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備幀頻的關系近年來，以美國三個模擬實驗中心為代表的歐洲和美國模擬實驗室（畸變儀）成功應用了以數(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備,因此DMD顯示幀頻與紅外成像設備幀頻需要滿足一定的關系。紅外成像設備的幀頻一般不可調(diào),只能調(diào)整DMD顯示幀頻來實現(xiàn)圖像的完整顯示。本文分析了DMD成像原理,運用示意圖直觀地分析了DMD灰度調(diào)制成像與紅外成像設備采集圖像之間的對應關系,制作了一幅特征圖像,利用現(xiàn)有的DMD開發(fā)系統(tǒng)及探測器進行實驗,驗證了理論分析結論。1dmd顯示幀頻在DMD場景仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)灰度等級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時會導致圖像分辨率下降,因此系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制。DMD是依靠成千上萬個鋁制微鏡片對光反射的不同角度來實現(xiàn)亮暗的區(qū)別,通過控制鏡片復位時間的長短實現(xiàn)不同灰度等級。脈沖寬度的大小表示微鏡所在位置反射時間的長短,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個灰度等級即0~15個灰度值,10灰度值的二進制數(shù)表示為1010。灰度等級調(diào)制的過程相當于把這幅4bit圖像分成4幅二進制圖像,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圖像同樣可以實現(xiàn),這主要取決于鏡片的復位時間和每幀圖像的場時間。若設一幅圖像的灰度等級為M,則每幅圖像在DMD顯示時間內(nèi)都可以分成m=log2M個位時間段。這樣一幅圖像就轉換成m幅二進制黑白圖像,f(x,y)表示灰度圖像,則:式中:表bi(x,y)示在第i個位時間段內(nèi)DMD顯示的二值圖像。因此,調(diào)整DMD顯示幀頻,即調(diào)整每個位時間段的長短,也就是調(diào)整微鏡片的穩(wěn)定時間。綜上所述,調(diào)整DMD顯示幀頻的過程,其實就是對DMD灰度調(diào)制的過程即控制PWM。2外接同步信號仿真整個系統(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,該電路可以自適應被動接收計算機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驅動電路決定的,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,外接到DMD驅動電路。以8bit灰度圖像為例,在同步信號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作用下,DMD顯示一幀8bit圖像的位時間段。外接同步信號且探測器幀頻與DMD顯示幀頻相等,則能得到清晰完整的圖像。當DMD顯示單幅靜態(tài)圖像時,在相鄰DMD顯示時間內(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情況下,DMD顯示幀頻與探測器幀頻的對應關系,實際應用中,外接同步信號需要對紅外探測器進行電路改動,并接入DMD驅動電路,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下的灰度圖像成像,且DMD顯示幀頻與探測器幀頻的大小關系也會對成像有影響。探測器幀頻一般是不可調(diào)的,只能調(diào)整DMD顯示幀頻進行分析。若兩者相等,在未加載同步信號的成像示意圖如圖4所示。在探測器積分時間內(nèi)可以得到一幀完整的圖像信息。若探測器積分時間大于DMD顯示時間,為了方便分析,假定探測器積分時間為20ms,DMD顯示時間為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,探測器積分時間內(nèi)采集到的圖像信息不完整,圖像出現(xiàn)混淆。若探測器積分時間小于DMD顯示時間,以DMD顯示時間是25ms、30ms和40ms為例進行分析。其成像示意圖如圖6所示。從圖中可以看出,在探測器積分時間內(nèi),DMD沒有完成一幀圖像的顯示,導致了灰度缺失,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,若不外接同步信號,當探測器積分時間與DMD顯示時間相等或滿足整數(shù)倍關系時,能得到清晰完整的圖像;當探測器積分時間大于DMD顯示時間時,圖像會出現(xiàn)混淆;當探測器積分時間小于DMD顯示時間時,圖像會出現(xiàn)灰度缺失,得到的信息不完整。3dmd顯示時間及信息熵通過上述理論設計了實驗內(nèi)容,為了直觀地表現(xiàn)出在未加載同步信號時,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)制時每個位時間內(nèi)的灰度值大小設定的。圖像從上到下灰度值依次為1、128、16、2、64、4、32、8,為了便于實驗中圖像的觀察分析,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,在沒有同步信號時,改變DMD顯示時間,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發(fā)生變化。實驗分成3種情況進行,實驗前把探測器積分時間調(diào)為20ms,調(diào)整DMD顯示時間使其分別為探測器積分時間的一半、小于和大于探測器積分時間。設置DMD顯示時間為10ms,20ms,實驗結果如圖8所示。設置DMD顯示時間為15ms,19ms,實驗結果如圖9所示。設置DMD顯示時間為25ms,30ms,40ms,實驗結果如圖10所示。由上述圖像可以看出,不同DMD顯示時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顯示時間與探測器積分時間比較接近,人眼直接觀察的效果不如圖10明顯。因此,計算各圖的信息熵,進行數(shù)據(jù)對比。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顯示時間的不同時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間的圖像信息熵的值在6.5901(顯示時間為20ms時的圖像信息熵)左右波動。符合上述理論。4調(diào)整dmd顯示幀頻文中根據(jù)DMD成像特點設計了實驗,改變DMD顯示幀頻,探測器采集到圖像有明顯的區(qū)別,并運