基于DMD的紅外場景仿真系統實驗分析

耿 達，何永強，唐德帥，元 雄，胡文剛，任宏巖

(軍械工程學院電子與光學工程系，河北石家莊050003)

1 引言

近年來隨著仿真技術的不斷發展，利用紅外場景仿真技術在室內環境下對紅外成像系統進行性能測試成為研究熱點。目前國內外典型的紅外成像技術有以下幾種:激光二極管、電阻陣列、液晶光閥、數字微鏡陣列(DMD)等［1］。其中，基于DMD的紅外成像技術具有灰度等級高、分辨率高、對比度強、能量輸出集中、生成圖像穩定、均勻性好、幾何畸變小、可分辨溫差小、壽命長等優點逐漸成為紅外成像技術的主要發展方向。

幀頻指單位時間內仿真系統轉換生成動態圖像的數量。實驗中，由于DMD采用的是調制反射光，通過控制每個微反射鏡反射光的時間長短來實現亮度的調節，只能與凝視面陣紅外探測器匹配使用，因此只有在其積分時間內才對外部光能進行探測，其他時間不響應［2］。為了得到理想的仿真場景，探測器的積分時間與DMD顯示幀頻要同步，否則就會出現假信號、閃爍及圖像混淆現象。本文通過分析DMD的工作原理，研究了基于DMD的場景仿真系統中，探測器積分時間與DMD顯示時間不同步時，對于靜態場景仿真和動態場景仿真的影響。

2 DMD工作原理

DMD器件是由美國德州儀器(TI)公司研制的，是數字光處理(DLP)系統的核心器件。每個DMD是由成千上萬個可翻轉的鋁合金微鏡組成，相當于投影圖像中的一個像素點，通過快速、獨立控制每個微反射鏡的偏轉角度，控制對光源光線的反射，實現圖像信息的動態顯示［3］。圖1是用電子顯微鏡拍下的去除窗口的微鏡陣列照片，這些微鏡面具有不同的偏轉角，呈現不同的狀態。圖2示出了兩片DMD微鏡片的傾斜狀態。

圖1 DMD芯片微鏡陣列顯微照片Fig．1 Micrograph ofmicro lens of DMD

圖2 微鏡片的工作狀態示意圖Fig．2Working state of Micro lens

由圖2［4］可知，DMD像素單元只要由CMOS存儲單元、轉動鉸鏈、鏡架、反射鏡和3個電極等幾部分組成。

DMD是一種快速、反射式的數字光開關，通過微鏡片的轉動實現成像。圖3［5］是DMD成像原理示意圖。每個微鏡片都有3種狀態，即“開”、“平”以及“關”態，分別對應 +12°、0°和 －12°。將投影透鏡置于微鏡片的中垂線上，當微鏡片未偏轉時，光源發出的入射光被微鏡反射，反射角為24°，偏離投影系統。當微鏡片偏轉+12°時，經微鏡片反射的入射光幾乎全部通過投影系統，在屏幕上對應的像素點成亮態。當微鏡片偏轉－12°時，反射光線偏離投影系統，此時對應的像素點成暗態［4］。因此，通過控制微鏡片的3種狀態，就能控制每個像素點的亮暗，從而生成一幅圖像。

圖3 DMD工作原理示意圖Fig．3Working principle of DMD

3 DMD的灰度調制技術

為了使DMD投影出的圖像含有更豐富的信息且更逼真，就需要進行灰度調制。灰度調制的基本原理是人眼在空間上對分辨率不敏感和在時間上存在“視覺暫留”的特性。灰度調制方法主要有空間灰度調制、幀灰度調制和脈沖寬度調制等［4］。由于空間灰度調制和幀灰度調制在提高灰度等級時都存在一定的局限性，而脈沖寬度調制不存在這種問題。因此，基于DMD的動態場景仿真系統采用脈沖寬度調制。

脈沖寬度調制技術(PWM)是指在探測器積分時間內，DMD根據驅動電路輸入的脈寬信號，調節微鏡片的3種狀態所占圖像一幀時間的百分比來實現對應像素的數字控制。圖像數據的最高有效位(MSB)對應的位時間最長，最低有效位(LSB)對應的位時間最短。以10進制數的4 bit灰度圖像為例，它具有24個灰度等級。把一幀時間分為4個位時間，每個位時間的長短與它的二進制權值成正比，即從 LSB 到 MSB 的位時間依次為 20、21、22、23，且對應的時間間隔為1/15、2/15、4/15、8/15。其二進制數表示為1010，在MSB和MSB－2的位時間上，DMD微鏡片處于“開”態，鏡片偏轉 +12°;在MSB－1和LSB的位時間上，DMD處于“關”態。鏡片偏轉－12°［6］。圖4示出了4 bit圖像的二進制脈寬調制示意圖。同樣，可以實現8 bit，12 bit等更高的灰度等級，主要取決于每幀圖像的場時間和鏡片轉動的響應時間。

圖4 4 bit脈沖寬度調制示意圖Fig．4 Pulse width modulation of4 bit

4 仿真系統實驗分析

由于DMD灰度等級控制采用的是脈寬調制技術，通過調節微鏡片在“開”態和“關”態所處的時間來成像的，因此只能與凝視面陣紅外探測器匹配使用，且探測器的積分時間等于DMD顯示時間，同時二者之間實現嚴格的幀同步。如果PWM調制與探測器積分時間不同步，則會導致時間混淆現象，這是系統設計中必須解決的問題。傳統的解決辦法是從探測器外接一路同步信號，連接到DMD驅動電路板，控制PWM顯示，實現PWM與探測器積分時間的同步。圖5所示加載同步信號后，積分時間與DMD顯示時間的同步示意圖。圖中以數據為1、8、10的4 bit圖像為例，當探測器探測到一幀圖像時，向DMD驅動板發出一個同步信號，使積分時間和顯示時間同步，從而得到完整清晰的圖像。

圖6 仿真系統實驗電路板Fig．6 Circuit board of the simulation experiment

圖5 加載同步信號下的脈寬調制示意圖Fig．5 Pulse width modulation of loading synchronization signal

4．1 靜態場景仿真

目前，根據實驗室所具備的條件，仿真系統可以顯示靜態場景和動態場景。如圖6所示，仿真系統實驗電路板由上半部分的DMD驅動板和下半部分的視頻板組成，來顯示動態場景，DMD驅動板也可單獨工作，顯示靜態場景。

在實驗過程中發現在顯示靜態圖像時，不外接同步信號且積分時間大于顯示時間，調節顯示幀頻也會得到清晰完整的圖像。如圖7所示，當探測器積分時間為20 ms時，DMD分別在顯示時間為10 ms、20 ms和25 ms圖像的顯示情況。

圖7 積分時間為20 ms時的DMD圖像Fig．7 Experiment images of DMD at Tint=20 ms

由圖可以看出，圖7(a)和圖7(b)圖像明顯比圖7(c)圖像清晰完整。當探測器積分時間為30 ms時，調節 DMD顯示時間，實驗結果如圖8所示，圖8(a)圖像明顯比圖8(b)圖像清晰完整。

圖8 積分時間為30 ms時的DMD圖像Fig．8 Experiment images of DMD at Tint=30 ms

通過上述兩個實驗初步得出，DMD在顯示靜態圖像時，不外接同步信號，調節DMD顯示幀頻，滿足探測器積分時間是DMD顯示時間的整數倍，就可以得到清晰完整的圖像。

4．2 動態場景仿真

4．1節得到的結論只在靜態場景仿真時適用，在動態場景仿真時，由于相鄰兩幀圖像的信息不同，必須外接同步信號使探測器積分時間與DMD顯示時間在同一時刻開始，否則就會出現圖像混淆現象。由數據為1、8、10的4 bit連續三幀圖像為例，當沒有外接同步信號時，積分信號與驅動信號匹配關系如圖9所示，在一段積分時間內包含了相鄰兩幀圖像的內容，探測器得到的圖像不是一幅包含全部信息的完整圖像因此圖像出現混淆現象;當外接同步信號時，如圖10所示，積分信號與驅動信號在同一時刻觸發且在同一時刻結束，探測器在每段積分時間內得到的是完整的一幅圖像，消除了圖像混淆現象。

為了準確、直觀地驗證在動態場景仿真時，未加同步信號會出現圖像混淆現象，運用Flash軟件制作了一段相鄰兩幀圖像信息相差比較明顯的視頻，便于觀察圖像混淆現象。選取其中連續的四幀圖像，如圖11所示。

圖9 未加載同步信號的脈寬調制示意圖Fig．9 Pulse width modulation of not loading synchronization signal

圖10 加載同步信號的脈寬調制示意圖Fig．10 Pulse width modulation of loading synchronization signal

圖11 選取視頻中連續的四幀圖像Fig．11 Select the four frame successive images

首先，不外接同步信號，設定探測器時間與DMD顯示時間相同。探測器得到的與圖11對應幀數的圖像內容如圖12所示。

圖12 未接同步信號時探測器得到的圖像Fig．12 The images ofmissed synchronization signal

觀察上述實驗結果可知，在未接同步信號的情況下，即使探測器積分時間與DMD顯示時間相同，得到的圖像不完整且相鄰圖像之間重疊。當外接同步信號時，得到的圖像如圖13所示。

圖13 外接同步信號時探測器得到的圖像Fig．13 The images of external synchronization signal

通過圖12與圖13對比可知，外接同步信號得到的圖像完整且沒有圖像重疊現象。因此仿真系統進行動態場景仿真時，外接同步信號協調積分信號與驅動信號是非常有必要的。

5 結論

通過上述兩個實驗，得出系統在靜態場景仿真時，不外接同步信號就可以得到清晰完整的圖像，避免了外接同步信號改動電路的麻煩，易于工程實現。而動態場景仿真時，只調整探測器積分時間與系統顯示時間不能消除圖像混淆，只能外接同步信號。為了工程需要，研究一種不外接同步信號就能消除動態場景仿真中圖像混淆的方法，成為下一步工作的重點。

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