基于DLP的安全监控成像系统及应用分析

【中国数字视听网讯】DLP技术催生了创新的光学解决方案，这些解决方案取代了现有的终端设备并开拓了新的市场。DLP芯片(或称数字微镜器件(DMD))是一种微镜阵列，能够用于实现高速、有效、可靠的空间光调制。使得其能超越传统投影显示技术而带来很多创新。于是，找寻到的一些新方向，即通过DLP技术实现与光线的互动，应用于尖端3D印刷、工业检测、3D扫描、光谱学、生物识别系统、化学分析、汽车解决方案等。DLP不仅是投影领域的领导者，也正在重新定义工业、医疗、电信、安全和许多其他应用领域。值此本文将对DLP成像理念特征作说明。与此同时，对基于DLP技术的DLP3D生物辨识和光谱分析系统的安全监控的典例其应用特征作重点分析。

一、DLP理念说明

DLP(DigitalLightProcessing)数字光处理器DLP(DigitalLightProcessing)数字光处理器这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。说得具体点，就是DLP投影技术应用了数字微镜器件或称数字微镜器件晶片(DMD-DigitalMicromirrorDevice)来作为主要关键元件以实现数字光学处理过程。它是基于数字微镜元件(DMD)来完成可视数字信息显示的技术，其原理是将灯光发射出的光源通过冷凝透镜，将光均匀化，然后通过一个色轮(ColorWheel)，将光分成RGB三色(或者更多色)，再将色彩由透镜投射在DMD上，最后经过投影镜头投影成像。

每一个DLP芯片组的核心都有一个高反射铝微镜阵列，即数字微镜器件(DMD)。DMD是一种电子输入、光学输出的微机电系统(MEMS)，开发人员可借助该系统执行高速、高效及可靠的空间光调制。为帮助用户设计系统，在此介绍专用DLP芯片组。

二、DLP芯片组成

DLP芯片组包含什么：DLP芯片组提供了一个方便的接口，让用户能够获得相应DMD的最大图形速率，还能使图形显示器与外部传感器、摄像头、电机或其他器件保持同步(见图1左端框图)。另外，开发人员也将学会在各种操作条件下可靠地驱动微镜。

除了DMD本身，所有的DLP芯片组也含有DMD控制器(在图1中间)，能够为可靠、高速地控制微镜提供便利的接口。每一个DMD控制器需要一个相应的配置PROM，该PROM可能作为已编程IC出售，也可能是提供的可下载固件，具体取决于特定的DLP芯片组。高性能DLP芯片组也含有一个或多个DMD微镜驱动器，可提供模拟时钟及复位信号，从而达到可能实现的最高图形速率。在基于DLPPico?的小型芯片组中，此功能已集成到DMD控制器中。

三、成像的形成

光源通过色轮后折射在DMD芯片上，DMD芯片在接受到控制板的信号后将光线发射到投影屏幕上。DMD芯片外观看起来只是一小片镜子，被封装在金属与玻璃组成的密闭空间内，事实上，这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。以XGA解析度的DMD芯片为例，在宽1cm，长1.4cm的面积里有1024×768=786432个微镜单元，每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。由于像素与芯片本身都相当微小，因此业界也称这些采用微型显示装置的产品为微显示器。

四、DLP的工作运行

DLP的工作运行DMD器件是DLP的基础，一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关，50~130万个微镜片聚集在CMOS硅基片上。一片微镜片表示一个象素，变换速率为1000次/秒，或更快。每一镜片的尺寸为14μm×14μm(或16μm×16μm)，为便于调节其方向与角度，在其下方均设有类似铰链作用的转动装置。简而言之，DMD的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光，同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影，而其光照方向则是借助静电作用，通过控制微镜片角度来实现的。

在运行期间，DMD控制器为每个基本存储单元加载一个"1"或一个"0"。接下来会施加镜像复位脉冲，这会引起每个微镜静电偏离大约一个铰链，从而达到相应的±12°状态。由于会受到两个弹簧顶针的阻力而物理停止，这两个有效状态的偏离角度是可重复的。在投影系统中，+12°状态对应"开"像素，-12°状态对应“关”像素。通过对每个镜片的开/关占空比进行编程来创建灰度图形，并且可以多路复用多个光源以创建RGB全彩图像。在其他应用中，±12°状态为两个通用输出端口提供一个图形及其反向图形。

五、DMD成像的优势

DMD可以提供1670万种颜色和256段灰度层次，从而确保DLP投影机可投影的活动影像画面色彩艳丽的细腻、自然逼真。与传统投影机相比，DLP投影机将更多的光线打到屏幕上，这也有赖于DLP本身的技术特点。它的生命期超过10万个小时；更便利的可移动性，根据一般应用需求来看，一个单片DMD就可以实现大小、重量和亮度的统一。目前，大部分的家用或商用DLP投影机都采用了单片结构，而更高级的三片结构一般只应用在数字影院或高端领域。因此，用户可以得到一个更小、更亮、更易于携带而且足以提供出色图像质量的系统。DLP技术是全数字底层结构，具有最少的信号噪音。

六、DLP系统的分类与技术特点

单片DLP系统、双片DLP系统、三片DLP系统另外一种方法是将白光通过棱镜系统分成三原色。这种方法使用三个DMD，一个DMD对应于一种原色。应用三片DLP投影系统的主要原因是为了增加亮度。DLP显示板的优点是它们有极快的响应时间。可以在显示一帧图像时将独立的像素开关很多次。它使利用一块显示板通过逐场过滤方式产生真彩图像。DLP技术是一种独创的、采用光学半导体产生数字式多光源显示的解决方案。其DLP技术是全数字底层结构，具有最少的信号噪音。

DLP技术已被广泛用于满足各种追求视觉图像优异质量的需求。到目前为止，DLP和LCoS(硅基液晶)技术是微型投影仪架构中较为先进的技术。作为一种成熟的技术，DLP能够以中等的价位提供HVGA(480×320像素)的分辨率。但是这种技术的耗电量也是最大的，系统级功耗达3.5W。DLP针对每个像素使用独立的微镜，因此更高的分辨率需要体积更大、耗电量更多的投影仪(即需要更大的微镜设备)。DLP技术还是市场上的多功能显示技术，它是唯一能够同时支持世界上最小的投影机(低于2-lbs)和最大的电影屏幕(高达75英尺)的显示技术。这一技术能够使图像达到极高的保真度，给出清晰、明亮、色彩逼真的画面。

七、DLP技术在安全领域上的应用

基于数字光处理器技术的成像技术，由此大大推动了DLP技术发展，并且正在不断扩大其应用领域，在各种广泛的安全应用中准确捕捉详细的3D图像尤为重要。由此开始向安全监控领域进军。应用DLP的芯片做出了很多新颖的应用，如数字曝光，也就是数字印刷术、数字曝光技术;还有就是用DLP对光的控制做一些波长方面的选择，也就是光谱波长的控制;还有3D扫描，用DLP的技术做一种光栅显象印发生器来做3D扫描。另外，也看到智能照明，就是把显示和摄像机、照相机同步起来，形成一个反馈的系统，来实现很多智能化的显示功能。据此，DLP技术在安全与工业及医疗等领域获得广泛应用，同时由此从DLP技术可拓宽与深化出DLP3D生物辨识的与DLP光谱分析等新系统。

八、DLP3D用于生物辨识方案的构建

DLP技术通过应用DMD(数字微镜器件)作为空间光线调节器，可简化了3D测量。从而构建成DLP3D生物辨识系统，即可成为安全领域的监控系统。图2所示为DLP3D用于生物辨识系统的框图。

DLP3D生物辨识系统解析

在图2中可看出，DMD实现了高质量、快速和灵活的主题现场顺序成像形式的照明。通常LED照明中间示意)可用于对近红外光谱(NIR)波长可见的范围内提供单色或多色、高亮度照明，则需要同步摄像机充足的分辨率、敏感度和捕捉帧速率才能以完成3D测量循环。如今DMD控制器提供同步输出以触发摄像机快门，用于按顺序捕捉每种图像样式。其摄像机镜头的分辨率应该与DMD分辨率相当，以实现x、y和z(深度)各尺寸最好的测量质量。投影样式和摄像机成像区域都应密切匹配。

3D测量取决于几何三角原理。这要求在图像透镜和摄像机透镜之间具有一定数量的基线偏移，两个透镜都针对主题区域。应该提供透镜和摄像机光学器件的安全定位，以建立和维护测量校准。选定的测量算法可决定使用图像的类型和数量。类型可以是二进制或"灰度"。主要是粗到细的图像分析。

测量算法与使用的样式类型及数量会影响测量的速度与分辨率和准确度。测量算法的软件实施是在PC或嵌入式处理器上执行。测量算法的输出可有多个种类。示例之一是颜色变换深度(景深)下端手掌示意)。另一个由3D测量作可视化程序处理，例如MeshLab，mesh指每英寸分成的等分大小，其含义是3D测量大小为每英寸分成的等分大小，而Lab色彩模型是由照度L和有关色彩的a,b三个要素组成，L表示亮度，a表示从洋红色至绿色的范围，b表示从黄色至蓝色的范围。在测量期间，主题科目必须保持固定(静态)以避免模糊、带条纹和测量错误。于是在实时信息处理应用上，可用DSP软件和开发工具套件快速启动生物辨识的分析，即指纹识别和人脸检测。如用TI公司产的TMS320C6748DSP开发(指纹识别和人脸检测)实时分析应用。

又如新型的DLP?LightCrafterTM4500是一个具有高亮度和高分辨率及灵活又高度精确的光控制开发平台，是一个全新的光控制解决方案。使用DLPLightCrafterTM4500可触发CCD摄像头，这是什么原因?DLP?LightCrafterTM4500采用模块化设计，通过更光学引擎和LED驱动，可以满足多样化的设计需求。凭借该评估模块(EVM)，可加快需要小尺寸架构和智能高速模式显示的解决方案的开发周期。通过基于USB的应用程序编程接口(API)和主机图形用户界面(GUI)，开发人员可以轻松创建、存储和放映高速序列。两个输入和两个输出的可编程的触发器，允许更简单的外部传感器和摄像机同步。标准接口用于连接各种系统级设计外设。可以支持在安全或工业、医疗、电信等应用领域。这对DLP来讲是一些新的领域。该平台的还可针对3D测量，就是光谱分析及机器视觉方面的一些应用，还有智能照明。

九、基于DLP技术的光谱分析

光谱分析是用于识别和定义物理材料特性解决方案的一项强大技术。图3为基于DLP技术的光谱分析构建框图。

基于DLP技术的光谱分析构建的解析

光谱分析是一项利用物理材料样本对各种波长光线存在不同吸收(或发射)的原理来识别和定义物理材料特性的强大技术。样本(见图3右端菱形间隔所示彩条)可能是处于任何物理阶段的材料：固体、液体、气体或等离子，可能是发光或吸光材料。光谱分析中所用光线可能处于人眼可见波长范围内，也可能处于电磁波谱的红外线或紫外线区。光谱分析要求将光线扩散为彩虹波长，以便可以测量(通常也进行记录)相对于波长的光线强度变化。

光谱分析利用色散光学元件，在空间上将光谱扩散为分离波长。有时使用棱镜，但通常使用衍射光栅(见图3中下所示彩条)，因为其具有较高的色散，能够针对宽范围光波长进行优化。光谱分析中使用几个光学和物理排列。图3中所示的光谱分析应用用于识别或描述某些材料的制备样本(必须为均质透光)。样本可以是固体、半固体(凝胶)、粉末或液体，这取决于夹持样本的方式。图3中示例为材料样本在载玻片上扩散的大致情况。宽带光源(可能是白炽灯泡)产生光线，然后经收集并使之成为平行光，再通过一条狭缝。狭缝形成明显的几何状光源，照射在衍射光栅上。衍射光栅恰好在不同的角度反射光线的每个波长，从而在DLP?数字微镜器件(DMD)的镜片阵列上扩散分散的光谱。

嵌入式处理器命令DMD控制器只打开精确的镜片列，其由每个时刻所需的特定波长的光线照亮。在很短的时间内，连续扫描整个光谱，用来照亮样本。单点传感器(非阵列)检测到光线通过样品，嵌入式处理器对信号进行处理。完成的测量结果显示在光线强度与波长图形中。此曲线的独特形状构成了被检查材料的光谱特征。通过将样本的光谱特征与存储的参考特征相对比，有可能查明样本的物理和化学成份。传感器的选择同样取决于要测量的波长范围。有关传感器的其他考虑事项包括所需的灵敏度、采集速度、噪声、温度范围、接口要求、成本和其他因素。系统控制和信号处理由嵌入式处理器(如TIOMAP?)来实现，并由电源设备供电。图3中未显示光学布局和组件的详情。该图旨在尽可能简单地表达基于DLP的光谱分析应用的完整功能。为实现完整功能，实际产品将需要额外的光学组件和光学设计。其中包括DMD、DMD控制器芯片以及DMD模拟控制芯片(取决于具体的DLP?芯片组)。可提供具有不同DMD尺寸、分辨率和其他规格的各种DLP?芯片组。根据光谱分析系统的规格来确定最佳DLP?芯片组，如要测量的波长范围、所需的波长分辨率、频谱测量的采集速度等。

十、3D成像和测量方案

应该说，DLP技术在安全领域上的应用除了DLP3D生物辨识与光谱分析系统外，还有，3D成像和测量的机器视觉解决方案的典例。那么，3D成像和测量方案有什么应用特征？

这种基于DLP的可靠的高速结构化光成像技术十分适合于快速捕捉物体的完整三维特征。这一解决方案的适用性和小型化使之具有广泛符合各种现场应用测量要求所需的独特能力。图4为3D成像和测量解决方案框图。

该3D成像和测量解决方案由下列芯片构成：数字媒体片上系统(DM365)、超低功耗16位MCU(MSP430)、0.3WVGA数字控制器(DLPC300)及DLP?0.3WVGA数字微镜器件。而方案主要特性为：便携式、嵌入式或手持式设备的小型化;光学测量具有固有的无创性；可以针对需要可见光源和不可见光源的应用进行修改；易于使用的图形用户界面(GUI)和可编程图形可以快速实现产品化。

该DLP技术的3D成像和测量方案使三维机器视觉功能通过提供单个或多个摄像机三维图像捕捉、利用同样的相机用于其他机器视觉功能。三维机器视觉是一种先进的自主和自治机器人系统的关键组件用于生产、安全、医疗、环境、和科学领域。三维机器视觉,结合先进的电机控制,机械系统,全面的软件,可以精确、适应性和智能机器人系统是意识到自己的环境和/或目标。识别目标的能力配置和摘要3-space伊利的演习与分离流动(也许)提供了有价值的功能超越了传统的机械系统。

（编辑：daisy）