盧毅，徐熙平，丁浩，杜軼男

（長(zhǎng)春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長(zhǎng)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(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

基于數(shù)字微鏡器件DMD的工作原理，提出一種應(yīng)用于激光防護(hù)的DMD成像控制系統(tǒng)，利用DMD對(duì)光的調(diào)制作用，來保護(hù)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(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，實(shí)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(shí)別。在DMD和CCD像素對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)像素的一一對(duì)應(yīng)。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(shí)別了激光光斑及對(duì)DMD的控制，抑制了圖像產(chǎn)生的飽和現(xiàn)象，達(dá)到了排除干擾激光保護(hù)光電成像器件的目的。

數(shù)字微鏡器件；CCD；激光防護(hù)；激光光斑；圖像采集

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，精確制導(dǎo)武器憑借著命中精度高、射程遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)性好、火力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)作為主戰(zhàn)武器頻繁出現(xiàn)。隨著光電成像制導(dǎo)技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)武器系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，使精確制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)能力極具增強(qiáng)，為了應(yīng)對(duì)這種制導(dǎo)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(yīng)運(yùn)而生［1，2］。激光致盲武器主要是利用強(qiáng)激光照射到精確制導(dǎo)武器的光電成像器件中，干擾光信號(hào)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(diǎn)［3，4］。光電制導(dǎo)武器中的成像器件面臨巨大的危機(jī)，為了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有效防御激光致盲武器的殺傷，本實(shí)驗(yàn)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(hù)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(xiàng)應(yīng)用于數(shù)字電視、數(shù)碼相機(jī)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(jì)八十年代美國(guó)德州儀器公司首先發(fā)明的，實(shí)際上它是運(yùn)用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，將百萬個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)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(dǎo)體光開關(guān)。每個(gè)微型反射鏡表示一個(gè)像素，可以由數(shù)字信號(hào)控制，利用其下方類似鉸鏈作用的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)鏡片沿對(duì)角線為軸的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)制光線的目的。DMD結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖1所示。

圖1　DMD結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

DMD每個(gè)反射鏡都有三種獨(dú)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(guān)”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(shí)，通過開關(guān)控制反射光線角度，進(jìn)而控制光線是否進(jìn)入成像器件，其作用相當(dāng)于一個(gè)布爾開關(guān)。并通過開關(guān)的頻率控制成像器件的積分時(shí)間，來改變圖像的灰度等級(jí)。DMD具有快速開關(guān)、衍射效率高、偏振不相關(guān)、顯示精度高和寬帶調(diào)制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高清大屏幕投影等領(lǐng)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(dòng)、投影光學(xué)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)和CCD。系統(tǒng)由投影光學(xué)系統(tǒng)接收入射光，入射光分成環(huán)境光和強(qiáng)激光，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的就是要排除入射光中的強(qiáng)激光，來保護(hù)CCD相機(jī)的成像。經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光照射到DMD，由DMD進(jìn)行光調(diào)制處理，再通過轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)反射到CCD相機(jī)的表面進(jìn)行成像。上位機(jī)接收CCD實(shí)時(shí)產(chǎn)生的視頻信號(hào)，通過光斑檢測(cè)的算法進(jìn)行圖像處理，分析出圖像中由強(qiáng)激光照射所產(chǎn)生的光飽和區(qū)域，并形成DMD能識(shí)別的模板圖片發(fā)送給DMD驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。DMD根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，極大地減弱入射光中強(qiáng)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(dá)到防護(hù)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(dòng)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(shè)計(jì)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(jìn)行光路調(diào)整，同時(shí)帶有板載DDR2內(nèi)存，可以實(shí)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(shí)物圖如圖3所示。

圖3　XD-ED01N型DMD開發(fā)系統(tǒng)

1.2.2CCD相機(jī)的選型與圖像采集

由于轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)DMD與CCD單一像素的一一對(duì)應(yīng)，又為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以需要選擇分辨率高的CCD。但高分辨率就會(huì)以犧牲幀頻為代價(jià)，在保證DMD與CCD像素一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，又保證幀頻的前提下，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇SONY公司的140萬像素CCD型號(hào)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(shí)鐘頻率達(dá)到85MHz。Camera Link協(xié)議是為了解決工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸而提出的一種標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，由全球一些知名的工業(yè)相機(jī)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(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)中，由于DMD和CCD的像素尺寸都非常小，所以DMD各個(gè)反射鏡和CCD各個(gè)像素之間的通訊并不穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)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(cuò)位時(shí)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(zhǔn)確檢測(cè)到不匹配和錯(cuò)位情況，誤差小于1/25像素。

產(chǎn)生莫爾條紋的兩個(gè)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(shí)產(chǎn)生莫爾條紋，說明DMD反射鏡和CCD像素之間不是一一對(duì)應(yīng)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(cuò)位旋轉(zhuǎn)不一致，如圖4所示。

圖4　DMD和CCD的不匹配和錯(cuò)位

圖5為DMD像素與CCD像素對(duì)應(yīng)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(fù)制圖像兩種成像的方法。稀疏圖像是在原始圖像中每四個(gè)像素取一個(gè)得到的，這些被采集的像素稱為“稀疏化”像素。復(fù)制圖像就是一幅稀疏化的像素復(fù)制到下一幅稀疏化的圖像。復(fù)制圖像中出現(xiàn)莫爾條紋，說明存在不匹配或錯(cuò)位，反之不會(huì)出現(xiàn)莫爾條紋。

圖5　DMD像素與CCD像素對(duì)應(yīng)原理圖

圖6為相移莫爾法示意圖，（a）中黑點(diǎn)表示CCD相機(jī)的采樣點(diǎn)位置；（b）表示DMD反射鏡與CCD各個(gè)像素一一對(duì)應(yīng)時(shí)圖像；（c）為（b）的稀疏化圖像；（d）為（c）的復(fù)制圖像；（e）為DMD反射鏡與CCD像素不對(duì)應(yīng)時(shí)的采樣點(diǎn)；（f）為DMD的圖案間距為采樣點(diǎn)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(diǎn)圖像所得的復(fù)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(shí)，莫爾條紋是如何被用來調(diào)整像素與像素對(duì)應(yīng)關(guān)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(qiáng)度，Ia（x，y）為光柵振幅強(qiáng)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(gè)像素為校準(zhǔn)圖像的一個(gè)周期，所以四個(gè)像素不匹配或錯(cuò)位位置對(duì)應(yīng)的相位為2π。不匹配或錯(cuò)位量m為：

其中，Δφ為相位差，p為校準(zhǔn)圖像的間距。

莫爾條紋的相位分布反應(yīng)了不匹配或錯(cuò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7　實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(duì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬強(qiáng)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(qiáng)激光干擾處顯示為黑色區(qū)域，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

4　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于DMD對(duì)光調(diào)制作用的原理，通過對(duì)CCD相機(jī)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(yīng)的微鏡處于關(guān)閉狀態(tài)，使干擾激光不能進(jìn)入CCD成像，從而達(dá)到了排除干擾激光保護(hù)CCD相機(jī)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(shí)驗(yàn)師，E-mail：luyi@cust.edu.cn