基于DMD成像控制系統的研究

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，利用DMD對光的調制作用，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成像控制系統的結構。DMD系統控制和CCD圖像采集上進行了軟件設計，實現了CCD通過Camera Link圖像采集卡采集圖像數據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校方法，通過分析莫爾條紋的相位分布來實現像素的一一對應。最終通過DMD調制后的圖像可以清晰看出，系統有效地識別了激光光斑及對DMD的控制，抑制了圖像產生的飽和現象，達到了排除干擾激光保護光電成像器件的目的。

數字微鏡器件；CCD；激光防護；激光光斑；圖像采集

現代戰爭中，精確制導武器憑借著命中精度高、射程遠、機動性好、火力強等優點作為主戰武器頻繁出現。隨著光電成像制導技術在導彈制導武器系統中的大量應用，使精確制導武器的作戰能力極具增強，為了應對這種制導技術帶來的巨大威脅，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，為了在現代戰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，利用數字微鏡器件的光調制作用，來保護光電成像器件［5，6］。

1　DMD成像控制系統的構建

1.1DMD及成像系統工作原理

數字光處理（DLP），是一項應用于數字電視、數碼相機及投影儀中的顯像技術，其核心是數字微鏡晶片（DMD）。DMD是上世紀八十年代美國德州儀器公司首先發明的，實際上它是運用微電子機械系統（MEMS）技術，將百萬個可以轉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，可以由數字信號控制，利用其下方類似鉸鏈作用的轉動裝置，實現鏡片沿對角線為軸的獨立轉動，進而達到調制光線的目的。DMD結構與實物如圖1所示。

圖1　DMD結構與實物圖

DMD每個反射鏡都有三種獨立的工作狀態，即+12°（處于投影狀態被示為“開”態）、-12°（處于非投影狀態被示為“關”態）、0°（投影物鏡光軸與反射鏡的中垂線重合被示為“平”態）。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成像分析系統工作原理圖

DMD成像系統包括數字微晶器件DMD及其驅動、投影光學系統、轉像光學系統和CCD。系統由投影光學系統接收入射光，入射光分成環境光和強激光，本實驗系統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。經過投影光學系統的入射光照射到DMD，由DMD進行光調制處理，再通過轉像光學系統反射到CCD相機的表面進行成像。上位機接收CCD實時產生的視頻信號，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生的光飽和區域，并形成DMD能識別的模板圖片發送給DMD驅動控制系統。DMD根據控制信號進行光學調制，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生的光飽和現象，從而達到防護目的。DMD成像分析系統工作原理圖如圖2所示。

1.2子系統的構建

1.2.1DMD驅動控制系統

數字微鏡晶片DMD是本系統的核心器件，主要由TI公司生產，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的。本系統選用XD-ED01N 型DMD開發系統，具體參數如表1所示。

表1　XD-ED01N型DMD開發系統參數

XD-ED01N型DMD是分離式，通過高密度數據線與控制板相連，這樣有利于進行光路調整，同時帶有板載DDR2內存，可以實現圖像以超過1000Hz的速度循環播放，外觸發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開發系統

1.2.2CCD相機的選型與圖像采集

由于轉像光學系統無法實現DMD與CCD單一像素的一一對應，又為了實現后續的對應關系，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，本實驗系統選擇SONY公司的140萬像素CCD型號為ICX285AL，其具體參數如表2所示。

表2　ICX285AL型CCD參數

系統采用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協議是為了解決工業相機和計算機的高速數據傳輸而提出的一種標準接口規范，由全球一些知名的工業相機廠商和圖像采集卡廠商共同提出。

2　DMD成像控制系統的設計

轉像光學系統中，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定。本實驗系統采用了基于相移莫爾法的像素通信調校方法，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，產生的原因可能是DMD和CCD大小不等或錯位旋轉不一致，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。復制圖像中出現莫爾條紋，說明存在不匹配或錯位，反之不會出現莫爾條紋。

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圖像中不出現莫爾條紋。

3　實驗結果及分析

圖7　實驗模擬結果

DMD成像控制系統軟件在Microsoft Visual Studio 2008環境下，基于對話框MFC編程。界面中包含圖像信息區域、圖像顯示區域、DMD控制區域、采集區域和狀態顯示區域。在實驗室環境下模擬強激光干擾，沒有經過DMD調制的圖像產生了飽和區域，而經過DMD調制的圖像，強激光干擾處顯示為黑色區域，模擬實驗結果如圖7所示。

4　結論

本實驗系統基于DMD對光調制作用的原理，通過對CCD相機圖像的處理，分析干擾激光產生的CCD飽和區域，反饋并控制DMD相應的微鏡處于關閉狀態，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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［3］ 陳懷章，王延杰，孫宏海，等.DMD結合圖像傳感器的高動態場景成像探測［J］.紅外與激光工程，2013，43 （12）：3402-3409.

［4］ 陳笑，顏玢玢，宋菲君，等.DMD光柵的衍射特性及其在可調諧激光中的應用［J］.光學學報，2012，32（7）：5031-5037.

［5］ 丁晟，張智詮.基于DMD的多元探測成像系統設計的幾個問題［J］.紅外技術，2014，36（6）：457-462.

［6］ 莊佳衍，何偉基，陳錢.基于DMD的區域積分時間可控成像［J］.光學技術，2012，38（6）：689-692.

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