CN101483789A - 宽色域hdtv数字电视系统测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字电视技术、高清晰度电视技术，具体讲是涉及宽色域HDTV数字电视系统测试方法。为宽色域HDTV系统算法性能评价、宽色域HDTV数字电视产品及系统质量测量提供实用化测试手段，本发明采用的技术方案是，根据亮度、色差信号信号的量化方程，确定信号取值范围，确定可传输范围与量化级值间的关系表，利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、色差信号等于零以及相加混色原理，并根据HDTV的编码方程计算得到传输信号取值得到数据文件，将数据文件写入存储器，再按电视系统的扫描标准将它们读出，并转换成物理信号，对宽色域HDTV系统进行测试。本发明主要应用于HDTV数字电视系统测试。

Description

宽色域HDTV数字电视系统测试方法

技术领域

本发明涉及数字电视技术、高清晰度电视技术，具体讲是涉及宽色域HDTV数字电视系统测试方法。

背景技术

随着现代科技和工业的迅速发展，近年来多种新型显示器件和显示技术不断涌现，除传统的阴极射线管(CRT)外，液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、数字光学处理器(DLP)、硅基液晶显示器(LCoS)、发光二极管背光源液晶显示器(LED-LCD)等多种新型显示器件已实用化或已研制成功。在显示方式方面，除直视型外，前投影、背投影和激光投影显示等也已投入实用。这些新型高端显示器件和显示方式基于不同原理，采用不同材料、器件和技术，彩色还原能力在增强，性能在提高，一些“未来型”显示器还将涌现。另一方面消费市场对显示效果也有了越来越高的要求，仅仅提高清晰度已不能满足人们对真实再现场景的要求，彩色还原能力也在成为衡量显示器显示效果的重要指标。

目前通用的电视系统仍基于早年科技成果，按CRT特性选定系统参数，与当代摄像、显像技术的进步、数字电视正在取代模拟电视、HDTV开播、计算机和数字信号处理技术深入电视领域等不再适应，特别是限制了自然界存在、人工能合成或计算机能产生，而又能被视觉感知、因而电视系统应传输和重现的色域宽度，使目前的色域覆盖率不足视觉能感受色域范围的40％。鉴于此，构建宽色域电视系统的原理、宽色域电视信号的传输和重现方式等，已成为目前国际学术界和产业界的热点问题，宽色域电视技术对于下一代数字电视编码、传输和显示会有重大影响。

由于要求宽色域HDTV系统不再局限于由CRT基色三角形限定的色域，使得需传输的信号幅度范围、变换和编码方法以及重显处理等，均有别于通常的常规色域电视系统。相应的常规色域电视测试信号也无法满足测试宽色域HDTV系统的要求。

现行通用的常规色域与人眼可见色域相距甚远，宽色域数字电视系统是继HDTV之后，数字电视系统追求的另一目标。目前宽色域摄像和显像产品开发已取得长足进展，性能在不断改善，这极大地促进了宽色域电视系统的理论研究与标准化工作，不过目前尚无针对宽色域电视系统和设备的测量信号。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于为宽色域HDTV系统算法性能评价、宽色域HDTV数字电视产品及系统质量测量提供实用化测试手段。

本发明采用的技术方案是，一种宽色域HDTV数字电视系统测试方法，依据IEC61966-2-4许用的8bit量化范围[1，254]，在线性量化情况下，根据亮度信号的量化方程 $D_Y^{\′}=\mathrm{INT}[219\×E_Y^{\′}+16],$ 确定亮度信号取值范围可扩至[-0.0685，1.0868]；

根据色差信号的量化方程 $\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{CB}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CB}}^{\′}+128]\\ D_{\mathrm{CR}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CR}}^{\′}+128]\end{array}\right.,$ 确定传输范围为[-0.5625，0.5625]；

前式中，

分别表示亮度传输信号、蓝色差传输信号和红色差传输信号，

分别表示

经量化后的信号，INT为四舍五入取整数函数；

再根据 $D_Y^{\′}=\mathrm{INT}[219\×E_Y^{\′}+16]$ 得到亮度信号Y、根据 $\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{CB}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CB}}^{\′}+128]\\ D_{\mathrm{CR}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CR}}^{\′}+128]\end{array}\right.$ 得到色差信号Cb、Cr可传输范围与量化级值间的关系分别见表1和表2，对现行常规色域HDTV系统，亮度信号可传输范围为表1中的0～1，对应量化值16～235；色差信号可传输范围为表2中的-0.5～0～0.5，对应量化值16～128～240：

表1 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化线性延拓后亮度信号传输范围与量化值间的关系

表2 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化线性延拓后色差信号传输范围与量化值间的关系

；

利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、而色差信号等于零以及相加混色原理，用表1和表2得到彩条信号中各颜色的混色比例，即各颜色

的取值，并根据HDTV的编码方程 $\left[\begin{array}{c}{E}_Y^{\′}\\ E_{\mathrm{CB}}^{\′}\\ E_{\mathrm{CR}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5000\\ 0.5000& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^{\′}\\ E_G^{\′}\\ E_B^{\′}\end{array}\right]$ 计算得到传输信号

的取值，见表3：

表3 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号

；

分别为非线性光电特性校正后的红、绿、蓝基色信号；

亮度信号的量化范围取表1中的[2，248]，即取值范围为[-0.0639，1.0594]；利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、而色差信号等于零以及相加混色原理，用表1、表2和表3得到彩条信号中各颜色的混色比例，即各颜色

的取值，并根据HDTV的编码方程 $\left[\begin{array}{c}{E}_Y^{\′}\\ E_{\mathrm{CB}}^{\′}\\ E_{\mathrm{CR}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5000\\ 0.5000& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^{\′}\\ E_G^{\′}\\ E_B^{\′}\end{array}\right]$ 计算得到传输信号

的取值，见表4，宽色域电视国际标准ITU-R BT.1361和IEC 61966-2-4对HDTV电视信号的处理除非线性校正方法不同外、编码方程和量化方程均相同，因此表4中数据即为ITU-RBT.1361和IEC 61966-2-4标准宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号各色条基色信号

以及亮度和色差分量信号 的取值：

表4 ITU-R BT.1361和IEC61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号

根据表4生成数据文件；

将数据文件写入存储器，再按电视系统的扫描标准将它们读出，并转换成物理信号；输入到宽色域HDTV系统各组成设备，进行测试。

将ITU-R BT.1361和IEC61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号数据输入到HDTV软件编码系统，则可产生按不同系统、不同信源编码标准编码的码流，这些码流用于宽色域HDTV计算机模拟系统算法研究。

将码流存入存储器，再用码流发生器将其读出，进而经相应接口，可送宽色域HDTV系统相应码流输入端口，进行相应的测试。

将码流输入到接收、显示终端，进行理想传输条件下，终端设备性能的测试。

将码流输入到接收、显示终端，进行实际传输条件下，终端设备性能的测试。

本发明可带来下列技术效果：

1、本发明根据数据表生成数据文件并最终转换成物理信号输入到宽色域HDTV系统各组成设备，其提供的测试信号能够监视和测试传输系统和显示系统的色度性能，对系统非线性校正、信号量化范围、系统传输特性线性、色空间变换、A/D和D/A转换的正确性等性能指标进行测量。

2、本发明将数据文件输入到宽色域HDTV软件编解码系统，检验宽色域理论与算法的优劣。

3、本发明提出的宽色域HDTV彩条信号能完整的在当前通用常规色域数字电视传输信道中兼容传输，测定相关产品的性能，并得以保证测试结果的客观性和准确性；同时该信号最大限度的利用了传输信道，能够测试系统色域覆盖性能的极限值，监测宽色域电视系统质量，确保真实重现宽色域活动图像等。

4、将本发明提出的宽色域HDTV彩条信号数据编码成不同层次码流，可为宽色域HDTV数字电视理论研究、产业链中不同产品的开发、系统性能测试以及宽色域HDTV系统标准符合性监测等，提供定量测试信号，从而保证宽色域HDTV编码信号和产品规范化，为构建规范化宽色域HDTV系统奠定基础，推进宽色域HDTV广播事业发展。

附图说明

图1是本发明提出的宽色域HDTV数字电视系统测试方法和彩条测试信号所表示的色域范围与现行常规色域HDTV系统色域的比较。

具体实施方式

基于宽色域HDTV系统工作原理，提供符合相关标准、数据准确、生成和使用简便、符合常规色域电视系统测试习惯的测试方法和测试信号，成为研究宽色域HDTV算法，开发宽色域HDTV设备和构筑宽色域HDTV系统的重要一环。本发明正是这样一种对宽色域HDTV系统研究、设备研制、系统监测等不可缺少的测试信号，有广泛应用前景和实用价值。

近年来，相关国际组织先后制订了两项有关宽色域HDTV系统的规范。一个是国际电信联盟ITU-R BT.1361建议书，另一个是国际电工委员会IEC 61966-2-4标准。这两个规范基于与常规色域电视系统兼容传输，规范了宽色域HDTV信号光电转换特性、信号幅度范围、编码方程以及可用的量化级别等。本发明参照这两项标准，提出了适用于检测宽色域HDTV系统信号传输和重显性能的宽色域HDTV彩条测试信号。该信号可用来检测宽色域HDTV系统编码方式，传输信道传输范围，以及解码器是否能重建无失真数字分量信号等。该信号除含黑条和白条信号外，只含红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色及它们的补色黄(Y)、品(M)、青(C)。这样得以最本质地反映基于R、G、B三基色原理、按相加混色构建彩色电视系统的色域覆盖性能，确保了测试信号准确、可靠，并能极大地提高测试效率。

彩色电视系统基于三基色原理和相加混色原理建立，色度图上以三基色为顶点得到的三角形区域即为彩色电视系统能够实现的最大色域。因此三基色及其补色在色度图中的坐标对彩色电视信号传输和重现有决定性意义。彩条信号即由红、绿、蓝三基色及其补色黄、品、青以及一个白条和一个黑条组成，将其用来测量数字电视系统传输和重现性能方便而准确。

本发明提出了一种能充分利用传输信道、符合当前宽色域国际标准ITU-R BT.1361和IEC61966-2-4的宽色域HDTV彩条测试信号，该彩条信号能精确、方便地测量宽色域数字电视系统性能和可显示的色域范围。

宽色域电视国际标准(IEC 61966-2-4)允许数字电视信号的8比特量化范围扩展至[1，254]，那么在线性量化情况下，根据亮度信号的量化方程(公式1)，亮度信号取值范围可扩至[-0，0685，1.0868]，根据色差信号的量化方程(公式2)，色差信号可扩至[-0.5670，0.5625]，由于色差信号正负对称，因此其可传输范围为[-0.5625，0.5625]。

公式1和2中，

分别表示亮度传输信号、蓝色差传输信号和红色差传输信号。

分别表示EY、

经量化后的信号。

$D_Y^{\′}=\mathrm{INT}[219\×E_Y^{\′}+16]---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{CB}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CB}}^{\′}+128]\\ D_{\mathrm{CR}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CR}}^{\′}+128]\end{array}\right.---\left(2\right)$

亮度信号Y和色差信号Cb、Cr可传输范围与量化级值间的关系分别如表1(根据公式1计算得到)和表2(根据公式2计算得到)所列。对现行常规色域HDTV系统，亮度信号可传输范围为表1中的0～1，对应量化值16～235；色差信号可传输范围为表2中的-0.5～0～0.5，对应量化值16～128～240。

表1 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化线性延拓后亮度信号传输范围与量化值间的关系

表2 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化线性延拓后色差信号传输范围与量化值间的关系

本发明利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、而色差信号等于零以及相加混色原理，可以用上述范围得到彩条信号中各颜色的混色比例(即各颜色

的取值)，并根据HDTV的编码方程(公式3)计算得到传输信号

的取值，如表3所列。

$\left[\begin{array}{c}{E}_Y^{\′}\\ E_{\mathrm{CB}}^{\′}\\ E_{\mathrm{CR}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5000\\ 0.5000& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^{\′}\\ E_G^{\′}\\ E_B^{\′}\end{array}\right]---\left(3\right)$

表3 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号

公式(3)和表3中，

分别为非线性光电特性校正后的红、绿、蓝基色信号。从表3中可以看出，色差信号的取值范围是[-0.5777，0.5777]，已经超过了常规色域电视系统可兼容传输范围[-0.5625，0.5625]，这样的信号其超出部分在传输时将会被截断，在接收端重现时造成颜色畸变。从表1和表2可知，这是由于亮度信号在高电平端最多可扩展出19个量化级，而色差信号最多只能扩展出14个量化级，并且亮度信号单位量化级可表示的数值大于色差信号单位量化级可表示的数值，所以必须压缩亮度信号的可用扩展量化级数。

为此，亮度信号的量化范围取表1中的[2，248]，即取值范围为[-0.0639，1.0594]。同样，利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、而色差信号等于零以及相加混色原理，可以用上述范围得到彩条信号中各颜色的混色比例(即各颜色

的取值)，并根据HDTV的编码方程(公式3)计算得到传输信号

的取值，如表4所示。从表4中可以看出，相应的色差信号的取值范围是[-0.5617，0.5617]，落入色差信号信道可传输范围[-0.5625，0.5625]之内，对应表2中的量化范围[2，254]。

宽色域电视国际标准ITU-R BT.1361和IEC 61966-2-4对HDTV电视信号的处理除非线性校正方法不同外、编码方程和量化方程均相同，因此表4中数据即为ITU-R BT.1361和IEC61966-2-4标准宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号各色条基色信号

以及亮度和色差分量信号

的取值。

表4 ITU-R BT.1361和IEC61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号

按表4所列数据生成的宽色域HDTV彩条测试信号能在8比特线性量化情况下，最大限度地利用信道，实现与常规色域信号的兼容传输，并且能够保证系统中信号的完整，为准确测量宽色域HDTV系统性能提供手段。

下面结合附图和实施方式，进一步说明本发明。

图1比较了在均匀色度坐标系下，本发明提出的宽色域HDTV彩条测试信号能覆盖的色域范围与常规色域彩条信号所覆盖的色域范围。实线舌型图表示人眼可见光谱轨迹，虚线三角形是按照ITU-R BT.709设计的常规色域彩条测试信号覆盖的色域范围，点划线三角形是本发明提出的宽色域HDTV彩条测试信号按照IEC 61966-2-4中规定的光电转换特性所能覆盖的色域范围，点线三角形是本发明提出的宽色域HDTV彩条测试信号按照ITU-R BT.1361中规定的光电转换特性所能覆盖的色域范围。从图1中可以看出，本发明提出的宽色域彩条信号能够比常规色域彩条信号覆盖更大的色域范围。

按表4给出的数据，即可生成宽色域HDTV彩条测试信号数据文件。将数据文件写入存储器，再按电视系统的扫描标准将它们读出，并转换成物理信号，则可经不同接口，输入到宽色域HDTV系统各组成设备或系统，进行测试。

将宽色域HDTV彩条测试信号数据输入到HDTV软件编码系统(ISO/IEC 13818-5，参考软件可从www.mpeg.org下载)，则可产生按不同系统、不同信源编码标准编码的码流。这些码流可用于宽色域HDTV计算机模拟系统算法研究。

将编码码流存入存储器，再用码流发生器将其读出，进而经相应接口，可送宽色域HDTV系统相应码流输入端口，进行相应的测试。

将码流输入到接收、显示终端，则可进行理想传输条件下，终端设备性能的测试。

将码流叠加各种类型噪声或干扰，可进行实际传输条件下，终端设备性能的测试。

所有这些测量，可用示波器等测量仪器观察并测量彩条信号的波形和信号幅度，判断并测量各环节处理的正确性和失真程度；也可在接收端显示器上直接观测重现彩色的亮度、色调、饱和度等，或进行色度方面的测量，以确定显示系统对宽色域电视信号的处理和显示能力。

现行通用的常规色域与人眼可见色域相距甚远，宽色域HDTV数字电视系统是继常规色域HDTV之后，HDTV数字电视系统追求的另一目标。目前宽色域摄像和显像产品开发已取得长足进展，性能在不断改善，这极大地促进了宽色域电视系统的理论研究与标准化工作，不过目前尚无针对宽色域HDTV电视系统和设备的测量信号。为检验宽色域理论与算法的优劣，测定相关产品的性能，监测宽色域电视系统质量，以期合理而充分地利用数字电视传输信道，真实重现宽色域HDTV彩色电视图像，本发明提出了表4所列测量宽色域HDTV设备和系统的宽色域HDTV彩条测试信号。本发明旨在为宽色域HDTV系统算法性能评价、宽色域数字电视产品及系统质量测量提供实用化手段。本发明提出的宽色域HDTV彩条测试信号得以用来测定与常规色域数字电视系统兼容传输的性能，最大限度地利用传输信道的能力，拓宽传输色域，重现宽色域活动图像等。为此，本发明给出了8比特线性量化精度的宽色域HDTV彩条测试信号，并详细开列了各信号分量和各色条信号的取值。

Claims (5)

1.一种宽色域HDTV数字电视系统测试方法，其特征是，

依据IEC 61966-2-4许用的8bit量化范围[1，254]，在线性量化情况下，根据亮度信号的量化方程 $D_Y^{\′}=\mathrm{INT}[219\×E_Y^{\′}+16],$ 确定亮度信号取值范围可扩至[-0.0685，1.0868]；

根据色差信号的量化方程 $\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{CB}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CB}}^{\′}+128]\\ D_{\mathrm{CR}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CR}}^{\′}+128]\end{array}\right.,$ 确定传输范围为[-0.5625，0.5625]；

前式中，分别表示亮度传输信号、蓝色差传输信号和红色差传输信号，

分别表示经量化后的信号，INT为四舍五入取整数函数；

再根据 $D_Y^{\′}=\mathrm{INT}[219\×E_Y^{\′}+16]$ 得到亮度信号Y、根据 $\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{CB}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CB}}^{\′}+128]\\ D_{\mathrm{CR}}^{\′}=\mathrm{INT}[224\×E_{\mathrm{CR}}^{\′}+128]\end{array}\right.$ 得到色差信号Cb、Cr可传输范围与量化级值间的关系分别见表1和表2，对现行常规色域HDTV系统，亮度信号可传输范围为表1中的0～1，对应量化值16～235；色差信号可传输范围为表2中的-0.5～0～0.5，对应量化值16～128～240：

表1 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化线性延拓后亮度信号传输范围与量化值间的关系

表2 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化线性延拓后色差信号传输范围与量化值间的关系

；

利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、而色差信号等于零以及相加混色原理，用表1和表2得到彩条信号中各颜色的混色比例，即各颜色

的取值，并根据HDTV的编码方程 $\left[\begin{array}{c}{E}_Y^{\′}\\ E_{\mathrm{CB}}^{\′}\\ E_{\mathrm{CR}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5000\\ 0.5000& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^{\′}\\ E_G^{\′}\\ E_B^{\′}\end{array}\right]$ 计算得到传输信号

的取值，见表3：

表3 IEC 61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号

分别为非线性光电特性校正后的红、绿、蓝基色信号；

亮度信号的量化范围取表1中的[2，248]，即取值范围为[-0.0639，1.0594]；利用彩条信号中白条和黑条的亮度信号分别等于亮度信号最大值和最小值、而色差信号等于零以及相加混色原理，用表1、表2和表3得到彩条信号中各颜色的混色比例，即各颜色

的取值，并根据HDTV的编码方程 $\left[\begin{array}{c}{E}_Y^{\′}\\ E_{\mathrm{CB}}^{\′}\\ E_{\mathrm{CR}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5000\\ 0.5000& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^{\′}\\ E_G^{\′}\\ E_B^{\′}\end{array}\right]$ 计算得到传输信号

的取值，见表4，宽色域电视国际标准ITU-R BT.1361和IEC 61966-2-4对HDTV电视信号的处理除非线性校正方法不同外、编码方程和量化方程均相同，因此表4中数据即为ITU-RBT.1361和IEC 61966-2-4标准宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号各色条基色信号以及亮度和色差分量信号

的取值：

表4 ITU-R BT.1361和IEC61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号

；

根据表4生成数据文件；

将数据文件写入存储器，再按电视系统的扫描标准将它们读出，并转换成物理信号；输入到宽色域HDTV系统各组成设备，进行测试。

2.根据权利要求1所述的一种宽色域HDTV数字电视系统测试方法，其特征是，将ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4宽色域HDTV系统8比特线性量化彩条测试信号数据输入到HDTV软件编码系统，则可产生按不同系统、不同信源编码标准编码的码流，这些码流用于宽色域HDTV计算机模拟系统算法研究。

3.根据权利要求2所述的一种宽色域HDTV数字电视系统测试方法，其特征是，将码流存入存储器，再用码流发生器将其读出，进而经相应接口，可送宽色域HDTV系统相应码流输入端口，进行相应的测试。

4.根据权利要求3所述的一种宽色域HDTV数字电视系统测试方法，其特征是，将码流输入到接收、显示终端，进行理想传输条件下，终端设备性能的测试。

5.根据权利要求3所述的一种宽色域HDTV数字电视系统测试方法，其特征是，将码流输入到接收、显示终端，进行实际传输条件下，终端设备性能的测试。

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