基于DMD的靜態場景仿真成像特性分析

何永強，唐德帥，耿 達，元 雄

（軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003）

1 引 言

目前，紅外場景仿真技術已經廣泛應用于各種半實物仿真系統。由于其紅外圖像生成原理的不同可以分為兩種類型，即直接輻射型和輻射調制型，采用的主要技術有：電阻陣列、光二極管陣列、Bly Cell、液晶光閥、DMD 等［1］。其中，基于DMD的紅外場景仿真系統以其高圖像分辨率、高光效效率以及全數字化控制等優勢得到越來越多的重視和應用。它以光源溫度可調、顯示幀頻可調等特點可以適用于多種凝視型紅外探測設備。

紅外場景仿真系統的最終目的是投影出感興趣的紅外目標和背景信息，為紅外成像設備提供信息源。由于DMD的工作特點是通過脈寬調制實現每幀圖像的完整顯示，使其只適用于凝視型紅外探測設備，并且要求探測器的積分時間與DMD顯示幀頻相匹配才能達到理想的實驗效果，否則會出現圖像混淆現象。分析DMD成像特點，對于靜態場景仿真，只要滿足探測器積分時間達到DMD顯示時間的整數倍即可有效避免圖像混淆的發生，利用一套顯示幀頻可調的開發系統與積分時間可調的近紅外探測器進行實驗，驗證了理論分析結論。

2 DMD成像特點

2.1 DMD工作原理

美國德州儀器（TI）公司研制出的DMD器件是DLP顯示系統的核心器件，它是由一組二維的鋁合金微鏡陣列組成，每個微鏡對應圖像中的一個像素，通過控制這些微鏡快速、獨立的翻轉，改變光源的反射線，實現圖像的顯示。如圖1［2］所示，采用電子顯微鏡拍下的DMD微鏡陣列，在圖中可以看出每個微鏡翻轉的角度不同，在此時的狀態也不相同。

圖1 DMD微鏡陣列顯微照片Fig.1 Micrograph of micro lens of DMD

如圖2所示，DMD微反射鏡的微機電系統（MEMS）主要包括CMOS、各種電極、鉸鏈和鏡片幾個主要部分。

圖2 單個微鏡片的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of single lens

DMD作為一種數字光調制開關，它具有快速和反射式兩個特點。它通過控制微鏡片快速地不斷翻轉實現圖像顯示。目前，微鏡片的翻轉角度可達到±12°，當DMD芯片中的CMOS接收到二進制位時間為“1”時，鏡片偏轉到＋12°，此時光源的反射光線幾乎都投影到屏幕上，對應的像素點呈亮態。相反當二進制位時間為“0”時，微鏡片偏轉到－12°，此時光源的反射光線偏離了屏幕，對應的像素點呈暗態。因此，DMD是通過控制其鏡片翻轉的角度從而控制每個像素的亮、暗，實現一幅完整圖像的顯示［3］。

2.2 脈沖寬度調制

用于紅外場景仿真系統的DMD顯示過程需要進行灰度調制，以實現不同像素灰度級的圖像顯示。灰度調制主要包括3種方法，分別是空間灰度調制方法、幀灰度調制方法和脈沖寬度調制方法。前二者在應用中存在一些缺陷，比如，空間灰度調制方法隨著圖像灰度等級的提高，其分辨率也在下降，幀灰度調制方法在提高幀頻時會與DMD視頻處理電路的響應時間產生矛盾。由于脈寬調制方法不會出現上述問題，因此系統采用脈寬調制技術［4］。

脈寬調制的原理是將每幀圖像的時間根據圖像的位數分成若干份，稱為位時間或子幀時間。以4bit灰度圖像為例，圖像可以產生24個灰度等級，一幀圖像根據每位的二進制權值20、21、22、23被分成4份，從最低位到最高位的位時間依次占總時間的1／15、2／15、4／15、8／15。如圖3所示，當一幀圖像的灰度等級為10時，二進制數表示為1010，在DMD微鏡片上，高電平時鏡片偏轉＋12°，低電平時鏡片偏轉－12°，對應的鏡片亮態的時間占顯示一幀圖像時間的10／15。

圖3 二進制脈沖寬度調制示意圖Fig.3 Modulate of binary digit pulse extent

圖4為通過示波器測量得到的DMD仿真系統幀同步信號與位同步信號，系統顯示8bit灰度圖像。由圖可見，在顯示一幀圖像過程中，系統分為8個子幀來實現8位灰度信息，每一子幀的顯示時間與其權值成正比。

圖4 仿真系統幀同步與位同步信號Fig.4 Frame－sync and bit－sync signal of simulation system

3 幀頻匹配分析

由DMD成像特點可知，DMD顯示過程是全像素、全時域顯示，對于掃描型紅外探測器而言，在其掃描過程中，會漏掉部分圖像信息，使得圖像探測不完整，影響仿真效果，所以基于DMD的紅外場景仿真系統只適用于凝視型紅外探測設備，并且需要協調積分與顯示的時間同步，這是場景仿真系統設計過程中必須考慮的一個問題，傳統的解決方法是通過從探測器引出一路同步信號，外接到DMD顯示控制電路，同時調整DMD顯示幀頻，使探測器曝光時間與DMD顯示完全同步，才能有效避免圖像混淆［5－8］。圖5為經同步信號調整后的成像示意圖，仍以4bit灰度圖像為例。其中上半部分為探測器的幀同步信號，每探測一幀圖像，輸出一個同步信號，下半部分為經同步信號調整以后，在每一個探測器的積分周期里，DMD顯示一幀圖像信息的位同步信號。經同步信號調整之后，探測器積分時間與DMD顯示實現匹配，得到清晰完整的圖像。

圖5 加載同步信號的成像示意圖Fig.5 Imaging sketch map with sync－signal

外接同步信號的缺點是需要對紅外探測設備進行電路分析和改動，以便同步信號引出，且需要接入DMD顯示控制電路，不利于場景仿真系統的推廣應用。

對于顯示靜態圖像來說，因為在不同積分時間里顯示的內容相同，使得其對同步的要求要比顯示動態圖像較低，只要探測器積分時間與DMD顯示時間滿足一定的關系即可，其成像示意圖如圖6所示。

圖6 未加載同步信號的成像示意圖Fig.6 Imaging sketch map without sync－signal

圖6（a）為未加載同步信號情況下積分時間與顯示時間相等時的成像示意圖，通過與圖5比較可以發現，雖然沒有同步加載同步信號，但是在探測器的一個積分周期里，探測到的DMD顯示內容是相同的，只不過不是從第一位信息開始探測而已，但并不影響成像效果。圖6（b）為未加載同步信號情況下積分時間是顯示時間2倍時的成像示意圖，雖然沒有加載同步信號，但是在探測器的一個積分周期里，探測到2次DMD的顯示內容，輸出一副圖像，仍然可以完整成像，同理，當探測器積分時間為DMD顯示時間2倍以上的整數倍時，亦可得到完整的圖像。

通過上述分析可知，在場景仿真系統顯示靜態場景時，不需要外接探測器的同步信號，只要滿足探測器積分時間達到DMD顯示時間的整數倍，即可實現圖像的清晰完整顯示。

4 實驗驗證

普通商用DMD芯片由于其使用范圍主要集中在可見光波段，其上表面的保護窗口限制了透光性能，只透過可見光及近紅外光波，對其他波段光波進行了屏蔽。為了驗證探測器積分時間與DMD顯示不同步出現的圖像混淆，采用國產In－GaAs短波紅外相機作為探測設備，一套顯示幀頻可調的DMD開發套件作為場景仿真設備進行實驗。

國產InGaAs短波紅外相機具有高靈敏度、高性噪比、增益可調、積分時間可調等特點，光譜響應范圍為900～1700nm，積分時間在0.8～200ms范圍可調，探測器像元為320×256，像元間距為30μm。DMD開發套件選用0.7”XGA（1024×768）分辨率格式 DMD芯片，顯示幀頻在1～100Hz范圍可調。

設置探測器積分時間為20ms，調節DMD顯示幀頻，實驗結果如圖7所示。

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

圖8 積分時間為40ms時的DMD圖像Fig.8 Experiment images of DMD at 40ms

由圖7可以看出，DMD顯示時間為10ms和20ms時，圖像內容清晰、穩定、不閃爍，而顯示時間為12.5ms和25ms時，圖像明顯出現混淆現象，可見，探測器曝光時間與DMD顯示幀頻匹配具有必要性。比較（a）和（c）發現沒有明顯區別，證明探測器曝光時間與DMD顯示幀頻并不需要完全同步，只要滿足一定規律即可，為了驗證其規律，進行如下實驗。

設置探測器積分時間為40ms，DMD顯示幀頻變化，實驗結果如圖8所示。

分析圖8，發現只要滿足探測器積分時間是DMD顯示時間的整數倍時，不需要外接同步信號，就可以得到清晰的圖像，當不滿足整數倍時就會出現圖像混淆現象。

5 結 論

對基于DMD的紅外場景仿真系統進行探測需要滿足幀頻匹配條件在很多學者的研究文章中都有提及，傳統的解決方法是通過從探測器引出一路同步信號，外接到DMD顯示控制電路，同時調整DMD顯示幀頻，使探測器曝光時間與DMD顯示完全同步，才能有效避免圖像混淆。其缺點是需要對紅外探測設備進行電路分析和改動，以便同步信號引出，且需要接入DMD顯示控制電路，不利于場景仿真系統的廣泛應用。

通過對DMD成像特點的理論分析，以及實驗驗證，得出對于靜態場景而言，只需滿足探測器積分時間達到DMD顯示時間的整數倍即可有效避免圖像混淆的發生，而不需要外接同步信號，使得場景仿真系統的設計與實現變得容易，降低了工程難度，具有重要的實際意義。

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