CN101827221A - Ccd光源强度自适应调节系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CCD光源强度自适应调节系统，包括上位机、下位机、光源和CCD摄像机，所述光源、下位机、上位机和CCD摄像机通过连接线依次连接；所述上位机中设有光源强度分析系统，所述下位机中设有光源强度调节控制系统。本发明还提供了一种由上述系统实现的方法，包括步骤：初始化设置；输出预设光源强度信号，并控制点亮光源；CCD摄像机获取光源照射强度的图像，并传送至上位机；光源强度分析系统对光源强度进行检测分析，输出调节控制信号；下位机根据调节控制信号，控制光源并调节光源强度。本发明能根据图像进行自动反馈控制调节光源强度，实现光源强度的自适应调节，具有智能化、调节效率高和效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光源强度调节技术，具体涉及一种通过CCD摄像机获取图像，并自适应调节CCD的光源强度的自适应调节系统及其方法。
背景技术
目前，在产品生产中常采用图像检测系统进行质量检测，即通过光源照射，获取产品的图像来进行产品检测分析。在现有图像检测系统中，CCD摄像机需要在合适的、稳定的光照条件下获得适合人眼或计算机分析识别的图像。而现有图像检测系统中，不能通过计算机自动判断并自动调节光源强度，只能根据操作员对光源强度的主观视觉判断和反馈，手动来调节光源强度，获得期望光源强度下的产品图像，使得人眼可能且易于分辨。当计算机用于产品的自动识别时，光源的手动调节带来一系列问题，首先工作效率低，光源强度不仅在系统开始自动工作前要校准调好，而且在工作中如果图像不能被较好地识别，也需要调节光源，使自动过程不得不参与手工操作；其次稳定性差，通常自动识别过程对图像亮度有一致性要求，手工调节受主观因素和操作技术的影响难以精确地调到期望值，甚至造成产品无法检测。
传统的光源强度调节采用小电流可控硅调光电路，该电路利用可控硅导通角的变化实现调光，因此当光源强度要求严格线性输出时难以实现。况且传统的光源强度调节是通过手工旋转或拨动电位器完成的，由于电位器结构方面的原因，光源强度在调节过程中很难实现线性变化，只能在一个大概范围内由人眼识别。在现有技术中也有基于下位机即单片机控制的光源强度调节系统，但是这些系统中主要通过对输入、输出电压采样和反馈，将实际电压与设定电压进行比较，而不是由具体的图像检测系统中获得图像亮度曝光参数，并检测其是否符合处理系统的检测需要。因此，本发明根据上位机图像检测系统的需要，将上位机图像亮度的分析系统与下位机光源强度控制系统相连接，使图像检测系统自适应调节并获得最佳光源强度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种操作方便简单的CCD光源强度自适应调节系统，该系统可通过CCD摄像机获取图像后，可根据上位机对获取图像的处理要求由上位机和下位机协调配合，自动反馈控制和调节光源强度。
本发明的另一目的在于提供一种由上述系统实现的CCD光源强度自适应调节方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
CCD光源强度自适应调节系统，包括上位机(即PC机、个人计算机)、下位机、光源和CCD摄像机，所述光源、下位机、上位机和CCD摄像机通过连接线依次连接；所述上位机中设有光源强度分析系统，所述下位机中设有光源强度调节控制系统。
所述光源强度分析系统包括预设光源模块、图像输入模块和光源强度检测模块，所述图像输入模块与所述CCD摄像机连接，所述图像输入模块与所述光源强度检测模块连接，所述预设光源模块和光源强度检测模块均分别与所述下位机中的光源强度调节控制系统连接。
所述光源强度检测模块包括灰度值计算模块、灰度对比模块和调节信号发送模块，所述灰度值计算模块、灰度对比模块和调节信号发送模块依次连接；所述灰度值计算模块与所述图像输入模块连接，所述调节信号发送模块与所述下位机中的光源强度调节控制系统连接。
所述光源强度调节控制系统包括串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块，所述串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块依次连接，所述串行接口电路模块与所述上位机中的光源强度分析系统连接，所述LED驱动器模块与所述光源连接。
所述单片机模块包括信号接收模块、寄存器计数模块和信号反馈模块，所述信号接收模块、寄存器计数模块和信号反馈模块依次连接；所述信号接收模块和信号反馈模块均分别与所述串行接口电路模块连接，所述寄存器计数模块与LED驱动器模块连接；
所述LED驱动器模块包括PWM信号接收模块和MOSFET开关管控制模块，所述PWM信号接收模块与所述MOSFET开关管控制模块连接，所述寄存器计数模块与所述PWM信号接收模块连接，所述MOSFET开关管控制模块与所述光源连接；
所述系统还包括手动辅助调光设备，所述手动辅助调光设备与下位机的单片机模块连接。手动辅助调光设备优选按键辅助设备。
由上述的系统实现的CCD光源强度自适应调节方法，包括如下步骤：
(1)启动电源，初始化设置：设置下位机的串口参数、PWM输出频率与输出引脚，在上位机中设置光源预设的最佳强度值；
(2)上位机中的光源强度分析系统输出预设光源强度信号，依次经由下位机的串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块处理，并输出驱动信号，控制点亮光源；
(3)CCD摄像机获取光源照射强度的图像，并传送至上位机；
(4)上位机中的光源强度分析系统接收图像，并通过图像对光源强度进行检测分析，判断光源强度是否已达到最佳强度对应的灰度值，若是，则结束调节，否则，则输出调高或调低强度的调节控制信号；
(5)下位机中的光源强度调节控制系统接收上位机输出的调节控制信号，所述调节控制信号依次经由下位机的串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块处理，并输出驱动信号，控制光源并调节光源强度，同时将调节的反馈信号发送至上位机的光源强度分析系统中；
(6)循环执行步骤(3)～(5)，直至将光源强度调节至最佳强度。
所述步骤(4)具体包括如下步骤：
(4-1)所述图像输入模块接收CCD摄像机传送过来的图像；
(4-2)所述光源强度检测模块中的灰度值计算模块获取图像的平均灰度值；
(4-3)所述光源强度检测模块中的灰度对比模块将步骤(4-2)获取的平均灰度值与所述步骤(1)预设的最佳强度值对应的灰度值进行对比分析，并判断其调节控制信号；
(4-4)所述光源强度检测模块中的调节信号发送模块将调节控制信号经电路连接传输至下位机中的串行接口电路模块。
所述步骤(5)中，下位机对调节控制信号的处理具体包括如下步骤：
(5-1)所述下位机中，串行接口电路模块接收上位机传送过来的调节控制信号，转换为单片机模块可接收的调节信号电平，再传输至单片机模块中的信号接收模块；
(5-2)所述单片机模块中的信号接收模块将调节信号电平传输至寄存器计数模块，所述寄存器计数模块根据调节信号电平对寄存器计数值作调整修改，并输出驱动信号，再传输至LED驱动器模块；
(5-3)所述LED驱动器模块中的PWM信号接收模块接收寄存器计数模块传输过来的驱动信号，并由MOSFET开关管控制模块根据驱动信号控制光源，调节光源强度；
(5-4)同时，所述单片机模块中的信号反馈模块将调节的反馈信号发送至上位机的光源强度分析系统中。
所述步骤(4-3)中，灰度对比模块对所述平均灰度值的处理具体包括如下步骤：
(4-3-1)所述灰度对比模块将步骤(4-2)获取的平均灰度值与所述步骤(1)预设的最佳强度值对应的灰度值进行对比；
(4-3-2)检测所述平均灰度值是否已达到最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出结束调节强度的调节控制信号，结束调节强度，否则，执行下一步骤；
(4-3-3)检测所述平均灰度值是否低于最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出调高强度的调节控制信号，否则，执行下一步骤；
(4-3-4)检测所述平均灰度值是否高于最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出调低强度的调节控制信号，否则输出结束调节强度的调节控制信号，结束调节强度；
所述步骤(5-2)中，若接收到调节控制信号为结束调节强度的调节控制信号，则保持寄存器计数值不变，保持当前光照强度，结束调节；若接收到调节控制信号为调高强度的调节控制信号，则增大寄存器计数值，向LED驱动器模块输出调高强度的驱动信号；若接收到调节控制信号为调低强度的调节控制信号，则减少寄存器计数值，向LED驱动器模块输出调低强度的驱动信号。
在调节过程中，若光源强度调节效果无法满足，通过手动辅助调光设备控制单片机模块，辅助加以调节。
寄存器计数模块采用的PWM计数值范围为0-250，每次调节为+10或者-10，即调节级数为25级。当判断调节的信号为调高强度，则先检测PWM计数值是否已经达到最大值，若达到最大值，表示当前亮度最亮，不能再调高光源强度，通知信号反馈模块反馈max信号。若未达到最大值，则调整PWM寄存器计数值，即对原计数值加10，并通知信号反馈模块反馈ok已调信号。当判断接收到的调节信号为调低强度，则先检测当前PWM计数值是否已经达到最小值，若达到最小值，表示当前亮度最暗，不能再调低光源强度，通知信号反馈模块反馈min信号。若未达到最小值，则调整PWM寄存器计数值，即对原计数值减10，并通知信号反馈模块反馈ok已调信号。当判断接收到的是结束调节信号，则停止寄存器计数模块的调节，保持当前计数值。所述信号反馈模块接收来自调节寄存器计数模块的通知信息，并发出相应的反馈信号，经由串行接口电路模块，将反馈的信号传达至上位机中的光源强度分析系统，执行当前调整后光源强度下图像信号的检测。
LED驱动器模块中，PWM信号接收模块接收调整后输出的PWM方波(驱动信号)，LED驱动器模块工作在极性反转模式电路下，当接收到的方波的高电平时，则通知MOSFET开关管控制模块，开关管导通，来自输入端的电能首先存储在MOSFET开关管控制模块的电感中。然后当接收到的方波的低电平时，则通知MOSFET开关管控制模块，开关管关断，存储在电感的能量传递到输出端的光源，驱动光源，在光源中产生电流，点亮光源。在不同的占空比的PWM控制下，光源的平均电流出现相应的变化，使得光源强度得到有效调节。
本发明相对现有技术有如下优点和效果：
1、在光照下通过CCD摄像机获取图像，并根据所获图像进行自动反馈控制，调节光源强度，实现光源强度自适应调节，具有智能化、调节效率高和光源控制参数稳定等优点，在生产检测中，可大大提高生产的检测效率和检测系统的稳定性。
2、可带手动辅助调光设备，在调节过程中，若需要，也可通过手动辅助调光设备辅助加以调节，调光方式具有多选性。
3、通过上位机和下位机配合，能有效满足自动调节光源强度的要求，具有调节方便、调节准确、误差小等优点。
4、可通过便携的下位机对光源进行驱动控制，只要使用场地中配置有上位机便可使用，具有使用方便且便于维护等优点。
附图说明
图1是本发明的系统总体结构示意图。
图2是图1所示系统的框架示意图。
图3是本发明的方法的总体流程示意图。
图4是图3所示光源强度分析系统对光源强度进行检测分析的流程示意图。
图5是图3所示光源强度调节控制系统对调节控制信号进行处理的流程示意图。
图6是图4所示灰度对比模块对比分析的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本CCD光源强度自适应调节系统包括上位机5、下位机6、光源3和CCD摄像机4，所述光源3、下位机6、上位机5和CCD摄像机4通过连接线依次连接；所述上位机5中设有光源强度分析系统，所述下位机6中设有光源强度调节控制系统。
如图2所示，所述光源强度分析系统包括预设光源模块、图像输入模块和光源强度检测模块，所述图像输入模块与所述CCD摄像机4连接，所述图像输入模块与所述光源强度检测模块连接，所述预设光源模块和光源强度检测模块均分别与所述下位机6中的光源强度调节控制系统连接。
所述光源强度检测模块包括灰度值计算模块、灰度对比模块和调节信号发送模块，所述灰度值计算模块、灰度对比模块和调节信号发送模块依次连接；所述灰度值计算模块与所述图像输入模块连接，所述调节信号发送模块与所述下位机6中的光源强度调节控制系统连接。
如图2所示，所述光源强度调节控制系统包括串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块，所述串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块依次连接，所述串行接口电路模块与所述上位机5中的光源强度分析系统连接，所述LED驱动器模块与所述光源连接。
所述单片机模块包括信号接收模块、寄存器计数模块和信号反馈模块，所述信号接收模块、寄存器计数模块和信号反馈模块依次连接；所述信号接收模块和信号反馈模块均分别与所述串行接口电路模块连接，所述寄存器计数模块与LED驱动器模块连接；
所述LED驱动器模块包括PWM信号接收模块和MOSFET开关管控制模块，所述PWM信号接收模块与所述MOSFET开关管控制模块连接，所述寄存器计数模块与所述PWM信号接收模块连接，所述MOSFET开关管控制模块与所述光源3连接；
所述系统还包括手动辅助调光设备，所述手动辅助调光设备与下位机6的单片机模块连接。手动辅助调光设备为按键辅助设备。
如图2所示，所述光源强度分析系统和所述光源强度调节控制系统均由电源供电使用。
如图1所示，使用时，被测产品2放置于传送带1上，由光源3向被测产品2发射光照，并由CCD摄像机4获取图像，进而通过上位机5检测分析光源强度是否合适，并由下位机6进行控制调节光源3。
如图3所示，由上述系统实现的CCD光源强度自适应调节方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)启动电源，初始化设置：设置下位机6的串口参数、PWM输出频率与输出引脚，在上位机5中设置光源3预设的最佳强度值；
(2)上位机5中的光源强度分析系统输出预设光源强度信号，依次经由下位机6的串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块处理，并输出驱动信号，控制点亮光源3；
(3)CCD摄像机4获取光源照射强度的图像，并传送至上位机5；
(4)上位机5中的光源强度分析系统接收图像，并通过图像对光源强度进行检测分析，判断光源强度是否已达到最佳强度，若是，则结束调节，否则，则输出调高或调低强度的调节控制信号；
(5)下位机6中的光源强度调节控制系统接收上位机5输出的调节控制信号，所述调节控制信号依次经由下位机6的串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块处理，并输出驱动信号，控制光源并调节光源强度，同时将调节的反馈信号发送至上位机5的光源强度分析系统中；
(6)循环执行步骤(3)～(5)，直至将光源强度调节达到最佳强度。
如图4所示，所述步骤(4)具体包括如下步骤：
(4-1)所述图像输入模块接收CCD摄像机4传送过来的图像，并将获取的图像进行处理，转化为单通道图像；
(4-2)所述光源强度检测模块中的灰度值计算模块获取图像的平均灰度值；
(4-3)所述光源强度检测模块中的灰度对比模块将步骤(4-2)获取的平均灰度值与所述步骤(1)预设的最佳强度值对应的灰度值进行对比分析，并判断其调节控制信号；
(4-4)所述光源强度检测模块中的调节信号发送模块将调节控制信号经电路连接传输至下位机6中的串行接口电路模块。
如图5所示，所述步骤(5)中，下位机6对调节控制信号的处理具体包括如下步骤：
(5-1)所述下位机6中，串行接口电路模块接收上位机5传送过来的调节控制信号，转换为单片机模块可接收的调节信号电平，再传输至单片机模块中的信号接收模块；
(5-2)所述单片机模块中的信号接收模块将调节信号电平传输至寄存器计数模块，所述寄存器计数模块根据调节信号电平对寄存器计数值作调整修改，并输出驱动信号，再传输至LED驱动器模块；
(5-3)所述LED驱动器模块中的PWM信号接收模块接收寄存器计数模块传输过来的驱动信号，并由MOSFET开关管控制模块根据驱动信号控制光源，调节光源强度；
(5-4)同时，所述单片机模块中的信号反馈模块将调节的反馈信号发送至上位机5的光源强度分析系统中。
如图6所示，上位机接收CCD摄像机传送过来的图像，并将获取的图像进行处理，转化为单通道图像后，步骤(4-3)中，灰度对比模块对所述平均灰度值的处理具体包括如下步骤：
(4-3-1)所述灰度对比模块将步骤(4-2)获取的平均灰度值与所述步骤(1)预设的最佳强度值对应的灰度值进行对比；
(4-3-2)检测所述平均灰度值是否已达到最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出结束调节强度的调节控制信号，结束调节强度，否则，执行下一步骤；
(4-3-3)检测所述平均灰度值是否低于最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出调高强度的调节控制信号，否则，执行下一步骤；
(4-3-4)检测所述平均灰度值是否高于最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出调低强度的调节控制信号，否则输出结束调节强度的调节控制信号，结束调节强度；
所述步骤(5-2)中，若接收到调节控制信号为结束调节强度的调节控制信号，则保持寄存器计数值不变，保持当前光照强度，结束调节；若接收到调节控制信号为调高强度的调节控制信号，则增大寄存器计数值，向LED驱动器模块输出调高强度的驱动信号；若接收到调节控制信号为调低强度的调节控制信号，则减少寄存器计数值，向LED驱动器模块输出调低强度的驱动信号。
在调节过程中，若光源强度调节效果无法满足，通过手动辅助调光设备控制单片机模块，辅助加以调节。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.CCD光源强度自适应调节系统，其特征在于：包括上位机、下位机、光源和CCD摄像机，所述光源、下位机、上位机和CCD摄像机通过连接线依次连接；所述上位机中设有光源强度分析系统，所述下位机中设有光源强度调节控制系统。
2.根据权利要求1所述的CCD光源强度自适应调节系统，其特征在于：所述光源强度分析系统包括预设光源模块、图像输入模块和光源强度检测模块，所述图像输入模块与所述CCD摄像机连接，所述图像输入模块与所述光源强度检测模块连接，所述预设光源模块和光源强度检测模块均分别与所述下位机中的光源强度调节控制系统连接。
3.根据权利要求2所述的CCD光源强度自适应调节系统，其特征在于：所述光源强度检测模块包括灰度值计算模块、灰度对比模块和调节信号发送模块，所述灰度值计算模块、灰度对比模块和调节信号发送模块依次连接；所述灰度值计算模块与所述图像输入模块连接，所述调节信号发送模块与所述下位机中的光源强度调节控制系统连接。
4.根据权利要求2所述的CCD光源强度自适应调节系统，其特征在于：所述光源强度调节控制系统包括串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块，所述串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块依次连接，所述串行接口电路模块与所述上位机中的光源强度分析系统连接，所述LED驱动器模块与所述光源连接。
5.根据权利要求4所述的CCD光源强度自适应调节系统，其特征在于：所述单片机模块包括信号接收模块、寄存器计数模块和信号反馈模块，所述信号接收模块、寄存器计数模块和信号反馈模块依次连接；所述信号接收模块和信号反馈模块均分别与所述串行接口电路模块连接，所述寄存器计数模块与LED驱动器模块连接；
所述LED驱动器模块包括PWM信号接收模块和MOSFET开关管控制模块，所述PWM信号接收模块与所述MOSFET开关管控制模块连接，所述寄存器计数模块与所述PWM信号接收模块连接，所述MOSFET开关管控制模块与所述光源连接；
所述系统还包括手动辅助调光设备，所述手动辅助调光设备与下位机的单片机模块连接。
6.由权利要求5所述的系统实现的CCD光源强度自适应调节方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)启动电源，初始化设置：设置下位机的串口参数、PWM输出频率与输出引脚，在上位机中设置光源预设的最佳强度值；
(2)上位机中的光源强度分析系统输出预设光源强度信号，依次经由下位机的串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块处理，并输出驱动信号，控制点亮光源；
(3)CCD摄像机获取光源照射强度的图像，并传送至上位机；
(4)上位机中的光源强度分析系统接收图像，并通过图像对光源强度进行检测分析，判断光源强度是否已达到最佳强度，若是，则结束调节，否则，则输出调高或调低强度的调节控制信号；
(5)下位机中的光源强度调节控制系统接收上位机输出的调节控制信号，所述调节控制信号依次经由下位机的串行接口电路模块、单片机模块和LED驱动器模块处理，并输出驱动信号，控制光源并调节光源强度，同时将调节的反馈信号发送至上位机的光源强度分析系统中；
(6)循环执行步骤(3)～(5)，直至将光源强度调节达到最佳强度。
7.根据权利要求6所述的CCD光源强度自适应调节方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括如下步骤：
(4-1)所述图像输入模块接收CCD摄像机传送过来的图像；
(4-2)所述光源强度检测模块中的灰度值计算模块获取图像的平均灰度值；
(4-3)所述光源强度检测模块中的灰度对比模块将步骤(4-2)获取的平均灰度值与所述步骤(1)预设的最佳强度值对应的灰度值进行对比分析，并判断其调节控制信号；
(4-4)所述光源强度检测模块中的调节信号发送模块将调节控制信号经电路连接传输至下位机中的串行接口电路模块。
8.根据权利要求7所述的CCD光源强度自适应调节方法，其特征在于，所述步骤(5)中，下位机对调节控制信号的处理具体包括如下步骤：
(5-1)所述下位机中，串行接口电路模块接收上位机传送过来的调节控制信号，转换为单片机模块可接收的调节信号电平，再传输至单片机模块中的信号接收模块；
(5-2)所述单片机模块中的信号接收模块将调节信号电平传输至寄存器计数模块，所述寄存器计数模块根据调节信号电平对寄存器计数值作调整修改，并输出驱动信号，再传输至LED驱动器模块；
(5-3)所述LED驱动器模块中的PWM信号接收模块接收寄存器计数模块传输过来的驱动信号，并由MOSFET开关管控制模块根据驱动信号控制光源，调节光源强度；
(5-4)同时，所述单片机模块中的信号反馈模块将调节的反馈信号发送至上位机的光源强度分析系统中。
9.根据权利要求8所述的CCD光源强度自适应调节方法，其特征在于，所述步骤(4-3)中，灰度对比模块对所述平均灰度值的处理具体包括如下步骤：
(4-3-1)所述灰度对比模块将步骤(4-2)获取的平均灰度值与所述步骤(1)预设的最佳强度值对应的灰度值进行对比；
(4-3-2)检测所述平均灰度值是否已达到最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出结束调节强度的调节控制信号，结束调节强度，否则，执行下一步骤；
(4-3-3)检测所述平均灰度值是否低于最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出调高强度的调节控制信号，否则，执行下一步骤；
(4-3-4)检测所述平均灰度值是否高于最佳强度值对应的灰度值，若是，则由调节信号发送模块输出调低强度的调节控制信号，否则输出结束调节强度的调节控制信号，结束调节强度；
所述步骤(5-2)中，若接收到调节控制信号为结束调节强度的调节控制信号，则保持寄存器计数值不变，保持当前光照强度，结束调节；若接收到调节控制信号为调高强度的调节控制信号，则增大寄存器计数值，向LED驱动器模块输出调高强度的驱动信号；若接收到调节控制信号为调低强度的调节控制信号，则减少寄存器计数值，向LED驱动器模块输出调低强度的驱动信号。
10.根据权利要求6～9任一项所述的CCD光源强度自适应调节方法，其特征在于：在调节过程中，若光源强度调节效果无法满足，通过手动辅助调光设备控制单片机模块，辅助加以调节。
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