方剛，趙海麗，劉鵬，王曉曼

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

近年來隨著人們對(duì)偏振光的深入了解，對(duì)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(jié)構(gòu)物體的不同偏振特性來識(shí)別壞死的細(xì)胞或癌變的細(xì)胞等。因此說偏振光已經(jīng)逐步走入人們的生活中，并且已經(jīng)扮演越來越重要的角色。然而，現(xiàn)有成果多是建立在灰度圖像的基礎(chǔ)上，對(duì)于彩色圖像偏振態(tài)的探索少之又少。限制彩色圖像偏振態(tài)研究的瓶頸主要是獲取圓偏振態(tài)需要根據(jù)光波的波長(zhǎng)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(xué)系統(tǒng)，這顯然有些不切實(shí)際。

針對(duì)這一難題，文章提出了一種基于數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）的彩色圖像偏振態(tài)獲取方法，利用計(jì)算機(jī)圖像生成器對(duì)圖像進(jìn)行彩色分解成RGB三色圖像，然后通過三塊DMD分別對(duì)三種顏色的圖像進(jìn)行投放，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)最后生成含有偏振態(tài)的彩色圖像，從而大大提高圖像的辨識(shí)度。

1 光的偏振態(tài)

線偏振光是自然光經(jīng)過偏振片（起偏片）處理后產(chǎn)生的一種光。圓偏振光是由兩束傳播方向相同、振動(dòng)平面相互正交、光強(qiáng)大小相同、波長(zhǎng)相同、且相位相差1/4波長(zhǎng)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(tài)合成方式

圓偏振光是由偏振片和1/4波片共同作用產(chǎn)生的[2]。當(dāng)兩束光傳播方向相同、振動(dòng)平面相互正交、光強(qiáng)大小相同、波長(zhǎng)相同，但相位差不為1/4波長(zhǎng)時(shí)（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?yàn)椴馁|(zhì)的種類、顏色、表面光滑程度等都會(huì)對(duì)光的偏振態(tài)起著至關(guān)重要的影響，所以根據(jù)反射回來的偏振光的特性可以區(qū)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(huán)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(zhǎng)在380～760nm之間，人眼之所以能夠看到五顏六色的景象是因?yàn)槿搜劭梢詫?duì)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行分類識(shí)別。由于人眼對(duì)可見光的分辨是依靠眼睛內(nèi)部三種不同錐體細(xì)胞對(duì)所受感光刺激的峰值判斷的結(jié)果，任何幾種色光，只要它能使一組錐體細(xì)胞產(chǎn)生同樣比例的刺激值，就會(huì)被認(rèn)為是同一種顏色。這就是人眼的同色異譜現(xiàn)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)段

基于這個(gè)原理，1861年蘇格蘭物理學(xué)家馬克斯韋爾提出了基于三原色的加色法，即通過調(diào)配紅光、綠光、藍(lán)光（RGB）不同的比例來實(shí)現(xiàn)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(shù)字光處理顯示（Digital Light Processing，DLP），它是通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）下的可變脈沖波形，控制DMD工作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像顯示。

3.1 數(shù)字微鏡器件（DMD）

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

圖2 DMD微鏡兩種工作狀態(tài)

圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)都有與之相對(duì)應(yīng)的微鏡片，各個(gè)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(shù)

基于DMD的投影顯示技術(shù)結(jié)構(gòu)主要由計(jì)算機(jī)圖像生成器、DLP視頻處理電路、DMD驅(qū)動(dòng)電路、DMD陣列、黑體、照明光學(xué)系統(tǒng)和準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。由計(jì)算機(jī)生成動(dòng)態(tài)圖像信號(hào)然后經(jīng)DLP視頻處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，驅(qū)動(dòng)DMD控制微鏡陣列工作；而黑體作為發(fā)射光源經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)后形成均勻的照明區(qū)域；光經(jīng)半反半透鏡反射到微鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)電路的控制下對(duì)光進(jìn)行有條件的篩選后，部分光透過半反半透鏡經(jīng)準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)投放出來。

圖3 基于DMD的投影顯示技術(shù)

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合數(shù)字光處理顯示技術(shù)和系統(tǒng)需求，總結(jié)出以下設(shè)計(jì)方案（圖4）：系統(tǒng)包含電子學(xué)部分和光學(xué)部分。從DMD陣列劃分前半部分為電子學(xué)部分，后半部分為光學(xué)部分。電子學(xué)負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的處理、編解碼、驅(qū)動(dòng)控制、復(fù)位操作等；光學(xué)部分負(fù)責(zé)加入偏振信息、合束等。

4.1 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體為三塊DMD，對(duì)應(yīng)三個(gè)FPGA。參考數(shù)字光處理顯示技術(shù)，該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)圖像生成器將圖像信息中紅、綠、藍(lán)光信息分別傳輸給三塊DMD；并且因?yàn)橄到y(tǒng)采用三塊DMD對(duì)一幀圖像成像的方式，所以必須設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)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(shí)鐘信號(hào)，CTL為控制線，F(xiàn)D為數(shù)據(jù)線。PC通過USB將數(shù)據(jù)分別傳送給三塊FPGA，F(xiàn)PGA控制DMD驅(qū)動(dòng)電路完成系統(tǒng)工作，當(dāng)完成一幀圖像的成像后，DMD會(huì)返回一個(gè)高電平的狀態(tài)信號(hào)給FP?GA，ARM通過外部中斷INT0口接收三塊FPGA發(fā)送的完成狀態(tài)標(biāo)識(shí)信號(hào)后通過串口與PC通信，告知上位機(jī)前一幀圖像已經(jīng)完成成像任務(wù)，可以發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。

圖4 總體設(shè)計(jì)方案

圖5 電子學(xué)系統(tǒng)總體模型

4.1.1 DMD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖6所示，DMD驅(qū)動(dòng)電路由DDC4100和兩塊DAD2000構(gòu)成[6]。FPGA通過對(duì)DIN_A/B這兩個(gè)16b差分信號(hào)對(duì)DDC4100總線進(jìn)行控制，DCK?IN_A/B為兩個(gè)總線的輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘，為了確?？偩€輸出數(shù)據(jù)的正確性，通過DVALID_A/B進(jìn)行校驗(yàn)，通過ROW輸出行地址信息和行數(shù)據(jù)信息，通過BLK輸出塊地址信息和塊數(shù)據(jù)信息，通過RST_AC?TIVE對(duì)微鏡執(zhí)行復(fù)位操作，通過INT_ACTIVE對(duì)DDC4100進(jìn)行復(fù)位操作，當(dāng)系統(tǒng)完成初始化或系統(tǒng)完成一幀圖像傳輸工作后通過VLED返回狀態(tài)標(biāo)識(shí)。DOUT_A/B為L(zhǎng)VDSDDR輸出到DMD的數(shù)據(jù)總線，SCTRL_A/B為L(zhǎng)VDSDDR的輸出數(shù)據(jù)控制，DCLKOUTL_A/B為L(zhǎng)VDSDDR輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘。

圖6 DMD驅(qū)動(dòng)模型

其具體操作為：FPGA在獲取DDC4100總線執(zhí)行權(quán)后發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給DDC4100；DDC4100在接收信息后返還狀態(tài)信息給FPGA，并將圖像信息轉(zhuǎn)換成DMD微鏡陣列可以識(shí)別的數(shù)據(jù)和控制指令，根據(jù)DAD2000提供的復(fù)位信息和時(shí)序信息等進(jìn)行工作。

4.1.2 SDRAM接口設(shè)計(jì)模型

如圖7所示，通過FPGA例化一個(gè)FIFO對(duì)圖像信息進(jìn)行緩存，由于SDRAM的讀操作和寫操作是以2個(gè)字節(jié)為單位的（16bit），因此可以設(shè)定當(dāng)寫出（writeout）FIFO存儲(chǔ)容量超過32個(gè)字節(jié)（512/2bit，DMD數(shù)據(jù)塊傳輸數(shù)據(jù)包為512bit）時(shí)，發(fā)出讀信號(hào)，將數(shù)據(jù)寫到SDRAM中；與之相反，當(dāng)讀入（readin）FIFO存儲(chǔ)容量不足256bit時(shí)，發(fā)出讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求，以此讀取圖像數(shù)據(jù)。工作在這種半空狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，提高工作效率，同時(shí)也便于操作。圖中的“其他模塊”包括PLL鎖相環(huán)和復(fù)位處理模塊等。

圖7 SDRAM接口設(shè)計(jì)

圖8為SDRAM接口模型，其中clk和Cke為時(shí)鐘信號(hào)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(hào)，Dqm為屏蔽輸入輸出操作端口，SDRAM官方規(guī)定，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，Dqm發(fā)出兩個(gè)時(shí)鐘周期后生效，而當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，Dqm與寫入命令一樣是立即生效的，Dq為數(shù)據(jù)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)的引入有三個(gè)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(xué)照明系統(tǒng)之間加入了紅、綠、藍(lán)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(tài)），經(jīng)過DMD的微鏡陣列選擇性投影后的光再經(jīng)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(jìn)行合束，形成一幅含有偏振信息的彩色圖像。

因?yàn)橄到y(tǒng)中引入了1/4波片，所以必須分別對(duì)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)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(shù)需要與該路濾光片參數(shù)相匹配，這就是這個(gè)系統(tǒng)必須采用三塊DMD分三個(gè)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(duì)光的衰減為50%，而透射率好的波片對(duì)光強(qiáng)影響較?。ㄍ高^率高于80%），所以在光學(xué)照明系統(tǒng)中需要加入對(duì)光強(qiáng)放大20倍的裝置以保障圖像亮度的準(zhǔn)確性。

5 MATLAB仿真

這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為了將灰度圖像轉(zhuǎn)化成含有偏振信息的彩色圖像，從而提高圖像的辨識(shí)度，利用MATLAB仿真出預(yù)期的結(jié)果。

圖9 仿真結(jié)果

圖9中（a）為樣本圖像，（b）為MATLAB經(jīng)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(tǒng)中RGB三色合成彩色圖像的部分，將灰度圖像轉(zhuǎn)化成彩色圖像；邊緣輪廓提取處理用來仿真系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)獲取偏振態(tài)的部分，將普通可見光圖像轉(zhuǎn)變成偏振圖像。對(duì)比兩幅圖像，可以明顯發(fā)現(xiàn)彩色圖像（b）的辨識(shí)度比灰度圖像（a）高，圖像中各個(gè)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(qū)分不同的物體，現(xiàn)實(shí)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(qū)分，而彩色圖像將很明顯區(qū)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(gè)物體的輪廓。同樣對(duì)比彩色圖像b中方框部分，可以發(fā)現(xiàn)樹木邊緣與遠(yuǎn)處建筑物區(qū)分的很明顯，而灰度圖像樹木邊緣完全與更遠(yuǎn)方建筑物混為一體，模糊不清。

6 結(jié)論

由于MATLAB的局限性，偽彩色方法仿真出來的彩色圖像真實(shí)性較差，但本系統(tǒng)采用基于DMD器件的彩色圖像偏振態(tài)獲取方法，先利用計(jì)算機(jī)圖像生成器對(duì)圖像進(jìn)行彩色分解形成RGB三色圖像，然后通過三塊DMD器件分別對(duì)三種顏色的圖像進(jìn)行投放，最后經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)合成含有偏振態(tài)的彩色圖像，就能夠重現(xiàn)場(chǎng)景的真實(shí)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(shí)性不足的缺點(diǎn)。

綜上所述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于DMD的彩色圖像偏振態(tài)獲取方法是可行的，利用DMD的完美再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的功能，再結(jié)合偏振信息，就能夠有效的祛除圖像中模糊場(chǎng)景，提高圖像中物體邊緣輪廓的辨識(shí)度，進(jìn)一步提高整體圖像的辨識(shí)度。該方法可以應(yīng)用于衛(wèi)星圖像物體識(shí)別、復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域，具有重要的研究意義。