CN101622867B - 基于图像帧后采样的数字电影防偷拍方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于对数字视频内容进行投影以及用于阻碍使用视频摄像机或其他采样记录设备记录所投影的视频内容的方法和装置，包括：接受数字视频内容的帧；以相位差对所述数字视频内容的帧的比特平面进行时间偏移；对时间偏移后的帧进行投影；针对一定数目的帧重复接受、时间偏移和投影动作；调整所述相位差；以及重复所有上述动作。本发明还描述了一种用于产生对数字视频内容的帧的中尺度级别比特平面的指示的方法和装置，包括：接受数字视频内容的帧；接受所述帧的中尺度级别比特平面的选择；以及产生对所述帧的中尺度级别比特平面的选择的指示。对帧的比特平面进行时间偏移在所记录的视频中产生闪烁。

Description

基于图像帧后采样的数字电影防偷拍方法和装置
技术领域
本发明总体涉及数字电影图像帧的防偷拍，具体涉及使用图像帧后采样的数字电影防偷拍。
背景技术
数字电影院中的非法偷拍有害地影响了电影创作者的著作权以及作品工作室和院线的经营。在防盗版方面有不同的方法。其中一些保护方案是令观众讨厌的。其他保护方案，例如基于激光的那些保护方案，对于电影观众来说是危险的，或者其效率是不确定的。
一种安全且有效的防偷拍方法和装置将是有利的，其在即将介入的非法图像上制造足够的干扰，而且还不干扰数字电影观看的质量。本发明解决了上述问题并且是安全和非介入式的。
发明内容
本发明是一种基于图像帧后采样的数字电影防偷拍方法和装置。本发明的方法和装置允许故事片数字放映影院的运营者提高防盗版的级别。非法记录/偷拍在电影院屏幕上放映的电影的视频摄像机将记录具有不可见伪像的图像内容。当在视频显示器上再现所记录的图像帧/画面/图像时，不可见伪像将变得可见。这里所使用的“/”表示相同或相似的组件或者动作。
本发明针对对是通过在电影院中对数字投影机的比特平面采用时间偏移控制来保护数字电影内容。数字投影机的时间偏移控制是后采样过程。具体地，在一个视频帧内对与中尺度视频级别相关的比特平面进行偏移。这就创建了时间空隙，在该时间空隙处，非法记录捕获/记录/偷拍了这些比特平面的空白帧，而人的视觉系统将该空隙连成一体。因此，本发明是安全的而且是非介入式的，并且仅在再现的非法图像中引入了闪烁。
本发明的方法和装置在再现的偷拍电影中创建与内容相关的闪烁，使得观看起来让人难受并气愤。为了最好的结果，操作者在电影掌控期间引导在一个场景中对导致中尺度级别的闪烁的选择。
本发明描述了一种用于对数字视频内容进行投影的方法和装置，包括：接受数字视频内容的帧；以相位差对所述数字视频内容的帧的比特平面进行时间偏移；对时间偏移后的帧进行投影；针对一定数目的帧，重复接受、时间偏移和投影动作；调整所述相位差；以及重复所有上述动作。本发明还描述了一种用于产生对数字视频内容的帧的中尺度级别比特平面的指示的方法和装置，包括：接受数字视频内容的帧；接受所述帧的中尺度级别比特平面的选择；以及产生对所述帧的中尺度级别比特平面的选择的指示。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细描述，最佳地理解本发明。附图包括如下简要描述的以下各图：
图1示出了针对每秒24投影的、根据本发明的比特平面偏移方法。
图2示出了针对每秒48投影的、根据本发明的比特平面偏移方法。
图3示出了数字电影放映机和非法记录了视频内容的视频摄像机/摄像放像机的相位相关性。
图4示出了数字电影处的投影与从非法记录/偷拍再现的投影的对比。
图5示出了中尺度比特平面穿过图像帧的运动。
图6示出了在掌控/著作侧本发明方法的流程图。
图7示出了在掌控/著作侧本发明的框图。
图8A和8B一起示出了在投影侧本发明方法的流程图。
图9示出了在投影侧本发明示例性实施例的框图。
具体实施方式
本发明的方法和装置被设计为，通过应用非介入式图像处理技术来改进防止数字电影院中偷拍的技术保护。
已经有很多在技术上防止电影院中视频记录的尝试。到目前为止，还没有公认满足该需要的技术。存在三类防偷拍方法，可以将本发明与其进行比较。
第一类是用于定位并遮蔽制造非法记录/图像的摄像机的方法。这些方法使用扫描光束，该扫描光束是从主屏幕区域向观众发送并从发光对象反射回的。接收并分析来自摄像机部件和镜头的反射，以对制造非法记录的摄像机的位置进行检测。一旦检测到制造非法记录的摄像机，就将光束引导至其镜头，从而阻碍电影的捕获/记录。这类方法的优点在于使非法记录的图像变得无用。该方案的一个缺点是在观众中定位摄像机是非决定性的——任意发光对象(例如，耳饰)都可以反射光束。此外还存在光束可能扫描眼镜从而可能对观众形成伤害的危险。
第二类是用于从屏幕向全体观众投影不可见光的方法。这些方法干扰了电影院中制造非法记录的任意摄像机的获取功能。该方案依赖于制造非法记录的摄像机的扩展光学灵敏度(在紫外和红外方向上)以及人类视觉系统对移动光的感知。这类方法的优点在于对观众来说是安全的。这类方法的缺点在于，可能通过在制造非法记录的摄像机镜头前面安装光学彩色滤光器以阻止投射光，来使该方案失败。
第三类是用于向所投影的图像序列添加额外帧的方法。额外图像帧在非法记录的摄像机画面中将变得可见。这类方法的优点在于，不需要在数字电影院安装设备以防偷拍。缺点是某些观众可能察觉到与电影主题无关的可感知伪像(附加的视频帧)的可能性。
随着数字电影(DC)的出现，创建了水印技术。水印检测技术可以识别在哪个电影院中发生了非法记录，但将不会阻碍画面捕获。水印技术的困难和缺点源于在电影院中观看的视频内容可能被保护工具所影响这一事实——画面质量可能降低或者观众可能被暴露在不需要的闪烁和光束下。这是由于水印嵌入过程所留下的潜在可感知伪像而造成的。
在数字投影技术领域中已经取得显著进展，数字投影技术已经成为用于传统电影放映的潜在替代品。最近的研究调查了使用传统电影放映机中没有的、数字投影机的一些特征的可能性。这项研究推动了在电影院中防止非法偷拍/记录的新屏障的开发。
基于微镜设备和数字光处理(DLP)技术的数字投影机的一个区别特征是其图像比特平面操控。数字电影采用12比特的量化数字视频。DLP投影机在适当比例的子帧时间内将每个图像比特投影在电影院屏幕上。在视频帧内将较少的比特(较暗的场景对象)投影较短的时间段。在视频帧内将最显著的图像比特(最亮的场景对象)投影最长的时间。因此，使图像比特平面成形，在人类视觉系统(HVS)内共同创建画面感知。
DLP投影机能够以不同帧速率或所投影的每秒帧数(FPS)再现图像。DLP投影过程允许从一个速度到另一个速度的平滑改变，例如，从24FPS(传统电影速率)到30FPS(视频速率)到60FPS甚至更高。其他人已经讨论过使用该选项来混淆非法偷拍，但是来自数字电影倡导组(DCI，Digital Cinema Initiative)的规范要求恒定的帧速率。
在本发明的开发中调查了两个方案：
-线性地改变帧到帧的比特平面的投影时间位置；
-选择适当的中尺度视频级别比特平面以最大限度地进行保护。
本发明的数字电影防偷拍方法对于电影院观众来说是安全的。本发明方法不影响画面的感知，并在非法记录的图像上提供了指示性的伪像。其不要求在电影院中安装任何装备。
数字电影防偷拍技术的现有技术与用于传统的、基于电影的影院保护的方法没有显著不同。本发明是基于DC投影机的某些特性的，并采用了数字视频处理原理。其基于当前在DC电影院中流行的DLP投影机的使用。
DC规范是基于每种颜色12比特图像深度的。将视频帧中这12个比特中的一个比特的所有像素(图像元素)同时投影在形成比特平面的屏幕上。一个比特平面的一个帧内的投影持续时间定义了屏幕的这些像素的感知到的亮度。在正常投影过程中，帧内一个比特平面的时间位置是不改变的。
本发明方法将中尺度比特平面的时间位置向前逐渐改变0.5秒，并向后逐渐返回另一个0.5秒。然后重复该方法。这被命名为位置后采样(Positional Post-Sampling)。在电影掌控的模数转换过程中对图像比特进行预先采样，这意味着确定它们的值。还确定了DLP投影机对这些图像比特投影的持续时间。位置后采样保留了比特平面值和持续时间，但对其在帧内的相位进行操控。
图1示出了为了在所捕获的图像序列中创建帧空隙而对中尺度比特平面进行的后采样的过程。图1中的投影的每秒帧数(FPS)是24。
该时间图的最上部的时间线示出了以未保护的方式在多个帧中投影的比特平面。该比特平面保留与每个帧的开始处相同的相位关系。
图1时间图的从上数第二个时间线示出了在以恒定相位偏移量逐帧向前偏移之后在帧序列中投影的中尺度比特平面。一旦达到0.5秒，就在接下来的0.5秒的开始处将比特平面偏移回来并返回至它们的原始位置。即，在时间上将比特平面向前偏移0.5秒，然后向后偏移接下来的0.5秒，返回至它们在相位上的原始位置。因此，向前和向后过程占用总共一秒整，以向前移然后向后移，返回至它们在相位上的原始位置。然后，在电影的整个持续时间内重复该过程。
图1时间图的从上数第三个时间线指示了以30FPS(北美标准)进行非法记录/偷拍的摄像机的帧间隔。图1时间图的最下部的时间线指示了以25FPS(欧洲标准)进行记录/偷拍的摄像机的帧间隔。这两个记录速度都与24FPS投影的帧序列不同相。另外，使用本发明方法，比特平面相位和比特平面相位相关性随着帧而改变。
本发明使相位差加大，直到在一个时刻处所捕获的帧不包含中尺度比特平面为止。这在图中是由交叉在时间轴(水平线)上的垂直线来示出的。每秒都重复丢失帧的情形，这就在非法记录/偷拍的图像中创建闪烁。
DC允许以包括48FPS在内的更高FPS进行投影。图2示出了在这种情况下针对不同捕获格式对帧空隙的创建。即使所投影的比特平面具有一半的持续时间，并且空隙将使所捕获的图像错过两次投影的比特平面中的一个，原理也保持不变。以两倍的每帧速度重复该过程，因此HVS中的闪烁将是相同的。
由于所投影的图像与非法捕获的图像之间的帧关系是不可预测的，因而需要考虑不同情形的可能性。假定基于60度的闪烁创建阈值，在0度至360度的范围内考虑六个不同的相位偏移量就是足够的。
所投影的帧与使用视频摄像机非法记录的帧之间的相位差或相位空隙可以是0度与360度之间的任意值。为了使非法视频观看起来让人难受/气愤，本发明在这些空隙中引入闪烁。假设可以针对0与360之间的每一度创建干扰的闪烁。然而，这是不切实际的。在示例性实施例中，针对以下六个相位差引入了闪烁：
0度
60度
120度
180度
240度
300度
并且，在360度处，也就是下一个相位差循环中的0度。在投影机与摄像机之间的相位差的这些点处，闪烁是最容易感知的，但是该闪烁还将影响投影机与摄像机之间的间隔。
图3示出了所投影的24FPS与非法记录帧的六个相位关系0、60、120、180、240、300度(其中360度＝0度)之间的关系。在两秒内实现这些组合。请注意，在对本发明原理的前述解释中，使用了一秒的间隔。理论上可以使用任意时间间隔。例如，可以使用四秒的时间间隔。然而，这将引入闪烁，其中，空隙是两倍远，这意味着将削弱保护。因此，相信最佳模式是使用两秒时间间隔。使用两秒间隔并且假定文件速度是24FPS，这意味着在两秒间隔内存在48个帧。由于正在使用六个不同的相位空隙/差，这意味着对于每一个相位差/空隙来说其为1/6(48)或者说8个帧。这还暗示了四个比特平面帧是前进的(向前时间偏移的)，而四个比特平面帧是后退的(向后时间偏移的)。
在该时间间隔的第一秒中，三个相位关系一个接一个地实现如下：
步骤1.对于前八个帧，向后和向前实现投影内容与非法记录内容之间的0度相位差/空隙，每一个持续四个帧；
步骤2.对于接下来的八个帧，向后和向前实现投影内容与非法记录内容之间的60度相位差/空隙，每一个持续四个帧；
步骤3.对于第一秒的最后八个帧，向后和向前实现投影内容与非法记录内容之间的120度相位差/空隙，每一个持续四个帧。
在该时间间隔的下一秒中，另外三个相位关系一个接一个地实现如下：
步骤4.对于前八个帧，向后和向前实现投影内容与非法记录内容之间的180度相位差/空隙，每一个持续四个帧；
步骤5.对于接下来的八个帧，向后和向前实现投影内容与非法记录内容之间的240度相位差/空隙，每一个持续四个帧；
步骤6.对于该时间间隔的这一秒中的最后八个帧，向后和向前实现投影内容与非法记录内容之间的300度相位差/空隙，每一个持续四个帧。
然后，从开始处重复该过程，直到已经根据上述方法对所有比特平面帧进行时间偏移并投影为止。
与图像相关的闪烁是对本发明很重要；它意味着当再现非法记录时，画面中的某些对象从一帧到下一帧将改变其亮度。在HVS中该闪烁的可见性有阈值。由于直接观看对脉冲宽度调制(PWM)的图像比特平面，使得在DC电影院中闪烁低于可见性的阈值。另一方面，非法记录的电影将首先经由其光学传感器将PWM图像比特平面转换至视频级别。然后，基于相邻帧之间的级别差异，其图像的观众将注意到该闪烁。
假定正在非法记录/偷拍的视频摄像机的操作者将了解闪烁创建方法，并将尝试通过保持摄像机快门打开或者将摄像机的曝光优化至DC屏幕亮度，来削弱闪烁创建方法的效果。然而，本发明的功效不受任何摄像机功能的影响，这是由于摄像机使用其自身的基于帧的序列从而能捕获空隙，同时HVS将PWM画面连成一体。
图4的上部分示出了DC帧的示例，其中测试图像位于屏幕上。该DC帧包含灰度级比特平面的分级。图4的下部分示出了所捕获的视频图像，丢失了中尺度灰度级比特平面。如上所示，这种情况每秒发生一次。
由于本发明包括操作者参与数字掌控过程中对中尺度比特平面的选择，因而还可以选择中尺度比特平面在屏幕上的位置以进行最佳保护。
图5示出了屏幕上的不同位置，其中中尺度比特平面创建帧空隙。因此，闪烁移动到其更有效的区域。
图6示出了在掌控/著作(mastering/authoring)侧本发明方法的流程图。在605，接受内容(帧)单元。操作者针对内容单元选择一个或多个中尺度级别。在610，接受该输入。在615，产生对所选中尺度级别的指示，并将该指示记录为元数据或记录在分离的文件中。由于将内容和中尺度级别分离，因而分离的文件可以提供更好的保护。这类似于以下概念：可以分离地传输安全密钥(或者安全密钥组)，并且在分离地传输时，该安全可以提供更好的保护。在620，确定这是否是最后一内容单元。如果这是最后一内容单元，则结束该过程。如果这不是最后一内容单元，则重复该方法，直到已处理过所有内容为止。
图7示出了在掌控/著作侧本发明的框图。处理模块705接受内容(帧)，并且还接受由操作者选择的中尺度级别，并且产生对所选中尺度级别的指示，并将该指示记录为元数据或记录在分离的文件中。
图8A和8B一起示出了在投影侧本发明方法的流程图。从图8A开始，在805，接受投影帧速度(FPS)。如上所示，典型地，其为24FPS或48FPS。在810，计算时间间隔。如上所示，相信两秒时间间隔是最佳的。然而，使用其他时间间隔是有可能的。例如，四秒间隔是可能的，但是相信其所提供的保护较差。在815，基于所选择的时间间隔，计算/确定向前和向后进行时间偏移的帧数目。此后，在820，初始化正向计数器，以跟踪将要进行向前时间偏移的比特平面帧。此处应当注意，在本示例性实施例中，已使用倒计数计数器，稍后将该倒计数计数器递减，然后对其进行测试。可能容易地已使用正计数计数器或者任何其他形式的计数器或索引。在825，初始化反向计数器，以跟踪将要进行向后时间偏移的比特平面帧。在830，接受内容(帧)单元。然后在835，接受对操作者选择的中尺度级别的指示。所选中尺度级别的标记可以以元数据形式存在或者处于分离的文件中。在840，对内容(帧)单元进行向前时间偏移。在845，将正向计数器递减。在850，执行测试以确定正向计数器是否已达到其极限。在本示例性实施例中，该测试即为查看正向计数器是否等于零的测试。这指示了是否已对适当数目的比特平面帧进行向前时间偏移，以及是否是时候倒转该过程并对比特平面帧进行向后时间偏移。如果尚未对适当数目的比特平面帧进行向前时间偏移，则从830起重复该过程。
如果已经对适当数目的比特平面帧进行向前时间偏移，则在855，接受另一个内容(帧)单元。然后在860，接受对操作者选择的中尺度级别的指示。所选中尺度级别的标记可以以元数据形式存在或者处于分离的文件中。在865，对内容(帧)单元进行向后时间偏移。在870，将反向计数器递减。在875，执行测试以确定反向计数器是否已达到其极限。在本示例性实施例中，该测试即为查看反向计数器是否等于零的测试。这指示了是否已对适当数目的比特平面帧进行向后时间偏移，以及是否是时候倒转该过程并对比特平面帧进行向前时间偏移。如果尚未对适当数目的比特平面帧进行向前时间偏移，则从855起重复该过程。然后在880，执行测试以确定这是否是最后一内容(帧)单元。如果这是最后一帧，则结束该过程。如果这不是最后一帧，则该过程继续初始化向前和向后，以在下一个相位执行本发明方法。应当注意，也可以使用计数器或索引来跟踪相位差/空隙。
图9示出了在投影侧本发明示例性实施例的框图。计算和初始化模块905接受电影速度(FPS)，并确定时间间隔以及将要进行向前和向后时间偏移的比特平面帧的数目。计算和初始化模块905还初始化正向和反向计数器。可以在一个或多个分离的模块中或者在该单一模块中执行这些功能中的每一个。时间偏移模块910接受内容单元(一次一个帧)以及所选的中尺度级别，并以相位差对比特平面帧进行向前时间偏移。操作者选择的中尺度级别是从元数据或者从分离的文件接受的。然后，将正向计数器递减，并测试该正向计数器以确定是否已经对适当数目的比特平面帧进行向前时间偏移。如果尚未进行，则该过程继续对帧进行向前时间偏移。如果已经对适当数目的帧进行向前时间偏移，则接受另一个内容(帧)单元，并且沿向后的方向重复上述过程。一旦对于当前相位差已经完成向后时间偏移，则执行测试以确定当前帧是否是最后一帧。如果是最后一帧，则在时间偏移模块910中执行的过程完成。如果不是最后一帧，则该过程继续使用下一个相位差/空隙。另外，可以使用计数器或索引来跟踪相位差/空隙。可以在一个或多个分离的模块中或者在该单一模块中执行这些功能中的每一个。
应当注意，尽管实施本发明的最佳模式是投影装置，但可以将本发明实施为投影装置的“附加(add-on)”设备。该“附加”设备可以被置于投影装置中或者处于投影装置外部，但要能够与投影装置进行通信。
应当理解，可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或者其组合来实现本发明。优选地，将本发明实现为硬件和软件的组合。此外，优选地，将软件实现为在程序存储设备上有形体现的应用程序。可以将该应用程序上载至包括任意合适架构的机器，并且由该机器执行该应用程序。优选地，该机器是在具有诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出(I/O)接口之类的硬件的计算机平台上实现的。该计算机平台还包括操作系统和微指令代码。此处描述的各种过程和功能可以是经由操作系统执行的微指令代码的一部分或者应用程序的一部分(或者它们的组合)。另外，可以将各种其他外围设备连接至该计算机平台，例如附加数据存储设备和打印设备。
还应当理解，由于附图所示的组成系统组件和方法步骤中的一些优选地以软件实现，因此系统组件(或者过程步骤)之间的实际连接可能根据本发明的编程方式而有所不同。在此处给定教导的情况下，相关领域普通技术人员将能够想到本发明的这些和类似实施方式或配置。

Claims (20)

1.一种用于对数字视频内容进行处理的方法，所述方法包括：
接受数字视频内容的帧；
以相位差对所述数字视频内容的所述帧的中尺度级别比特平面进行时间偏移；
针对一定数目的帧，重复所述接受动作、所述时间偏移动作，其中，所述时间偏移对于所述一定数目的帧的前一半是按照向前方向的，而对于所述一定数目的帧的后一半是按照向后方向的；以及
在所述数字视频内容的所述帧内调整所述相位差。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：对时间偏移后的帧进行投影，并且，重复所述动作。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：针对所接受的帧，接受预选择的中尺度级别比特平面。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述中尺度级别是经由元数据和分离的文件之一接受的。
5.根据权利要求2所述的方法，还包括：
接受视频内容投影速度；
基于投影速度计算时间间隔；以及
基于所述时间间隔计算将要进行向前和向后时间偏移的帧的数目。
6.根据权利要求2所述的方法，还包括：
初始化向前时间偏移计数器；
初始化向后时间偏移计数器；以及
使用所述向前时间偏移计数器和所述向后时间偏移计数器，来控制分别与按照所述向前方向和按照所述向后方向的所述时间偏移动作相关联的所述重复动作。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，对针对所接受的帧的所预选择的中尺度级别比特平面的指示由掌控/著作设备产生，所述产生包括：
接受数字视频内容的帧；
接受所述已接受的帧的中尺度级别比特平面的选择；以及
产生对所述已接受的帧的所述中尺度级别比特平面的所述选择的指示。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：存储所述指示。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述存储是将所述指示存储为元数据或者存储在分离的文件中。
10.一种用于对数字视频内容进行处理的装置，包括：
用于接受数字视频内容的帧的装置；
用于以相位差对所述数字视频内容的所述帧的中尺度级别比特平面进行时间偏移的装置；
用于针对一定数目的帧，重复所述接受动作、所述时间偏移动作的装置，其中，所述时间偏移对于所述一定数目的帧的前一半是按照向前方向的，而对于所述一定数目的帧的后一半是按照向后方向的；以及
用于在所述数字视频内容的所述帧内调整所述相位差的装置。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括：
用于对时间偏移后的帧进行投影的装置；以及
用于重复上述动作的装置。
12.根据权利要求10所述的装置，还包括用于针对所接受的帧接受预选择的中尺度级别比特平面的装置。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述中尺度级别是经由元数据和分离的文件之一接受的。
14.根据权利要求11所述的装置，还包括：
用于接受视频内容投影速度的装置；
用于基于投影速度计算时间间隔的装置；以及
用于基于所述时间间隔计算将要进行向前和向后时间偏移的帧的数目的装置。
15.根据权利要求11所述的装置，还包括：
初始化向前时间偏移计数器；
初始化向后时间偏移计数器；以及
使用所述向前时间偏移计数器和所述向后时间偏移计数器，来控制分别与按照所述向前方向和按照所述向后方向的所述时间偏移动作相关联的所述重复动作。
16.根据权利要求10所述的装置，其中，所述装置是数字投影装置。
17.根据权利要求12所述的装置，其中，对针对所接受的帧的所预选择的中尺度级别比特平面的指示由掌控/著作设备产生，所述掌控/著作设备包括：
用于接受数字视频内容的帧的装置；
用于接受所述已接受的帧的中尺度级别比特平面的选择的装置；以及
用于产生对所述已接受的帧的所述中尺度级别比特平面的所述选择的指示的装置。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括用于存储所述指示的装置。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述用于存储的装置是将所述指示存储为元数据或者存储在分离的文件中的装置。
20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述装置是数字内容掌控装置。
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