CN111973190A - 基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统及方法，包括连接于虚拟现实头戴模块和虚拟现实内容呈现模块的主控模块，所述的主控模块还连接有足底压力数据处理模块和常数数据模块，所述的足底压力数据处理模块连接于足底压力采集模块，且所述的主控模块包括有测量数据分析模块和报告生成模块。本发明通过足底压力采集模块获取重心摇摆参数从而实时评估使用者的平衡状态；通过眩晕程度的量化实现对虚拟现实应用的眩晕分级，便于虚拟现实使用者依据个体差异合理选择所能接受的眩晕程度等级，使使用者可以有更舒适的虚拟现实体验感；为虚拟现实软件和硬件的抗眩晕技术发展提供评价指标。

Description

基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统及方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其是涉及一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统及方法。

背景技术

在体验虚拟现实技术时，使用者的全部视野都被虚拟现实头显所覆盖，此时视觉系统所感受到的东西就不仅仅是视野中的一块屏幕上显示的画面，而是整个视野。在这种情况下，人耳朵里的前庭系统所感受到的运动状态和视觉系统不一致，使用者就会因为不协调而感到眩晕，使用者感到眩晕时，会出现身体失衡、重心发生摇摆、足底压力分布较平衡站姿下发生变化等现象。

眩晕是虚拟现实技术的一个通病，目前随着虚拟现实产业在软硬件及相关技术领域的不断发展，眩晕感始终可以作为一个重要的性能评定指标。因此，量化虚拟现实眩晕程度，有助于评测虚拟现实应用软件，如游戏，教育教学程序等，通过眩晕程度量化结果能够提前给使用者指示出可能发生的眩晕和眩晕程度预警，从而方便使用者对软件程的选择，并做好准备，避免出现不舒适的问题甚至是造成不必要的意外伤害。同时，量化虚拟现实眩晕程度还可作为现有或即将研发的虚拟现实硬件就眩晕程度评测工具。

现行的虚拟现实眩晕相关的发明专利多为降低眩晕感或是粗略检测生理特征变化的方法，较少涉及眩晕程度的测量及分级，如发明专利CN106339084A中主要提出了一种用于虚拟现实设备的控制方法及系统，当虚拟现实设备播放图像信息时，控制单个或多人体检测设备对当前人体的生理特征进行检测并获取信息，当存在任意一个人体检测设备的检测信息出现异常时，调整虚拟现实设备对图像信息的播放设置。主要问题在于，异常信息仅仅是采集并响应，并没有分析与人体具体的异常症状如眩晕，以及异常症状程度如眩晕程度的联系。

总的来说，现有的对虚拟现实眩晕的研究还存在以下问题：现有的各项发明研究主要是从改进相关虚拟现实装置、改进虚拟现实技术和方法等方面入手，期望改善虚拟现实眩晕。但是由于虚拟现实应用主要是面对和针对游戏，教育教学，技术培训等，需要满足特殊情境体验等需求。很多游戏，本身内容就会产生眩晕，如应用内容为“VR过山车”，视觉上使用者处于画面中的状态，在做剧烈的高速运动，但前庭系统却感知并没有在运动，这时就会导致眩晕。同时还有画面与现实世界的差异，景深不同步，画面滞后等问题也会引起眩晕。因此虚拟现实眩晕无法避免。并且当前研究和发明对眩晕程度的测量主要依靠眩晕量表，一般是在体验后，口头或文本作答，主观性强，并不能客观反映在虚拟现实应用环境内的眩晕程度。

可见尽管虚拟现实设备和软件在过去的几十年里都有所进步，但眩晕作为虚拟现实技术的一个通病，这个问题始终没有消失。既然我们避免不了眩晕问题的存在，何不正视眩晕问题，对使用虚拟现实系统的用户进行眩晕程度测量，既能够为用户选择虚拟场景提供参考，又能够为虚拟现实软件功能和体验提升提供一种客观评价方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统；

本发明的另一目的是提供一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，包括连接于虚拟现实头戴模块和虚拟现实内容呈现模块的主控模块，所述的主控模块还连接有足底压力数据处理模块和常数数据模块，所述的足底压力数据处理模块连接于足底压力采集模块，且所述的主控模块包括有测量数据分析模块和报告生成模块。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述的足底压力采集模块包括用于供用户踩踏的测试平台和若干分布在所述测试平台上的压力传感器，所述的压力传感器均连接于所述的足底压力数据处理模块。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述测试平台包括测试底板，所述的压力传感器均匀地分布在所述的测试底板上，且所述的压力传感器上方平铺有硅胶垫。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述的常数数据模块中存储有统计数据，且所述的统计数据包括多个年龄段和/或不同性别的使用者使用虚拟现实设备时候的重心摇摆参数及不同重心摇摆参数范围对应的眩晕程度等级。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述的重心摇摆参数包括重心摇摆轨迹、长度、重心摇摆速度和面积中的任意一种或多种的组合。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述的主控模块中存储有测试平台上压力传感器的分布数据。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述的足底压力数据处理模块用于将采集到的电压信号变换为数字形式的压力信号，并以压力信号与相应压力传感器相对应的方式发送给主控模块。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统中，所述的测量数据分析模块用于求解当前用户的重心摇摆参数，并与常数数据模块中的重心摇摆参数进行比对以判定当前重心摇摆参数所属的眩晕程度等级；

所述的报告生成模块用于生成包含眩晕程度等级判定结果和重心摇摆参数的测量报告。

一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量方法，包括：

A.实时获取用户使用过程中的足底压力分布数据；

B.根据足底压力分布数据获取重心摇摆参数；

C.根据所述的重心摇摆参数和常数数据库分析当前用户的眩晕程度并给出报告。

在上述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量方法中，方法A具体包括：

A1.各压力传感器采集压力电信号并将压力电信号发送给足底压力数据处理模块；

A2.足底压力数据处理模块将压力电信号转换为数字形式的压力信号，并将压力信号与相应的压力传感器以一一对应方式发送给主控模块；

A3.主控模块根据压力传感器的分布数据和接收到的压力信号获取足底压力分布数据；

方法B具体包括：

B1.主控模块根据足底压力分布数据获取重心位置；

B2.根据重心位置的变化情况求解重心摇摆轨迹、长度，重心摇摆速度和面积中的任意一个或多个参数；

方法C具体包括：

C1.提取常数数据库中的眩晕程度等级及各等级对应的重心摇摆参数范围；

C2.确定当前重心摇摆参数所处的重心参数摇摆范围以确定当前用户的眩晕程度并给出报告。

本发明的优点在于：通过足底压力采集模块获取重心摇摆参数从而实时评估使用者的平衡状态；重心摇摆参数可作为量化眩晕程度的客观指标；通过眩晕程度的量化实现对虚拟现实应用的眩晕分级，便于虚拟现实使用者依据个体差异合理选择所能接受的眩晕程度等级，使使用者可以有更舒适的虚拟现实体验感；为虚拟现实软件和硬件的抗眩晕技术发展提供评价指标。

附图说明

图1是本发明基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统的系统结构框图；

图2是本发明足底压力采集模块的结构示意图；

图3是本发明压力传感器在测试平台上的分布示意图一

图4是本发明压力传感器在测试平台上的分布示意图二；

图5是本发明投入使用时的使用示意图；

图6是使用者由于眩晕出现向正左方向倾斜的示意图；

图7是使用者由于眩晕出现向正右方向倾斜的示意图；

图8是使用者由于眩晕出现向正后方向倾斜的示意图；

图9是使用者由于眩晕出现向正前方向倾斜的示意图。

附图标记：主控模块1；测量数据分析模块11；报告生成模块12；虚拟现实头戴模块2；虚拟现实内容呈现模块3；足底压力采集模块4；测试平台41；测试底板411；足底压力感应模块42；压力传感器421；硅胶垫43；足底压力数据处理模块5；常数数据模块6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

在使用虚拟现实应用(软件、硬件)时，由于某些虚拟现实应用软件或硬件本身可能导致使用者眩晕，引发使用者身体重心改变，从而导致其左右脚足底压力的差异。而足底压力可测量，从而能够量化的反映虚拟现实应用程序或硬件导致使用者眩晕的程度，本方案正是基于上述思路通过足底压力量化眩晕程度。具体如图1所示，本实施例公开了一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，包括连接于虚拟现实头戴模块2和虚拟现实内容呈现模块3的主控模块1，其中虚拟现实头戴模块为头戴式的虚拟现实设备，可为标准的虚拟现实设备，也可为某件需要客观评定眩晕程度，按眩晕程度分类并判定分级的待测设备；虚拟现实内容呈现模块3实现沉浸式三维场景呈现，可为某个需要客观评定眩晕程度，按眩晕程度分类并判定分级的待测软件；主控模块1主要用于完成虚拟现实内容呈现的控制，可为台式计算机主机、笔记本计算机、一体机、单片机等。

特别地，本实施例的主控模块1还连接有足底压力数据处理模块5和常数数据模块6，足底压力数据处理模块5连接于足底压力采集模块4，足底压力采集模块4和底压力数据处理模块5由供电模块供电，供电模块为3.3-5V直流电源，具体形式可以为主控模块1中USB端口供电或外接直流电源。

具体地，如图2所示，足底压力采集模块4包括用于供用户踩踏的测试平台41，测试平台41包括测试底板411，在测试底板411上呈行列设置均匀地分布有压力传感器421，分布密度小于或等于每平方厘米一个压力传感器421，如1个/cm²。压力传感器421为薄膜压力式传感器，测试底板411的尺寸为40～50cm×50～60cm，材料为铝合金，厚度约为0.3～1cm。压力传感器421上方平铺有硅胶垫43，用于均匀传递压力，保护压力传感器。受测者站立于足底压力采集模块4上，压力改变薄膜压力传感器421电阻值，进而产生电流或电压变化的电压信号。高密度摆放的压力传感器421能够精确反映足底压力分布情况。采集的电流或电压信号能够精确的反映出人体的重心状态。

进一步地，若干压力传感器421均连接于足底压力数据处理模块5，足底压力数据处理模块5接收各压力传感器的电压信号并转换为数字形式的压力信号。且足底压力数据处理模块5具有与主控模块1相连接的数据接口，该数据接口可以为无线数据接口或有线数据接口以实现与主控模块1之间的有线连接或无线连接。

具体地，主控模块1中存储有测试平台41上压力传感器421的分布数据-即压力传感器421在测试平台41上的分布位置，足底压力数据处理模块5将数字形式的压力信号与相应压力传感器421以一一对应的方式发送给主控模块1。如，编号为11-99的压力传感器以图3所示的排列方式分布在测试平台41上，主控模块1中存储有如图3所示的位置信息(编号为11的压力传感器421位于测试平台41的横1竖1位置，编号为21的压力传感器421位于测试平台41的横2竖1位置……)以存储压力传感器421在测试平台41上的分布数据。

如图4所示，编号为11-99的压力传感器的压力信号分别为A1-A9、B1-B9……I1-I9，足底压力数据处理模块5以A1-11 A2-12A3-13…I9-99这样的形式将压力信号发送给主控模块1，这串数据表示编号为11的压力传感器的压力信号为A1，编号为12的压力传感器的压力信号为A2，以此类推。这样主控模块1便能够根据每个位置的压力传感器421的压力信号情况获取用户足底压力分布数据及重心位置等，进而获得重心摇摆参数。

当然还可以以其他形式将所有压力传感器的压力信号及压力信号与压力传感器的对应关系一并发送给主控模块1，如以类似图4所示的列表形式。具体形式这里不进行限制，只要满足将压力信号与压力传感器以一一对应关系发送给主控模块1以便主控模块1知道每个位置处的压力传感器的压力情况即可。

进一步地，常数数据模块6中存储有统计数据，且统计数据包括多个年龄段和/或不同性别的使用者使用虚拟现实设备时候的重心摇摆参数及不同重心摇摆参数范围对应的眩晕程度等级。重心摇摆参数包括重心摇摆轨迹、长度、重心摇摆速度和面积中的任意一个或多个参数。眩晕程度等级可以划分为无眩晕、轻度眩晕、中度眩晕、重度眩晕等。具体地，主控模块1包括有测量数据分析模块11和报告生成模块12，其中测量数据分析模块11用于对测量结果进行分析以求解当前用户的重心摇摆参数，即根据用户在正常情况下的足底压力分布及重心位置和在使用过程中足底压力分布及重心位置的变化情况分析重心摇摆轨迹、长度、重心摇摆速度和面积等参数，并与常数数据模块6中的重心摇摆参数进行比对以判定当前重心摇摆参数所属的眩晕程度等级；报告生成模块12用于生成包含眩晕程度等级判定结果和重心摇摆参数的测量报告。

具体地，本基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统的眩晕程度测量方法包括：

A.实时获取用户使用过程中的足底压力分布数据；使用过程包括进入虚拟现实场景后的使用过程及未戴上虚拟现实头戴模块2时的准备过程。

B.根据足底压力分布数据获取重心摇摆参数；

C.根据重心摇摆参数和常数数据模块6中的常数数据库分析当前用户的眩晕程度并给出报告。

进一步地，方法A具体包括：

A1.各压力传感器421采集压力电信号并将压力电信号发送给足底压力数据处理模块5；

A2.足底压力数据处理模块5将压力电信号转换为数字形式的压力信号，并将压力信号与相应的压力传感器421以一一对应方式发送给主控模块1；

A3.主控模块1根据压力传感器421的分布数据和接收到的压力信号获取足底压力分布数据；

方法B具体包括：

B1.主控模块1根据足底压力分布数据获取重心位置；

B2.根据重心位置的变化情况求解重心摇摆轨迹、长度，重心摇摆速度和面积中的任意一个或多个参数；

方法C具体包括：

C1.提取常数数据库中的眩晕程度等级及各等级对应的重心摇摆参数范围；

C2.确定当前重心摇摆参数所处的重心参数摇摆范围以确定当前用户的眩晕程度并给出报告。

在投入使用时，虚拟现实眩晕程度测量流程如下：使用者以惯常的平衡直立姿势站立在测试平台41上，按要求佩戴好虚拟现实头戴模块2，虚拟现实头戴模块2连接上主控模块1，保持稳定平衡静立的状态，如图5所示，图5中使用者脚下为足底压力采集模块4，记录该平衡状态下的足底压力分布及重心位置。由测量人员在主控模块1上选择一段使用者要体验的虚拟现实内容。使用者在沉浸于虚拟现实场景中时，由于前庭系统和视觉感官的冲突，可能会慢慢产生眩晕感，并且眩晕程度可能会随体验时间的增加而加深，眩晕感会导致站立的使用者失去平衡，比较平衡状态下的足底压力分布及重心位置，眩晕状态下的足底压力分布发生变化，身体重心发生摇摆。并且根据眩晕的程度轻重不同，相应的使用者身体失衡程度不同，足底压力变化大小不同，重心摇摆数据不同。当然在实际测量中，眩晕引起的足底压力是不断变化的，本实施例将这种变化简化为几种主要的足底压力变化，例如，简化为如下四种主要的足底压力变化或类似的向其他方向倾斜时的足底压力变化：图6为使用者由于眩晕出现向正左方向倾斜，引发足底压力变化，能够测量左脚位置的压力增强，右脚压力减小；图7为使用者由于眩晕出现向正右方向倾斜，引发足底压力变化，足底压力采集模块4能够测量右脚位置的压力增强，左脚压力减小。图8为使用者由于眩晕出现向正后方向倾斜，引发足底压力变化，足底压力采集模块4能够测量双脚后部位置的压力增强，双脚前部压力减小。图9为使用者由于眩晕出现向正前方向倾斜，引发足底压力变化，足底压力采集模块4能够测量双脚前部位置的压力增强，双脚后部压力减小。上述以四种情况为例，在实际使用过程中还可以划分为更多种情况，如划分为重心在前脚掌，后脚掌，左脚掌，右脚掌，左前脚掌，左后脚掌，右前脚掌，右后脚掌八种情况，甚至更多种情况。通过在某个虚拟现实应用场景下，连续测试足底压力变化并与常模数据库对比，从而可将通过足底压力测量得到的重心摇摆参数数据划分为多个等级，从轻到重对应眩晕程度的四个等级—无眩晕、轻度眩晕、中度眩晕、重度眩晕程度，为该虚拟现实应用软件评定一个可能引发眩晕程度的客观指标。

下面以重心摇摆参数为重心摇摆长度时对眩晕程度等级划分进行举例说明：

记录下初始足底压力状态下的足长及重心点，以该重心点作为中心，足底压力平面为坐标面，建立坐标系，以重心点指向足趾的方向为Y轴正向，以重心点指向右脚的方向为X轴正向。再将后续待测状态下的重心点的坐标记录下来，并得到Y轴方向的重心偏移距离和X轴方向的重心偏移距离，计算Y轴方向上重心偏移距离在足长上的占比，这里简称偏移占比，图6-图9中的虚线箭头分别表示相应状态下的重心偏移方向。各眩晕程度对应的参数值范围可按照如下划分：无眩晕，Y轴偏移(-0.025，0.1)且X轴偏移(-0.01，0.01)；轻度眩晕，X轴偏移(-0.02,-0.01]或[0.01,0.02)，或偏移占比[0.1,0.4)；中度眩晕，X轴偏移(-0.05,-0.02]或[0.02,0.05)，或偏移占比[0.4,0.6)；重度眩晕，X轴偏移绝对值大于或等于0.05，或偏移占比[0.6,0.8]。在实际运用中，本领域技术人员可将划分眩晕程度的偏移量范围根据情况调整。

本方案正视眩晕的存在，利用眩晕引发的身体重心改变，以个体足底压力变化量作为测量指标，进行重心摇摆参数的采集，可作为量化眩晕程度的参数，进行眩晕程度的等级划分，既可以为现有的虚拟现实应用软件和硬件提供一个眩晕程度指标，如通过一个或多个健康用户(正常眩晕)使用不会或轻微导致眩晕的硬件设备感受场景A，获取重心摇摆参数，然后根据重心摇摆参数的结果判定对该用户来说该场景A所属的眩晕程度等级，在后续该场景A投入市场时能够为用户人群指示出可能导致眩晕的程度。还可以同时记录相应用户的性别年龄，可用来评估场景A是否适合该年龄段该性别的人群。因为虚拟现实作为一种新的视听觉感知技术手段必将走进人类的生活，且在逐步增加使用次数后，脑功能会逐渐从中学习，并适应，从而缓解甚至消除虚拟现实眩晕，对于虚拟现实的入门级使用者首先入手没有眩晕或可能引起较小眩晕感的应用软件和硬件设备能够很好的帮助他们适应并学习掌握虚拟现实这中新视听觉感知技术，所以又能够便于虚拟现实使用者依据个体差异合理选择所能接受的眩晕程度等级。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了主控模块1；测量数据分析模块11；报告生成模块12；虚拟现实头戴模块2；虚拟现实内容呈现模块3；足底压力采集模块4；测试平台41；测试底板411；足底压力感应模块42；压力传感器421；硅胶垫43；足底压力数据处理模块5；常数数据模块6等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，包括连接于虚拟现实头戴模块(2)和虚拟现实内容呈现模块(3)的主控模块(1)，其特征在于，所述的主控模块(1)还连接有足底压力数据处理模块(5)和常数数据模块(6)，所述的足底压力数据处理模块(5)连接于足底压力采集模块(4)，且所述的主控模块(1)包括有测量数据分析模块(11)和报告生成模块(12)。

2.根据权利要求1所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，其特征在于，所述的足底压力采集模块(4)包括用于供用户踩踏的测试平台(41)和若干分布在所述测试平台(41)上的压力传感器(421)，所述的压力传感器(421)均连接于所述的足底压力数据处理模块(5)。

3.根据权利要求2所述的具有足底压力检测模块的虚拟现实设备，其特征在于，所述测试平台(41)包括测试底板(411)，所述的压力传感器(421)均匀地分布在所述的测试底板(411)上，且所述的压力传感器(421)上方平铺有硅胶垫(43)。

4.根据权利要求1所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，其特征在于，所述的常数数据模块(6)中存储有统计数据，且所述的统计数据包括多个年龄段和/或不同性别的使用者使用虚拟现实设备时候的重心摇摆参数及不同重心摇摆参数范围对应的眩晕程度等级。

5.根据权利要求4所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，其特征在于，所述的重心摇摆参数包括重心摇摆轨迹、长度、重心摇摆速度和面积中的任意一种或多种的组合。

6.根据权利要求5所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，其特征在于，所述的主控模块(1)中存储有测试平台(41)上压力传感器(421)的分布数据。

7.根据权利要求6所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，其特征在于，所述的足底压力数据处理模块(5)用于将采集到的电压信号变换为数字形式的压力信号，并以压力信号与相应压力传感器(421)相对应的方式发送给主控模块(1)。

8.根据权利要求7所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统，其特征在于，所述的测量数据分析模块(11)用于求解当前用户的重心摇摆参数，并与常数数据模块(6)中的重心摇摆参数进行比对以判定当前重心摇摆参数所属的眩晕程度等级；

所述的报告生成模块(12)用于生成包含眩晕程度等级判定结果和重心摇摆参数的测量报告。

9.一种基于权利要求1-8任意一项所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量系统的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量方法，其特征在于，包括：

A.实时获取用户使用过程中的足底压力分布数据；

B.根据足底压力分布数据获取重心摇摆参数；

C.根据所述的重心摇摆参数和常数数据库分析当前用户的眩晕程度并给出报告。

10.根据权利要求你9所述的基于足底压力测量的虚拟现实眩晕程度测量方法，其特征在于，方法A具体包括：

A1.各压力传感器(421)采集压力电信号并将压力电信号发送给足底压力数据处理模块(5)；

A2.足底压力数据处理模块(5)将压力电信号转换为数字形式的压力信号，并将压力信号与相应的压力传感器(421)以一一对应方式发送给主控模块(1)；

A3.主控模块(1)根据压力传感器(421)的分布数据和接收到的压力信号获取足底压力分布数据；

方法B具体包括：

B1.主控模块(1)根据足底压力分布数据获取重心位置；

B2.根据重心位置的变化情况求解重心摇摆轨迹、长度，重心摇摆速度和面积中的任意一个或多个参数；

方法C具体包括：

C1.提取常数数据库中的眩晕程度等级及各等级对应的重心摇摆参数范围；

C2.确定当前重心摇摆参数所处的重心参数摇摆范围以确定当前用户的眩晕程度并给出报告。

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