CN101896866B - 照相机照明设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种照亮具有平均照明设置的场景的方法，该方法包括步骤：从包括多个像素的图像传感器(110)接收场景信息；基于该场景信息确定场景的色度坐标；以及基于该色度坐标确定用于驱动至少两个不同颜色光源(L1、L2、L3)的控制值，从而允许在基本不改变场景的普通照明设置的情况下照亮场景。本发明提供了以更精确的方式匹配场景的普通照明设置的可能性，其中可能产生保证更自然地呈现场景中被照亮的对象的光。和现有技术相比，对于光谱远离黑体曲线的光源，与比采用相关色温相比，色度坐标是照亮场景的环境光的颜色更好的描述。本发明还涉及相应的照明设备(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种照亮场景的方法。本发明还涉及一种用于照亮场景的相应照明设备。
背景技术
照相机闪光灯是一种产生具有大约5500K色温的人造光的瞬时(典型地大约为1/3000秒)闪光以帮助照亮场景的设备。虽然可因为多种原因(例如捕捉快速移动的目标、创建与环境光温度不同的光)使用闪光灯，但是其主要用于照亮没有获得足够的光的场景以充分曝光照片。
采用照相机闪光灯的主要缺点在于闪光灯的色温原则上是固定的。因此，拍照时所使用的光主要源于闪光灯。这一点意味着与在拍摄照片时所体验的场景相比，其色温偏离闪光灯固定色温的场景(例如具有温暖烛光的圣诞节晚餐)在照片中并不以相同的方式表示。实质上，基本不可能利用具有固定色温的闪光精确捕捉场景气氛。解决该问题的一种方法为增加照相机的快门时间而不使用闪光灯，但是由于为技术人员所知道的众多原因优选保持快门时间短。另一种解决该问题的方法为采用发射具有可调节色温的光的闪光灯。
发射色温可调节的光的闪光设备的实例包括如摄影师或者录像师所使用的固定的附加灯，其中例如通过采用不同类型的滤光片例如落日或者铬黄滤光片人工调节闪光灯所发出的光的色温。但是，手动改变滤光片是不期望的，同时因为需要大量的滤光片，从而产生了昂贵的最终产品。
US 2005/0134723公开了试图解决该问题的一种实施方式的实例，其中提供了一种包括照相机的图像采集系统和一种包含多个不同颜色发光二极管(LED)的照明模块。该照明模块适合于利用与照亮场景的环境光的色温相同的光来照亮场景。但是，所公开的图像采集系统不能提供关于匹配场景色温的足够精度，这是因为仅仅采用场景的色温只能在非常严格的假设下才能给出好的估计，例如在用于色温评估的场景或者部分场景中的颜色或者所有的目标平均为中性灰即灰色世界假设或者当采用特殊中性灰目标时的情形。
发明目的
因此需要一种照亮具有平均照明设置的场景的改进方法，其至少缓解现有技术的问题同时进一步改进精度和适应性。
发明内容
根据本发明的一方面，通过照亮具有平均照明设置的场景的方法满足上述目的，该方法包括步骤：从包括多个像素的图像传感器接收场景信息、基于该场景信息确定场景的色度坐标、以及基于该色度坐标确定用于驱动至少两个不同颜色光源的控制值从而允许在基本不改变场景的平均照明设置的情况下照亮场景。
根据本发明，术语场景信息被理解为至少但非排他地是指照亮场景的人造光的强度和特征。但是场景信息还可包括在场景中所检测的目标，例如检测场景中存在的人。一般地，场景信息为对场景的强度和可能是对场景的颜色、和/或场景中感兴趣目标的数字描述。
本发明提供了以更精确的方式匹配场景的平均照明设置的可能性，其中可能产生保证更自然地呈现场景中被照亮目标的光。现有技术方法仅仅采用相关的色温作为场景照明的目标，而对于传统照明(日光，白炽光)，这是足够的，因为这样的光源的色度与黑体曲线接近。但是，现代光源例如荧光光源和LED光源通常具有远离黑体曲线的色度。因此，评估照亮场景的环境光的色度坐标，而不仅仅是如同根据现有技术的相关色温在用于气氛设置的人工现代照明下更加重要。另外，还应注意作为色度坐标相关色温较不准确，因为几个色度坐标构成一条相关的色温线。相比而言，色点为点，并且因此更加精确。
在优选实施例中，场景信息为包括至少两个颜色通道的二维信息矢量，而色度坐标的确定包括找到对于该场景信息中所述至少两个颜色通道每一个的最大值。即，如果场景具有在对应照相机滤光片灵敏度的至少部分光谱中完美的白色漫反射器或者作为完美漫反射器的目标，则该方法产生对发光体色度的良好评估。校正非漫反射的方法变体包括检测场景中的镜面反射度和荧光材料以及去除这些像素给出的信息。因此；为能够实施该改进，需要所有的像素而不仅仅是附加传感器所给出的一个值。确定色度坐标的该方法有时被称为Retinex方法，并且例如在IEEE Transactions in Image Processing第11卷，第9期，第972-984页和第985-996页，IEEE，2002，KobusBarnard和Vlad Cardei和Brian Funt的“A Comparison ofComputational Color Constancy Algorithms；Part One：Methodology and Experiments with Synthesized Data”和“Acomparison of color constancy algorithms.Part Two.Experimentswith Image Data”中公开。
在另一个优选实施例中，色度坐标的确定包括将场景信息中该至少两个颜色通道的每一个相加并取平均，即基于包括在场景中的绝大多数象素。对于许多自然场景，目标颜色的平均趋向于中性灰(灰色世界假设)，并且在这样的情况下平均的色度为对场景发光体的良好评估。构建二维(2D)或者三维(3D)直方图并且仅仅平均非空箱质心缓和了该假定。单个环境照明传感器平均了所有的像素，因此再次从照相机获得所有像素的信息可实现其它改进。另外，还可能采用场景信息中所包括的空间信息以确定色度坐标，从而进一步增强了确定步骤。例如可在下面颜色空间的任意一个中完成在例如构建直方图时对场景信息的处理：CIE XYZ、CIE xyY、CIE L*a*b*、CIE L*u*v*、CIE Lu’v’、设备RGB、作为sRGB的标准RGB、设备rg或者标准RGB获得的rg、YRcCb、YUV。上述列表绝非详尽的，并且可以以相似的方式使用其它可能的颜色空间。
图像传感器优选地被选择为例如CMOS或者CCD图像传感器。但是所使用的图像传感器可能取决于成本分割，其中CMOS传感器通常比CCD传感器便宜但是潜在地当前也提供比CCD质量更低的结果。图像传感器优选地适合于采集至少两种颜色，更优选地采集三种颜色，但是可采用多个单色成像仪和滤光片。合适的三色滤光片为技术人员所熟知，而且在一些情况下与图像传感器组合以提供一个整体部件。
优选地，该方法还包括步骤：混合来自至少两个不同颜色光源的光从而防止被照亮的场景中的颜色阴影。可通过采用准直仪和反射器的组合实现颜色混合。其它混合的可能性包括采用漫射体，例如光通过散射介质，或者通过采用具有随机反射斑点的光导。
根据本发明的方法还优选与预闪光的使用相结合，用于估计环境光的色度，其中预闪光用于在拍照前设置白平衡和其它照相机设置。例如，将可能采用预闪光以使用场景的像素化图像来确定环境照明条件的色度并根据环境光设置确定闪光设置。在本发明的范围内，还可比较两个连续图像，其中第一图像是采用预定的且良好定义的预闪光获得的。该比较结果随后用于进一步增强确定场景色度坐标的步骤。
根据本发明的另一方面，提供了用于照亮具有平均照明设置的场景的照明设备，该照明设备包括至少两个不同颜色的光源和一个控制单元，该控制单元适合于从包括多个像素的图像传感器接收场景信息、基于该场景信息确定场景的色度坐标、以及基于该色度坐标确定用于驱动所述至少两个光源的控制值，从而允许在基本不改变场景的平均照明设置的情况下照亮场景。本发明的该方面提供了与上述讨论的方法相似的优点，该优点包括与采用相关色温相比提供了对照亮场景的环境光的颜色更好的描述的可能性。
控制单元可以进一步适合于从光谱检测器接收信息信号。通过进一步调适控制单元以考虑额外的光谱信息，可以改进对场景中光的光谱测量和/或用于对某期望/预定的色点优化照明设备的颜色再现。
优选地，根据本发明的照明设备用作和照相机一起使用的闪光单元。照相机例如可以为模拟照相机或者数字照相机。
在优选实施例中，该至少两个不同颜色的光源包括具有高显色指数的多色发光二极管(LED)。由于LED具有远离黑体曲线的光谱并因此基于待照亮的场景的色度坐标而被更好地控制，因此LED的使用提供了其它优点。
但是，技术人员将理解当然可以采用不同种类的光源，其优选地选自有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管(PLED)、无机LED、冷阴极荧光灯(CCFL)、热阴极荧光灯(HCFL)、等离子体灯。另外，与通常将其使用的电功率的最多约6％以光形式发出的常规灯泡相比，LED通常具有高得多的能量效率。但是，当然可能在本发明的范围内采用标准的白炽的有色光源，例如氩、氪、和/或氙光源。但是，在更优选的实施例中，多色LED阵列包括至少一个红色LED、至少一个绿色LED、至少一个蓝色LED、至少一个黄色LED、至少一个品红色LED、和至少一个青色LED。而且，可能包括用于使照明设备和照片的捕捉同步的装置。当采用LED时，必要的是使照明设备所提供的照明时间和照相机的图像采集时间以下面的方式同步：以获得组合的环境光、来自根据本发明的照明设备的光、以及可能地场景的被反射的并被照相机捕捉的其他光源的光的全光。
根据本发明的照明设备优选但不排他地用作还包括图像传感器的照相机中的组件。在这样的设置中，图像传感器优选用于捕捉场景信息提供给照明设备。该照相机例如可以和移动电话集成。
附图说明
现在将参考示出本发明当前优选实施例的附图更详细地描述本发明的这些及其他方面，其中：
图1为示出根据本发明实施例的电子闪光单元的框图；
图2为示出根据本发明实施例的方法的步骤的流程图；
图3示出了包括照相机和根据本发明实施例的电子闪光单元的照相机设置；以及
图4为示出闪光单元的光源与图像捕捉的同步的示例图。
具体实施方式
现在将在下文参考附图更详细地描述本发明，附图中示出了本发明当前优选的实施例。但是本发明可体现为许多不同的形式并且不应当被理解为限于这里所提出的实施例；相反地，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并充分地向技术人员传达本发明的范围。在全文相同的附图标记指代相同的元件。
现在参考附图、特别是图1，描述适合于提供可调节颜色照明并根据本发明当前优选实施例设置的电子闪光单元100的框图。在示例性实施例中，电子闪光单元100，即通常表示的照明设备，包括红色L1、绿色L2和蓝色L3的三个LED光源，每个光源连至相应的驱动电路102、104和106。如技术人员所理解，当然可能采用多于三种的不同颜色的光源。另外，将可能采用单个光源或者相同颜色的单独受控的光源组。LED L1-L3共同提供了具有高显色指数的光。而且，为进一步提高显色指数，电子闪光单元100可以包括另外的LED，例如黄色、品红色和青色中的至少其中一种颜色的LED。
驱动电路102、104、106依次被适合于从包括多个像素的图像传感器110接收场景信息的控制单元108控制。图像传感器110优选为CMOS或者CCD图像传感器的至少其中一个，但是当前的数字图像采集装置和其他的数字图像采集装置也是可能的并且在本发明的范围内。图像传感器110通常通过三个颜色通道(例如一个绿色、一个红色和一个蓝色通道)提供场景信息。包括在图像传感器110上使用拜尔罩的各自不同方法都是可能的。在这种情况下，每个由四像素构成的正方形具有一个过滤的红色、一个蓝色和两个绿色，这是因为人眼对绿色比对红色或者蓝色更敏感。这种现象的结果为在每个像素处收集亮度信息，但是颜色分辨率低于亮度分辨率。但是，还可组合三个图像传感器并采用分色分束器棱镜，其将图像分为红色、绿色和蓝色组分。在这种情况下，所述三个图像传感器的每一个被设置成响应于一种特定的颜色。
控制单元108可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或者另一个可编程设备。控制单元108还可以或者替代地包括专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备或者数字信号处理器。在控制单元108包括可编程设备(例如上面提到的微处理器或者微控制器)的情况下，所述处理器还可包括控制可编程设备运行的计算机可执行代码。
控制单元108还可以适于包括用于通过用户界面112从用户接收信息的装置。用户界面112可包括用户输入设备，例如产生待被控制单元108读取的信号或者电压的按钮和可调节控制器。用户通过用户界面112提供的信息例如可包括关于场景的详细信息、与电子闪光单元100一起使用的照相机类型或者类似信息。控制单元108将基于图像传感器110提供的场景信息(例如场景的数码照片)确定场景的色度坐标，并向相应驱动电路102、104、106提供对应于场景色度坐标的驱动信号。驱动电路102、104、106依次驱动每个LED L1-L3。控制单元108可例如通过采用脉宽调制(PWM)控制LED L1-L3，该脉宽调制调节LED L1-L3的相对强度并从而调节其混合比率。通过控制LED打开和关闭的时间，以及足够快地实现这一点，LED将看起来连续保持打开状态。但是，因为根据本发明的电子发光单元100优选用作照相机的闪光灯，电子闪光单元100将通常被设置为在典型地为大约1/3000秒的短时间周期内释放强烈的照明闪光(例如是正常燃烧功率的3-10倍)。可替代地，为采用PWM控制LED，还可通过采用相应的驱动电路102、104、106对供应至LED L1-L3的电流量进行模拟调节来驱动LED L1-L3。
可采用不同的算法确定色度坐标，并且优选采用Retinex算法或者灰色世界方法的至少一种。但是，其它算法，包括例如不同色域映射方法、神经网络算法或者模糊启发算法，都是可能的并且在本发明的范围内。例如，色域映射方法包括：在最有可能的发光体下确定场景(场景色域)中出现的色度坐标到一组颜色(中性色域)。而且通过颜色通过相关性和相关算法，色度坐标的确定包括评估各颜色存在于场景中作为某照明体下场景一部分的可能性。其它实例包括镜面反射法和阴影法，其中色度坐标的确定包括确定场景中的阴影或者镜面反射。另外，控制单元108还可以可替代地(未示出)适合于从光谱检测器接收信息信号。
图2中概述了由如上所述的电子闪光单元100执行的根据本发明的方法，包括步骤S1-S6：接收场景信息、确定色度坐标、确定控制值、控制LED、混合来自LED的光、照亮场景。优选地，还包括采集图像的步骤S7。
图3示出了包括照相机302和根据本发明的电子闪光单元100的照相机设置300。一般地，根据本发明可以采用图片照相机和视频摄像机的其中一个，其中照相机为数字的或者模拟的。照相机302还可集成在具有照像机功能的移动电话中。在所示的实施例中照相机302为数码照相机，而照相机的图像传感器用于向控制单元108提供场景信息。照相机302包括光学器件304、用于显示所采集图像的显示器(在图3中不可见)和本领域已知的其它元件。
在所示的实施例中，电子闪光单元100被提供作为以小间距设置在照相机302顶部上的分离单元，从而阻止来自电子闪光单元100的直接反射，而所述直接反射在电子闪光单元100和照相机302相集成的情形下是可能的。但是，技术人员仍然理解照相机302可以和电子闪光单元100组合在一起。
另外，在所描述的实施例中电子闪光单元100设有设置在LEDL1-L3前面的颜色混合设备306。提供颜色混合设备306以减少并优选地去除混合不同颜色光源时所产生的颜色阴影。颜色混合设备306优选包括准直仪、反射器和/或漫射体的组合。
和上面讨论的类似，照相机302包括距离/焦点传感器308(可与图1中的飞行传感器114类似)，其被设置为提供到目标的距离从而可调整镜头以获得清晰焦点。传感器308还可用于确定在确定LED L1-L3的驱动信号时所使用的色度坐标。
距离/焦点传感器308还可用于使电子闪光单元100所发出的光与照相机302采集场景照片同步。但是，还可能采用照相机302的自动聚集特征来确定到场景中可能的主目标的距离，并采用该距离测量以用于使得闪光和照片的采集同步或者用于调节闪光强度以提供最佳颜色再现。关于电子闪光单元100的水下使用，控制单元108还可适合于接收表示当前深度的信号，以及采用该信号进一步增强场景的照明。
当与照相机302一起使用闪光单元100时，重要的是使图像采集时间与用于驱动LED的调制方案同步。典型地，可以以各种调制模式驱动LED L1-L3，例如脉宽调制(PWM)、频率调制(FM)、幅度调制(AM)或者类似的控制方法。
在PWM的情况下，LED的驱动电流被调节在零电流和某固定电流水平之间。进行此操作以维持LED的颜色一致性操作，同时允许LED的调光。LED的光谱输出取决于总是通过采用相同的驱动电流水平而保持恒定的驱动电流。通过改变电流驱动的脉冲宽度，即LED运行时的占空比(即LED激活的时间与以T表示的调频周期的比率)，实现该调光。对于多LED系统，每个LED具有不同的占空比以获得期望的混合色点。在这种情况下，通常要求：对于LED进行脉宽调制(即LED驱动方案)的调制频率，图像传感器的采集时间与周期T或者周期T的整数倍同步。在图4中示出了这一点，图4提供了示出闪光单元的光源(例如L1-L3)与例如使用照相机302采集图像同步的示例性视图。在该视图中，每个LED L1-L3的激活时间不同，其中LED L3具有最大的占空比。在视图中，描述了以CS1和CS2表示的两个不同采集序列。这两个采集序列分别示出了与一个调制周期和多个占空比的同步。因此，在第一种情况下，CS1，曝光时间Ls(也称作图像采集时间)等于一个调制周期，1*T，而在第二种情况下，CS1，曝光时间Ls等于多个(N个)调制周期N*T。
在频率调制情况下也要求同步。在频率调制中，驱动电流的脉冲高度和宽度固定，并且这些脉冲在某总时帧内的出现确定了以该方案驱动的LED的总强度。在这种情况下，为在图像采集期间获得正确的颜色表示，要求图像采集时间相等，即与频率调制驱动信号的总时间同步。
在本发明的优选实施例中，应用脉宽调制(PWM)和幅度调制(AM)的组合。这意味着，只要每个相应的LED L1、L2、L3的脉冲长度L1tL2t、L3t小于或者等于曝光时间Ls的长度，则应用PWM。如果控制器计算出其中一个或多个光脉冲L1t、L2t、L3t会比Ls长的照明设置，则控制器切换至AM，即通过根据要求设置Ls期间来自光源的整体光强的方式增加流经LED的电流来增加光幅度。(强度更大并且脉宽更窄。)
在另一个优选实施例中至少几个所述光源是磷光体转换LED。已经发现这一点特别地非常适合于幅度调制驱动。
而且，将可能在本发明的范围内通过比较两个预图像或者自动聚焦测量(一个没有闪光，一个具有白色预闪光)进一步增强场景照明。在预闪光中显示为白色但在非闪光中为彩色的目标可表示自然照明设置的颜色，其可由本发明所公开的色温调适电子闪光单元模拟。
另外，将可能通过观察具有某强度阈值的像素(或者优选地延伸像素区域)内几乎相等的RGB水平来检测白点。为找到真实的白色目标有必要克服如下问题：在场景中非常可能存在某些气氛光(例如红光)，而图像传感器110将检测既来自闪光灯又来自气氛的叠加反射光，这一点妨碍了取决于光强度的简单白色检测。更进一步，还将可能将电子闪光单元100的光强调适为最低需要的水平以尽可能自然地实现照明设置。另外，闪光单元可包括用于更好控制闪光色度的温度检测和/或温度控制装置。但是，如技术人员所知，存在几种可用于稳定各个LED的色点的附加反馈方法，包括例如用于改进LED色度稳定性的色点反馈。
总之，根据本发明，提供一种用于更精确地匹配场景的平均照明设置的新颖方法，其中可能产生保证更自然地呈现场景中被照明目标的光。和现有技术相比，对于光谱远离黑体曲线的光源而言，与比采用相关色温相比，色度坐标是照亮场景的环境光的颜色的更好描述。
另外，技术人员意识到本发明决不限于上述的优选实施例。相反，技术人员理解在本发明的范围内可进行许多更改和变更。例如可以将根据本发明的方法和设备与本领域已知的用于更好照亮场景的各种面检测算法相结合。另外，对于水下应用，根据本发明的照相机和电子闪光单元可提供为独立单元，并且可借助电气接口相互连接。电气接口可以为无线的或者可经防水电缆实现。照相机设置例如关于水下拍摄的优点在于其将可以在无需麻烦地使用颜色校正滤光片的情况下拍照或者录像。
Claims (19)
1.一种照亮具有平均照明设置的场景的方法，该方法包括如下步骤：
-从包括多个像素的图像传感器(110)接收场景信息；
-基于该场景信息确定场景的色度坐标；和
-基于该色度坐标确定用于驱动至少两个不同颜色光源(L1、L2、L3)的控制值，
从而允许在基本不必改变场景的平均照明设置的情况下照亮场景。
2.根据权利要求1的方法，还包括步骤：将场景信息中所包括的颜色信息描述为数字颜色描述空间中的多维颜色直方图，该数字颜色描述空间选自：CIE XYZ、CIE xyY、CIE L*a*b*、CIE L*u*v*、CIE Lu’v’、设备RGB、作为sRGB的标准RGB、设备rg或者标准RGB获得的rg、设备或者标准获得的YUV、HSV、HSI和HSB。
3.根据权利要求1的方法，还包括将场景信息中所包括的颜色信息描述为三维颜色直方图的步骤。
4.根据权利要求1的方法，还包括将场景信息中所包括的颜色信息描述为二维色度直方图的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中场景信息中所包括的空间信息用于确定色度坐标。
6.根据权利要求1到4中任一项的方法，其中确定色度坐标包括检测场景信息中所包括的阴影或者镜面反射中的至少一个。
7.根据权利要求1到4中任一项的方法，其中场景信息为包括至少两个颜色通道的二维信息矢量，而色度坐标的确定包括找到对于场景信息中至少两个颜色通道的每个的最大值。
8.根据权利要求1到4中任一项的方法，其中场景信息为包括至少两个颜色通道的二维信息矢量，而色度坐标的确定包括将场景信息中至少两个颜色通道的每个相加并取平均。
9.根据权利要求1到4中任一项的方法，其中该方法还包括混合来自至少两个不同颜色光源(L1、L2、L3)的光的步骤。
10.根据权利要求1到4中任一项的方法，其中该方法还包括采用预闪光评估场景色度坐标的步骤。
11.一种用于照亮具有平均照明设置的场景的照明设备(100)，该照明设备(100)包括：
-至少两个不同颜色的光源(L1、L2、L3)；以及
-适合于进行如下操作的控制单元(108)：
-从包括多个像素的图像传感器(110)接收场景信息；
-基于该场景信息确定场景的色度坐标；以及
-基于该色度坐标确定用于驱动至少两个光源(L1、L2、L3)的控制值
从而允许在基本不必改变场景的平均照明设置的情况下照亮场景。
12.根据权利要求11的照明设备(100)，其中场景信息为包括至少两个颜色通道的二维信息矢量，而色度坐标的确定包括找到对于场景信息中至少两个颜色通道的每个的最大值。
13.根据权利要求11的照明设备(100)，其中场景信息为包括至少两个颜色通道的二维信息矢量，而色度坐标的确定包括将场景信息中至少两个颜色通道的每个相加并取平均。
14.根据权利要求11-13中任一项的照明设备(100)，其中所述照明设备为与照相机一起使用的闪光单元。
15.根据权利要求11-13中任一项的照明设备(100)，其中至少两个不同颜色的光源包括具有高显色指数的多色发光二极管(LED)阵列。
16.根据权利要求15的照明设备(100)，其中多色LED阵列包括至少一个红色LED、至少一个绿色LED、至少一个蓝色LED、至少一个黄色LED、至少一个品红色LED和至少一个青色LED。
17.根据权利要求11-13中任一项的照明设备(100)，其中控制单元还适于接收表示场景的光谱信息信号。
18.一种照相机装置(302)，包括具有图像传感器(110)和根据权利要求11-17中任意一项的可用作电子闪光单元的照明设备(100)的照相机模块(302)，其中图像传感器(110)采集场景信息提供给照明设备(110)。
19.根据权利要求18的照相机装置(302)，其中所述照相机装置(302)与移动电话集成。
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