基于dmd的紅外仿真系統(tǒng)的圖像顯示

0dmd顯示幀頻與紅外成像設(shè)備幀頻的關(guān)系近年來，以美國三個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中心為代表的歐洲和美國模擬實(shí)驗(yàn)室（畸變儀）成功應(yīng)用了以數(shù)字微鏡裝置（畸變儀）為核心的紅外場景模擬系統(tǒng)。他還研究和應(yīng)用了大量dnm，并取得了顯著的成果。由于紅外場景仿真系統(tǒng)需要提供清晰完整的灰度圖像給紅外成像設(shè)備,因此DMD顯示幀頻與紅外成像設(shè)備幀頻需要滿足一定的關(guān)系。紅外成像設(shè)備的幀頻一般不可調(diào),只能調(diào)整DMD顯示幀頻來實(shí)現(xiàn)圖像的完整顯示。本文分析了DMD成像原理,運(yùn)用示意圖直觀地分析了DMD灰度調(diào)制成像與紅外成像設(shè)備采集圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,制作了一幅特征圖像,利用現(xiàn)有的DMD開發(fā)系統(tǒng)及探測器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析結(jié)論。1dmd顯示幀頻在DMD場景仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)灰度等級(jí)的主要方法是灰度調(diào)制,灰度調(diào)制的方法主要包括3種分別是空間調(diào)制、幀調(diào)制和脈寬調(diào)制。由于前兩種方法在提高灰度等級(jí)時(shí)會(huì)導(dǎo)致圖像分辨率下降,因此系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制。DMD是依靠成千上萬個(gè)鋁制微鏡片對(duì)光反射的不同角度來實(shí)現(xiàn)亮暗的區(qū)別,通過控制鏡片復(fù)位時(shí)間的長短實(shí)現(xiàn)不同灰度等級(jí)。脈沖寬度的大小表示微鏡所在位置反射時(shí)間的長短,決定該處灰度值的大小,從而完成圖像各像素的灰度調(diào)制。如圖1所示,以10灰度值的4bit圖像為例,它具有24個(gè)灰度等級(jí)即0~15個(gè)灰度值,10灰度值的二進(jìn)制數(shù)表示為1010。灰度等級(jí)調(diào)制的過程相當(dāng)于把這幅4bit圖像分成4幅二進(jìn)制圖像,從最低有效位(LSB)到最高有效位(MSB)依次調(diào)制,4幅二進(jìn)制圖像在顯示屏上疊加完成這幅4bit圖像的顯示。8bit,12bit圖像同樣可以實(shí)現(xiàn),這主要取決于鏡片的復(fù)位時(shí)間和每幀圖像的場時(shí)間。若設(shè)一幅圖像的灰度等級(jí)為M,則每幅圖像在DMD顯示時(shí)間內(nèi)都可以分成m=log2M個(gè)位時(shí)間段。這樣一幅圖像就轉(zhuǎn)換成m幅二進(jìn)制黑白圖像,f(x,y)表示灰度圖像,則:式中:表bi(x,y)示在第i個(gè)位時(shí)間段內(nèi)DMD顯示的二值圖像。因此,調(diào)整DMD顯示幀頻,即調(diào)整每個(gè)位時(shí)間段的長短,也就是調(diào)整微鏡片的穩(wěn)定時(shí)間。綜上所述,調(diào)整DMD顯示幀頻的過程,其實(shí)就是對(duì)DMD灰度調(diào)制的過程即控制PWM。2外接同步信號(hào)仿真整個(gè)系統(tǒng)的幀頻包括3部分,分別為視頻輸入幀頻、DMD顯示幀頻和探測器幀頻。視頻輸入幀頻是由視頻處理電路決定的,該電路可以自適應(yīng)被動(dòng)接收計(jì)算機(jī)圖像生成器輸出的不同幀頻的視頻圖像。DMD顯示幀頻是由DMD驅(qū)動(dòng)電路決定的,它要與探測器幀頻保持同步才能避免圖像混淆得到完整的圖像。目前解決同步的辦法是從探測器引出一路同步信號(hào),外接到DMD驅(qū)動(dòng)電路。以8bit灰度圖像為例,在同步信號(hào)作用下的成像示意圖如圖2所示。圖中上半部分為探測器幀頻,下半部分為在同步信號(hào)作用下,DMD顯示一幀8bit圖像的位時(shí)間段。外接同步信號(hào)且探測器幀頻與DMD顯示幀頻相等,則能得到清晰完整的圖像。當(dāng)DMD顯示單幅靜態(tài)圖像時(shí),在相鄰DMD顯示時(shí)間內(nèi)顯示內(nèi)容是相同的,如圖3所示。上述都是在外接同步信號(hào)情況下,DMD顯示幀頻與探測器幀頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)際應(yīng)用中,外接同步信號(hào)需要對(duì)紅外探測器進(jìn)行電路改動(dòng),并接入DMD驅(qū)動(dòng)電路,不利于仿真系統(tǒng)的推廣利用。若解決這一問題首先要分析在沒有同步信號(hào)下的灰度圖像成像,且DMD顯示幀頻與探測器幀頻的大小關(guān)系也會(huì)對(duì)成像有影響。探測器幀頻一般是不可調(diào)的,只能調(diào)整DMD顯示幀頻進(jìn)行分析。若兩者相等,在未加載同步信號(hào)的成像示意圖如圖4所示。在探測器積分時(shí)間內(nèi)可以得到一幀完整的圖像信息。若探測器積分時(shí)間大于DMD顯示時(shí)間,為了方便分析,假定探測器積分時(shí)間為20ms,DMD顯示時(shí)間為10ms、15ms、19ms。如圖5所示的成像示意圖,從圖中可以看出在探測器積分時(shí)間內(nèi)完成了兩次完整的圖像顯示,因此可以得到清晰完整的圖像。而在15ms和19ms時(shí),探測器積分時(shí)間內(nèi)采集到的圖像信息不完整,圖像出現(xiàn)混淆。若探測器積分時(shí)間小于DMD顯示時(shí)間,以DMD顯示時(shí)間是25ms、30ms和40ms為例進(jìn)行分析。其成像示意圖如圖6所示。從圖中可以看出,在探測器積分時(shí)間內(nèi),DMD沒有完成一幀圖像的顯示,導(dǎo)致了灰度缺失,得到的圖像不完整。通過上述分析可知,在仿真系統(tǒng)顯示靜態(tài)圖像時(shí),若不外接同步信號(hào),當(dāng)探測器積分時(shí)間與DMD顯示時(shí)間相等或滿足整數(shù)倍關(guān)系時(shí),能得到清晰完整的圖像;當(dāng)探測器積分時(shí)間大于DMD顯示時(shí)間時(shí),圖像會(huì)出現(xiàn)混淆;當(dāng)探測器積分時(shí)間小于DMD顯示時(shí)間時(shí),圖像會(huì)出現(xiàn)灰度缺失,得到的信息不完整。3dmd顯示時(shí)間及信息熵通過上述理論設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,為了直觀地表現(xiàn)出在未加載同步信號(hào)時(shí),圖像出現(xiàn)的混淆現(xiàn)象,制作了一幅特征圖像,如圖7所示。該圖像被劃分成8部分,每部分填充不同的灰度值。灰度值的大小根據(jù)8bit圖像脈寬調(diào)制時(shí)每個(gè)位時(shí)間內(nèi)的灰度值大小設(shè)定的。圖像從上到下灰度值依次為1、128、16、2、64、4、32、8,為了便于實(shí)驗(yàn)中圖像的觀察分析,填充相鄰兩部分的灰度值相差比較大。由上述理論可知,以圖7作為原始圖像,在沒有同步信號(hào)時(shí),改變DMD顯示時(shí)間,探測器采集到的圖像灰度是有變化的。且圖像中的每一部分灰度也會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)分成3種情況進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)前把探測器積分時(shí)間調(diào)為20ms,調(diào)整DMD顯示時(shí)間使其分別為探測器積分時(shí)間的一半、小于和大于探測器積分時(shí)間。設(shè)置DMD顯示時(shí)間為10ms,20ms,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。設(shè)置DMD顯示時(shí)間為15ms,19ms,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。設(shè)置DMD顯示時(shí)間為25ms,30ms,40ms,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由上述圖像可以看出,不同DMD顯示時(shí)間探測器采集到的圖像灰度是有變化的,尤其圖10中圖像的灰度變化更為明顯。且同一DMD顯示時(shí)間采集到的相鄰兩幅圖像灰度也有明顯的變化。在圖8,圖9中,由于DMD顯示時(shí)間與探測器積分時(shí)間比較接近,人眼直接觀察的效果不如圖10明顯。因此,計(jì)算各圖的信息熵,進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。表1中10ms與20ms的信息熵幾乎相等,因此圖8中的兩幅圖像信息相同,表1與表2中相同DMD顯示時(shí)間的不同時(shí)刻采樣到的圖像信息熵有差別,說明圖像灰度有變化且其他顯示時(shí)間的圖像信息熵的值在6.5901(顯示時(shí)間為20ms時(shí)的圖像信息熵)左右波動(dòng)。符合上述理論。4調(diào)整dmd顯示幀頻文中根據(jù)DMD成像特點(diǎn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn),改變DMD顯示幀頻,探測器采集到圖像有明顯的區(qū)別,并運(yùn)