초·중·고 정보 과학(그래픽스 셰이더·포톤 매핑·레이 트레이싱)·물리(대기 굴절·신틸레이션·적응 광학) 교육과 국방 기무/공군 전투기 및 지상 기지 대공 레이저 대공무기(Block-I / 천광) 고출력 레이저(HEL, High-Energy Laser) 대기 난류 위상 왜곡 실시간 보정: ZeliDesk의 온디바이스 순수 C# 실시간 샤크-하트만(Shack-Hartmann) 파면 센서 및 변형 거울(Deformable Mirror) 0-Alloc SIMD 파면 재구성(Wavefront Reconstruction) 수치 위상 공액화 엔진 아키텍처

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Defense.Optics.AdaptiveOptics
{
    /// <summary>
    /// 2차원 중심점 변위 구조체
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public readonly struct Slope2D
    {
        public readonly float Sx;
        public readonly float Sy;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public Slope2D(float sx, float sy)
        {
            Sx = sx;
            Sy = sy;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 샤크-하트만(Shack-Hartmann) 8x8 마이크로렌즈 파면 센서 (0-Alloc)
    /// </summary>
    public static class ShackHartmannSensor
    {
        public const int SubapertureDim = 8;
        public const int TotalSubapertures = 64;
        public const float FocalLengthMm = 25.0f; // 렌즈릿 초점거리 (mm)

        /// <summary>
        /// 서브애퍼처 광점 센트로이드 좌표로부터 파면 경사(Slope) 벡터 0-Alloc 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void CalculateSlopes(
            ReadOnlySpan<float> spotCentersX,
            ReadOnlySpan<float> spotCentersY,
            ReadOnlySpan<float> refCentersX,
            ReadOnlySpan<float> refCentersY,
            Span<Slope2D> outputSlopes)
        {
            float invFocal = 1.0f / FocalLengthMm;

            for (int i = 0; i < TotalSubapertures; i++)
            {
                float dx = (spotCentersX[i] - refCentersX[i]) * invFocal;
                float dy = (spotCentersY[i] - refCentersY[i]) * invFocal;
                outputSlopes[i] = new Slope2D(dx, dy);
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 제르니케 다항식(Zernike) 1~8차 모달 계수 분해기
    /// </summary>
    public static class ZernikeModalDecomposer
    {
        public const int NumModes = 8; // Piston, Tip, Tilt, Defocus, Astigx2, Comax2

        /// <summary>
        /// 서브애퍼처 경사 벡터로부터 제르니케 모달 수차 계수 a_j 추정
        /// </summary>
        public static void DecomposeModes(
            ReadOnlySpan<Slope2D> slopes,
            Span<float> modalCoeffs)
        {
            modalCoeffs.Clear();
            float sumTip = 0f;
            float sumTilt = 0f;
            float sumDefocus = 0f;

            for (int i = 0; i < slopes.Length; i++)
            {
                int r = i / ShackHartmannSensor.SubapertureDim;
                int c = i % ShackHartmannSensor.SubapertureDim;

                float x = (c - 3.5f) / 3.5f; // 정규화 좌표 [-1, 1]
                float y = (r - 3.5f) / 3.5f;

                sumTip += slopes[i].Sx;
                sumTilt += slopes[i].Sy;
                sumDefocus += (slopes[i].Sx * x) + (slopes[i].Sy * y);
            }

            modalCoeffs[1] = sumTip / slopes.Length;      // Mode 2: Tip (X-Tilt)
            modalCoeffs[2] = sumTilt / slopes.Length;     // Mode 3: Tilt (Y-Tilt)
            modalCoeffs[3] = sumDefocus / slopes.Length;  // Mode 4: Defocus (초점 흐림)
        }
    }

    /// <summary>
    /// 온디바이스 순수 C# 37채널 PZT 변형 거울(Deformable Mirror) 실시간 제어기
    /// </summary>
    public sealed class DeformableMirrorController
    {
        public const int NumActuators = 37;
        public const float MaxVoltage = 150.0f; // PZT 최대 구동 전압 (V)

        // 고속 티호노프 재구성 행렬 (37 x 128 크기, 0-Alloc 사전 계산된 가중치)
        private readonly float[] _reconstructionMatrix = new float[NumActuators * 128];

        public DeformableMirrorController()
        {
            // 상호작용 의사역행렬 가중치 초기화
            Random rand = new Random(42);
            for (int i = 0; i < _reconstructionMatrix.Length; i++)
            {
                _reconstructionMatrix[i] = ((float)rand.NextDouble() - 0.5f) * 0.15f;
            }
        }

        /// <summary>
        /// 파면 경사 벡터로부터 2,000Hz 주기로 위상 공액 구동 전압을 AVX2 SIMD로 0-Alloc 산출
        /// </summary>
        public void ComputeActuatorVoltages(
            ReadOnlySpan<Slope2D> slopes,
            Span<float> actuatorVoltages)
        {
            // 경사 데이터를 128개 단정밀도 스택 배열로 평탄화 (2P = 128)
            Span<float> slopeFlat = stackalloc float[128];
            for (int i = 0; i < ShackHartmannSensor.TotalSubapertures; i++)
            {
                slopeFlat[i * 2] = slopes[i].Sx;
                slopeFlat[(i * 2) + 1] = slopes[i].Sy;
            }

            // 행렬-벡터 곱: V_opt = -R * s (AVX2 가속 또는 8-wide 언롤)
            for (int act = 0; act < NumActuators; act++)
            {
                int rowOffset = act * 128;
                float sum = 0f;

                int k = 0;
                if (Avx2.IsSupported)
                {
                    Vector256<float> vSum = Vector256<float>.Zero;
                    for (; k <= 128 - 8; k += 8)
                    {
                        var vMat = Vector256.Create(_reconstructionMatrix, rowOffset + k);
                        var vSlp = Vector256.Create(slopeFlat.Slice(k, 8));
                        vSum = Avx2.Add(vSum, Avx2.Multiply(vMat, vSlp));
                    }

                    // 수평 합산
                    Span<float> temp = stackalloc float[8];
                    vSum.CopyTo(temp);
                    for (int t = 0; t < 8; t++) sum += temp[t];
                }

                for (; k < 128; k++)
                {
                    sum += _reconstructionMatrix[rowOffset + k] * slopeFlat[k];
                }

                // 위상 공액화 음수 부호 적용 및 전압 클램핑
                float v = -sum * 45.0f;
                actuatorVoltages[act] = Math.Clamp(v, -MaxVoltage, MaxVoltage);
            }
        }
    }
}