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Private GIT Repository
ed1709b970b6e5639bed275c3a350dcbbf4fdc23
[dmems12.git] / dmems12.tex
1
2 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
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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\\
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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 cantilever arrays,
116 authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developped   a    system   based   of
117 interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
118 deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
119 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
120 vertical displacement of the cantilever.
121 %%RAPH : est ce qu'on pique une image? génant ou non?
122 The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
123 Linnick interferomter~\cite{Sinclair:05}.   A laser beam is first  split (by the
124 splitter) into  a reference beam  and a sample  beam that reachs  the cantilever
125 array.  In  order to be able  to move the cantilever  array, it is  mounted on a
126 translation  and rotational  stage with  five  degrees of  freedom. The  optical
127 system is also fixed to the stage. Thus, the cantilever array is centered in the
128 optical system which can be adjusted accurately.  The beam illuminates the array
129 by a  microscope objective and the  light reflects on  the cantilevers. Likewise
130 the reference beam reflects on a movable mirror.  A CMOS camera chip records the
131 reference and  sample beams which  are recombined in  the beam splitter  and the
132 interferogram. At the beginning of each experiment, the movable mirror is fitted
133 manually in order to align the interferometric fringes approximately parallel to
134 the  cantilevers. When  cantilevers  move due  to  the surface,  the bending  of
135 cantilevers produce movements in the fringes  that can be detected with the CMOS
136 camera.  Finally  the fringes  need  to  be  analyzed. In~\cite{AFMCSEM11},  the
137 authors used  a LabView program to  compute the cantilevers'  movements from the
138 fringes.
139
140
141
142
143
144
145
146 \subsection{Architecture}
147 \label{sec:archi}
148 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
149 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
150 %% qu'elle est.
151
152 %% image tirée des expériences.
153
154 \subsection{Cantilever deflection estimation}
155 \label{sec:deflest}
156
157 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
158 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
159 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
160 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
161 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
162 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
163 that a linear relation binds these phases, which can be use to
164 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
165
166 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
167 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
168 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
169 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
170 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
171 the cantilever array.
172
173 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
174
175 \begin{equation}
176 \label{equ:profile}
177 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
178 \end{equation}
179
180 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
181
182 The global method consists in two main sequences. The first one aims
183 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
184 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
185 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
186 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
187 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
188 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
189
190 \subsection{Design goals}
191 \label{sec:goals}
192
193 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
194 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
195 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
196 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
197 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
198 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
199 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
200 pixels, it implies that computing the deflection of a single
201 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
202
203 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
204 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
205 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
206 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
207 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
208 implies that the phase computation algorithm should not take more than
209 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
210 $3000$ operations.
211
212 %% to be continued ...
213
214 %% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
215
216
217
218
219 \section{Proposed solution}
220 \label{sec:solus}
221
222
223 \subsection{FPGA constraints}
224
225 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
226
227
228 \subsection{Considered algorithms}
229
230 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
231 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
232 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
233 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
234 classical least square method but suppose that frequency is already
235 known.
236
237 \subsubsection{Spline algorithm}
238 \label{sec:algo-spline}
239 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
240 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
241 \in [0,M[$. 
242
243 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
244 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
245 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
246 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
247 (typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
248 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
249
250 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
251 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
252 the period thus the frequency.
253
254 The phase is computed via the equation :
255 \begin{equation}
256 \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]
257 \end{equation}
258
259 Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
260 obtained using the derivates of spline equations, which only implies
261 to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
262 computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
263 x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
264 much faster computation of $\theta$.
265
266 \subsubsection{Least square algorithm}
267
268 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
269 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
270 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
271 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
272 determine these four parameters. Since it is an iterative process
273 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
274 particularly adapted to our design goals.
275
276 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
277 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
278 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
279 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
280
281 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
282
283 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
284 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
285
286 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
287
288 Assuming an overlined symbol means an average, then :
289
290 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
291
292 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
293
294 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
295
296 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
297
298 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
299
300 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
301
302 \begin{eqnarray*}
303 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] \\
304 - 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
305 \end{eqnarray*}
306
307 Several points can be noticed :
308 \begin{itemize}
309 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
310   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
311   not depend on $\theta$ :
312
313 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
314
315 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
316 computed.
317
318 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
319   $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
320   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
321   also be computed before the loop :
322
323 \[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
324
325 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
326
327 \end{itemize}
328
329 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
330 \begin{algorithm}[h]
331 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
332 \label{alg:lsq-before}
333
334    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
335    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
336    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
337    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
338    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
339    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
340
341    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
342      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
343      lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
344      lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
345      lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
346      lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
347      lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
348    }
349 \end{algorithm}
350
351 \begin{algorithm}[h]
352 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
353 \label{alg:lsq-during}
354
355    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
356    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
357    \For{$i=0$ to $M-1$}{
358      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
359      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
360    }
361    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
362    \For{$i=0$ to $M-1$}{
363      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
364    }
365    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
366    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
367    \For{$i=0$ to $M-1$}{
368      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
369    }
370    
371    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
372    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
373
374    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
375    \For{$i=0$ to $M-1$}{
376      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
377      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
378    }
379
380    $\theta \leftarrow -\pi$\\
381    $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
382    \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
383      $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
384      $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
385
386      \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
387        $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
388      }
389      $val_1 \leftarrow val_2$\\
390    }
391
392 \end{algorithm}
393
394
395 \subsubsection{Comparison}
396
397 \subsection{VHDL design paradigms}
398
399 \subsection{VHDL implementation}
400
401 \section{Experimental results}
402 \label{sec:results}
403
404
405
406
407 \section{Conclusion and perspectives}
408
409
410 \bibliographystyle{plain}
411 \bibliography{biblio}
412
413 \end{document}