CN117061878B - 基于ebaps传感器相机自动曝光控制方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于EBAPS传感器相机自动曝光控制方法及存储介质,属于相机自动曝光控制领域,包括:步骤1,根据EBAPS传感器采集到的像素信息计算当前图像的平均亮度值及过曝评价指数并确定总体曝光补偿系数;步骤2,根据总体曝光补偿系数确定各个曝光参数的曝光补偿优先级、以分步调整的方式确定各个曝光参数的分项补偿系数;步骤3,根据各个曝光参数的当前值以及分项补偿系数计算得到曝光补偿后各个曝光参数的修正值并完成对下一帧图像曝光参数的补偿和修正。本发明实现了对EBAPS传感器高压电场的自适应控制,确保不同照度特别是低照度条件下相机的曝光质量,改善了成像效果,特别适用于微光夜视领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种相机自动曝光控制方法,特别是基于EBAPS传感器的相机自动曝光控制方法。
背景技术
针对低照度应用,目前主流的解决方案包括使用低照度CMOS传感器、ICMOS传感器以及电子轰击有源像素传感器(electron bombardment active pixel sensor,EBAPS)等。其中EBAPS传感器与其他方案相比,通过将光电子转换为高能倍增电子的方式,实现对低照度光电图像的倍增,从而增加传感器中光电二极管采集到的电子数目,改善接收信号的强度和信噪比。
与传统的图像传感器相比,EBAPS传感器利用额外的高压电场实现电子倍增,从而提升低照度条件下传感器端原始接收信号的强度和信噪比,且提升效果与所施加的高压电场强度正相关。EBAPS传感器的这项特性使其特别适用于微光夜视领域,但由于其高压电场对原始接收信号强度的正向增益作用,也使得基于EBAPS传感器的视频图像采集设备的曝光参数设置变得更为复杂。
传统的数字化视频图像采集设备主要利用CMOS或者CCD实现对外部图像信息的数字化采集,在原始数据采集过程中,影响曝光质量的参数主要包括曝光时间、传感器的模拟增益以及主控制器在数字信号处理过程中附加的数字增益。但对于基于EBAPS传感器的视频图像采集设备,影响曝光质量的参数除上述三项外,还包括高压电场提供的高压增益部分。
CN114302024A公开了一种电子轰击CMOS成像方法及装置,包括:获取图像灰度值;根据所述图像灰度值选择器件的工作模式,所述工作模式包括昼模式和夜模式;根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。所述电子轰击CMOS成像方法通过自动调节高压电源及曝光时间,实现了高效成像的效果。
CN115988332A公开了一种基于EBAPS的全国产化成像系统及方法,包括EBAPS传感器、模数信号转换模块、FPGA模块、视频输出模块、图像显示模块和系统供电模块,EBAPS传感器根据FPGA模块的采集驱动信号进行数据采集,输出一对差分信号,差分信号经过电阻分压后至模数信号转换模块,模数信号转换模块对信号进行模数转换后输出至FPGA模块,FPGA模块通过帧间噪声抑制算法进行图像处理,输出1280×1024的图像,通过视频输出模块发送至图像显示模块进行图像显示。
但是,有别于传统的视频图像采集设备,在开展基于EBAPS传感器的相机自动曝光算法设计时,亟待解决以下几项问题:(1)根据拍摄环境中的照度等级,设备需自动判断是否需要开启高压电源部分,从而为设备提供电子倍增所需的高压电场;(2)在高压电源开启的情况下,需合理地设置曝光时间、传感器的模拟增益、主控制器在数字信号处理过程中附加的数字增益以及高压增益等四项参数的配置权重、优先级及具体取值,从而保证设备的曝光质量;(3)在高压电源关闭的情况下,需合理地设置曝光时间、传感器的模拟增益以及主控制器在数字信号处理过程中附加的数字增益等三项参数的配置权重、优先级及具体取值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述不足,提供一种基于EBAPS传感器的相机自动曝光控制方法,利用本发明所提出的方法,可根据当前图像的亮度信息自动计算补偿下一帧图像的曝光参数,实现对EBAPS传感器高压电场的自适应控制,确保不同照度条件下,特别是低照度条件下相机的曝光质量,改善成像效果,特别适用于微光夜视领域。
本发明的技术方案为:
一种基于EBAPS传感器的相机自动曝光控制方法,包括:
步骤1,根据EBAPS传感器采集到的像素信息计算当前图像的平均亮度值及过曝评价指数,从而确定总体曝光补偿系数;
步骤2,根据总体曝光补偿系数确定各个曝光参数的曝光补偿优先级,然后以分步调整的方式依次确定各个曝光参数的分项补偿系数;
步骤3,根据各个曝光参数的当前值以及分项补偿系数计算得到曝光补偿后各个曝光参数的修正值,从而完成对下一帧图像曝光参数的补偿和修正。
进一步地,在步骤1中,所述EBAPS传感器采集到的像素信息指利用EBAPS传感器采集到的当前图像有效像素区域内或感兴趣区域内各个像素点的亮度值。
进一步地,在步骤1中,所述过曝评价指数指EBAPS传感器采集到的像素信息中,亮度值超过预设亮度阈值的像素点数量与采集区域内像素点总数量的比值。
进一步地,在步骤1中,所述总体曝光补偿系数定义为C,其确定方式为:根据预设的平均亮度值阈值与计算得到的采集区域内所有像素点的平均亮度值之比,计算得到曝光补偿系数一C1;根据预设的过曝评价指数阈值与计算得到的当前图像的过曝评价指数之比,计算得到曝光补偿系数二C2;取曝光补偿系数一C1和曝光补偿系数二C2两者中的极小值,作为总体曝光补偿系数C的取值。
进一步地,在步骤2中,所述曝光参数包括曝光时间T、CMOS模拟增益AG、高压增益HG以及数字增益DG。
进一步地,在步骤2中,所述曝光补偿优先级指曝光补偿过程中曝光参数调整的优先级顺序,根据总体曝光补偿系数C的取值进行确定,当总体曝光补偿系数C大于曝光补偿上限阈值Cup时,曝光时间T的调整优先级为第一优先级,CMOS模拟增益AG和高压增益HG的调整优先级为第二优先级,数字增益DG的调整优先级为第三优先级;当总体曝光补偿系数C小于曝光补偿下限阈值Cdown时,数字增益DG的调整优先级为第一优先级,CMOS模拟增益AG和高压增益HG的调整优先级为第二优先级,曝光时间T的调整优先级为第三优先级。
进一步地,在步骤2中,所述分项补偿系数由曝光时间补偿系数CT、CMOS模拟增益补偿系数CAG、高压增益补偿系数CHG以及数字增益补偿系数CDG四部分构成,每个分项补偿系数的上限值为对应曝光参数的上限值与当前值之比,每个分项补偿系数的下限值为对应曝光参数的下限值与当前值之比,分项补偿系数与总体曝光补偿系数C满足下述约束关系:
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进一步地,在步骤2中,所述对分项补偿系数的分步调整步骤如下:
(1)保持第二优先级和第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值不变,改变第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值,当总体曝光补偿系数C的取值位于第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值范围内时,直接将第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值设置为总体曝光补偿系数C的取值,将第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1的值设置为1;否则将第一优先级曝光参数的分项补偿系数,设置为最接近总体曝光补偿系数C取值的第一优先级曝光参数的分项补偿系数上限值或下限值,将第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1的值设置为总体曝光补偿系数C与第一优先级曝光参数的分项补偿系数之比;
(2)若第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1的值等于1,将第二、第三优先级曝光参数的分项补偿系数设置为1,结束对分项补偿系数的调整;否则继续执行下一步;
(3)计算第二优先级曝光参数的补偿上限值,即CMOS模拟增益补偿系数CAG上限值和高压增益补偿系数CHG上限值的乘积;计算第二优先级曝光参数的补偿下限值,即CMOS模拟增益补偿系数CAG下限值和高压增益补偿系数CHG下限值的乘积;
(4)当第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1大于等于第二优先级曝光参数的补偿下限值,且小于等于第二优先级曝光参数的补偿上限值时,将第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的值设置为1,同时按照下述公式设置CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG即可:
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其中a为增益分配权重系数常数,取值范围0~1,其具体取值由所使用的EBAPS传感器的模拟电路噪声和电子轰击噪声分布特性决定,通过实验标定的方式进行测定;
(5)若第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1大于第二优先级曝光参数的补偿上限值,将CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG均设置为其上限值,同时计算第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2,即第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1与第二优先级曝光参数的补偿上限值之比;若第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1小于第二优先级曝光参数的补偿下限值,将CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG均设置为其下限值,同时计算第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2,即第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1与第二优先级曝光参数的补偿下限值之比;
(6)若第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的值等于1,将第三优先级曝光参数的分项补偿系数设置为1,结束对分项补偿系数的调整;否则继续执行下一步;
(7)当第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的取值位于第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值范围内时,直接将第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值设置为第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的取值;否则将第三优先级曝光参数的分项补偿系数,设置为最接近第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2取值的第三优先级曝光参数的分项补偿系数上限值或下限值;结束对分项补偿系数的调整。
进一步地,在步骤3中,所述曝光参数的修正值包括曝光时间修正值Tc、CMOS模拟增益修正值AGc、高压增益修正值HGc以及数字增益修正值DGc,其计算公式如下:
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其中TN、AGN、HGN、DGN分别为采集当前图像时使用的曝光时间值、CMOS模拟增益值、高压增益值以及数字增益值。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行以实现本发明所述EBAPS传感器相机自动曝光控制方法的步骤。
本发明的有益效果包括:
本发明的一种基于EBAPS传感器的相机自动曝光控制方法,针对EBAPS传感器的工作特性,实现对各个曝光参数的分优先级阶梯式控制,以满足基于EBAPS传感器的相机自动曝光控制需求,具有以下优点:
(1)与传统相机的自动曝光控制方法相比,融合了EBAPS传感器的高压增益对曝光质量的影响因素,可实现更准确的自动曝光参数设置;
(2)针对CMOS模拟增益和高压增益在不同照度区间内对原始信号信噪比的影响特性,可分别配置不同的权重系数常数,在保证曝光质量的同时降低噪声对信号质量的影响;
(3)本发明所提出的方法可应用于所有基于EBAPS传感器的视频图像采集设备,特别适用于长期工作在低照度条件下的视频图像采集设备。
附图说明
图1是本发明所提供的方法的流程图。
图2是总体曝光补偿系数的确定流程图。
图3是分项补偿系数的分步调整步骤流程图。
具体实施方式
参见图1所示,一种基于EBAPS传感器的相机自动曝光控制方法,包括:
步骤1,根据EBAPS传感器采集到的像素信息计算当前图像的平均亮度值及过曝评价指数,从而确定总体曝光补偿系数;
所述EBAPS传感器采集到的像素信息指利用EBAPS传感器采集到的当前图像有效像素区域内或感兴趣区域内各个像素点的亮度值;
所述过曝评价指数指EBAPS传感器采集到的像素信息中,亮度值超过预设亮度阈值的像素点数量与采集区域内像素点总数量的比值;
参见图2所示,所述总体曝光补偿系数的确定方式为:根据预设的平均亮度值阈值与计算得到的采集区域内所有像素点的平均亮度值之比,计算得到曝光补偿系数一C1;根据预设的过曝评价指数阈值与计算得到的当前图像的过曝评价指数之比,计算得到曝光补偿系数二C2;取曝光补偿系数一C1和曝光补偿系数二C2两者中的极小值,作为总体曝光补偿系数C的取值。
步骤2,根据总体曝光补偿系数确定各个曝光参数的曝光补偿优先级,然后以分步调整的方式依次确定各个曝光参数的分项补偿系数;
所述曝光参数包括曝光时间T、CMOS模拟增益AG、高压增益HG以及数字增益DG。
所述曝光补偿优先级指曝光补偿过程中曝光参数调整的优先级顺序,根据总体曝光补偿系数C的取值进行确定,当总体曝光补偿系数C大于曝光补偿上限阈值Cup时,曝光时间T的调整优先级为第一优先级,CMOS模拟增益AG和高压增益HG的调整优先级为第二优先级,数字增益DG的调整优先级为第三优先级;当总体曝光补偿系数C小于曝光补偿下限阈值Cdown时,数字增益DG的调整优先级为第一优先级,CMOS模拟增益AG和高压增益HG的调整优先级为第二优先级,曝光时间T的调整优先级为第三优先级。
所述分项补偿系数由曝光时间补偿系数CT、CMOS模拟增益补偿系数CAG、高压增益补偿系数CHG以及数字增益补偿系数CDG四部分构成,每个分项补偿系数的上限值为对应曝光参数的上限值与当前值之比,每个分项补偿系数的下限值为对应曝光参数的下限值与当前值之比,分项补偿系数与总体曝光补偿系数C满足下述关系:
,
参见图3所示,所述对分项补偿系数的分步调整步骤如下:
(1)保持第二优先级和第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值不变,改变第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值,当总体曝光补偿系数C的取值位于第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值范围内时,直接将第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值设置为总体曝光补偿系数C的取值,将第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1的值设置为1;否则将第一优先级曝光参数的分项补偿系数,设置为最接近总体曝光补偿系数C取值的第一优先级曝光参数的分项补偿系数上限值或下限值,将第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1的值设置为总体曝光补偿系数C与第一优先级曝光参数的分项补偿系数之比;
(2)若第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1的值等于1,将第二、第三优先级曝光参数的分项补偿系数设置为1,结束对分项补偿系数的调整;否则继续执行下一步;
(3)计算第二优先级曝光参数的补偿上限值,即CMOS模拟增益补偿系数CAG上限值和高压增益补偿系数CHG上限值的乘积;计算第二优先级曝光参数的补偿下限值,即CMOS模拟增益补偿系数CAG下限值和高压增益补偿系数CHG下限值的乘积;
(4)当第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1大于等于第二优先级曝光参数的补偿下限值,且小于等于第二优先级曝光参数的补偿上限值时,将第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的值设置为1,同时按照下述公式设置CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG即可:
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其中a为增益分配权重系数常数,取值范围0~1,其具体取值由所使用的EBAPS传感器的模拟电路噪声和电子轰击噪声分布特性决定,通过实验标定的方式进行测定;
(5)若第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1大于第二优先级曝光参数的补偿上限值,将CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG均设置为其上限值,同时计算第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2,即第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1与第二优先级曝光参数的补偿上限值之比;若第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1小于第二优先级曝光参数的补偿下限值,将CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG均设置为其下限值,同时计算第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2,即第一优先级剩余曝光补偿系数Cs1与第二优先级曝光参数的补偿下限值之比;
(6)若第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的值等于1,将第三优先级曝光参数的分项补偿系数设置为1,结束对分项补偿系数的调整;否则继续执行下一步;
(7)当第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的取值位于第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值范围内时,直接将第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值设置为第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2的取值;否则将第三优先级曝光参数的分项补偿系数,设置为最接近第二优先级剩余曝光补偿系数Cs2取值的第三优先级曝光参数的分项补偿系数上限值或下限值;结束对分项补偿系数的调整。
步骤3,根据各个曝光参数的当前值以及分项补偿系数计算得到曝光补偿后各个曝光参数的修正值,从而完成对下一帧图像曝光参数的补偿和修正;
所述曝光参数的修正值包括曝光时间修正值Tc、CMOS模拟增益修正值AGc、高压增益修正值HGc以及数字增益修正值DGc,其计算公式如下:
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其中TN、AGN、HGN、DGN分别为采集当前图像时使用的曝光时间值、CMOS模拟增益值、高压增益值以及数字增益值。
Claims (6)
1.一种EBAPS传感器相机自动曝光控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,根据EBAPS传感器采集到的像素信息计算当前图像的平均亮度值及过曝评价指数,从而确定总体曝光补偿系数;
步骤2,根据总体曝光补偿系数确定各个曝光参数的曝光补偿优先级,然后以分步调整的方式依次确定各个曝光参数的分项补偿系数;
所述曝光参数包括曝光时间T、CMOS模拟增益AG、高压增益HG以及数字增益DG;
所述曝光补偿优先级指曝光补偿过程中曝光参数调整的优先级顺序,根据总体曝光补偿系数C的取值进行确定,当总体曝光补偿系数C大于曝光补偿上限阈值Cup时,曝光时间T的调整优先级为第一优先级,CMOS模拟增益AG和高压增益HG的调整优先级为第二优先级,数字增益DG的调整优先级为第三优先级;当总体曝光补偿系数C小于曝光补偿下限阈值Cdown时,数字增益DG的调整优先级为第一优先级,CMOS模拟增益AG和高压增益HG的调整优先级为第二优先级,曝光时间T的调整优先级为第三优先级;
所述分项补偿系数包括曝光时间补偿系数CT、CMOS模拟增益补偿系数CAG、高压增益补偿系数CHG以及数字增益补偿系数CDG,每个分项补偿系数的上限值为对应曝光参数的上限值与当前值之比,每个分项补偿系数的下限值为对应曝光参数的下限值与当前值之比,分项补偿系数与总体曝光补偿系数C满足下述约束关系:
C=CT*CAG*CHG*CDG;
对分项补偿系数的分步调整步骤如下:
(1)保持第二优先级和第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值不变,改变第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值,当总体曝光补偿系数C的取值位于第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值范围内时,直接将第一优先级曝光参数的分项补偿系数取值设置为总体曝光补偿系数C的取值,将第一优先级剩余曝光补偿系数C1的值设置为1;否则将第一优先级曝光参数的分项补偿系数,设置为最接近总体曝光补偿系数C取值的第一优先级曝光参数的分项补偿系数上限值或下限值,将第一优先级剩余曝光补偿系数C1的值设置为总体曝光补偿系数C与第一优先级曝光参数的分项补偿系数之比;
(2)若第一优先级剩余曝光补偿系数的值等于1,将第二、第三优先级曝光参数的分项补偿系数设置为1,结束对分项补偿系数的调整;否则继续执行下一步;
(3)计算第二优先级曝光参数的补偿上限值,即CMOS模拟增益补偿系数CAG上限值和高压增益补偿系数CHG上限值的乘积;计算第二优先级曝光参数的补偿下限值,即CMOS模拟增益补偿系数CAG下限值和高压增益补偿系数CHG下限值的乘积;
(4)当第一优先级剩余曝光补偿系数C1大于等于第二优先级曝光参数的补偿下限值,且小于等于第二优先级曝光参数的补偿上限值时,将第二优先级剩余曝光补偿系数C2的值设置为1,同时按照下述公式设置CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG即可:
其中:a为增益分配权重系数常数,取值范围0~1,其具体取值由所使用的EBAPS传感器的模拟电路噪声和电子轰击噪声分布特性决定;
(5)若第一优先级剩余曝光补偿系数C1大于第二优先级曝光参数的补偿上限值,将CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG均设置为其上限值,同时计算第二优先级剩余曝光补偿系数C2,即第一优先级剩余曝光补偿系数与第二优先级曝光参数的补偿上限值之比;若第一优先级剩余曝光补偿系数小于第二优先级曝光参数的补偿下限值,将CMOS模拟增益补偿系数CAG和高压增益补偿系数CHG均设置为其下限值,同时计算第二优先级剩余曝光补偿系数C2,即第一优先级剩余曝光补偿系数与第二优先级曝光参数的补偿下限值之比;
(6)若第二优先级剩余曝光补偿系数C2的值等于1,将第三优先级曝光参数的分项补偿系数设置为1,结束对分项补偿系数的调整;否则继续执行下一步;
当第二优先级剩余曝光补偿系数C2的取值位于第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值范围内时,直接将第三优先级曝光参数的分项补偿系数取值设置为第二优先级剩余曝光补偿系数的取值;否则将第三优先级曝光参数的分项补偿系数,设置为最接近第二优先级剩余曝光补偿系数取值的第三优先级曝光参数的分项补偿系数上限值或下限值;结束对分项补偿系数的调整;
步骤3,根据各个曝光参数的当前值以及分项补偿系数计算得到曝光补偿后各个曝光参数的修正值,从而完成对下一帧图像曝光参数的补偿和修正。
2.根据权利要求1所述的自动曝光控制方法,其特征在于,在步骤1中:
所述EBAPS传感器采集到的像素信息指利用EBAPS传感器采集到的当前图像有效像素区域内或感兴趣区域内各个像素点的亮度值。
3.根据权利要求1所述的自动曝光控制方法,其特征在于,在步骤1中:
所述过曝评价指数指EBAPS传感器采集到的像素信息中,亮度值超过预设亮度阈值的像素点数量与采集区域内像素点总数量的比值。
4.根据权利要求3所述的自动曝光控制方法,其特征在于,在步骤1中,所述总体曝光补偿系数的确定方式为:
(1)根据预设的平均亮度值阈值与计算得到的采集区域内所有像素点的平均亮度值之比,计算得到曝光补偿系数一C1;
(2)根据预设的过曝评价指数阈值与计算得到的当前图像的过曝评价指数之比,计算得到曝光补偿系数二C2;
(3)取曝光补偿系数一C1和曝光补偿系数二C2两者中的极小值,作为总体曝光补偿系数C的取值。
5.根据权利要求1所述的自动曝光控制方法,其特征在于,在步骤3中:
所述曝光参数的修正值包括曝光时间修正值Tc、CMOS模拟增益修正值AGc、高压增益修正值HGc以及数字增益修正值DGc,其计算公式如下:
TC=CT*TN
AGC=CAG*AGN
HGC=CHG*HGN
DGC=CDG*DGN
其中TN、AGN、HGN、DGN分别为采集当前图像时使用的曝光时间值、CMOS模拟增益值、高压增益值以及数字增益值。
6.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行以实现如权利要求书1至5任一项所述EBAPS传感器相机自动曝光控制方法的步骤。
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