基于OLED微顯示器和變形目鏡的全景顯示技術

郭俊達，金偉其，頓 雄，裘 溯，李 力

(北京理工大學 光電學院 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081)

1 引 言

在軍用和公安警用等夜視裝備中，頭盔夜視鏡、夜視觀察儀和車輛夜視輔助駕駛儀是最常見的夜視裝備，主要包括微光夜視或紅外熱成像兩種模式。人類視覺雖然在集中注視觀察的視場只有大約25°，但實際具有120°的感知視場。通常夜視頭盔成像視場都不超過40°，夜視偵察/觀察儀視場則更小[1]。傳統的光電成像系統的分辨率(包括探測器、顯示器和光學系統等)難以適應在大視場條件下對目標景物探測和識別的要求，即無法同時滿足大視場和高分辨率的要求，因此發展大視場高分辨的夜視觀察儀成為國內外研究的重要方向之一。

近年來，大面陣固體成像器件[2-3]及諸如高清晰、4K等顯示器件發展迅速，為大視場高分辨成像提供了可能。但是在一些關鍵崗位值守對周邊態勢的感知、裝甲車輛/防爆車/運鈔車等內部對外界態勢警戒等應用中，小視場觀察猶如“管中窺豹”，迫切需要在適當數據量限制條件下獲得一定垂直視場下的全景或周視高分辨成像，但在體積、重量和功耗等的限制下，現有技術往往難以有效適應應用的需求。目前采用面陣探測器掃描[4-7]、多攝像機排列的全景拼接成像[8-11]以及魚眼透鏡成像[12-13]等均已獲得成功的應用，但全景成像的顯示仍然受到顯示器分辨率的限制，難以兼顧水平方向的全景顯示和垂直方向的分辨率無損顯示。

有機發光OLED微顯示器作為夜視儀器中常見的顯示器件，具有諸多優異特性，常見像素規模為SVGA(800×600)和SXGA(1 280×1 024)。鑒于微光夜視與熱成像大多為黑白圖像，本文擬研究一種基于變形目鏡+OLED微顯示器、水平顯示像素擴大3倍的全景圖像顯示方法，以實現高分辨的全景灰度圖像顯示，為實際夜視成像應用提供一種可行的全景顯示技術。

2 基于OLED微顯示器+變形目鏡的全景顯示方法

圖1 彩色OLED微顯示器及其RGB像素濾光片結構圖 Fig.1 Framework of color OLED micro-display and RGB pixel filter array

目前國內奧雷德公司OLED微顯示器主要有SVGA (800×600)和SXGA(1 280×1 024)兩種模式，尺寸有0.5、0.61和0.97英寸3種規格[14]，通過不同信號驅動板可實現標準模擬/數字視頻圖像顯示。 圖1給出彩色OLED微顯示器及其RGB像素彩色濾光片陣列的結構示意圖，單個顯示像素是由水平排列的3個高寬比約3∶1的子像素，并分別覆蓋RGB三基色彩色濾光片陣列構成，像素寬度W與高度H基本相當，故子像素呈長方形結構。對于彩色圖像的顯示，由于人眼視覺可分辨尺寸大于子像素尺寸，故視覺感覺為RGB三色信號合成顏色(即空間混色)，可實現彩色圖像的有效顯示。對于單色圖像的顯示，既可采用彩色OLED微顯示器按照R=B=G的驅動模式顯示，也可通過不帶彩色濾光片陣列的微顯示器實現。

鑒于彩色OLED微顯示器采用了RGB子像素水平排序的結構，為其轉化為高分辨黑白OLED微顯示器奠定了技術基礎。我們將SVGA(800×600) {或SXGA(1 280×1 024)}像素的彩色OLED微顯示器的彩色濾光片去除，并以每一個RGB子像素作為一個顯示像素，這樣可將常規OLED微顯示器的像素數橫向擴大3倍，在不增大顯示器尺寸的條件下，獲得2 400×600(或3 840×1 024)像素的黑白OLED微顯示器。但這樣會使顯示的全景圖像縱橫比壓縮為原來的1/3，需要通過水平和垂直方向的放大率相差3倍的變形目鏡，將OLED微顯示器上壓縮顯示的全景圖像恢復成正常的全景圖像。

圖2 全景顯示原理示意圖 Fig.2 Schematic diagram of panoramic display

這里以SVGA微顯示器為例，說明實現全景顯示的原理。如圖2所示，處理過程大致可分成兩個步驟：

(1)利用圖像處理模塊完成全景圖像縱橫比的壓縮操作，將2 400×600分辨率的全景原圖(縱橫比為4:1)在800(×3)×600分辨率的OLED微顯示器(縱橫比為4∶3)上壓縮顯示；

(2)利用變形目鏡完成全景圖像縱橫比的解壓縮操作，將OLED微顯示器上的壓縮圖像(縱橫比為4:3)放大且水平3倍拉伸，得到的解壓縮圖像(縱橫比為4∶1)顯示。

3 一種技術驗證系統的設計及測試

3.1 驗證系統的設計

為了驗證上述全景圖像的顯示方法，本文設計了一套基于3個攝像機并列的全景攝像機、圖像處理模塊、SVGA微顯示器以及基于大目鏡+變形成像透鏡組的變形目鏡組成的全景顯示實驗系統(如圖3)。

圖3 系統總體結構框圖 Fig.3 Block diagram of system overall structure

3.1.1 全景圖像獲取以及OLED微顯示器模塊

全景圖像的獲取模塊采用安裝在圓弧支架水平布局且同步控制的3個低照度工業攝像機組成，各攝像機成像視場φh×φv(與探測器光敏面尺寸和物鏡焦距有關)，攝像機光軸沿圓弧支架徑向向外且相鄰攝像機光軸的夾角Ω與攝像機水平視場φh-δ一致(δ為重疊視場)，由此實現(3φh-2δ)×φv視場范圍內全景圖像的同時獲取。例如選取攝像機視場角φh為66°×49.5°，重疊視場δ為9°，相鄰攝像機光軸夾角Ω為57°，得到半周視180°水平視場角的全景圖像。

圖4 SVGA模式OLED微顯示器 Fig.4 SVGA mode OLED micro-display

如圖4，OLED微顯示器模塊選用奧雷德公司特定不帶像素彩色濾光片陣列(CFA)的常規彩色OLED微顯示器及其驅動電路板，OLED微顯示器分辨率800(×3)×600，有效顯示區域10.13 mm×7.61 mm，用于實現全景圖像的壓縮顯示。由于顯示器像素尺寸為12.6 μm×12.6 μm，在拓展水平子像素并忽略子像素間隔條件下，全景顯示器的像素分辨力約為119.05 lp/mm×39.68 lp/mm。

3.1.2 圖像處理模塊

由于圖3所示3個攝像機采集的圖像之間往往存在相鄰視場的重疊，需要進行視頻圖像拼接融合才能得到全景圖像。本文方案設計了兩種全景圖像的顯示模式：

(1)基于全景拼接攝像機的全景圖像顯示(需要進行全景圖像的拼接等預處理)；

(2)對靜態全景圖像的顯示(用于分辨力測試和全景圖像效果的分析)。

本文主要完成靜態全景圖像的顯示功能。

圖5 硬件原理圖 Fig.5 Schematic diagram of hardware

圖像處理模塊采用以FPGA+FLASH+DDR3為核心的FPGA開發板，完成圖像存儲、緩存、圖像預處理與傳輸任務。模塊的硬件原理圖如圖5所示，FPGA為Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45，FLASH為Winbond公司W25Q128FV，DDR3為Micron公司MT41J128M16LA-187E，處理系統能夠完成對全景圖像數據的處理和緩存需求。

圖像處理模塊將存儲于FLASH中全景圖像數據轉存到讀寫速度更快的DDR3，圖像信號編碼以每3個水平像素的圖像信號按照RGB信號模式重新進行組合分配，作為OLED微顯示器獨立顯示像素的驅動信號。

在編碼分配過程中，800(×3)×600分辨率OLED微顯示器上的壓縮圖像對應2 400×600分辨率全景灰度圖像的像素灰度值關系為：

(1)

式中，i、j為OLED微顯示器顯示圖像的像素坐標，R、G、B分別為OLED微顯示器上各像素拆分出來的3個子像素的灰度值，image為全景原圖各像素的灰度值。

OLED微顯示器的驅動板接收到驅動信號，可獲得全景圖像水平壓縮3倍的圖像顯示。

3.1.3 變形目鏡

由于在OLED微顯示器上壓縮顯示的全景圖像縱橫比縮小為正常的1/3，為了使圖像恢復正常顯示，需要開展變形目鏡光學系統的設計。雖然可設計小型化的變形目鏡，但鑒于本文主要是驗證全景圖像顯示模式，因此采用了基于現有光學部件和元件的設計模式。

大目鏡是一些特種車輛光電成像裝置常用的一種目鏡類型，其較大的出瞳口徑和距離為在車內運動環境下的觀察提供了條件。因此，本文采用了某種現有大目鏡+變形成像透鏡組構成混合變形目鏡的設計方案。如圖6，大目鏡的主要參數為倍率約5.6×，出瞳直徑約75 mm，分辨力大于30 lp/mm，為Φ25 mm像管屏幕圖像提供顯示；變形成像透鏡組的水平放大率是垂直方向的3倍，用于使OLED微顯示器上壓縮的全景圖像恢復正常的圖像縱橫比。

圖6 變形目鏡整體結構示意圖 Fig.6 Schematic diagram of anamorphic eyepiece overall structure

由此，變形目鏡設計的核心就成為了變形成像透鏡組的設計。為了實現變形比為3的成像，變形成像透鏡組需要滿足條件：

(1)透鏡組水平和垂直方向的放大倍率比為3；

(2)同一個物點發出的光線經過透鏡組后，其在水平和垂直兩個方向必須匯聚于同一個像點，即共軛距離相同。

根據幾何光學的物像共軛理論，對于物空間的一物點M，任何一個光學系統或光學元件在像空間必有且只有一個像點N與之共軛，反之亦然[15]。因此，可通過移動透鏡位置，使當前的物距和像距交換，且共軛距離保持不變。這樣，對于同一個透鏡就存在兩個透鏡位置(如圖7的位置1和位置2)，其放大倍率剛好相反，但共軛距離相同。由于柱面透鏡只在一個方向有匯聚作用，另一方向相當于厚度不同均勻介質板，沒有匯聚作用[16]，剛好可以滿足這樣的需求。因此，可利用兩塊完全相同的柱面透鏡垂直(柱線方向相互垂直)放置于位置1和位置2，這樣既能提供水平和垂直方向不同的放大倍率，又能保證光學系統在兩個方向上的物像共軛距離相同。

圖7 物像共軛關系 Fig.7 Object-image conjugate relation

按照前述思想，設計的變形成像透鏡組光學結構如圖8所示。設計中的透鏡全部選用了商業產品目錄中的現有產品。為了解決系統的像差校正問題，在設計中柱面透鏡選用柱面消色差透鏡，并在對稱位置增加了兩個相同的消色差球面透鏡，以降低整個系統各個透鏡的光焦度需求，減小各透鏡的單色像差以及系統的單色像差。

圖8 變形成像透鏡組 Fig.8 Anamorphic imaging lens group

圖8中，假設柱面透鏡A1在水平方向的放大倍率為α，根據物像共軛原理，另一個柱面透鏡A2在垂直方向的放大倍率為1/α。同時，若其中球面透鏡B1的放大倍率為β，則另一個球面透鏡B2的放大倍率為1/β。于是，變形目鏡的放大倍率λ為：

(2)

滿足變形成像透鏡組3倍的變倍比只需：

(3)

最終設計的變形成像透鏡組參數詳見表1，光學總長249.3 mm，視場10.13×7.61 mm，與OLED微顯示器有效顯示區尺寸一致，工作波段(400～700) nm。如圖9，選用THORLABS公司消色差柱面透鏡ACY254 -050-A (Φ1英寸，f=50 mm)和消色差雙膠合透鏡AC254-125-A-ML(Φ1英寸，f=125 mm)。ZEMAX軟件仿真的變形成像透鏡組視場中心、半視場和全視場的子午(T)和弧矢(S)MTF曲線如圖10所示。可以看出：由于透鏡組水平和垂直方向的放大率不同，使得中心視場、水平/垂直軸外視場及軸外點的子午/弧矢方向等對應的傳遞函數也不相同：

圖9 選用透鏡實物圖 Fig.9 Object diagram of selected lens

光學面曲率半徑/mm厚度/mm玻璃材料半口徑/mmOBJInfinity22.226.34158.513.39N-SF1011.66223.988.00N-BK711.663-30.5678.5711.66477.634.00N-BK77.275-55.922.83N-SF57.106-160.825.657.00STO(7)Infinity5.656.508160.822.83N-SF56.97955.924.00N-BK77.0710-77.6378.577.2311Infinity8.00N-BK711.6612Infinity3.39N-SF1011.6613Infinity22.229.15IMAInfinity-9.11

圖10 變形成像透鏡組的MTF曲線 Fig.10 MTF curves of anamorphic imaging lens group

(1)中心視場：水平/垂直分辨力分別約47和27 lp/mm；

(2)半視場：垂直方向的子午/弧矢MTF均優于軸上點，子午/弧矢分辨力達到30和60 lp/mm以上；水平方向的MTF均優于軸上點，子午和弧矢方向的分辨力均達到60 lp/mm以上；

(3)全視場：垂直方向的子午/弧矢MTF均優于軸上點，子午/弧矢分辨力達到37和60 lp/mm以上；水平方向的MTF在低頻時較差，但極限分辨力均達到60 lp/mm以上。

總體上，采用現有光學部件搭建的系統像差優化尚不足，水平分辨力未達到理想條件下的3倍。通過專門設計的變形目鏡系統，采用更大的放大倍率和像質優化，可進一步提高成像質量。

按照目前的設計，全景變形目鏡放大率為(9.66×)×(3.22×)。若以目前實用像增強器分辨力大于50 lp/mm為例，大目鏡分辨力應不低于50 lp/mm，經過倍率轉換后在顯示器面的分辨力f1m不低于86.60 lp/mm(H)和28.86 lp/mm(V)。于是，大目鏡+變形成像透鏡組(分辨力f2m)的組合分辨力fm為：

(1/fm)2=(1/fm)2+(1/f2m)2.

(4)

由于全景顯示器像素分辨力約為119.05 lp/mm×39.68 lp/mm，雙像素分辨力約為59.52 lp/mm×19.84 lp/mm。利用上述分辨力分析和式(4)，不難得知基于現有大目鏡+變形成像透鏡的組合變形目鏡難以達到全景顯示器像素的分辨力，但應能區分雙像素線條，即水平方向能實現亞像素(雙子像素)的顯示。

3.1.4 驗證系統搭建

依據上述設計搭建了全景顯示驗證系統，如圖11所示，其中，組合變形目鏡模塊采用共軸籠式機械結構進行裝配，以使系統易于調節和保持結構的穩定性。

圖11 實驗系統整體實物圖 Fig.11 Object diagram of experimental system

3.2 驗證系統的性能測試

3.2.1 變形目鏡成像效果測試

將繪制的正方形網格打印至銅版紙上作為測試網格靶標，置于驗證系統OLED微顯示器顯示屏位置。如圖12所示，可以看出物方正方形網格通過變形目鏡后變成了長方形網格圖像；進一步在大目鏡像方用數碼相機拍攝網格圖像，通過對采集到的網格圖像測量水平和垂直兩個邊長計算變形比基本為3:1，符合變形目鏡設計的預期成像效果。

圖12 正方形網格及其成像效果 Fig.12 Square grid and imaging effect

3.2.2 變形目鏡光學分辨力測試

利用MATLAB制作了一幅2 400×600像素的簡易分辨力測試靶圖像(如圖13)，考察變形目鏡在OLED微顯示器有效顯示區不同區域的分辨力。每個考察區域的分辨力測試組群均包含5組水平和垂直排列黑白條紋，黑白條紋寬度從5個像素至1個像素依次遞減，對應組別號分別表示為1、2、3、4和5(即組別號越高，分辨力越高)。

圖13 變形目鏡的分辨力測試靶原圖 Fig.13 Resolution test target of anamorphic eyepiece

利用圖像處理模塊驅動分辨率測試靶并顯示于OLED微顯示器上，從變形目鏡上拍攝的測試靶效果如圖14所示。采用主觀測試評價方法，通過5個觀察者從變形目鏡觀察的分辨力結果如表2所示。可以看出：全靶面均難以分辨單像素的靶標條紋(水平方向為子像素，垂直方向為單像素)，但大部分區域均能區分雙子像素靶標條紋(水平方向對原大像素相當于亞像素)，少部分區域只能區分到3像素靶標，這與前面傳遞函數分析的結論是一致的。

圖14 分辨力測試靶觀察效果圖 Fig.14 Observation of resolution test target

觀察者編號各考察區域所能分辨的黑白條紋最高組別區域1區域2區域3區域4區域5區域6區域7區域8區域9區域10區域11區域1214/44/44/44/44/44/43/33/33/34/44/44/423/44/44/44/44/44/44/44/34/44/44/44/433/44/44/44/44/44/43/43/34/43/44/44/444/44/44/44/44/44/44/43/34/44/44/44/453/44/44/44/44/44/44/43/34/43/44/44/4

圖15 測試原圖 Fig.15 Original test image

3.2.3 全景圖像的顯示效果

采用圖15所示2 400×600像素的256級灰度全景圖像作為測試圖，觀察由OLED微顯示器壓縮變形顯示的全景效果圖如圖16(a)所示，經過變形目鏡光學解壓縮后最終得到的全景效果圖如圖16(b)所示。可以看出：全景圖像顯示實驗系統有效完成了對全景圖像的壓縮顯示以及光學解壓縮處理，變形目鏡的分辨力可達到OLED微顯示器的亞像素級別，能夠分辨兩個像素尺寸，且人眼觀察效果良好。

圖16 OLED微顯示器和變形目鏡分別呈現的圖像 Fig.16 OLED micro-display image and anamorphic eyepiece optical image

4 結 論

隨著全景成像技術的興起和不斷發展，在全景圖像的顯示方面卻依然存在著諸多限制。本文提出了一種基于變形目鏡實現單一OLED微顯示器的全景圖像顯示方法，并研制了一套基于OLED微顯示器+變形目鏡的全景圖像顯示實驗系統，系統以FPGA開發板作為圖像處理模塊，將OLED微顯示器的子像素作為顯示像素進行驅動信號重編碼，實現全景灰度圖像在水平方向3倍壓縮顯示；利用變形目鏡將OLED微顯示器上顯示的壓縮圖像進行水平3倍于垂直的變形放大顯示，提供人眼正常觀察的全景圖像。通過實驗系統的實際測試，實現了預期全景圖像的顯示效果，雖然變形目鏡沒有達到全景顯示器的單像素分辨力顯示，但大部分顯示區域均實現雙像素靶標(水平方向相當于亞像素顯示)顯示，最終驗證了本文全景顯示方法的可行性。若采用更高分辨率的SXGA(1 280×1 024)OLED微顯示器，可望獲得更高分辨力的全景顯示或將屏幕分成上下兩塊顯示區域，并增加攝像機數量可望實現周視場景高分辨圖像的同步有效顯示。本文的方法所提供的寬視場灰度全景顯示思路在夜間偵察、駕駛、監控等領域具有廣泛的應用前景。