基于DMD的静态场景仿真成像特性分析

何永强，唐德帅，耿 达，元 雄

（军械工程学院 电子与光学工程系，河北 石家庄 050003）

1 引 言

目前，红外场景仿真技术已经广泛应用于各种半实物仿真系统。由于其红外图像生成原理的不同可以分为两种类型，即直接辐射型和辐射调制型，采用的主要技术有：电阻阵列、光二极管阵列、Bly Cell、液晶光阀、DMD 等［1］。其中，基于DMD的红外场景仿真系统以其高图像分辨率、高光效效率以及全数字化控制等优势得到越来越多的重视和应用。它以光源温度可调、显示帧频可调等特点可以适用于多种凝视型红外探测设备。

红外场景仿真系统的最终目的是投影出感兴趣的红外目标和背景信息，为红外成像设备提供信息源。由于DMD的工作特点是通过脉宽调制实现每帧图像的完整显示，使其只适用于凝视型红外探测设备，并且要求探测器的积分时间与DMD显示帧频相匹配才能达到理想的实验效果，否则会出现图像混淆现象。分析DMD成像特点，对于静态场景仿真，只要满足探测器积分时间达到DMD显示时间的整数倍即可有效避免图像混淆的发生，利用一套显示帧频可调的开发系统与积分时间可调的近红外探测器进行实验，验证了理论分析结论。

2 DMD成像特点

2.1 DMD工作原理

美国德州仪器（TI）公司研制出的DMD器件是DLP显示系统的核心器件，它是由一组二维的铝合金微镜阵列组成，每个微镜对应图像中的一个像素，通过控制这些微镜快速、独立的翻转，改变光源的反射线，实现图像的显示。如图1［2］所示，采用电子显微镜拍下的DMD微镜阵列，在图中可以看出每个微镜翻转的角度不同，在此时的状态也不相同。

图1 DMD微镜阵列显微照片Fig.1 Micrograph of micro lens of DMD

如图2所示，DMD微反射镜的微机电系统（MEMS）主要包括CMOS、各种电极、铰链和镜片几个主要部分。

图2 单个微镜片的结构示意图Fig.2 Structure diagram of single lens

DMD作为一种数字光调制开关，它具有快速和反射式两个特点。它通过控制微镜片快速地不断翻转实现图像显示。目前，微镜片的翻转角度可达到±12°，当DMD芯片中的CMOS接收到二进制位时间为“1”时，镜片偏转到＋12°，此时光源的反射光线几乎都投影到屏幕上，对应的像素点呈亮态。相反当二进制位时间为“0”时，微镜片偏转到－12°，此时光源的反射光线偏离了屏幕，对应的像素点呈暗态。因此，DMD是通过控制其镜片翻转的角度从而控制每个像素的亮、暗，实现一幅完整图像的显示［3］。

2.2 脉冲宽度调制

用于红外场景仿真系统的DMD显示过程需要进行灰度调制，以实现不同像素灰度级的图像显示。灰度调制主要包括3种方法，分别是空间灰度调制方法、帧灰度调制方法和脉冲宽度调制方法。前二者在应用中存在一些缺陷，比如，空间灰度调制方法随着图像灰度等级的提高，其分辨率也在下降，帧灰度调制方法在提高帧频时会与DMD视频处理电路的响应时间产生矛盾。由于脉宽调制方法不会出现上述问题，因此系统采用脉宽调制技术［4］。

脉宽调制的原理是将每帧图像的时间根据图像的位数分成若干份，称为位时间或子帧时间。以4bit灰度图像为例，图像可以产生24个灰度等级，一帧图像根据每位的二进制权值20、21、22、23被分成4份，从最低位到最高位的位时间依次占总时间的1／15、2／15、4／15、8／15。如图3所示，当一帧图像的灰度等级为10时，二进制数表示为1010，在DMD微镜片上，高电平时镜片偏转＋12°，低电平时镜片偏转－12°，对应的镜片亮态的时间占显示一帧图像时间的10／15。

图3 二进制脉冲宽度调制示意图Fig.3 Modulate of binary digit pulse extent

图4为通过示波器测量得到的DMD仿真系统帧同步信号与位同步信号，系统显示8bit灰度图像。由图可见，在显示一帧图像过程中，系统分为8个子帧来实现8位灰度信息，每一子帧的显示时间与其权值成正比。

图4 仿真系统帧同步与位同步信号Fig.4 Frame－sync and bit－sync signal of simulation system

3 帧频匹配分析

由DMD成像特点可知，DMD显示过程是全像素、全时域显示，对于扫描型红外探测器而言，在其扫描过程中，会漏掉部分图像信息，使得图像探测不完整，影响仿真效果，所以基于DMD的红外场景仿真系统只适用于凝视型红外探测设备，并且需要协调积分与显示的时间同步，这是场景仿真系统设计过程中必须考虑的一个问题，传统的解决方法是通过从探测器引出一路同步信号，外接到DMD显示控制电路，同时调整DMD显示帧频，使探测器曝光时间与DMD显示完全同步，才能有效避免图像混淆［5－8］。图5为经同步信号调整后的成像示意图，仍以4bit灰度图像为例。其中上半部分为探测器的帧同步信号，每探测一帧图像，输出一个同步信号，下半部分为经同步信号调整以后，在每一个探测器的积分周期里，DMD显示一帧图像信息的位同步信号。经同步信号调整之后，探测器积分时间与DMD显示实现匹配，得到清晰完整的图像。

图5 加载同步信号的成像示意图Fig.5 Imaging sketch map with sync－signal

外接同步信号的缺点是需要对红外探测设备进行电路分析和改动，以便同步信号引出，且需要接入DMD显示控制电路，不利于场景仿真系统的推广应用。

对于显示静态图像来说，因为在不同积分时间里显示的内容相同，使得其对同步的要求要比显示动态图像较低，只要探测器积分时间与DMD显示时间满足一定的关系即可，其成像示意图如图6所示。

图6 未加载同步信号的成像示意图Fig.6 Imaging sketch map without sync－signal

图6（a）为未加载同步信号情况下积分时间与显示时间相等时的成像示意图，通过与图5比较可以发现，虽然没有同步加载同步信号，但是在探测器的一个积分周期里，探测到的DMD显示内容是相同的，只不过不是从第一位信息开始探测而已，但并不影响成像效果。图6（b）为未加载同步信号情况下积分时间是显示时间2倍时的成像示意图，虽然没有加载同步信号，但是在探测器的一个积分周期里，探测到2次DMD的显示内容，输出一副图像，仍然可以完整成像，同理，当探测器积分时间为DMD显示时间2倍以上的整数倍时，亦可得到完整的图像。

通过上述分析可知，在场景仿真系统显示静态场景时，不需要外接探测器的同步信号，只要满足探测器积分时间达到DMD显示时间的整数倍，即可实现图像的清晰完整显示。

4 实验验证

普通商用DMD芯片由于其使用范围主要集中在可见光波段，其上表面的保护窗口限制了透光性能，只透过可见光及近红外光波，对其他波段光波进行了屏蔽。为了验证探测器积分时间与DMD显示不同步出现的图像混淆，采用国产In－GaAs短波红外相机作为探测设备，一套显示帧频可调的DMD开发套件作为场景仿真设备进行实验。

国产InGaAs短波红外相机具有高灵敏度、高性噪比、增益可调、积分时间可调等特点，光谱响应范围为900～1700nm，积分时间在0.8～200ms范围可调，探测器像元为320×256，像元间距为30μm。DMD开发套件选用0.7”XGA（1024×768）分辨率格式 DMD芯片，显示帧频在1～100Hz范围可调。

设置探测器积分时间为20ms，调节DMD显示帧频，实验结果如图7所示。

图7 积分时间为20ms时的DMD图像Fig.7 Experiment images of DMD at 20ms

图8 积分时间为40ms时的DMD图像Fig.8 Experiment images of DMD at 40ms

由图7可以看出，DMD显示时间为10ms和20ms时，图像内容清晰、稳定、不闪烁，而显示时间为12.5ms和25ms时，图像明显出现混淆现象，可见，探测器曝光时间与DMD显示帧频匹配具有必要性。比较（a）和（c）发现没有明显区别，证明探测器曝光时间与DMD显示帧频并不需要完全同步，只要满足一定规律即可，为了验证其规律，进行如下实验。

设置探测器积分时间为40ms，DMD显示帧频变化，实验结果如图8所示。

分析图8，发现只要满足探测器积分时间是DMD显示时间的整数倍时，不需要外接同步信号，就可以得到清晰的图像，当不满足整数倍时就会出现图像混淆现象。

5 结 论

对基于DMD的红外场景仿真系统进行探测需要满足帧频匹配条件在很多学者的研究文章中都有提及，传统的解决方法是通过从探测器引出一路同步信号，外接到DMD显示控制电路，同时调整DMD显示帧频，使探测器曝光时间与DMD显示完全同步，才能有效避免图像混淆。其缺点是需要对红外探测设备进行电路分析和改动，以便同步信号引出，且需要接入DMD显示控制电路，不利于场景仿真系统的广泛应用。

通过对DMD成像特点的理论分析，以及实验验证，得出对于静态场景而言，只需满足探测器积分时间达到DMD显示时间的整数倍即可有效避免图像混淆的发生，而不需要外接同步信号，使得场景仿真系统的设计与实现变得容易，降低了工程难度，具有重要的实际意义。

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