基于OLED微顯示器和變形目鏡的全景顯示技術(shù)

郭俊達(dá)，金偉其，頓 雄，裘 溯，李 力

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)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(tǒng)的光電成像系統(tǒng)的分辨率(包括探測器、顯示器和光學(xué)系統(tǒng)等)難以適應(yīng)在大視場條件下對目標(biāo)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(fā)展大視場高分辨的夜視觀察儀成為國內(nèi)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(fā)展迅速，為大視場高分辨成像提供了可能。但是在一些關(guān)鍵崗位值守對周邊態(tài)勢的感知、裝甲車輛/防爆車/運鈔車等內(nèi)部對外界態(tài)勢警戒等應(yīng)用中，小視場觀察猶如“管中窺豹”，迫切需要在適當(dāng)數(shù)據(jù)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(xiàn)有技術(shù)往往難以有效適應(yīng)應(yīng)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(yīng)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(fā)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(yōu)異特性，常見像素規(guī)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(xiàn)高分辨的全景灰度圖像顯示，為實際夜視成像應(yīng)用提供一種可行的全景顯示技術(shù)。

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(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Framework of color OLED micro-display and RGB pixel filter array

目前國內(nèi)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(guī)格[14]，通過不同信號驅(qū)動板可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模擬/數(shù)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(jié)構(gòu)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(gòu)成，像素寬度W與高度H基本相當(dāng)，故子像素呈長方形結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(qū)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(xiàn)。

鑒于彩色OLED微顯示器采用了RGB子像素水平排序的結(jié)構(gòu)，為其轉(zhuǎn)化為高分辨黑白OLED微顯示器奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。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(guī)OLED微顯示器的像素數(shù)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(fù)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(xiàn)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(shù)驗證系統(tǒng)的設(shè)計及測試

3.1 驗證系統(tǒng)的設(shè)計

為了驗證上述全景圖像的顯示方法，本文設(shè)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(tǒng)(如圖3)。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(yè)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(guān))，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(xiàn)(3φh-2δ)×φv視場范圍內(nèi)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(guī)彩色OLED微顯示器及其驅(qū)動電路板，OLED微顯示器分辨率800(×3)×600，有效顯示區(qū)域10.13 mm×7.61 mm，用于實現(xiàn)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(jìn)行視頻圖像拼接融合才能得到全景圖像。本文方案設(shè)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(jìn)行全景圖像的拼接等預(yù)處理)；

(2)對靜態(tài)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(tài)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(fā)板，完成圖像存儲、緩存、圖像預(yù)處理與傳輸任務(wù)。模塊的硬件原理圖如圖5所示，F(xiàn)PGA為Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45，F(xiàn)LASH為Winbond公司W(wǎng)25Q128FV，DDR3為Micron公司MT41J128M16LA-187E，處理系統(tǒng)能夠完成對全景圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jìn)行組合分配，作為OLED微顯示器獨立顯示像素的驅(qū)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(yīng)2 400×600分辨率全景灰度圖像的像素灰度值關(guān)系為：

(1)

式中，i、j為OLED微顯示器顯示圖像的像素坐標(biāo)，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(qū)動板接收到驅(qū)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(fù)正常顯示，需要開展變形目鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。雖然可設(shè)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(xiàn)有光學(xué)部件和元件的設(shè)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(nèi)運動環(huán)境下的觀察提供了條件。因此，本文采用了某種現(xiàn)有大目鏡+變形成像透鏡組構(gòu)成混合變形目鏡的設(shè)計方案。如圖6，大目鏡的主要參數(shù)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(fù)正常的圖像縱橫比。

圖6 變形目鏡整體結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.6 Schematic diagram of anamorphic eyepiece overall structure

由此，變形目鏡設(shè)計的核心就成為了變形成像透鏡組的設(shè)計。為了實現(xiàn)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(fā)出的光線經(jīng)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(jù)幾何光學(xué)的物像共軛理論，對于物空間的一物點M，任何一個光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)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(dāng)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(dāng)于厚度不同均勻介質(zhì)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(xué)系統(tǒng)在兩個方向上的物像共軛距離相同。

圖7 物像共軛關(guān)系 Fig.7 Object-image conjugate relation

按照前述思想，設(shè)計的變形成像透鏡組光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖8所示。設(shè)計中的透鏡全部選用了商業(yè)產(chǎn)品目錄中的現(xiàn)有產(chǎn)品。為了解決系統(tǒng)的像差校正問題，在設(shè)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(tǒng)各個透鏡的光焦度需求，減小各透鏡的單色像差以及系統(tǒng)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(shè)柱面透鏡A1在水平方向的放大倍率為α，根據(jù)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(shè)計的變形成像透鏡組參數(shù)詳見表1，光學(xué)總長249.3 mm，視場10.13×7.61 mm，與OLED微顯示器有效顯示區(qū)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(yīng)的傳遞函數(shù)也不相同：

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

光學(xué)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(yōu)于軸上點，子午/弧矢分辨力達(dá)到30和60 lp/mm以上；水平方向的MTF均優(yōu)于軸上點，子午和弧矢方向的分辨力均達(dá)到60 lp/mm以上；

(3)全視場：垂直方向的子午/弧矢MTF均優(yōu)于軸上點，子午/弧矢分辨力達(dá)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(dá)到60 lp/mm以上。

總體上，采用現(xiàn)有光學(xué)部件搭建的系統(tǒng)像差優(yōu)化尚不足，水平分辨力未達(dá)到理想條件下的3倍。通過專門設(shè)計的變形目鏡系統(tǒng)，采用更大的放大倍率和像質(zhì)優(yōu)化，可進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

按照目前的設(shè)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(yīng)不低于50 lp/mm，經(jīng)過倍率轉(zhuǎn)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(xiàn)有大目鏡+變形成像透鏡的組合變形目鏡難以達(dá)到全景顯示器像素的分辨力，但應(yīng)能區(qū)分雙像素線條，即水平方向能實現(xiàn)亞像素(雙子像素)的顯示。

3.1.4 驗證系統(tǒng)搭建

依據(jù)上述設(shè)計搭建了全景顯示驗證系統(tǒng)，如圖11所示，其中，組合變形目鏡模塊采用共軸籠式機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，以使系統(tǒng)易于調(diào)節(jié)和保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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

3.2 驗證系統(tǒng)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(wǎng)格打印至銅版紙上作為測試網(wǎng)格靶標(biāo)，置于驗證系統(tǒng)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(wǎng)格通過變形目鏡后變成了長方形網(wǎng)格圖像；進(jìn)一步在大目鏡像方用數(shù)碼相機拍攝網(wǎng)格圖像，通過對采集到的網(wǎng)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(shè)計的預(yù)期成像效果。

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

3.2.2 變形目鏡光學(xué)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(qū)不同區(qū)域的分辨力。每個考察區(qū)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(yīng)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(qū)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(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯喝忻婢y以分辨單像素的靶標(biāo)條紋(水平方向為子像素，垂直方向為單像素)，但大部分區(qū)域均能區(qū)分雙子像素靶標(biāo)條紋(水平方向?qū)υ笙袼叵喈?dāng)于亞像素)，少部分區(qū)域只能區(qū)分到3像素靶標(biāo)，這與前面?zhèn)鬟f函數(shù)分析的結(jié)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(qū)域所能分辨的黑白條紋最高組別區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3區(qū)域4區(qū)域5區(qū)域6區(qū)域7區(qū)域8區(qū)域9區(qū)域10區(qū)域11區(qū)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(jīng)過變形目鏡光學(xué)解壓縮后最終得到的全景效果圖如圖16(b)所示?？梢钥闯觯喝皥D像顯示實驗系統(tǒng)有效完成了對全景圖像的壓縮顯示以及光學(xué)解壓縮處理，變形目鏡的分辨力可達(dá)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(xiàn)的圖像 Fig.16 OLED micro-display image and anamorphic eyepiece optical image

4 結(jié) 論

隨著全景成像技術(shù)的興起和不斷發(fā)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(xiàn)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(tǒng)，系統(tǒng)以FPGA開發(fā)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(jìn)行驅(qū)動信號重編碼，實現(xiàn)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(jìn)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(tǒng)的實際測試，實現(xiàn)了預(yù)期全景圖像的顯示效果，雖然變形目鏡沒有達(dá)到全景顯示器的單像素分辨力顯示，但大部分顯示區(qū)域均實現(xiàn)雙像素靶標(biāo)(水平方向相當(dāng)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?qū)⑵聊环殖缮舷聝蓧K顯示區(qū)域，并增加攝像機數(shù)量可望實現(xiàn)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(jiān)控等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。