CN101449316A - 驱动图像显示设备的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种驱动图像显示装置(110)的方法，所述图像显示装置(110)包括至少一个背光灯(111)和显示屏幕(112)。所述方法包括步骤：接收图像数据信号(D)；在所述图像数据信号(D)的基础上，计算所述背光灯(111)的内容相关的背光控制信号(SCL(D))以便设置所述背光强度；生成表示由所述背光灯(111)消耗的功率的时间平均的平均信号(SAV)；将所述平均信号(SAV)与参考信号(SREF)进行比较；在所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))的基础上，考虑所述比较的结果，生成所述背光灯(111)的实际背光控制信号(SCL(A))。

Description

驱动图像显示设备的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及驱动诸如电视机、监视器等中的图像显示设备的方法和装置。
一般地，本发明可用于几种类型具有背光的图像显示设备。在下文中，将本发明描述成用于LCD类型的图像显示装置，但是要注意地是，并不是意图将本发明限制为LCD图像显示装置。
背景技术
在图像显示装置中，图像包括大量图像点，每个点具有具体的灰度值或颜色及具体的亮度。在特定种类的图像显示装置中，观看者观看后面布置有光源、即所谓背光的显示屏幕。显示屏幕包括多个可被控制来通过光或阻挡光的像素。在一个具体实施例中，像素实现为液晶单元(cell)。控制器接收带有图像数据的视频信号，并在这些图像数据的基础上生成用于液晶单元的控制信号。在下文中，用于像素单元的控制信号将被表示为SCP，并且假设它具有最小值0和最大值1。
图像数据的范围可以从纯黑色到纯白色。图像数据由控制器转化成用于控制信号SCP的某个值。在纯黑色的情况下，将假设在视频信号中的亮度数据具有最小值0。注意的是，响应于接收控制信号SCP＝0，像素单元应当阻挡所有来自背光的光。但是在实践中，像素单元将总是在某种程度上会“泄露”。在纯白色的情况下，将假设在视频信号中的亮度数据具有最大值1。注意的是，响应于接收控制信号SCP＝1，像素单元应当通过所有来自背光的光。但是在实践中，像素单元将总是在某种程度上会反射和/或吸收。所以，一般说来，表示为H的像素单元的透射率的范围从最小值α到最大值β，其中0<α<β<1。
在实际的图像中，最暗部分可以比黑色亮而最亮部分可以是比白色暗。因此，图像的所有像素的透射率将在从α*到β*的范围内，其中α<α*<β*<β。值α*和β*确定了图像的对比度：高对比度值意味着α*和β*之间的距离是尽可能大的。
除了传输率H的实际值，观看者所观看到的，从像素发出的光的光量IP取决于背光的亮度，即由背光发出的光的强度IBL。这可表示为下列公式：
IP＝H·IBL               (1)
因此，利用背光强度IBL的某个设置，像素的亮度IP的范围就可从α·IBL到β·IBL。
在某些情况下，可期望增加光输出。例如这可以是如果环境光的水平相对高的情况。增加光输出可通过改变范围[α*，β*]到更高值或至少通过改变该范围中的上限β*到更高值来进行。
另一方面，在某些其他情况下，可期望降低光输出。例如这可以是如果环境光的水平相对低的情况。降低光输出可通过改变范围[α*，β*]到更低值或至少通过改变该范围中的下限α*到更低值来进行。
然而，增加或降低光输出也可通过增加或降低背光强度IBL而获得。
从公式1可看出，可以为背光亮度IBL的不同设置实现相同的像素亮度IP。如果背光亮度IBL乘以某个系数X，而同时像素单元的传输率H除以相同系数X，则最终结果(X·IBL)·(H/X)＝IP。这一事实用于背光亮度增强(boosting)和背光亮度调暗(dimming)。
在背光亮度增强的情况下，增加背光强度IBL。这可用于增强图像的白色部分。通过增加背光强度IBL，这些部分向观看者显示为“更好的白色”。在图像的灰色部分，可通过同时减少用于像素单元的控制信号SCP而维持灰度值，以使得像素单元通过更少的光。
在背光亮度调暗的情况下，降低背光亮度IBL。这可用于增强图像的黑色部分。通过降低背光强度IBL，这些部分向观看者显示为“更好的黑色”。在图像的灰色部分，可通过同时增加用于像素单元的控制信号SCP而维持灰度值，以使得像素单元通过更多的光。
通过交替进行背光亮度增强和背光亮度调暗，可以增强显示装置的总的对比度，并可节约能源。
图像显示装置为背光光源的某个额定设置进行设计。在该额定设置中，背光光源消耗某个量的功率，并随之生成某个量的热；该图像显示装置设计成处理该热量。应当清楚的是，改变屏幕像素透射率的对比度范围[α*，β*]不改变背光的功耗。当采用背光亮度调暗时，节约了能量，但当采用背光亮度增强时，背光光源产生比图像显示装置设计处理更多的热。如果该情况持续很长时间的话，设备可变得过热。
这个问题可通过采用额外的冷却装置而缓解，但这将增加硬件成本及设备的能源帐单。
发明内容
本发明提出了一种采用背光亮度调暗和背光亮度增强来驱动图像显示装置的方法，以使得平均说来，由背光消耗的功率不超过预定功率额定值。在较暗的场景中，调暗背光而增加显示控制信号。在非常亮的场景中，可临时增强背光。
预定功率设置可等于额定功率设置；在这种情况下，实现较亮的图像。但是，预定功率设置也可低于额定功率设置；在这种情况下，实现显示设备的总的功率节省。
背光亮度调暗节省能量，但背光亮度增强耗费了更多的能量。为了不超过预定平均值，只有当前面是一段时间的背光亮度调暗时才可执行背光亮度增强。这也可以说成是背光亮度调暗提供了执行背光亮度增强可消耗的能量储备。但是，这种储备是有限的。本发明提供了通过有效方式使用该能源储备的背光亮度增强的方法，并且当能源储备耗尽时，通过有效方式降低超出的能耗。
附图说明
本发明的这些和其他方面、特性和优点，将通过下列参考附图的说明来进一步解释，其中相同参考号表示相同或相似部分，其中：
图1示意性地显示了像素的透射特性；
图2示意性地显示了背光亮度调暗；
图3是示意性地显示了显示设备的框图；
图4是类似于图2的图示，其也包括设备特性；
图5A-E是显示了图3的设备中的控制器的背光亮度调暗特性的图示。
具体实施例
图1是示意性地显示了像素(如LCD单元)的透射特性的图示。横轴表示控制信号SCP，其范围从用于最小透射的0到用于最大透射的1。纵轴表示像素的透射率H，范围从用于完全阻挡的0到用于100％透射的1。线1示出了对于控制信号SCP＝0，透射率H(0)＝α>0，这指示了像素的最小透射总是多少要大于零。进一步地，线1示出了对于控制信号SCP＝1，透射率H(1)＝β<1，这指示了像素的最大透射总是少于100％。特性线1显示为直线，但这不是必须的。
图2是示意性地显示了背光亮度调暗的图示。向下的纵轴表示控制信号SCP，而横轴表示像素的透射率H，因此该坐标图的象限IV对应于图1中的图。向上的纵轴表示发自像素的光量IP，也指示了像素强度(在额定背光强度上标准化)。假设像素强度IP遵守上述公式(1)。因此，在表示为线2的某个额定背光强度IBL处，如果像素控制信号SCP具有某个值S1，则像素的透射率H就具有某个值H1而像素强度IP具有某个值IP(x)。如果降低背光强度(表示为线3)而将像素控制信号SCP适当地增加到增加值S2，则实现相同的值IP(x)，在该情况下像素的透射率H具有增加值H2。
在图2中，可以看出的是，如果保持像素控制信号SCP，则降低背光强度导致像素强度IP的降低，这可特别用于增强＂黑色＂表现。假设一个暗的场景，其与像素控制信号SCP的某个低值S4相关联。具有额定背光强度IBL(线2)时，像素强度IP具有相对高的值IP(4)。具有降低的背光强度IBL(线5)时，像素强度IP具有基本上较低的值IP(5)。
相反地，当保持像素控制信号SCP时，背光亮度增强导致了更高的像素强度IP，这可用于增强＂白色＂表现。假设一个亮的场景，其与像素控制信号SCP的某个高值S6关联。在具有额定背光强度IBL(线2)时，像素强度IP具有相对低的值IP(6)。在具有增加的背光强度IBL(线7)时，像素强度IP具有基本上更高的值IP(7)。
要注意的是，背光亮度增强和背光亮度调暗本身是已知的。背光亮度调暗例如可以通过驱动工作周期小于1的背光灯而执行。如果背光灯的额定功率设置对应于小于1的工作周期，则可以例如简单地实现背光亮度增强：在这种情况下，可增加工作周期。如果，为了在移动图像的情况下提高显示性能，通常以30％的工作周期驱动背光灯，这可得到超过300％的亮度增强系数。
图3是示意性地说明显示设备100的框图，显示设备包括显示装置110和控制器120。显示装置110包括至少一个背光灯111和显示屏幕112。要注意的是，带有背光的显示装置本身是已知的。背光灯例如可实现为荧光管阵列或LED阵列。显示屏幕例如可实现为LCD单元阵列或任何其他种类的光阀。
控制器120具有耦合到背光111的光控制输出121，用于将灯控制信号SCL传递到背光111，并具有耦合到显示屏幕112的像素控制输出122，用于将像素控制信号SCP传递到显示屏幕112。控制器120具有用于接收图像数据D(视频信号)的图像输入123，并具有用于接收用户控制信号U的用户控制输入124。利用灯控制信号SCL，控制器120控制背光111的功率设置；注意的是背光111的强度或亮度与灯功率成良好近似的正比。
图4是类似于图2的图示，但是增加了表示图像数据D的左侧横轴，其中D＝0表示全黑色而D＝1表示全白色。线8表示亮度和对比度的设置。如果场景相对地暗，则其像素数据将具有相对接近零的值(范围A)，在额定背光强度IBL(线2)下，这导致了相对低水平的像素强度(范围B)。在这种情况下，控制器120可减低其灯控制信号SCL(线2′)并同时增加其像素控制信号SCP(线8′)以保持图像亮度的同时实现功耗的降低。应当清楚的是，这种方式的背光亮度调暗只有在相对暗的场景的情况下才是可能的，所以这取决于图像内容。
另一方面，如果场景相对亮的话，控制器120将尝试通过增加其灯控制信号SCL(线2＂)而增加背光亮度，这导致了具有更高像素强度的更宽区域(范围C)。如上面提到的，然后该问题可以是背光的平均功率变得太高。
通过本发明提出的这个问题的解决方案描述如下。
根据本发明的第一方面，控制器120设置背光亮度的最大值，即背光功率的最大值。这个将表示为IBL(max)的最大值对应于要在光控制输出121处输出的灯控制信号SCL的最大值SCL(max)。这在图5中示出了，该图说明了控制器特征的图示。横轴表示由控制器120在数据信号D和用户设置U本身的内容的基础上计算的灯控制信号SCL(D)。要注意的是，用户设置U可认为是常数，但是数据信号D的内容动态地随时间而变化。纵轴表示实际输出的灯控制信号SCL(A)。图5中的图显示了表示关系式SCL(A)＝ξ·SCL(D)的直线51，其中ξ是系数，通过优选例子，该系数在下文中将设为等于1。图5的图进一步显示了表示限定值SCL(max)的水平线52。曲线53说明了控制器120的行为。对于所计算的控制信号SCL(D)的相对低值，控制器120将其输出灯控制信号SCL(A)设置为等于在数据内容本身的基础上计算的灯控制信号SCL(D)：在这个区域I中，曲线53跟随线51。
如果所计算的控制信号SCL(D)超过最大值SCL(max)，则控制器120就将其输出灯控制信号SCL(A)设置为等于最大值SCL(max)；在这个区域III，曲线53跟随线52。
曲线53可以跟随线51和52直至这些线相交为止，以实现＂硬＂限制。但是优选的是该限制是更软的，这如在过度区域II中的曲线53的过度部分所示。曲线53在SCL(D)＝0和由点P表示的SCL(D)＝SCL(1)之间跟随线51，其中SCL(1)是低于最大值SCL(max)的第一过度值。对于由点Q表示的SCL(D)≥SCL(2)，曲线53跟随线52，其中SCL(2)是高于最大值SCL(max)的第二过度值。在SCL(1)和SCL(2)之间，曲线53跟随连接点P和Q的路径。这样，描述SCL(A)和SCL(D)之间关系的函数是连续函数。这种路径本身可以是直线。优选地，如图所示，这种路径是曲线路径，其中在点P和Q，末端部分分别具有与线51和52相同的方向。该曲线路径的精确形状不是必须的，但是优选的是它是光滑形状。优选地，在SCL(1)和SCL(2)之间描述SCL(A)和SCL(D)之间关系的函数具有总是负的二次导数。
过渡点P和Q可通过几种方式从最大值SCL(max)计算出来。过渡值可根据以下计算出：
SCL(1)＝SCL(max)-Δ1以及SCL(2)＝SCL(max)+Δ2
Δ1可等于Δ2。
过渡值还可以根据以下计算出：
SCL(1)＝SCL(max)/α1以及SCL(2)＝SCL(max)·α2
α1可等于α2。
根据本发明的第二方面，控制器120具有包括功率计算器131和平均计算器132的反馈回路130。功率计算器131具有接收由控制器120输出的实际灯控制信号SCL(A)的输入，并被设计成计算与由背光111消耗的功率成正比的值。可选地，有可能实际测量背光111的功耗，但这更复杂。平均计算器132计算如由功率计算器131计算的功率表示的值的时间平均，并在其功率平均输入126处将作为平均信号SAV的结果提供给控制器120。平均计算器132的时间常数可与显示装置110的预热和冷却特性有关的设置；一般地，平均计算器132可计算在几分钟量级的时间周期上的平均。
在一个相对简单的实施例中，背光111消耗的功率与灯控制信号SCL(A)成正比；在那种情况下，可省略单独的功率计算器，且平均计算器132可简单地计算灯控制信号SCL(A)的时间平均。要注意的是，用于计算时间平均的电路或软件本身是已知的。
根据本发明的第三方面，控制器120将平均信号SAV与在参考输入125处接收的预定参考值SREF进行比较。参考值SREF可存储在与控制器相关联的存储器(未图示)中。控制器120设置与差值(SREF-SAV)成正比的最大值SCL(max)：如果平均信号SAV变得更小，最大值SCL(max)就增加。最后，最大值SCL(max)可高于背光设置的实际范围。如果平均信号SAV升高了，控制器120就降低最大值SCL(max)。
这在图5A-E中以放大方式示出。
图5A说明了在某个时间t1的情况。图中指示出了参考值SREF的假定值。假设在这种情况下，平均信号SAV(t1)显著低于参考值SREF，这意味着在新近历史中，功耗相对地低，即为背光亮度调暗的新近历史。进一步假设所计算的灯控制信号SCL(D)具有某个相对低值SCL(D，t1)，而且实际输出的控制信号SCL(A)具有接近平均值SAV(t1)的某个值SCL(A，t1)。因为平均值SAV(t1)目前显著低于参考值SREF，那么最大值SCL(max)为高。
图5B显示了在稍后的时间t2的情况。假设一个亮的场景，以使得所计算的灯控制信号SCL(D)具有某个相对高值SCL(D，t2)，但是(在该例子中)低于第一过渡值SCL(1)。相应的实际输出的控制信号SCL(A，t2)高于SCL(A，t1)，并更高于SREF：背光被增强了。
因为实际输出的控制信号SCL(A，t2)高于SAV(t2)，平均SAV在增加(箭头X1)，并因此最大值SCL(max)在降低(箭头X2)。图5C显示了稍后的时间t3的情况。假设在时间t3所计算的灯控制信号SCL(D，t3)等于SCL(D，t2)。图5C说明了在时间t3的平均值SAV(t3)相对于SAV(t2)已经增加了，但仍然低于参考值SREF。降低的最大值SCL(max，t3)由低于线52(图6中的虚线所示)的水平线56表示，结果得到的控制器特征由曲线57表示。要注意的是，随着降低的最大值SCL(max)，第一和第二过渡值SCL(1)和SCL(2)也降低了。在图5C中，所计算的灯控制信号SCL(D，t3)仍然低于第一过渡值SCL(1)，所以SCL(A，t3)等于SCL(A，t2)。
因为实际输出的控制信号SCL(A)仍然高于SAV，平均SAV仍然在增加(箭头X3)，且因此最大值SCL(max)仍然在降低(箭头X4)。图5D显示了在进一步的稍后时间t4的情况。在时间t4的平均值SAV(t4)相对于SAV(t3)已经增加了，但仍然低于参考值SREF。降低的最大值SCL(max，t4)由水平线58表示，而结果得到的控制器特征由曲线59表示。假设在时间t4所计算的灯控制信号SCL(D，t4)仍然等于SCL(D，t2)。第一过渡值SCL(1)现在低于所计算的灯控制信号SCL(D，t4)，而因此实际输出的控制信号SCL(A，t4)低于SCL(A，t3)。
虽然实际输出的控制信号SCL(A，t4)相对于SCL(A，t3)减少了，但仍然高于SAV，所以平均SAV仍然在增加(箭头X5)，而因此最大值SCL(max)仍然在降低(箭头X6)。应该清楚的是，随着降低的最大值SCL(max)，实际输出的控制信号SCL(A，t4)也在降低，以致平均SAV的增加率在降低了。
图5E显示了当实际输出的控制信号SCL(A)等于平均SAV时达到稳定状态。当稳定状态发生时，平均SAV将接近但低于SREF。这样，平均起来，由背光的消耗的功率就不超过与SREF相对应的预定功率标定。
预定参考值SREF可以是设计参数，或可由用户设置的参数。在一个实施例中，预定参考值SREF可等于背光的原始额定设计功率，并表示为100％。但是，在另一个实施例中，预定参考值SREF可被设置为更低的值，例如70％。在那种情况下，偶然的背光亮度增强到值100％或更高可与降低总功耗的保证相结合。当然，背光亮度增强的量，就百分比或时间段而言，取决于暗场景的历史以及参考值SREF的设置，这是本领域技术人员应当清楚的。
当达到上述稳定状态时，即当实际输出的控制信号SCL(A)等于平均SAV时，背光亮度增强不再可能。可以说，能量储备耗尽了。只有当进一步的暗场景出现时，如先前所述调暗背光，以使得降低平均功耗。同时，增加最大值SCL(max)，而背光亮度增强又变得可能。在要求背光亮度增强的时刻在新近时间段上消耗的平均功率越低，背光强度就可以增加得越多，或增加的强度可维持越长的时间。
通过降低最大值SCL(max)，而不是仅仅减少实际的背光强度，结果是最亮场景的增强首先被限制，而次亮的场景可增强更久。
对于本领域技术人员来说，应该清楚的是，本发明不限于上面讨论的示例性实施例，而是在如附后的权利要求中定义的本发明保护范围内可以有几种变化和修改。例如，在图3中，反馈回路130显示为在控制器120的外部，但是反馈回路130可可选地是控制器120的集成部分。
要注意的是，可以预定时间间隔，例如每秒钟60次或连续地修改最大值SCL(max)。
上面提到过了控制器120设置与差值(SREF-SAV)成正比的最大值SCL(max)。描述SCL(max)和差值(SREF-SAV)之间关系的函数可以是线性的一阶函数。但是，该函数也可包括二阶或更高阶项。该函数也可具有不等于零的零阶项。
在上面，本发明已经参考说明根据本发明的装置的功能块的框图进行了阐述。应该理解的是，这些功能块中的一个或多个可以硬件实现，其中这种功能块的功能由各硬件部件执行，但也有可能的是这些功能块中的一个或多个以软件实现，以便这种功能块的功能由计算机程序和诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等之类的可编程装置的一个或多个程序行执行。

Claims (14)

1、一种驱动图像显示装置(110)的方法，所述图像显示装置(110)包括至少一个背光灯(111)和显示屏幕(112)，所述方法包括步骤：
接收图像数据信号(D)；
在所述图像数据信号(D)的基础上，计算用于所述背光灯(111)的内容相关的背光控制信号(SCL(D))，以便设置背光强度；
生成表示由所述背光灯(111)消耗的功率的时间平均的平均信号(SAV)；
将所述平均信号(SAV)与参考信号(SREF)进行比较；
在所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))的基础上，考虑所述比较的结果，生成所述背光灯(111)的实际背光控制信号(SCL(A))。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述图像数据信号(D)表示暗的场景，就调暗所述背光，而如果所述图像数据信号(D)表示亮的场景，就增强所述背光；
其中限制所述增强量以使得由所述背光灯(111)消耗的功率的所述时间平均不超过预定水平。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述生成实际背光控制信号(SCL(A))的步骤包括步骤：
设置所述背光控制信号(SCL(A))的最大值(SCL(max))；
定义第一过渡值(SCL(1))和高于或等于所述第一过渡值(SCL(1))的第二过渡值(SCL(2))；
如果所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))小于所述第一过渡值(SCL(1))，则生成等于ξ乘以所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))的背光控制信号(SCL(A))，其中ξ是预定系数；
如果所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))大于所述第二过渡值(SCL(2))，则生成等于所述最大值(SCL(max))的背光控制信号(SCL(A))；
如果所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))在所述第一过渡值(SCL(1))和所述第二过渡值(SCL(2))之间，则生成具有低于ξ乘以所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))并低于所述最大值(SCL(max))的值的背光控制信号(SCL(A))。
4、根据权利要求3所述的方法，其中ξ等于1。
5、根据权利要求3所述的方法，其中，在所述第一过渡值(SCL(1))和所述第二过渡值(SCL(2))之间，描述所生成的背光控制信号(SCL(A))和所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))之间的关系的函数具有总是为负的二次导数。
6、根据权利要求3所述的方法，其中描述所生成的背光控制信号(SCL(A))和所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))之间的关系的函数是连续函数。
7、根据权利要求3所述的方法，其中描述所生成的背光控制信号(SCL(A))和所计算的内容相关的背光控制信号(SCL(D))之间的关系的函数可以被连续微分。
8、根据权利要求3所述的方法，其中，如果所述平均信号(SAV)高于所述参考信号(SREF)，就降低所述最大值(SCL(max))。
9、根据权利要求3所述的方法，其中，如果所述平均信号(SAV)低于所述参考信号(SREF)，就增加所述最大值(SCL(max))。
10、根据权利要求3所述的方法，其中所述最大值SCL(max)与差值(SREF-SAV)成正比。
11、根据权利要求1所述的方法，其中，在某一时间(t1)，所述平均信号(SAV)表示在就在所述时间(t1)之前、具有预定时长的时间段上由所述背光灯(111)实际消耗的功率的平均值。
12、根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：
在所述图像数据信号(D)的基础上，生成用于所述显示屏幕(112)的屏幕控制信号(SCP)；
如果图像的所述屏幕控制信号(SCP)在低于最大可能值的范围内，就增加所述屏幕控制信号(SCP)，同时降低所计算的背光控制信号(SCL(D))。
13、一种显示设备(100)，包括图像显示装置(110)，所述图像显示装置(110)包括有至少一个背光灯(111)和显示屏幕(112)，该显示设备包括控制器(120)，该控制器具有：
光输出(121)，与用于提供背光控制信号(SCL(A))的所述背光灯(111)相耦合，
像素控制输出(122)，与用于提供像素控制信号(SCP)的所述显示屏幕(112)相耦合；
图像输入(123)，用于接收图像数据信号(D)，
参考输入(125)，用于接收参考值(SREF)，
功率平均输入(126)，用于接收平均信号(SAV)；
所述设备进一步包括装置(131，132)，用于计算表示所述背光(111)功耗的时间平均的信号(SAV)，所述装置(131，132)与控制器(120)的所述功率平均输入(126)相耦合；
其中所述控制器设计成执行权利要求1-12中的任何一项的方法。
14、根据权利要求13所述的设备，其中所述用于计算所述功率平均信号(SAV)的装置(131，132)并入在反馈回路(130)中，该反馈回路(130)的输入耦合至所述控制器(120)的光输出(121)。
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