}