基于DMD成像控制系統(tǒng)的研究

盧毅，徐熙平，丁浩，杜軼男

（長春理工大學　光電工程學院，長春　130022）

基于DMD成像控制系統(tǒng)的研究

盧毅，徐熙平，丁浩，杜軼男

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

基于數(shù)字微鏡器件DMD的工作原理，提出一種應用于激光防護的DMD成像控制系統(tǒng)，利用DMD對光的調(diào)制作用，來保護光電成像器件CCD不受激光致盲武器的干擾或破壞。介紹了DMD的工作原理，并從整體上分析了DMD成像控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。DMD系統(tǒng)控制和CCD圖像采集上進行了軟件設計，實現(xiàn)了CCD通過Camera Link圖像采集卡采集圖像數(shù)據(jù)及干擾激光光斑的識別。在DMD和CCD像素對應問題上，采用了相移莫爾法的調(diào)校方法，通過分析莫爾條紋的相位分布來實現(xiàn)像素的一一對應。最終通過DMD調(diào)制后的圖像可以清晰看出，系統(tǒng)有效地識別了激光光斑及對DMD的控制，抑制了圖像產(chǎn)生的飽和現(xiàn)象，達到了排除干擾激光保護光電成像器件的目的。

數(shù)字微鏡器件；CCD；激光防護；激光光斑；圖像采集

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，精確制導武器憑借著命中精度高、射程遠、機動性好、火力強等優(yōu)點作為主戰(zhàn)武器頻繁出現(xiàn)。隨著光電成像制導技術(shù)在導彈制導武器系統(tǒng)中的大量應用，使精確制導武器的作戰(zhàn)能力極具增強，為了應對這種制導技術(shù)帶來的巨大威脅，激光致盲作為一種新型的軟殺傷激光武器應運而生［1，2］。激光致盲武器主要是利用強激光照射到精確制導武器的光電成像器件中，干擾光信號的傳輸，使其損壞或過載，它具有命中精度極高、攻擊速度快、操作靈活和耗能少等優(yōu)點［3，4］。光電制導武器中的成像器件面臨巨大的危機，為了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有效防御激光致盲武器的殺傷，本實驗采用了一種基于DMD成像的控制系統(tǒng)，利用數(shù)字微鏡器件的光調(diào)制作用，來保護光電成像器件［5，6］。

1　DMD成像控制系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1DMD及成像系統(tǒng)工作原理

數(shù)字光處理（DLP），是一項應用于數(shù)字電視、數(shù)碼相機及投影儀中的顯像技術(shù)，其核心是數(shù)字微鏡晶片（DMD）。DMD是上世紀八十年代美國德州儀器公司首先發(fā)明的，實際上它是運用微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，將百萬個可以轉(zhuǎn)動的微小方形鋁制反射鏡，以陣列的方式集成在CMOS硅基片上的半導體光開關。每個微型反射鏡表示一個像素，可以由數(shù)字信號控制，利用其下方類似鉸鏈作用的轉(zhuǎn)動裝置，實現(xiàn)鏡片沿對角線為軸的獨立轉(zhuǎn)動，進而達到調(diào)制光線的目的。DMD結(jié)構(gòu)與實物如圖1所示。

圖1　DMD結(jié)構(gòu)與實物圖

DMD每個反射鏡都有三種獨立的工作狀態(tài)，即+12°（處于投影狀態(tài)被示為“開”態(tài)）、-12°（處于非投影狀態(tài)被示為“關”態(tài)）、0°（投影物鏡光軸與反射鏡的中垂線重合被示為“平”態(tài)）。DMD在工作時，通過開關控制反射光線角度，進而控制光線是否進入成像器件，其作用相當于一個布爾開關。并通過開關的頻率控制成像器件的積分時間，來改變圖像的灰度等級。DMD具有快速開關、衍射效率高、偏振不相關、顯示精度高和寬帶調(diào)制等特點，被廣泛應用于高清大屏幕投影等領域。

圖2　DMD成像分析系統(tǒng)工作原理圖

DMD成像系統(tǒng)包括數(shù)字微晶器件DMD及其驅(qū)動、投影光學系統(tǒng)、轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)和CCD。系統(tǒng)由投影光學系統(tǒng)接收入射光，入射光分成環(huán)境光和強激光，本實驗系統(tǒng)的目的就是要排除入射光中的強激光，來保護CCD相機的成像。經(jīng)過投影光學系統(tǒng)的入射光照射到DMD，由DMD進行光調(diào)制處理，再通過轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)反射到CCD相機的表面進行成像。上位機接收CCD實時產(chǎn)生的視頻信號，通過光斑檢測的算法進行圖像處理，分析出圖像中由強激光照射所產(chǎn)生的光飽和區(qū)域，并形成DMD能識別的模板圖片發(fā)送給DMD驅(qū)動控制系統(tǒng)。DMD根據(jù)控制信號進行光學調(diào)制，極大地減弱入射光中強激光的能量，有效地抑制了視頻圖像產(chǎn)生的光飽和現(xiàn)象，從而達到防護目的。DMD成像分析系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

1.2子系統(tǒng)的構(gòu)建

1.2.1DMD驅(qū)動控制系統(tǒng)

數(shù)字微鏡晶片DMD是本系統(tǒng)的核心器件，主要由TI公司生產(chǎn)，其控制電路的核心芯片也是該公司為微反射鏡器件設計開發(fā)的。本系統(tǒng)選用XD-ED01N 型DMD開發(fā)系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示。

表1　XD-ED01N型DMD開發(fā)系統(tǒng)參數(shù)

XD-ED01N型DMD是分離式，通過高密度數(shù)據(jù)線與控制板相連，這樣有利于進行光路調(diào)整，同時帶有板載DDR2內(nèi)存，可以實現(xiàn)圖像以超過1000Hz的速度循環(huán)播放，外觸發(fā)方式也更有了可靠性上的保證，其實物圖如圖3所示。

圖3　XD-ED01N型DMD開發(fā)系統(tǒng)

1.2.2CCD相機的選型與圖像采集

由于轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)無法實現(xiàn)DMD與CCD單一像素的一一對應，又為了實現(xiàn)后續(xù)的對應關系，所以需要選擇分辨率高的CCD。但高分辨率就會以犧牲幀頻為代價，在保證DMD與CCD像素一一對應關系，又保證幀頻的前提下，本實驗系統(tǒng)選擇SONY公司的140萬像素CCD型號為ICX285AL，其具體參數(shù)如表2所示。

表2　ICX285AL型CCD參數(shù)

系統(tǒng)采用Silicon Software公司提供具有兩路Camera Link通道的MicroEnable IV系列圖像采集卡AD1-CL，采用PCI Epress總線接口，最高時鐘頻率達到85MHz。Camera Link協(xié)議是為了解決工業(yè)相機和計算機的高速數(shù)據(jù)傳輸而提出的一種標準接口規(guī)范，由全球一些知名的工業(yè)相機廠商和圖像采集卡廠商共同提出。

2　DMD成像控制系統(tǒng)的設計

轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)中，由于DMD和CCD的像素尺寸都非常小，所以DMD各個反射鏡和CCD各個像素之間的通訊并不穩(wěn)定。本實驗系統(tǒng)采用了基于相移莫爾法的像素通信調(diào)校方法，此方法只需采集一幅圖像，分析DMD反射鏡和CCD像素之間不匹配或錯位時的莫爾條紋的相位分布。這種方法的調(diào)校精度很高，能夠準確檢測到不匹配和錯位情況，誤差小于1/25像素。

產(chǎn)生莫爾條紋的兩個光柵的空間頻率分別為fA和 fB，則此莫爾條紋的空間頻率為 fA-fB。DMD反射鏡和CCD像素之間的空間頻率存在線性差異時產(chǎn)生莫爾條紋，說明DMD反射鏡和CCD像素之間不是一一對應的，存在不匹配或偏移量，產(chǎn)生的原因可能是DMD和CCD大小不等或錯位旋轉(zhuǎn)不一致，如圖4所示。

圖4　DMD和CCD的不匹配和錯位

圖5為DMD像素與CCD像素對應原理圖。為了更方便觀察莫爾條紋，本系統(tǒng)采用了稀疏圖像和復制圖像兩種成像的方法。稀疏圖像是在原始圖像中每四個像素取一個得到的，這些被采集的像素稱為“稀疏化”像素。復制圖像就是一幅稀疏化的像素復制到下一幅稀疏化的圖像。復制圖像中出現(xiàn)莫爾條紋，說明存在不匹配或錯位，反之不會出現(xiàn)莫爾條紋。

圖5　DMD像素與CCD像素對應原理圖

圖6為相移莫爾法示意圖，（a）中黑點表示CCD相機的采樣點位置；（b）表示DMD反射鏡與CCD各個像素一一對應時圖像；（c）為（b）的稀疏化圖像；（d）為（c）的復制圖像；（e）為DMD反射鏡與CCD像素不對應時的采樣點；（f）為DMD的圖案間距為采樣點間距的1.125倍；（g）—（j）為相位間隔為π/2的稀疏化圖像；（k）—（n）為（g）—（j）代替前面的點圖像所得的復制圖像。圖6顯示出莫爾條紋是可見的，并且還顯示了不匹配時，莫爾條紋是如何被用來調(diào)整像素與像素對應關系的。

圖6　相移莫爾法示意圖

四幅相移圖像表示如下：

其中，Ib（x，y）為圖像背景強度，Ia（x，y）為光柵振幅強度，φ（x，y）為初始值。莫爾條紋相位分布由公式（5）表示：

在相移莫爾法中，四個像素為校準圖像的一個周期，所以四個像素不匹配或錯位位置對應的相位為2π。不匹配或錯位量m為：

其中，Δφ為相位差，p為校準圖像的間距。

莫爾條紋的相位分布反應了不匹配或錯位的情況，莫爾條紋數(shù)量越多不匹配程度越大，所以要減少莫爾條紋，直到CCD圖像中不出現(xiàn)莫爾條紋。

3　實驗結(jié)果及分析

圖7　實驗模擬結(jié)果

DMD成像控制系統(tǒng)軟件在Microsoft Visual Studio 2008環(huán)境下，基于對話框MFC編程。界面中包含圖像信息區(qū)域、圖像顯示區(qū)域、DMD控制區(qū)域、采集區(qū)域和狀態(tài)顯示區(qū)域。在實驗室環(huán)境下模擬強激光干擾，沒有經(jīng)過DMD調(diào)制的圖像產(chǎn)生了飽和區(qū)域，而經(jīng)過DMD調(diào)制的圖像，強激光干擾處顯示為黑色區(qū)域，模擬實驗結(jié)果如圖7所示。

4　結(jié)論

本實驗系統(tǒng)基于DMD對光調(diào)制作用的原理，通過對CCD相機圖像的處理，分析干擾激光產(chǎn)生的CCD飽和區(qū)域，反饋并控制DMD相應的微鏡處于關閉狀態(tài)，使干擾激光不能進入CCD成像，從而達到了排除干擾激光保護CCD相機的目的。

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Research on DMD Imaging Control System

LU Yi，XU Xiping，DING Hao，DU Yinan
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Based on the digital micromirror device DMD working principle presents a DMD imaging used in laser protection control system，using DMD light modulation，to protect the photovoltaic CCD imaging device without interference or disruption of blinding laser weapons.This paper describes the working principle of DMD and overall analysis of the structure DMD imaging control system.DMD system control，the CCD image acquisition software were designed to achieve the recognition via CCD Camera Link picture acquisition card collecting picture data and interfering laser spot.On DMD and CCD pixel corresponds issue，using a phase shift Moiré tuning method by analyzing the phase distribution moiré to achieve the corresponding pixel.Ultimately through DMD imaging system control and contrast，you can clearly see，the system effectively identify and control the laser spot on the DMD，suppress saturation phenomenon of generated image，and achieve the purpose of laser protection correct the interference by optical imaging device.

digital micromirror device；CCD；laser protection；laser spot；image acquisition

O614.33

A

1672-9870（2015）06-0021-04

2015-10-22

盧毅（1985-），男，碩士，實驗師，E-mail：luyi@cust.edu.cn