CN101647201A - 以低比特率对包含噪声的音频信号进行编码/解码的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种以低比特率对音频信号编码/解码的方法和设备。编码设备选择性地对音频信号的频率样本中具有最高幅度的一个或多个参考样本进行编码，使用预定随机函数根据预定模式确定除了参考样本之外的其余样本的幅度，并随后使用随机函数输入信息对其余样本编码，所述随机函数输入信息用于使用相同的随机函数产生相同的模式，从而最大化具有大量噪声的音频信号的[L1]编码率。

Description

以低比特率对包含噪声的音频信号进行编码/解码的方法和设备

技术领域

与本发明一致的方法和设备涉及对音频信号编码/解码，更具体地，涉及以低比特率对包含噪声的音频信号进行编码/解码。

背景技术

在现有技术中，大多数现有的高质量音频编码设备使用时间-频率转换编码。该方法对通过使用诸如改进的离散余弦变换(MDCT)的转换方法将输入音频信号转换到频域而获得的系数进行编码。然而，音质随着目标比特率降低而恶化，并且很难以低比特率对音频信号编码。

参数编码可用于以低比特率对音频信号编码。参数编码的示例有谐音的独立线性加噪声(HINL)和正弦编码(SSC)。在参数编码中，假设原始音频信号包括分量信号，每个分量信号具有特定属性。从原始音频信号检测分量信号，并对表示分量信号的特性的参数编码。例如，如果音频信号包括多个正弦波，则通过仅对正弦波的频率、相位和幅度进行编码，可以以低比特率对音频信号编码。

图1是现有技术的参数编码设备的框图。这里，假设音频信号包括瞬态信号、正弦信号和噪声。如果接收到脉冲编码调制(PCM)音频信号，则瞬态信号分析器110分析包括在PCM信号中的瞬态信号，并产生瞬态信号参数。量化器120对瞬态信号参数进行量化和编码。瞬态信号合成器130通过从瞬态信号分析器110接收的瞬态信号参数合成瞬态信号，从PCM信号减去合成的瞬态信号，并将相减的结果输出到正弦波分析器140。

正弦波分析140分析包括在接收的信号中的正弦信号，并产生正弦参数。量化器150对正弦参数进行量化和编码。

正弦波合成器160通过从瞬态信号合成器130接收的正弦参数合成正弦信号，从正弦波分析器140接收的信号减去合成的正弦信号，并将相减的结果输出到噪声分析器170。

噪声分析器170从接收的信号产生噪声参数。量化单元180对从噪声分析器170接收的噪声参数进行量化和编码。复用器190对从量化器120、150和180接收的编码参数的数据进行复用，并输出复用的结果作为比特流。

然而，参数编码方法必须产生用于音频信号的每个频率分量的参数，因此很难以低比特率对具有大量噪声的音频信号进行编码。由于噪声包括覆盖几乎所有频带的信号分量，因此需要大量比特对所有信号分量编码。

另外，由于噪声的所有分量不一定都具有重要意义，并且人的耳朵不会精确地识别噪声的细节，因此对具有大量噪声的音频信号的所有频率分量编码包括对不可识别的噪声分量进行编码，这导致带宽的浪费。

发明内容

本发明提供了一种以低比特率对音频信号进行编码的方法和设备，所述方法和设备通过从音频信号提取音调分量并对音调分量编码，通过将除了音调分量之外的其余分量认为是噪声的预定随机函数产生其余分量来以低比特率对音频信号进行编码，本发明还提供一种使用所述预定随机函数对编码的信号进行解码的方法和设备。

有益效果

根据本发明，当具有大量噪声的音频信号被编码时，通过使用随机函数将音频信号的某些分量认为是噪声并确定它们的幅度，可以以低比特率对音频信号进行编码和解码。

附图说明

图1是现有技术的用于以低比特率对数据进行编码的参数编码设备的框图；

图2是用于解释根据本发明示例性实施例的对音频信号编码的方法的示图；

图3是根据本发明示例性实施例的对音频信号编码的方法的流程图；

图4是用于解释根据本发明示例性实施例的选择参考样本的方法的示图；

图5是根据本发明示例性实施例的确定除了参考样本之外的样本的幅度的方法的流程图；

图6是根据本发明示例性实施例的音频信号编码设备的框图；

图7是根据本发明示例性实施例的对音频信号解码的方法的流程图；以及

图8是根据本发明示例性实施例的音频信号解码设备的框图。

具体实施方式

最佳模式

根据本发明的一方面，提供一种对音频信号编码的方法，包括：选择一个或多个参考样本，所述参考样本包括在作为编码单位的频带中的所有样本中幅度最高的样本；使用预定随机函数确定频带中除了参考样本之外的其余样本的幅度；对参考样本和幅度已被确定的其余样本进行编码。

确定其余样本的幅度的步骤包括：使用预定的随机函数，将距参考样本预定频率范围内的第一类样本的幅度确定为小于相应的参考样本的幅度的预定比率；使用预定随机函数，将第二类样本的幅度确定为小于第二类样本的原始幅度的均值，所述第二类样本是除了所述参考样本或第一类样本之外的其余样本。

在对参考样本和其余样本编码的步骤中，根据指示预定比率和频率范围的信息对第一类样本编码，根据指示第二类样本的幅度的均值的信息对第二类样本编码。

所述预定比率是第一类样本的原始幅度相对于相应参考样本的幅度的比率的均值。

所述方法还包括：从参考样本和其余样本中以幅度递减顺序选择预定数量的样本；产生关于所述预定数量的样本的相位信息，其中，根据该信息执行对于参考样本和其余样本的编码。

所述信息指示与预定数量的样本相应的原始样本的相位是正(+)还是负(-)。

选择参考样本的步骤包括：从包括在频带中的样本中以幅度递减顺序选择参考样本，并根据比特率改变将被选择的参考样本的数量。

选择参考样本的步骤包括：如果选择多个参考样本，则选择使得参考样本不被不同的参考样本掩蔽的多个参考样本。

根据本发明的另一方面，提供一种其上实施有用于执行所述音频信号编码方法的计算机可读记录介质。

根据本发明的另一方面，提供一种对音频信号解码的方法，所述方法包括：对通过将作为解码单位的频带中的样本编码获得的数据中的一个或多个参考样本进行解码；使用预定随机函数，对所述频带的样本中除了解码的参考样本之外的其余样本解码。

对其余样本解码的步骤包括：使用预定的随机函数，将距参考样本的预定频率范围内的第一类样本的幅度确定为小于相应的参考样本的第一类型样本幅度的预定比率；使用预定随机函数，将第二类样本的幅度确定为小于预定值，所述第二样本是频带中除了参考样本或第一类样本之外的其余样本。

参照指示所述预定频率范围和所述预定比率的信息执行确定第一类样本的幅度的步骤，参照指示所述预定值的信息执行确定第二类样本的幅度的步骤，从数据中提取指示所述预定频率范围和所述预定比率的信息以及指示预定幅度的信息。

所述方法还包括：从数据中提取相位信息，其中，在对其余样本解码的步骤中，参照相位信息确定从频带的样本中以幅度递减顺序选择的预定数量的样本。

根据本发明的另一方面，提供一种其上实施由用于执行音频信号解码方法的程序的计算机可读记录介质。

根据本发明的另一方面，提供一种对音频信号编码的设备，包括：参考样本选择单元，从包括在作为编码单位的频带中的样本中选择一个或多个参考样本，所述一个或多个参考样本包括幅度为所有样本中最大的样本；确定单元，使用预定的随机函数确定包括在频带中的样本中除了所述参考样本之外的其余样本的幅度；编码单元，对参考样本和幅度已被确定的其余样本进行编码。

根据本发明的另一方面，提供一种对音频信号解码的设备，包括：第一解码器，对通过将作为解码单位的频带中的样本编码获得的数据中的一个或多个参考样本进行解码；第二解码器，使用预定的随机函数，对所述频带的样本中除了解码的参考样本之外的其余样本解码。

实施方式

图2是用于解释根据本发明示例性实施例的对音频信号编码的方法的示图。在图2中，示出了音频信号的作为编码单位的频带中的频率分量(以下，称为样本)。编码单位取决于使用的编解码器，并且可以是帧或者子带。

在该编码方法中，选择具有最高幅度的参考样本并对其进行编码，使用随机函数确定其余样本的幅度。相应地，由于可通过编码器使用相同的随机函数产生除了参考样本之外的其余样本，因此编码器仅对使用随机函数产生其余样本所需的信息进行编码，从而可以以低比特率对音频信号编码。

在随机确定除了参考样本之外的其余样本的幅度并随后对其余样本进行编码和解码的情况下，音质可能显著地恶化。然而，在少量音调分量存在或大量噪声被产生的情况下，即使随机产生频率分量，在人类感觉方面不会出现明显差异。因此，本发明可对具有大量噪声的音频信号进行有效地编码和解码。现在将更详细的描述编码方法。

编码器从接收的音频信号的频率分量中选择具有最高幅度的样本作为参考样本，对参考样本的索引信息、幅度等编码。在当前示例性实施例中，也可以但不必须地，选择多个参考样本，其中，参考样本的数量取决于目标比特率。在图2中，假设选择单个参考样本。

如果选择了参考样本，则选择参考样本的周边样本，并使用随机函数确定周边样本的幅度。以下，将周边样本称为第一类样本。第一类样本相对于参考样本的范围可被随意设置或设置为根据音频信号的特性而依据经验确定的值。在本发明中，“随机函数”是在被初始化后对于相同的输入值输出预定模式的函数。也就是说，如果编码器和解码器使用相同的随机函数，则可获得具有相同模式的值。

使用随机函数调整第一类样本的幅度，但是如果调整的值过大，则人可能察觉到信号失真。因此，有必要将第一类样本的幅度限制到恒定的限制值之内。优选但不必须地，将第一类样本的幅度调整为不超过第一类样本的均值的范围内。

同样地，使用所述随机函数调整除了参考样本和第一类样本之外的其余样本(以下，称为第二类样本)。此时，有必要将第二类样本的幅度限制为恒定限制值之内。同样地，优选但不必须地，将第二类样本的幅度调整为不超过第二类样本的均值的范围内。

如果调整了除了参考样本之外的所有样本的幅度，则可使用关于参考样本的信息、第一类样本的选择范围、关于第一类样本的最大值的信息和关于第二类样本的最大值的信息对音频信号编码，从而可以以低比特率对音频信号编码。

为了提高音质，可考虑相位信息对音频信号编码。也就是说，可考虑原始信号的相位，对参考样本和调整了幅度的其余样本中具有相对高幅度的某些样本编码。也就是说，可产生某些样本的相位信息。在这种情况下，优选地，相位信息可指示相位是正(+)还是负(-)而不是指示精确的相位，也就是说，相位是从-π到0的值还是从0到+π的值。因此，每个样本可使用1比特信息相位信息以帮助以低比特率进行编码。

图3是根据本发明示例性实施例的对音频信号编码的方法的流程图。

在操作310，随机函数被初始化。

在操作320，将作为编码单位的频带中的样本中具有最高幅度的样本选为参考样本。这里，选择的参考样本的数量取决于目标比特率。如果选择多个参考样本，则以下述方式以幅度递减顺序选择参考样本，即，参考样本不被另一参考样本掩蔽。将参照图4更详细地描述上述操作。

在操作330，使用随机函数调整除了参考样本之外的其余样本的幅度。这里，其余样本包括如上所述的第一类样本和第二类样本。

在操作340，从参考样本和其余样本中选择将反映相位信息的样本。在参考样本和其余样本中以幅度递减顺序选择将反映相位信息的样本。

在操作350，产生将用于编码的相位信息。如上所述，相位信息优选地指示相位是正(+)还是负(-)而不是表示原始样本的精确相位。

在操作360，对参考样本和其余样本编码。例如，使用参考样本的幅度、索引信息和相位对参考样本编码，并使用第一类样本的最大值和选择范围(离参考样本的距离)以及第二类样本的最大值对其余样本编码。这里，第一类样本的最大值和第二类样本的最大值指示幅度已被调整的样本的最大值。还可考虑相位信息对其余样本编码。在这种情况下，如上所述，虽然比特率增加，但是可提高音质。

如果使用单个参考样本，则第一类样本的最大值是原始音频信号的第一类样本的均值。如果使用多个参考样本，则第一类样本的最大值可被表示为对于每个相应参考样本的比率。以下将参照图5来描述其中的细节。

图4是用于解释根据本发明示例性实施例的选择参考样本的方法的示图。在当前示例性实施例中，假设在图4示出的频带中选择两个参考样本。

首先，由于样本“a”具有最高的幅度，所以，将其选为参考样本。随后，选择具有第二高幅度的样本“b”。然而，由于样本“b”在心理声学上被样本“a”掩蔽，因此不能被人耳识别，所以对样本“b”的幅度编码是无意义的。在图4中，由虚线表示出样本“a”的掩蔽曲线。因此，将没有被样本“a”掩蔽的样本中具有最高幅度的样本“c”选为第二参考样本。

图5是根据本发明示例性实施例的确定除了参考样本之外的样本的幅度的方法的流程图。在当前示例性实施例中，假设存在多个参考样本。

在操作510，计算第一类样本相对于相应参考样本的幅度比。这里，第一类样本的幅度可被设置为第一类样本的实际幅度的均值。

在操作520，计算所有幅度比的均值。例如，假设存在两个参考样本。如果第一类样本的均值是第一参考样本的幅度的60％，第一类样本的均值是第二参考样本的幅度的80％，则在操作520计算均值为70。

在操作530，将计算的均值用作最大值，根据随机函数调整第一类样本的幅度。严格说来，重新确定第一样本的幅度。在当前示例性实施例中，如果均值是70，则认为第一参考样本的幅度的70％是最大值，通过随机函数确定与第一参考样本相应的第一类样本的幅度，并认为第二参考样本的幅度的70％是最大值，通过随机函数确定与第二参考样本相应的第二类样本的幅度。

在操作540，使用随机函数确定第二类样本的幅度。此时，同样地，设置从随机函数输出的值的最大值。优选但不必须地，将原始信号的第二类样本的均值设置为最大值。

图6是根据本发明示例性实施例的音频信号编码设备的框图。

参照图6，音频信号编码设备600包括参考样本选择单元610、确定单元620、相位信息产生单元630和编码单元640。

如果频域中的样本值被输入音频信号编码设备600，则参考样本选择单元610从样本值中选择参考样本。参考样本的数量取决于目标比特率。以参考样本不被不同的参考样本掩蔽的方式，以幅度递减顺序选择参考样本。

确定单元620调整除了参考样本之外的样本(即，第一类样本和第二类样本)的幅度。在原始信号中不超过第一类样本的幅度相对于每个相应的参考样本幅度的比率的均值的范围内，使用随机函数确定第一类样本的幅度。在原始信号中小于第二类样本的幅度的均值的范围内确定第二类样本的幅度。

相位信息产生单元630以幅度递减顺序从参考样本和已被调整了幅度的其余样本中选择预定数量的样本，并产生选择的样本的相位信息。如上所述，为了以低比特率编码，优选的是相位信息指示相位值是正(+)还是负(-)。

编码单元640对参考样本和其余样本编码。例如，根据参考样本的幅度和索引信息对参考样本编码。可根据被输入到随机函数的幅度信息(即，最大值信息，也就是原始信号中的第一类样本相对于参考样本的幅度比的均值)和频率范围(离参考样本的距离)对第一类样本编码。另外，可根据被输入到随机函数的最大值信息(原始信号中的第二类样本的均值)对第二类样本编码。

如上所述，编码单元640可考虑相位信息对具有相对较高的幅度的某些样本编码，以便提高音质。

图7是根据本发明示例性实施例的对音频信号解码的方法的流程图。

在操作710，随机函数被初始化。该随机函数与编码器中使用的随机函数相同。通过使用随机函数，解码器可接收在编码器中使用的最大值，并可产生具有与编码器中使用的模式相同的模式的输出值。

在操作720，从编码的数据提取相位信息。例如，如果从编码的数据提取了8条相位信息，则将参照8条相位信息对一个解码单位中的所有样本中以幅度递减顺序选择的8个样本进行解码。

在操作730，对参考样本解码。如果在操作720提取了至少一条相位信息，则参照该相位信息对至少一个参考样本解码。

在操作740，使用随机函数确定除了参考样本之外的其余样本的幅度。也就是说，其余样本中的第一类样本的最大值被输入到随机函数，从而确定第一类样本的幅度。另外，其余样本中的第二类样本的最大值被输入到随机函数，从而确定第二类样本的幅度。

在操作750，将其余样本(即，第一类样本和第二类样本)解码。如果某些其余样本的相位信息被包括在操作720提取的相位信息中，则参照该相位信息对其余样本解码。

图8是根据本发明示例性实施例的音频信号解码设备800的框图。如图8所示，音频信号解码设备800包括相位信息提取单元810、第一解码单元820和第二解码单元830。

相位信息提取单元810从编码的数据提取样本的相位信息。这里，对于每个样本使用一比特相位信息，从而可表示相位的符号。

第一解码单元820对来自编码的数据的参考样本解码。此时，第一解码单元820可参照相位信息对参考样本解码。

第二解码单元830使用随机函数对除了参考样本之外的样本解码，并包括第一确定单元831、第二确定单元832和解码器833。

第一确定单元831对作为参考样本的周边样本的第一类样本解码。第一确定单元831从编码的数据提取第一类样本的最大值信息，并将最大值信息输入到随机函数，从而确定第一类样本的幅度。

第二确定单元832从编码的数据提取第二类样本的幅度的最大值信息，并将最大值信息输入到随机函数，从而确定第二类样本的幅度。

解码器833参照第一确定单元831和第二确定单元832确定的幅度信息，对第一类样本和第二类样本解码。此时，解码器833可参照幅度信息和相位信息对第一类样本和第二类样本解码。例如，如果相位信息提取单元810从编码的数据提取8比特的相位信息，则解码器833将相位信息应用于从其余样本中以幅度递减顺序选择的8个样本，从而对其余样本解码。

本发明的示例性实施例可被编写为计算机程序，并可以在使用计算机可读记录介质执行程序的通用数字计算机中实施。计算机可读记录介质的示例包括磁性存储介质(例如，ROM、软盘、硬盘等)、光记录介质(例如，CD-ROM或DVD)以及其他存储介质。

如上所述，根据本发明，当对具有大量噪声的音频信号编码时，通过将音频信号的某些分量认为是噪声并使用随机函数确定它们的幅度，可以以低比特率对音频信号进行编码和解码。

尽管已经参照本发明的示例性实施例示出和描述了本发明，但是，本领域的普通技术人员应理解，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (28)

1、一种对音频信号编码的方法，所述方法包括：

在频带中选择至少一个参考样本，所述至少一个参考样本包括幅度是所有样本的最大值的样本；

使用随机函数确定频带中除了所述至少一个参考样本之外的其余样本的幅度；

对所述至少一个参考样本和幅度已被确定的其余样本进行编码。

2、如权利要求1所述的方法，其中，确定其余样本的幅度的步骤包括：

使用随机函数，将距离所述至少一个参考样本一频率范围内的第一样本的幅度确定为小于相应的所述至少一个参考样本的幅度的比率；

使用随机函数，将第二样本的幅度确定为小于第二样本的幅度的均值，所述第二样本是除了所述至少一个参考样本或第一样本之外的其余样本。

3、如权利要求2所述的方法，其中，对所述至少一个参考样本和其余样本编码的步骤中，根据指示比率和频率范围的信息对第一样本编码，根据指示第二样本的幅度的均值的信息对第二样本编码。

4、如权利要求2所述的方法，其中，所述比率是第一样本的幅度相对于相应的所述至少一个参考样本的幅度的比率的均值。

5、如权利要求1所述的方法，还包括：

从所述至少一个参考样本和其余样本中以幅度递减顺序选择预定数量的样本；

产生关于所述预定数量的样本的相位的信息，

其中，根据该信息执行对于所述至少一个参考样本和其余样本的编码。

6、如权利要求5所述的方法，其中，所述信息指示与所述预定数量的样本相应的原始样本的相位是正还是负。

7、如权利要求1所述的方法，其中，选择至少一个参考样本的步骤包括：从包括在频带中的样本中以幅度递减顺序选择至少一个参考样本，并根据比特率改变将被选择的参考样本的数量。

8、如权利要求7所述的方法，其中，选择至少一个参考样本的步骤包括：如果选择多个参考样本，则选择使得参考样本不被另一参考样本掩蔽的多个参考样本。

9、一种其上实施有用于执行权利要求1的方法的程序的计算机可读记录介质。

10、一种对音频信号解码的方法，所述方法包括：

对通过将频带的样本编码获得的数据中的至少一个参考样本进行解码；

使用随机函数，对所述频带的样本中除了所述至少一个参考样本之外的其余样本解码。

11、如权利要求10所述的方法，其中，对其余样本解码的步骤包括：

使用随机函数，将距离所述至少一个参考样本一频率范围内的第一样本的幅度确定为小于相应的所述至少一个参考样本的第一样本的幅度的比率；

使用随机函数，将第二样本的幅度确定为小于预定值，所述第二样本是频带中除了所述参考样本或第一样本之外的其余样本。

12、如权利要求11所述的方法，其中，参照指示频率范围和比率的信息执行确定第一类的幅度的步骤，

参照指示所述预定值的信息执行确定第二样本的幅度的步骤，

从数据中提取指示频率范围和比率的信息和指示幅度的信息。

13、如权利要求10所述的方法，还包括：

从数据中提取相位信息，

其中，在对其余样本解码的步骤中，参照相位信息确定从频带的样本中以幅度递减顺序选择一定数量的样本。

14、如权利要求13所述的方法，其中，指示相位的信息指示与所述数量的样本相应的原始样本的相位是正还是负。

15、一种其上实施有用于执行权利要求10的方法的程序的计算机可读记录介质。

16、一种对音频信号编码的设备，所述设备包括：

参考样本选择单元，从包括在频带中的样本中选择至少一个参考样本，所述至少一个参考样本包括幅度为所有样本的最大值的样本；

确定单元，使用随机函数确定包括在频带中的样本中除了所述至少一个参考样本之外的其余样本的幅度；

编码单元，对所述至少一个参考样本和幅度已被确定的其余样本进行编码。

17、如权利要求16所述的设备，其中，确定单元使用随机函数，将距离所述至少一个参考样本一频率范围内的第一样本的幅度确定为小于相应的参考样本的幅度的比率；

使用随机函数，将第二样本的幅度确定为小于第二样本的原始幅度的均值，所述第二样本是除了参考样本或第一样本之外的其余样本。

18、如权利要求17所述的设备，其中，编码单元根据指示比率和频率范围的信息对第一样本编码，根据指示第二样本的幅度的均值的信息对第二样本编码。

19、如权利要求17所述的设备，其中，所述比率是第一样本的幅度相对于相应的所述至少一个参考样本的幅度的比率的均值。

20、如权利要求16所述的设备，还包括：

相位信息产生器，从所述至少一个参考样本和其余样本中以幅度递减顺序选择预定数量的样本，并产生关于所述预定数量的样本的相位的信息，

其中，考虑产生的信息进行编码。

21、如权利要求20所述的设备，其中，所述信息指示与预定数量的样本相应的原始样本的相位是负还是正。

22、如权利要求16所述的设备，其中，参考样本选择单元从包括在频带中的样本中以幅度递减顺序选择所述至少一个参考样本，并根据比特率改变将被选择的参考样本的数量。

23、如权利要求22所述的设备，其中，如果选择多个参考样本，则参考样本产生器选择使得参考样本不被另一参考样本掩蔽的多个参考样本。

24、一种对音频信号解码的设备，包括：

第一解码器，对通过将频带的样本编码获得的数据中的至少一个参考样本进行解码；

第二解码器，使用随机函数，对所述频带的样本中除了所述至少一个参考样本之外的其余样本解码。

25、如权利要求24所述的设备，其中，第二解码器包括：

第一确定单元，使用随机函数，将距离所述至少一个参考样本一频率范围内的第一样本的幅度确定为小于相应的参考样本的幅度的比率；

第二确定单元，使用随机函数，将第二样本的幅度确定为小于预定值，所述第二样本是除了所述至少一个参考样本或第一样本之外的其余样本。

26、如权利要求25所述的设备，其中，第一确定单元参照指示频率范围和比率的信息对第一样本解码，

第二确定单元参照指示幅度的信息对第二样本解码，

从数据中提取指示频率范围和比率的信息和指示幅度的信息。

27、如权利要求24所述的设备，还包括：

相位信息提取单元，从数据中提取相位信息，

其中，第一解码单元和第二解码单元根据提取的相位信息对从频带的样本中以幅度递减顺序选择的预定数量的样本解码。

28、如权利要求27所述的设备，其中，相位信息指示所述预定数量样本的相位是负还是正。

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