CN107046641A - 相机档位校准器 - Google Patents

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CN107046641A CN201710227027.8A CN201710227027A CN107046641A CN 107046641 A CN107046641 A CN 107046641A CN 201710227027 A CN201710227027 A CN 201710227027A CN 107046641 A CN107046641 A CN 107046641A
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Abstract

提供了相机档位校准器。一种档位加权光基准包括：LED光源，和构造成以预定义级别驱动光源的脉冲发生器。所述预定义级别在log2标度上彼此相关。所述光基准可用于表征未校准相机。输出值的查找表(LUT)可存储在独立设备中或测试和测量设备中，例如波形监视器中。LUT可将一个范围的输入值与要在log2标度上校准的一组输出值进行相关。在操作中，相机输出可用作LUT的索引以使得生成经校准的输出。

Description

相机档位校准器
对相关申请的交叉引用
此申请是对2016年2月5日提交的题为HDR CAMERA F-STOP CALIBRATOR的美国临时申请62/291,795的非临时申请并要求其权益，所述美国临时申请的内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及校准相机，并且具体地，涉及校准高动态范围(HDR)视频相机。
背景技术
多年来，胶片相机具有远超可用视频相机的图像动态范围，并已经成为电影制作的优选图像捕获介质。在过去十年间，互补金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合器件(CCD)数字图像技术已改善了像素分辨率以及光敏度和有用动态范围。现在，在电影和电视制作中，这些新的数字技术现在正在飞速地替代胶片相机。数字视频相机现在能够捕获超过15档位的动态范围。另外，降低成本的成像器正将此高动态范围(HDR)带给包括剧集及流视频服务的低端视频制作。使用具有不同级别暗度的纸表(paper chart)校准数字相机被限制在约9或10档位，这对于现代相机是不够的。
如电影制作中多年来的实践，为了在现场(on-set)利用这些相机的高动态范围，常优选在测量场景及被摄物照明时参考档位(光圈档位(f-档位)或曝光档位(t-档位))。相机的光电转移函数(OETF)是从不同光输入级别标绘相机的电输出的函数。OETF可在档位方面表征并显示在波形监视器上。用户指定在驱动波形监视器的信号中使用哪种相机输出格式。典型OETF的示例包括Sony S-log/2/3、Cannon C-log、Cineon logC，以及典型地在所有相机中可用的常用BT.709伽马。
然而，大部分相机还具有自定义调节，所述自定义调节影响能够由用户修改和存储的OETF。这些调节可由用户根据像素的艺术评估来操纵而不坚持任何特定的已发布OETF。另外，特定相机的标准OETF可以不精确匹配于出厂设置的OETF。因此，对于准确测量相机输出存在两个问题——用户可能因艺术原因调节相机OETF，或出厂OETF可能并不是对所有相机都是准确的。所以，至少部分地由于这些变化，现存的相机或当前测试装备都不包括准确的光校准器以适当表征或测量相机OETF的准确度。
本发明实施例解决现有技术的此及其他局限。
附图说明
图1是按照本发明实施例的档位经校准的光源的框图。
图2是按照本发明实施例的HDR相机光圈档位校准器的测试环境的框图。
图3是在图2中所图示测试环境中查看受控LED时相机输出的波形图。
图4是描绘被测相机的OETF与理想输出相比较的图形。
图5是描绘被测相机的测得输出以及理想输出的log2图形。
图6A是按照本发明实施例的相机校准系统的框图。
图6B图示按照本发明实施例创建校准数据查找表的示例过程。
图7是描绘按照本发明实施例的校准已经执行之后被测相机的测得输出以及理想输出的log2图形。
图8图示按照本发明实施例的用于创建查找表的示例操作。
具体实施方式
本发明的实施例包含光校准器，所述光校准器可以在任何制作现场放置于相机前方以向相机提供精确的经校准光值。然后可检查相机输出来看相机输出与已知输入的对齐程度。在一个实施例中，经校准光值在log2加权档位值方面彼此不同。例如，光校准器可以首先输出全部光，然后该量的一半，即，降一个“档位”，然后全部光的四分之一(两个档位)，等等。经校准的光值的范围可以超过14个档位，其横跨从相机黑敏感性到全部光。本发明的实施例还包括针对指定级别光输入精确校准相机输出的方法和装置。
如图1中所图示的，本发明的实施例包括档位经校准的光源100，所述光源100通过由占空比调制的驱动信号122驱动发光二极管(LED)来创建。驱动信号脉冲发生器120生成驱动信号122。用户可以使用选择器130选择所期望的光值。然后，根据用户选择，驱动信号脉冲发生器120以特定所选频率和占空比生成脉冲，所述脉冲使得LED 110生成所需期望量的光。驱动信号脉冲发生器120输出脉冲，所述脉冲是可离散地选择的且每个对应于LED110输出的被阻挡的光。换而言之，用户使用光值选择器130从单一体(unity)中挑选按档位测量的光输出。在一个实施例中，驱动信号122提供恒定电流，但具有以2为幂地从单一体步进减少的占空比(即，1/2，1/4等)，以在LED 110的光输出中以1档位或分数档位增量创建经校准的步进变化。这种开关脉冲电流驱动信号122在所有档位设置上保持开启电流值固定，由此针对每个脉冲常数并且独立于占空比而保持即时功率和作为结果的光输出。以此方式，相比于多LED方法或电压驱动占空比调制器，光值不受到温度或LED中差异的影响。因此，只有占空比影响LED 110的平均亮度。
在一些实施例中，脉冲电流驱动信号122的占空比可以表达为I_duty_cycle(n)＝2-n，其中n是无量纲的档位值。
更一般地来说，n不被限制于整数值，从而允许分数档位改变以及1档位增量。最小的脉冲重复率可设置为预期的最高视频帧率的几倍，以允许成像器(例如所表征的相机)对光脉冲进行平均。此外，将脉冲速率设置成1/2帧率的奇整数倍可以将成像器内由于脉冲未充分平均所致的任意振幅变化的混叠最小化。例如，可使用99×29.97Hz＝2.967KHz的速率而有好的结果，并且由于99倍过采样，此频率不是关键性的。
在操作中，用户使用选择器130选择档位值n，所述档位值使信号脉冲发生器120生成驱动信号122，所述驱动信号122具有对应于所选档位值的占空比。在其他实施例中，用户可以选择初始的档位值，并且然后信号脉冲发生器120自动地循环通过被编程以生成的所有离散档位值。步进通过预设值的序列可以重复许多次，并且对应于预设值的各个输出可被平均以增强校准准确度。在一些系统中，可以有高达14或16个离散的档位值，而在其它系统中，10或12个档位值是足够的。然后，来自指向LED 110的相机的电输出将按照与LED所生成光量的定义关系来相应地使其输出步进。脉冲发生器120生成的档位值可以按升序或降序值而生成。
本发明其他方面涉及校准系统，比如图2中所图示的系统200。校准系统200包括光源，比如放置在容器210内的LED 110(图1)，所述容器210比如立方体形盒子(如图2中所图示)、空心球或使逸出容器的光最小化的其他形状。LED 110放置在容器210内，例如放置在容器210一个面中的孔214对面的角落212内，如图2中所示出的。LED 110可以由图1中所图示的电路来驱动，LED 110构造为生成具有彼此相关的预定值的光。
包含LED 110的容器210具有非反射性内部，其可以是黑色的，并充当陷光器以创建期望校准的相机230所看的LED 110附近的黑周围。容器210所创建的黑周围在相机230的视频信号输出中创建黑基准级别。此黑周围是通过陷入并吸收周边照明(比如设置照明220，包括任何周边阳光)来创建的，所述周边照明在不使用陷光器时通常反射回相机230。来自容器210的黑周围用于确定相机230输出的黑级别，所述黑级别是相对于相机所捕获场景的最亮部分以及经校准的LED光源110而言的。
LED光源110可以是快速LED，其能够从信号脉冲发生器120(图1)所生成的很窄的脉冲宽度而创建低光级别。例如，在-10到-11档位生成驱动信号122以驱动LED 110意味着驱动信号122具有非常短的占空比，驱动信号122展现为一系列非常窄脉冲宽度的驱动信号。LED 110所生成的这样的暗光可能无法被相机230内的相机传感器完全整合。为了进一步增加档位测试范围，可将相机230的相机镜头降档或可应用几个档位的中性密度(ND)滤波器。以这种方式，通过必要时把结果与镜头降档组合或不组合，可在成像器的全部动态范围内测试相机。
相机230的输出可以显示在例如波形监视器的屏幕240上，所述波形监视器设置为捕获相机230的电输出，如下文更详细地描述的。
作为校准相机230的第一步，利用针对被测量的每个离散光值(即档位值)的测得输出值来创建输出值表。
图3图示用于在图2的容器210内测量不同级别光时测量相机230输出值的波形监视器(未示出)的方格图300。波形330具有位于两个“真-黑”级别之间的尖峰。如上所述，真-黑级别对应于容器210的孔214的相机所测量的光，而尖峰级别对应于相机在以特定档位值驱动的LED 110的最亮部分处测量的光级别。如上所述，当驱动LED 110的驱动信号122降档时，波形330将对应地下降。孔214的黑级别将粗略地针对每个档位值测量结果保持相同。以此方式，可针对驱动信号122驱动的每个档位值而测量相机230的输出。从每个档位值测得的值可用于生成表，如下图示为表1。
表1
n V(n)
0 695
-1 480
-2 338
-3 222
-4 144
-5 88
-6 60
-7 38
-8 26
-9 12
-10 1
参照表1，第一列中图示标为0到-10的11个档位(n)。第二列保持以mV计的测得电压，所述测得电压是从在例如图3方格图300上的相机230的输出测量的。例如，在0档的情况下，相机230输出695mV，而当LED 110(图1)在-5档值处驱动时，即从全输出降5档时，相机230的输出测得88mV。这些值在图4中图形化，其中测得值用实线410指示，而按照针对相机的定义OETF值的理想值图形化为虚线420。在此情况下，来自相机230的测得输出值不完全匹配于理想值。
图5以不同形式的图形图示此概念。具体地，图5图形化在log2标度上。图形500以十字510图示针对每个档位级别的测得值，并以空心圆520图示针对每个档位的理想值。注意，对于-1到-5的测得档位值，测得值510总体对应于理想值520。图4中也图示了这一点，其中对于-5档位以上的值，测得值410的实线紧密对齐于理想值420的虚线。回到图5，对于-6到-9档位值，来自相机230的测得OETF响应510与理想值520每一个都有所不同。
在许多实例中，测得OETF值与理想值的该差异是不合乎期望的。如下所述，本发明的实施例可用于补偿相机230的该不理想性能。
如图6A中所图示的，校准器600接收相机230(图2)的电信号输出602并生成理想相机将产生的log2加权标度输出612，使得相机630所查看的光能够被准确地测量。输出612可馈送给波形监视器以生成光圈档位标度波形显示，比如图7中所图示的。
更详细地，校准器600包括模数转换器(ADC)620，其接收来自相机230输出的模拟电压值，并将其转换为用于对查找表(LUT)650编索引的数据值。然后，根据LUT 650接收的特定值，LUT选择并产生所期望的输出。在一些实施例中，图6A中图示的ADC 620整合在相机230本身内，而不是相机外的单独部件。此外，在其他实施例内，LUT 650也可以整合在相机内，并因此相机本身可以通过适当地填充LUT而得校准。在又其他实施例中，图6A中所图示的校准器600或其一些部件部分(比如LUT 650)整合在测试和测量仪器(比如波形监视器)内。在这样的实施例中，相机230可以直接耦合到波形监视器以做出相机信号测量。在再其他实施例中，校准器600或其部件可以是独立的部件，并且不体现在相机或波形监视器或其他仪器内。
LUT 650被填充值，所述值允许做出从来自ADC 620的数字化相机值到所期望输出的对应。LUT 650可以按几种不同的方式生成。在一个实施例中，理想的标度值是从几个变量来确定的。此类变量之一是用户使用光值选择器130选择的档位数。用户可指定10档位系统、12档位系统、14档位系统，等等。另一变量是ADC 620的比特长度。例如，ADC 620可以具有12比特输出，并生成0与4095之间的输出值。然后生成对应于图4中所图示的相机230的输出曲线数据值的标度。图6B中图示产生填充LUT 650的标度值的示例方法。实质上，对于最终指派的每个档位值，数据值的标度范围使用图6B中图示的过程来指派，所述过程将数值范围直接转译成档位值。最后，根据相机230产生的对应电值生成用于LUT 650的特定索引值。例如，在光未被挡住时，为了将具有约700mV信号最大值的照明系统的“n”个档位标度为12比特值，LUT值可按照等式(1)生成：
等式1：
针对包括来自相机230的700mV最大信号输出的特别描述系统而通过等式1确定并存储在LUT 650中的最终值、10个非零档位和12比特ADC可表现为如表2所图示：
表2
最大值 档位
3735 0
2659 -1
1948 -2
1367 -3
977 -4
697 -5
556 -6
446 -7
386 -8
316 -9
261 -10
参照图6A和表2，在操作中相机230根据相机所捕获的光量并按照相机的OETF产生电值。然后此值被ADC 620转译成范围在0与4095之间的值，即12比特值。接下来，ADC 620所生成的值被用作对于存储在LUT 650中的经校准理想值的索引值，对于该示例，LUT 650可假设为与表2中所表示的相同。最后，此12比特值对照所存储的档位值被编索引，并且特定输出值(从0到-10档位)被LUT 650选择并输出作为由相机230测量的光，如校准器600所校准的那样。
在一个特定的示例中，如果ADC 620的输出是“550”，则LUT 650输出-6档位。换而言之，相机230正感测到从全部光降低约-6档的光。如果ADC的输出替代地为“1920”，则LUT650将输出-2档位。这样的关系是有意义的，因为来自ADC 620的越高的12比特数意味着有来自相机230的越高的电输入。当有越多光时，相机230生成越高的电输出，并且-2档位的最终输出意味着相机230正感测到比输出为-6档位时更多的光。
图7图示按照本发明实施例的校准器600所生成的输出值的图形700。注意，相比于图5的图形，图形700包括由已经通过上述过程校准的相机230所生成的理想值。如上所述，当光值选择器130(图1)被构造为自动地步进通过其预设值时，经校准输出可以是自动序列。此外，步进通过预设值的序列可以重复许多次，并且各个输出被平均以增强校准准确度。
图8图示依照本发明实施例的用于创建图6A中图示的LUT 650的示例操作的流程800。操作810包括测量相机的多个未校准的电输出，所述多个未校准的电输出分别对应于多个已知光量。以上参照表1描述了此的示例。在实施例中，来自相机的未校准输出存储在表或存储器中，通过以已知光量指向相机来生成所述未校准输出。例如，参照以上图2，相机可指向以不同级别的光所驱动的LED 110，所述不同级别的光按档位或log2值而彼此不同。接下来，在操作820中，未校准输出值存储在例如表或存储器中。操作830创建LUT。例如，操作830可以首先确定相关表中将有多少数量的独立校准的输出，然后，针对这些数量的独立经校准的输出的每一个，关联未校准电输出级别的范围。可执行此功能的示例等式在以上图示为等式1。此表可变现为如以上参照表2所描述的那样。接下来，在操作840中，未校准电输出级别的范围和它们相关联的经校准输出被存储在LUT内。此LUT可存储在计算机存储器(例如只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM))中或另一存储介质中。此LUT可以存在于测试和测量设备内，例如波形监视器内。
示例
下面提供本文所公开技术的说明性示例。此技术的实施例可包括下述示例的任一个或多个及其任意组合。
示例1包括一种档位加权光基准，包括：发光二极管(LED)光源；选择器设备，配置成由用户操作以使预定义量的光由所述LED输出；以及脉冲发生器，具有预定义数量的预设模式，并且每种模式具有不同于任何其他模式的脉冲宽度，所述脉宽发生器构造成接受来自所述选择器设备的用户选择值，并给所述LED光源提供对应于所述用户选择值的一种预设模式中的光驱动输出。
示例2包括示例1的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例的基准，其中特定预设模式的脉冲宽度约为另一预设模式脉冲宽度的一半。
示例3包括示例1-2的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中所述脉冲发生器的一种预设模式包括全宽度脉冲。
示例4包括示例3的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中所述脉冲发生器的其他模式包括半宽脉冲、四分之一宽脉冲和八分之一宽脉冲。
示例5包括示例1-4的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中所述选择器设备构造为自动地使所述脉冲发生器依次地步进通过所述预定义数量的预设模式。
示例6包括示例1-5的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中所述脉冲发生器构造为以恒定电流驱动每种模式，且其中每种预设模式具有不同脉冲宽度。
示例7包括示例1-6的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中所述脉冲发生器包括至少10种预设模式。
示例8包括示例1-7的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中个别的一种预设模式以特定频率重复多次。
示例9包括示例8的档位加权光基准，或这里描述的任何其它示例光基准，其中所述频率是根据相机的光整合率而选择的。
示例10包括一种用于具有光电转移函数的相机的相机校准系统，所述校准系统包括：三维结构，包括位于所述三维结构内部的LED灯，并且包括所述相机能够通过其查看所述LED灯的孔；以及脉冲发生器，具有预定义数量的预设模式，并且每种模式具有不同于其他模式的脉冲宽度，所述脉宽发生器构造成给所述LED灯提供对应于用户选择值的一种预设模式中的光驱动输出。
示例11包括示例10的相机校准系统，或这里描述的任何其它示例相机校准系统，还包括：选择器设备，配置成由用户操作以使预定义量的光由所述LED输出，并且其中所述脉宽发生器构造成从所述选择器设备接受用户选择值并向所述LED光源提供所述光驱动输出。
示例12包括示例10-11的相机校准系统，或这里描述的任何其它示例相机校准系统，其中特定预设模式的脉冲宽度精确地为另一预设模式脉冲宽度的一半。
示例13包括示例10-12的相机校准系统，或这里描述的任何其它示例相机校准系统，其中所述脉冲发生器的一种预设模式包括全宽脉冲。
示例14包括示例13的相机校准系统，或这里描述的任何其它示例相机校准系统，其中所述脉冲发生器的其他模式包括半宽脉冲、四分之一宽脉冲和八分之一宽脉冲。
示例15包括一种校准相机输出的方法，包括：测量所述相机的多个未校准电输出，所述多个未校准电输出分别对应于多个已知光量；存储所述相机的所述多个未校准电输出；以及从所述相机的所述多个未校准电输出，创建相关表，所述相关表将所述相机的所述多个未校准电输出分别与预选择的经校准输出进行相关，所述预选择的经校准输出在log2标度上彼此相关。
示例16包括示例15的校准相机输出的方法，或这里描述的校准相机输出的任何其它示例方法，其中创建相关表包括：确定所述相关表中将有多少数量的独立校准的输出；以及针对所述数量的独立校准的输出的每一个，关联未校准电输出级别的范围。
示例17包括示例15-16的校准相机输出的方法，或这里描述的校准相机输出的任何其它示例方法，还包括在查找表中存储未校准电输出级别的范围及它们相关联的独立校准的输出。
示例18包括一种测试和测量装置，包括：输入，构造成接受相机的具有未校准光电转移函数的相机输出；第一转换器，构造成接受所述相机输出并生成其等效数值；第二转换器，构造成接受来自所述第一转换器的一个等效数值并生成输出，所述输出是多个经校准输出之一。
示例19包括示例18的测试和测量装置，或这里描述的任何其它示例测试和测量装置，其中所述多个经校准输出包括按log2函数彼此相关的一组值。
示例20包括示例18-19的测试和测量装置，或这里描述的任何其它示例测试和测量装置，其中通过以已知的多个光值之一指向所述相机来生成所述相机输出。
所公开主题的前述版本具有已描述或对于本领域普通技术人员将清楚的许多优点。即便如此，不要求在所公开装置、系统或方法的所有版本中都有所有这些优点或特点。
另外，本书面描述对特定特征做出参考。应理解的是，本说明书中的公开包括那些特定特征的所有可能组合。例如，在特定方面的上下文中公开特定特征的情况下，该特征也可在可能的范围内用在其它方面的上下文中。
而且，在本申请中做出对具有两个或更多定义的步骤或操作的方法的参考时，所定义的步骤或操作可以按任何顺序或同时实行，除非上下文排除了那些可能性。
尽管为了说明目的已图示和描述了本发明的具体实施例，但将理解的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。

Claims (20)

1.一种档位加权光基准，包括：
发光二极管(LED)光源；
选择器设备，配置成由用户操作以使预定义量的光由所述LED输出；以及
脉冲发生器，具有预定义数量的预设模式，并且每种模式具有不同于任何其他模式的脉冲宽度，所述脉宽发生器构造成接受来自所述选择器设备的用户选择值，并给所述LED光源提供对应于所述用户选择值的一种预设模式中的光驱动输出。
2.如权利要求1所述的档位加权光基准，其中特定预设模式的脉冲宽度约为另一预设模式脉冲宽度的一半。
3.如权利要求1所述的档位加权光基准，其中所述脉冲发生器的一种预设模式包括全宽度脉冲。
4.如权利要求3所述的档位加权光基准，其中所述脉冲发生器的其他模式包括半宽脉冲、四分之一宽脉冲和八分之一宽脉冲。
5.如权利要求1所述的档位加权光基准，其中所述选择器设备构造为自动地使所述脉冲发生器依次地步进通过所述预定义数量的预设模式。
6.如权利要求1所述的档位加权光基准，其中所述脉冲发生器构造为以恒定电流驱动每种模式，且其中每种预设模式具有不同脉冲宽度。
7.如权利要求1所述的档位加权光基准，其中所述脉冲发生器包括至少10种预设模式。
8.如权利要求1所述的档位加权光基准，其中个别的一种预设模式以特定频率重复多次。
9.如权利要求8所述的档位加权光基准，其中所述频率是根据相机的光整合率而选择的。
10.一种用于具有光电转移函数的相机的相机校准系统，所述校准系统包括：
三维结构，包括位于所述三维结构内部的LED灯，并且包括所述相机能够通过其查看所述LED灯的孔；以及
脉冲发生器，具有预定义数量的预设模式，并且每种模式具有不同于其他模式的脉冲宽度，所述脉宽发生器构造成给所述LED灯提供对应于用户选择值的一种预设模式中的光驱动输出。
11.如权利要求10所述的相机校准系统，还包括：
选择器设备，配置成由用户操作以使预定义量的光由所述LED输出，并且其中所述脉宽发生器构造成从所述选择器设备接受用户选择值并向所述LED光源提供所述光驱动输出。
12.如权利要求10所述的相机校准系统，其中特定预设模式的脉冲宽度精确地为另一预设模式脉冲宽度的一半。
13.如权利要求10所述的相机校准系统，其中所述脉冲发生器的一种预设模式包括全宽脉冲。
14.如权利要求13所述的相机校准系统，其中所述脉冲发生器的其他模式包括半宽脉冲、四分之一宽脉冲和八分之一宽脉冲。
15.一种校准相机输出的方法，所述方法包括：
测量所述相机的多个未校准电输出，所述多个未校准电输出分别对应于多个已知光量；
存储所述相机的所述多个未校准电输出；以及
从所述相机的所述多个未校准电输出，创建相关表，所述相关表将所述相机的所述多个未校准电输出分别与预选择的经校准输出进行相关，所述预选择的经校准输出在log2标度上彼此相关。
16.如权利要求15所述的校准相机输出的方法，其中创建相关表包括：
确定所述相关表中将有多少数量的独立校准的输出；以及
针对所述数量的独立校准的输出的每一个，关联未校准电输出级别的范围。
17.如权利要求16所述的校准相机输出的方法，还包括在查找表中存储未校准电输出级别的范围及它们相关联的独立校准的输出。
18.一种测试和测量装置，包括：
输入，构造成接受相机的具有未校准光电转移函数的相机输出；
第一转换器，构造成接受所述相机输出并生成其等效数值；
第二转换器，构造成接受来自所述第一转换器的一个等效数值并生成输出，所述输出是多个经校准输出之一。
19.如权利要求18所述的测试和测量装置，其中所述多个经校准输出包括按log2函数彼此相关的一组值。
20.如权利要求18所述的测试和测量装置，其中通过以已知的多个光值之一指向所述相机来生成所述相机输出。
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