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Private GIT Repository
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[dmems12.git] / dmems12.tex
1
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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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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
116
117
118
119
120
121
122 \subsection{Architecture}
123 \label{sec:archi}
124 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
125 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
126 %% qu'elle est.
127
128 In order to develop simple,  cost effective and user-friendly cantilever arrays,
129 authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developped   a    system   based   of
130 interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
131 deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
132 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
133 vertical displacement of the cantilever.
134 %%RAPH : est ce qu'on pique une image? génant ou non?
135 The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
136 Linnick interferomter~\cite{Sinclair:05}.   A laser beam is first  split (by the
137 splitter) into  a reference beam  and a sample  beam that reachs  the cantilever
138 array.  In  order to be able  to move the cantilever  array, it is  mounted on a
139 translation  and rotational  stage with  five  degrees of  freedom. The  optical
140 system is also fixed to the stage. Thus, the cantilever array is centered in the
141 optical system which can be adjusted accurately.  The beam illuminates the array
142 by a  microscope objective and the  light reflects on  the cantilevers. Likewise
143 the reference beam reflects on a movable mirror.  A CMOS camera chip records the
144 reference and  sample beams which  are recombined in  the beam splitter  and the
145 interferogram. At the beginning of each experiment, the movable mirror is fitted
146 manually in order to align the interferometric fringes approximately parallel to
147 the  cantilevers. When  cantilevers  move due  to  the surface,  the bending  of
148 cantilevers produce movements in the fringes  that can be detected with the CMOS
149 camera.  Finally  the fringes  need  to  be  analyzed. In~\cite{AFMCSEM11},  the
150 authors used  a LabView program to  compute the cantilevers'  movements from the
151 fringes.
152
153
154
155 %% image tirée des expériences.
156
157 \subsection{Cantilever deflection estimation}
158 \label{sec:deflest}
159
160 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
161 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
162 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
163 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
164 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
165 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
166 that a linear relation binds these phases, which can be use to
167 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
168
169 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
170 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
171 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
172 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
173 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
174 the cantilever array.
175
176 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
177
178 \begin{equation}
179 \label{equ:profile}
180 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
181 \end{equation}
182
183 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
184
185 The global method consists in two main sequences. The first one aims
186 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
187 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
188 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
189 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
190 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
191 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
192
193 \subsection{Design goals}
194 \label{sec:goals}
195
196 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
197 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
198 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
199 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
200 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
201 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
202 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
203 pixels, it implies that computing the deflection of a single
204 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
205
206 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
207 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
208 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
209 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
210 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
211 implies that the phase computation algorithm should not take more than
212 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
213 $3000$ operations.
214
215 %% to be continued ...
216
217 %% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
218
219
220
221
222 \section{Proposed solution}
223 \label{sec:solus}
224
225
226 \subsection{FPGA constraints}
227
228 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
229 configured by  the customer.  A hardware  description language (HDL)  is used to
230 configure a  FPGA. FGPAs are  composed of programmable logic  components, called
231 logic blocks.  These blocks can be  configured to perform simple (AND, XOR, ...)
232 or  complex  combinational  functions.    Logic  blocks  are  interconnected  by
233 reconfigurable  links. Modern  FPGAs  contains memory  elements and  multipliers
234 which enables to simplify the design and increase the speed. As the most complex
235 operation operation on FGPAs is the  multiplier, design of FGPAs should not used
236 complex operations. For example, a divider  is not an available operation and it
237 should be programmed using simple components.
238
239 FGPAs programming  is very different  from classic processors  programming. When
240 logic block are programmed and linked  to performed an operation, they cannot be
241 reused anymore.  FPGA  are cadenced slowly than classic  processors but they can
242 performed pipelined as  well as pipelined operations. A  pipeline provides a way
243 manipulate data quickly  since at each clock top to handle  a new data. However,
244 using  a  pipeline  consomes more  logics  and  components  since they  are  not
245 reusable,  nevertheless it  is probably  the most  efficient technique  on FPGA.
246 Parallel  operations   can  be  used   in  order  to  manipulate   several  data
247 simultaneously. When  it is  possible, using  a pipeline is  a good  solution to
248 manipulate  new  data  at  each  clock  top  and  using  parallelism  to  handle
249 simultaneously several data streams.
250
251 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
252
253
254 \subsection{Considered algorithms}
255
256 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
257 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
258 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
259 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
260 classical least square method but suppose that frequency is already
261 known.
262
263 \subsubsection{Spline algorithm}
264 \label{sec:algo-spline}
265 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
266 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
267 \in [0,M[$. 
268
269 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
270 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
271 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
272 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
273 (typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
274 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
275
276 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
277 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
278 the period thus the frequency.
279
280 The phase is computed via the equation :
281 \begin{equation}
282 \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]
283 \end{equation}
284
285 Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
286 obtained using the derivates of spline equations, which only implies
287 to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
288 computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
289 x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
290 much faster computation of $\theta$.
291
292 \subsubsection{Least square algorithm}
293
294 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
295 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
296 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
297 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
298 determine these four parameters. Since it is an iterative process
299 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
300 particularly adapted to our design goals.
301
302 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
303 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
304 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
305 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
306
307 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
308
309 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
310 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
311
312 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
313
314 Assuming an overlined symbol means an average, then :
315
316 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
317
318 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
319
320 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
321
322 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
323
324 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
325
326 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
327
328 \begin{eqnarray*}
329 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] \\
330 - 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
331 \end{eqnarray*}
332
333 Several points can be noticed :
334 \begin{itemize}
335 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
336   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
337   not depend on $\theta$ :
338
339 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
340
341 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
342 computed.
343
344 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
345   $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
346   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
347   also be computed before the loop :
348
349 \[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
350
351 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
352
353 \end{itemize}
354
355 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
356 \begin{algorithm}[h]
357 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
358 \label{alg:lsq-before}
359
360    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
361    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
362    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
363    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
364    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
365    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
366
367    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
368      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
369      lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
370      lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
371      lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
372      lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
373      lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
374    }
375 \end{algorithm}
376
377 \begin{algorithm}[h]
378 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
379 \label{alg:lsq-during}
380
381    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
382    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
383    \For{$i=0$ to $M-1$}{
384      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
385      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
386    }
387    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
388    \For{$i=0$ to $M-1$}{
389      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
390    }
391    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
392    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
393    \For{$i=0$ to $M-1$}{
394      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
395    }
396    
397    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
398    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
399
400    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
401    \For{$i=0$ to $M-1$}{
402      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
403      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
404    }
405
406    $\theta \leftarrow -\pi$\\
407    $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
408    \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
409      $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
410      $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
411
412      \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
413        $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
414      }
415      $val_1 \leftarrow val_2$\\
416    }
417
418 \end{algorithm}
419
420
421 \subsubsection{Comparison}
422
423 \subsection{VHDL design paradigms}
424
425 \subsection{VHDL implementation}
426
427 \section{Experimental results}
428 \label{sec:results}
429
430
431
432
433 \section{Conclusion and perspectives}
434
435
436 \bibliographystyle{plain}
437 \bibliography{biblio}
438
439 \end{document}