신경망 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 스파이크 소팅 & 1,000Hz 0-Alloc C# Neuropixels 2.0 칼만 필터 서보 제어기

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Stem.NeuroTech
{
    /// 

    /// Neuropixels 2.0 1ms 비닝된 단일 뉴런 스파이크 카운트 입력
    /// 
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public readonly struct SpikeFrame1Ms
    {
        public readonly uint TickUs;
        public readonly byte Unit1Spikes;
        public readonly byte Unit2Spikes;
        public readonly byte Unit3Spikes;
        public readonly byte Unit4Spikes;

        public SpikeFrame1Ms(uint us, byte u1, byte u2, byte u3, byte u4)
        {
            TickUs = us;
            Unit1Spikes = u1;
            Unit2Spikes = u2;
            Unit3Spikes = u3;
            Unit4Spikes = u4;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 0-Alloc BCI 칼만 필터 상지 궤적 예측 서보 엔진
    /// 
    public ref struct BciKalmanTrajectoryServo
    {
        private Vector3 _position;
        private Vector3 _velocity;

        // 사전 계산된 정상 상태 칼만 이득 (Steady-State Kalman Gain) 가중치
        private static readonly float[] Wx = { 0.082f, -0.065f, 0.041f, -0.012f };
        private static readonly float[] Wy = { -0.034f, 0.091f, 0.015f, -0.078f };
        private static readonly float[] Wz = { 0.018f, 0.022f, 0.087f, 0.064f };

        public BciKalmanTrajectoryServo(Vector3 initialPos)
        {
            _position = initialPos;
            _velocity = Vector3.Zero;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public bool UpdateTick(in SpikeFrame1Ms frame, out Vector3 targetPos, out Vector3 targetVel)
        {
            // 1. 신경 발화율 잔여 편차 계산 (0-Alloc 스택)
            float d1 = frame.Unit1Spikes - 0.25f;
            float d2 = frame.Unit2Spikes - 0.20f;
            float d3 = frame.Unit3Spikes - 0.15f;
            float d4 = frame.Unit4Spikes - 0.30f;

            // 2. 칼만 관측 갱신: 의도 속도 추정
            float vxIntent = (d1 * Wx[0]) + (d2 * Wx[1]) + (d3 * Wx[2]) + (d4 * Wx[3]);
            float vyIntent = (d1 * Wy[0]) + (d2 * Wy[1]) + (d3 * Wy[2]) + (d4 * Wy[3]);
            float vzIntent = (d1 * Wz[0]) + (d2 * Wz[1]) + (d3 * Wz[2]) + (d4 * Wz[3]);

            // 3. 상태 전이 및 댐핑 통합 (1ms dt = 0.001s)
            _velocity = new Vector3(
                (0.92f * _velocity.X) + (0.08f * vxIntent * 100.0f),
                (0.92f * _velocity.Y) + (0.08f * vyIntent * 100.0f),
                (0.92f * _velocity.Z) + (0.08f * vzIntent * 100.0f)
            );

            _position += _velocity * 0.001f;

            targetPos = _position;
            targetVel = _velocity;

            return true;
        }
    }
}