基于DMD的彩色圖像偏振態獲取方法

方剛，趙海麗，劉鵬，王曉曼

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春 130022）

近年來隨著人們對偏振光的深入了解，對偏振光的利用也越來越多。例如利用物體不同的偏振特性來處理霧霾天氣里汽車行駛和船舶靠岸等問題；利用不同結構物體的不同偏振特性來識別壞死的細胞或癌變的細胞等。因此說偏振光已經逐步走入人們的生活中，并且已經扮演越來越重要的角色。然而，現有成果多是建立在灰度圖像的基礎上，對于彩色圖像偏振態的探索少之又少。限制彩色圖像偏振態研究的瓶頸主要是獲取圓偏振態需要根據光波的波長搭建不同的光路，如果真的為了探索彩色圖像偏振特性而斥巨資搭建龐大的光學系統，這顯然有些不切實際。

針對這一難題，文章提出了一種基于數字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）的彩色圖像偏振態獲取方法，利用計算機圖像生成器對圖像進行彩色分解成RGB三色圖像，然后通過三塊DMD分別對三種顏色的圖像進行投放，經光學系統最后生成含有偏振態的彩色圖像，從而大大提高圖像的辨識度。

1 光的偏振態

線偏振光是自然光經過偏振片（起偏片）處理后產生的一種光。圓偏振光是由兩束傳播方向相同、振動平面相互正交、光強大小相同、波長相同、且相位相差1/4波長的線偏振光矢量合成的[1]，其具體合成方式如圖1所示。

圖1 圓偏振態合成方式

圓偏振光是由偏振片和1/4波片共同作用產生的[2]。當兩束光傳播方向相同、振動平面相互正交、光強大小相同、波長相同，但相位差不為1/4波長時（相位相同或相差2nπ的光為同一束光），則可以獲取橢圓偏振光。

因為材質的種類、顏色、表面光滑程度等都會對光的偏振態起著至關重要的影響，所以根據反射回來的偏振光的特性可以區分不同的物體。并且偏振光具有穿云破霧的功能，可以消除霧霾、煙塵、火光等環境因素的影響。

2 彩色圖像的顯示

如表1所示。通常人眼可以感知的可見光波長在380～760nm之間，人眼之所以能夠看到五顏六色的景象是因為人眼可以對不同波長的光進行分類識別。由于人眼對可見光的分辨是依靠眼睛內部三種不同錐體細胞對所受感光刺激的峰值判斷的結果，任何幾種色光，只要它能使一組錐體細胞產生同樣比例的刺激值，就會被認為是同一種顏色。這就是人眼的同色異譜現象，即兩種被人眼看上去是相同顏色的色光，它們的光譜成份不一定是一樣的[4]。

表1 顏色對應的波長段

基于這個原理，1861年蘇格蘭物理學家馬克斯韋爾提出了基于三原色的加色法，即通過調配紅光、綠光、藍光（RGB）不同的比例來實現多色彩的顯示。

3 基于DMD的投影顯示

基于DMD的投影顯示又稱為數字光處理顯示（Digital Light Processing，DLP），它是通過脈沖寬度調制（PWM）下的可變脈沖波形，控制DMD工作進而實現圖像顯示。

3.1 數字微鏡器件（DMD）

DMD是在1987年由美國德州儀器公司發明的一種反射型器件，其輸入為脈沖寬度可變的電信號，輸出為光信號[5]。如圖2所示DMD有兩種工作方式：+10°（或12°）和-10°（或-12°），當投影光源以特定的角度照射鏡面時，如果DMD處于+10°為開態，光經過鏡面反射會進入投影區域，照亮投影區域，成像的灰度加一；當DMD處于-10°為關態，光經過鏡面反射后不會進入投影區域，成像的灰度不變。

圖2 DMD微鏡兩種工作狀態

圖像上的每個像素點都有與之相對應的微鏡片，各個微鏡片共同作用，最終完成一幅完整圖像的成像。

3.2 基于DMD的投影顯示技術

基于DMD的投影顯示技術結構主要由計算機圖像生成器、DLP視頻處理電路、DMD驅動電路、DMD陣列、黑體、照明光學系統和準直投影光學系統構成。由計算機生成動態圖像信號然后經DLP視頻處理電路對信號進行處理后，驅動DMD控制微鏡陣列工作；而黑體作為發射光源經照明光學系統后形成均勻的照明區域；光經半反半透鏡反射到微鏡陣列，在驅動電路的控制下對光進行有條件的篩選后，部分光透過半反半透鏡經準直投影光學系統投放出來。

圖3 基于DMD的投影顯示技術

4 系統設計

結合數字光處理顯示技術和系統需求，總結出以下設計方案（圖4）：系統包含電子學部分和光學部分。從DMD陣列劃分前半部分為電子學部分，后半部分為光學部分。電子學負責圖像信號的處理、編解碼、驅動控制、復位操作等；光學部分負責加入偏振信息、合束等。

4.1 電子學系統設計

如圖5所示，系統設計的主體為三塊DMD，對應三個FPGA。參考數字光處理顯示技術，該系統通過計算機圖像生成器將圖像信息中紅、綠、藍光信息分別傳輸給三塊DMD；并且因為系統采用三塊DMD對一幀圖像成像的方式，所以必須設計同步處理控制，因此引入ARM作為同步控制器。其中ARM與PC通過usart通信，TXD和RXD為數據輸出和輸入口。PC與DMD主控FPGA通過USB通信，采用通用可編程接口方式（GPIF），其中IFCLK為時鐘信號，CTL為控制線，FD為數據線。PC通過USB將數據分別傳送給三塊FPGA，FPGA控制DMD驅動電路完成系統工作，當完成一幀圖像的成像后，DMD會返回一個高電平的狀態信號給FP?GA，ARM通過外部中斷INT0口接收三塊FPGA發送的完成狀態標識信號后通過串口與PC通信，告知上位機前一幀圖像已經完成成像任務，可以發送下一幀數據。

圖4 總體設計方案

圖5 電子學系統總體模型

4.1.1 DMD驅動設計

如圖6所示，DMD驅動電路由DDC4100和兩塊DAD2000構成[6]。FPGA通過對DIN_A/B這兩個16b差分信號對DDC4100總線進行控制，DCK?IN_A/B為兩個總線的輸出數據時鐘，為了確保總線輸出數據的正確性，通過DVALID_A/B進行校驗，通過ROW輸出行地址信息和行數據信息，通過BLK輸出塊地址信息和塊數據信息，通過RST_AC?TIVE對微鏡執行復位操作，通過INT_ACTIVE對DDC4100進行復位操作，當系統完成初始化或系統完成一幀圖像傳輸工作后通過VLED返回狀態標識。DOUT_A/B為LVDSDDR輸出到DMD的數據總線，SCTRL_A/B為LVDSDDR的輸出數據控制，DCLKOUTL_A/B為LVDSDDR輸出數據時鐘。

圖6 DMD驅動模型

其具體操作為：FPGA在獲取DDC4100總線執行權后發送圖像數據給DDC4100；DDC4100在接收信息后返還狀態信息給FPGA，并將圖像信息轉換成DMD微鏡陣列可以識別的數據和控制指令，根據DAD2000提供的復位信息和時序信息等進行工作。

4.1.2 SDRAM接口設計模型

如圖7所示，通過FPGA例化一個FIFO對圖像信息進行緩存，由于SDRAM的讀操作和寫操作是以2個字節為單位的（16bit），因此可以設定當寫出（writeout）FIFO存儲容量超過32個字節（512/2bit，DMD數據塊傳輸數據包為512bit）時，發出讀信號，將數據寫到SDRAM中；與之相反，當讀入（readin）FIFO存儲容量不足256bit時，發出讀數據請求，以此讀取圖像數據。工作在這種半空狀態可以實現數據的不間斷傳輸，提高工作效率，同時也便于操作。圖中的“其他模塊”包括PLL鎖相環和復位處理模塊等。

圖7 SDRAM接口設計

圖8為SDRAM接口模型，其中clk和Cke為時鐘信號輸入端口和控制端口，Cs為片選端口，可以禁止或使能Ck、Cke和Dqm外所有的輸入信號，Dqm為屏蔽輸入輸出操作端口，SDRAM官方規定，在讀取數據時，Dqm發出兩個時鐘周期后生效，而當寫入數據時，Dqm與寫入命令一樣是立即生效的，Dq為數據輸入輸出端口，We為寫使能端口，其他為地址控制、選址、鎖存端口。

圖8 SDRAM接口模型

4.2 光學系統設計

光學系統的引入有三個作用：（1）通過濾光片將自然光中的有用光透過、無用光濾除，為了得到RGB三種不同顏色光，在黑體和光學照明系統之間加入了紅、綠、藍三種不同顏色的濾光片；（2）通過起偏片和1/4波片將自然光變成橢圓（圓）偏振光（可以通過改變波片與光軸的夾角改變橢圓形態），經過DMD的微鏡陣列選擇性投影后的光再經過起偏片和1/4波片（圖4中P1、P2、P3）共同作用后的光將含有偏振信息；（3）最后通過合束器進行合束，形成一幅含有偏振信息的彩色圖像。

因為系統中引入了1/4波片，所以必須分別對不同波長的光進行處理，才可以得到橢圓偏振信息，每一路光路中1/4波片的參數需要與該路濾光片參數相匹配，這就是這個系統必須采用三塊DMD分三個光路合成一幅圖像的原因。

值得注意的是，通過濾光片能量衰減為90%左右，且起偏片對光的衰減為50%，而透射率好的波片對光強影響較小（透過率高于80%），所以在光學照明系統中需要加入對光強放大20倍的裝置以保障圖像亮度的準確性。

5 MATLAB仿真

這個系統設計主要為了將灰度圖像轉化成含有偏振信息的彩色圖像，從而提高圖像的辨識度，利用MATLAB仿真出預期的結果。

圖9 仿真結果

圖9中（a）為樣本圖像，（b）為MATLAB經偽彩色處理和邊緣輪廓提取處理后的圖像。偽彩色處理用來仿真系統中RGB三色合成彩色圖像的部分，將灰度圖像轉化成彩色圖像；邊緣輪廓提取處理用來仿真系統中光學系統獲取偏振態的部分，將普通可見光圖像轉變成偏振圖像。對比兩幅圖像，可以明顯發現彩色圖像（b）的辨識度比灰度圖像（a）高，圖像中各個物體更加分明。如彩色圖像b方框部分所示，在灰度圖像中，人眼很難分清烏云和建筑物，而彩色圖像可以賦予它們不同的顏色來區分不同的物體，現實生活中樹木是綠色的，綠色物體的灰度圖像為灰色，而烏云是灰色的，灰度圖像也是灰色的，這反映到灰度圖像難以區分，而彩色圖像將很明顯區分兩者的不同。并且在彩色圖像上加入偏振信息后人眼很容易看清楚各個物體的輪廓。同樣對比彩色圖像b中方框部分，可以發現樹木邊緣與遠處建筑物區分的很明顯，而灰度圖像樹木邊緣完全與更遠方建筑物混為一體，模糊不清。

6 結論

由于MATLAB的局限性，偽彩色方法仿真出來的彩色圖像真實性較差，但本系統采用基于DMD器件的彩色圖像偏振態獲取方法，先利用計算機圖像生成器對圖像進行彩色分解形成RGB三色圖像，然后通過三塊DMD器件分別對三種顏色的圖像進行投放，最后經由光學系統合成含有偏振態的彩色圖像，就能夠重現場景的真實顏色，因此不存在MATLAB仿真中烏云為紅色的情況，避免了MATLAB真實性不足的缺點。

綜上所述，系統設計的基于DMD的彩色圖像偏振態獲取方法是可行的，利用DMD的完美再現真實場景的功能，再結合偏振信息，就能夠有效的祛除圖像中模糊場景，提高圖像中物體邊緣輪廓的辨識度，進一步提高整體圖像的辨識度。該方法可以應用于衛星圖像物體識別、復雜戰場目標識別等多個領域，具有重要的研究意義。