CN102238382B - 影像压缩的位率控制方法及其装置 - Google Patents

影像压缩的位率控制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明是一种影像压缩的位率控制方法及其装置。此位率控制方法包括以下步骤。依据一影像的空间域影像数据,求得对于一色彩通道该空间域影像数据的影像复杂度。对于此色彩通道,依据此影像复杂度及一目标位率,估算对应的一缩放系数。在进行此影像的影像压缩之时,对此影像的频率域影像数据,依据对应于此色彩通道的此估算的缩放系数进行量化。

Description

影像压缩的位率控制方法及其装置
技术领域
本发明有关一种影像压缩的方法及装置,且特别是有关一种影像压缩的位率控制方法及装置。
背景技术
一般的影像压缩编码方式由一个原始的影像变成经过编码压缩的串流,主要可以由五个部分所组成,包含取样及色彩空间转换(Downsample & Color SpaceTransform)、转换(Transform)、量化(Quantization)、系数预测(Prediction)及熵编码(Entropy Coding)。以JPEG标准为例,它先将色彩转换至YCbCr色彩空间,再经过离散余弦转换(DCT:Discrete Cosine Transform)、量化,再对DC项系数进行预测差分,最后再将系数以锯齿形扫描(Zig-Zag Scan)顺序扫描成游程编码(Run-Length Encoding),再以可变长度编码(Variable Length Coding)完成编码。
上述量化过程前需预先订定三个量化表格(Quantization Table)提供YCbCr色彩空间分别使用,JPEG有其经过大量图片统计过后建议的量化表格,压缩比例(Compression Ratio)由缩放系数(Scale Factor)均匀地控制量化表格的变动,越大的缩放系数导致较高的压缩比例,反之亦然。
对于进行影像撷取的装置而言,在有限的存储空间下,可以拍摄的照片数目或可摄录像片的时间长度是必须得知以便加以利用。这方面的信息需要在事先针对一缩放系数作出估算才能得到,但是,影像压缩的实际结果往往与估算的情况有相当的出入。此外,有的现有估算方法需要对影像进行涉及DCT的运算,这亦占用了部分的运算资源及费时。
另外,在上述影像压缩的过程中,已订定了的缩放系数在影像压缩完成以前是不能更改的。为了让压缩的影像数据流或文件能符合数据量大小及品质的需求,传统的作法在判断此次影像压缩所产生的影像文件不符合需求时,则会进而调整缩放系数,并重复上述运算。如此,往往需要至少两次的影像压缩运算才能得到符合需求的影像文件,增加了运算的时脉数和消耗运算资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种影像压缩的位率控制方法及装置,可依据影像复杂度及各单一通道(color channel)影像压缩结果位率之间的对应关系估算影像所欲求的例如压缩比例所对应的缩放系数,并可通过此估算的缩放系数以进行影像压缩而进行位率控制以得到实质上符合预期的压缩比例的结果,从而可减少运算的时脉数及存储器的存取量。
根据本发明的一方面,提出一种影像压缩的位率控制方法,包括以下步骤。依据一影像的空间域影像数据,求得对于一色彩通道该空间域影像数据的影像复杂度。对于此色彩通道,依据此影像复杂度及一目标位率,估算对应的一缩放系数。在进行此影像的影像压缩之时,对此影像的频率域影像数据,依据对应于此色彩通道的此估算的缩放系数进行量化。
根据本发明的另一方面,提出一种影像压缩的位率控制装置,包括:一缩放系数估算模块及一影像压缩单元。缩放系数估算模块,依据一影像的空间域影像数据,求得对于一色彩通道此空间域影像数据的影像复杂度,并对于此色彩通道,依据此影像复杂度及一目标位率,估算对应的一缩放系数。影像压缩单元,在进行此影像的影像压缩之时,对此影像的频率域影像数据,依据对应于此色彩通道的上述估算的缩放系数进行量化,以产生影像压缩数据。
本发明的有益技术效果是:本发明的利用估算量化格参数的影像压缩的位率控制方法及装置,可通过此估算的量化格参数如缩放系数进行影像压缩,以对位率作出控制从而得到实质上符合预期压缩比例的结果,使其准确率能大于90%。相对于现有需要多次重复或涉及频率域影像数据的估算作法,本发明可减少运算的时脉数和减少存储器的存取量,并能准确的提供使用者摄录装置有关暂存区可使用的时间或数据量的信息。
附图说明
为让本发明的上述内容能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合附图作详细说明,其中:
图1绘示依据本发明的一实施例的影像压缩的位率控制方法的流程图。
图2绘示Y通道的影像复杂度与影像压缩结果的位组数的对应关系的一例子。
图3示意一通道上的多项式模型的一实施例。
图4为量化缩放系数内插估算的一示意图。
图5是依据本发明的一实施例的影像压缩的位率控制装置的方块图。
图6是的缩放系数估算模块的一另实施例的方块图。
具体实施方式
请参考图1,其为依据本发明的一实施例的影像压缩的位率控制方法的流程图。如图1所示,SD代表一影像的空间域影像数据。在步骤S110中,求得空间域影像数据SD的影像复杂度(image complexity)。在步骤S120中,对于一色彩通道(或称通道),依据步骤S110所得到的影像复杂度及一目标位率,估算对应的一缩放系数(scale factor)(如以SF_E表示)。如步骤S130所示,在进行影像压缩之时,对此影像的频率域影像数据,依据各通道的估算的缩放系数SF_E进行量化。
此实施例的位率控制方法可应用于需要进行空间域影像数据转换为频率域影像数据的影像压缩方法中,例如是JPEG或MPEG类的数据压缩方法中。以下举例以JPEG对图1的方法作详细说明,但此实施例并不以此为限。
上述实施例中,若以JPEG为例,空间域影像数据SD为原始影像经过取样及色彩空间转换后的像素数据或数据流。而为了估算缩放系数,可针对原始影像大小相同或缩放后的空间域影像数据SD来计算复杂度。例如以缩小为原始大小一半的空间域影像数据SD或预览缩图(thumbnail)来计算复杂度,则可减少估算缩放系数时所需的运算量。
在步骤S110中,影像复杂度的衡量准则例如是以影像噪声的程度,如:影像的边缘(edge)、纹理(texture),或影片中前后数张场景的影像像素的差值或场景改变(scene Change)处以作衡量。而影像噪声程度可应用某种衡量准则下的数值作为影像复杂度。例如以边缘或纹理检测滤波器(detection filter)(可用电路或软件实现)对空间域影像数据SD处理后所输出的结果(或输出图像的数值)来做为复杂度的数值化呈现。
在一例子中,可以计算空间域影像数据SD的各像素的噪声值,并将这些像素噪声值加权平均而得每单位像素的噪声程度(noise level per pixel)来代表影像复杂度。例如利用MxN(如3x3或5x5)边缘检测滤波器(Edge Detection Filter)计算一影像的边缘及噪声的权重,将经过影像处理后的此影像的每个像素p与其周围的MxN-1个像素经过MxN边缘检测滤波器处理求得此像素p的噪声值,每个像素噪声值的权重加总后除以此影像的总像素个数即可求得整体影像每单位像素的噪声程度。在其它例子中,各种空间域的边缘或纹理的滤波器如拉普拉斯滤波器(Laplacian filter)、罗伯特滤波器(Roberts filter)、索伯尔滤波器(Sobel filter)、普瑞维特(Prewitt filter)皆可如上述例子般应用于复杂度的计算。另外,上述复杂度的单位亦可随应用而改变,例如以每百万单位像素的噪声程度亦可为之,如此可减少复杂的除法运算,故复杂度的数值表示方式并非以上述为限。
另外,其它例子中,影片中前后数张场景的影像像素的差值或场景改变处亦可作为衡量复杂度的计算,此时复杂度的数量例如由上述的衡量准则的统计值或加权平均值来呈现。故此,步骤S110的影像复杂度计算的上述例子并非限定其实施例方式,其它能在空间域中反映出影像复杂度的各种合理衡量方式皆可用以实施步骤S110。
在步骤S120中,因为缩放系数、位率、影像复杂度之间存在着对应关系,故能得以依据步骤S110所得的影像复杂度及一欲求的目标位率来估算缩放系数,其中上述三个参数之间的对应关系,例如以多项式模型(polynomial model)来描述。此欲求的目标位率,例如对应到在使用影像撷取装置如拍照或拍摄视讯时,选择欲进行的压缩比例,例如是2∶1、4∶1或8∶1,或选择拍摄的影像品质如高、中、低画质的选项;又例如对应到选择欲求的文件大小或就目前暂存存储空间下,欲求的拍摄照片张数、或欲拍摄视讯的时间长度的情况下所计算得出的欲求的目标位率。
此多项式模型是预先建立的。发明人通过实验统计数据发现:在空间域上,在相同的缩放系数之下,单一通道(single channel)的影像复杂度(如上述所提及的噪声的程度)与影像压缩结果位率之间存在着高度的相关性。例如,利用同一影像撷取装置进行拍摄,将100张以上不同内容的样本影像(如大小为1280x960),分析同一缩放系数下的各个通道的影像复杂度与影像压缩结果的位组数的数据,其中影像复杂度采用边缘复杂度作衡量,将各样本影像缩小一半后,经边缘检测滤波处理后的输出结果加总视作此样本影像的复杂度。经过统计分析后,发现各单一通道的影像复杂度(如以x表示)与影像压缩结果的位组数(如以y表示)存在着高度的相关性。如图2是针对Y通道,以二次曲线来近似所得的结果,其中y=-10-10x2+0.0264x+184198,其中复相关系数R2=0.9844。另外,针对U通道,在影像复杂度约7x10-6~4.1x107之间,影像压缩结果的位组数可以用y=-2×10-11x2+0.0124x+13999来描述,其中复相关系数R2=0.9978。最后,针对V通道,在影像复杂度约6x10-6~3.2x107之间,影像压缩结果的位组数可以用y=3×10-11x2+0.0104x+33433来描述,其中复相关系数R2=0.994。
由于其相关性在YCbCr三个色彩空间上都有类似的特性,因此可以对于该相关性在各个通道上去发展出各自的数学模型(Mathematical Model)。例如,各通道皆可针对一缩放系数(例如标示为SF),采用一种对应关系(标示为f_SF)加以概括影像复杂度与影像压缩结果位率的对应关系,例如是以线性或多项式关系来描述。依据多个不同的缩放系数(SF1、SF2…SFn)所对应的影像复杂度与结果位率的对应关系(f_SF1、f_SF2…f_SFn),就能找出与目标位率最逼近的缩放系数的估计值。此外,对于不同的缩放系数所对应的影像复杂度与结果位率的数据受到实验时,样本影像的来源所影响,例如是产生样本影像的影像撷取感测组件的特性、上述空间域影像数据所经过的前置处理或所设定的影像处理参数如ISO、降噪声处理、图片大小、曝光时间所影响。但是,由于发明人通过实验统计数据发现:在空间域上,在相同的缩放系数之下,单一通道的影像复杂度与影像压缩结果位率之间存在着高度的相关性,故此,对于一影像撷取装置而言,可以用多项式来近似地描述此三个参数的两两之间的对应关系,以作为估算缩放系数及达到实质上预期的压缩比例的目的。例如,对于不同的分辨率的影像而言,亦可得到相似的比率失真曲线(rate-distortioncurves),而且估算的缩放系数可达到大于90%的准确率。
例如图3表示单一通道(如Y通道)在不同的缩放系数下(如从小至大:SFmin…SFi,SFi+1,SFi+2,SFi+3,SFi+4,SFi+5…SFmax),对于影像噪声的程度及影像压缩结果位率之间分别存在各自的对应关系(f_SFmin…f_SFi,f_SFi+1,f_SFi+2,f_SFi+3,f_SFi+4,f_SFi+5…f_SFmax)。对于YCbCr三个通道,例如以多项式模型数据库(Polynomial Model Database)来加以描述,在此例中以线性关系来描述。多项式模型数据库例如是包括针对各通道的多个对应关系的多项式的系数,在实作时可以记录在存储器中或以程序的数据结构来描述。在步骤S120中,依据步骤S110中所得的Y通道影像噪声程度及欲求的Y通道影像压缩位率(即目标位率),在数据库中可以对应出数个Y通道量化表格缩放系数的多项式模型,从而找出最符合逼近欲求的Y通道影像压缩位率的线性关系。如图3中,Y通道影像噪声程度为每单位像素为5时所对应的直线NL上,可找出最接近欲求的Y通道影像压缩位率为1.7位/像素所对应的缩放系数是落入至少两个已知的缩放系数如SFi+4及SFi+5之间,依据对应关系f_SFi+4及f_SFi+5,应用内插法即可得到估算的缩放系数SF_E。相似地,依照上述方法可求得Cb通道与Cr通道所使用的量化表格缩放系数。
图4为量化缩放系数内插估算的一示意图。依据Y通道影像噪声程度在多项式模型数据库中可以找到Y通道影像压缩位率A及B分别为最接近Y通道影像压缩目标位率R的上下限。如图4所示,Y通道影像压缩位率A及B所对应的量化表格缩放系数α及β可以推导得到其斜率并用内插法求出Y通道影像压缩目标位率R的量化表格缩放系数γ,公式如下:
γ=α+(R-B)/(A-B)*(α-β)。
相似地,依照上述方式可求得Cb通道与Cr通道所使用的量化表格缩放系数。
图3是以图像化方式示意一通道上的多项式模型数据库,当中的对应关系(多项式)所对应的缩放系数大小之间隔,例如是固定常数或非固定常数(即可以用不同间隔)。在另一实施例中,多项式模型数据库中的每个缩放系数间之间隔(interval)能得以改变,以加速搜寻对应目标缩放系数的过程。如图3中,单一通道的不同缩放系数SFmin,SFi+a,SFi+b,SFi+c,SFi+d,SFi+e,SFi+f…SFmax,间隔a至f等可以是固定常数或非固定常数。
在步骤S110及S112中,可分别计算空间域影像数据SD的色彩空间通道(channel)如Y、Cb及Cr通道的影像复杂度及进而估算各自的缩放系数。此外,就应用的需求或使用者的设定,例如原始影像为黑白影像,可以仅针对亮度(luminance)作计算,或为了色度(chrominance)来计算影像复杂度及估算缩放系数。
上述实施例使得初始化的缩放系数设定,可以在影像编码后达到近似于预期的压缩比例。此实施例可使用提供固定大小暂存区故而需要预先决定剩余的可使用暂存空间、可拍摄影像个数或记录时间的应用情形中。此方法可以适用于一次处理位率控制(One-Pass Bit Rate Control)及多次处理位率控制(Multi-Pass Bit RateControl)。
请参考图5,其为依据本发明的一实施例的影像压缩的位率控制装置10的方块图。本实施例如图5所示,利用上述的位率控制方法的实施例,完成对例如YUV444的影像或数据流进行JPEG位率控制的功能。
影像压缩的位率控制装置10包括一影像品质调整单元100及一影像压缩单元200。影像品质调整单元100用以进行影像压缩前之前置影像处理,以提供影像IM的空间域影像数据SD0及估算的缩放系数SF_E以供影像压缩单元200产生压缩的影像数据ED。原始的影像IM通过影像品质调整单元100的取样及色彩空间转换模块110得到YCbCr数据流,即影像IM的空间域影像数据SD0。影像品质调整单元100处理时为了减少运算量,令YCbCr数据流通过缩放模块120处理,长宽分别减少为原影像长宽的1/2,即空间域影像数据SD,其数据量减少为原数据量的1/4。影像品质调整单元100利用缩放系数估算模块500以分别计算出空间域影像数据SD的Y、Cb、Cr三个通道数据流中影像复杂度,并对于各个通道,依据所得到的影像复杂度及一目标位率,通过如前述实施例的缩放系数、影像压缩结果位率、影像复杂度之间的对应关系,例如是依据多项式数据库,估算对应的一缩放系数(如以SF_E表示),以得到Y、Cb、Cr三个通道量化表格缩放系数。
影像压缩单元200如图6所示,依据估算出的实质上最逼近影像压缩目标位率的缩放系数SF_E设定量化表格QT以进行JPEG编码,产生压缩的影像数据ED。在进行影像压缩之时,量化模块220对离散余弦转换(DCT)模块210产生的频率域影像数据,依据各通道的估算的缩放系数SF_E进行量化,之后以可变长度编码(VLC)模块230完成编码。而量化表格QT的元素,例如JPEG一般而言,系每一通道各自对应一个含8x8个数值的矩阵,例如独立JPEG小组(Independent JPEGGroup,IJG)提供建议的亮度的量化表及彩度的量化表,又例如各种数码照相机或影像处理软件亦有各自的亮度及彩度的量化表。如此,可依各通道的缩放系数SF_E,对量化表中的数值进行缩放,以得到各自于进行量化时使用的量化表格QT。
而利用以上实施例的概念,此领域的通常知识者当可应用上述装置以实现上述的方法的各个实施例式,而且,也可推衍到YUV420和YUV422格式的应用上。
另外,图5的实施例还可加入一回馈模块550,以使上述利用缩放系数估算模块的位率控制具有自我控制或调节的功能。
例如回馈模块550可实施为检查影像压缩结果位率是否与影像压缩目标位率逼近。若逼近的程度如预期范围则完成一次处理位率控制;若逼近的程度不如预期范围则可以使用各式前案多次处理位率控制方法决定下一次JPEG编码的缩放系数。由于所估算的缩放系数已经相当逼近影像压缩理想缩放系数,可被下一次JPEG编码作参考,如此可减少其各式前案多次处理位率控制方法的复杂度。
又例如回馈模块550可实施为记录影像压缩结果位率与影像压缩目标位率以作统计计算,例如以线性或多元回归分析的方式,针对如前述实施例的缩放系数、影像压缩结果位率、影像复杂度之间的对应关系或甚至其它影像参数,调整或修改多项式数据库的内容如多项式的系数,或是建立新的多项式,以符合实际应用的系统如影像撷取装置的特性差异或是更能符合使用者的拍摄特定景物的需要。回馈模块550可以用数字电路及存储缓存器以实现,又其它例子中,回馈模块550可以整合到影像品质调整单元100或是缩放系数估算模块500的中或是以可程序化的方式实现。
图6为另一实施例,其与图5的实施例的差别在于缩放系数估算模块500是独立成为一模块,例如包括一滤波器模块510及一缩放系数估算器520。滤波器模块510计算影像IM的空间域影像数据SD以输出相对应的影像复杂度C。缩放系数估算器520,对于各个通道,依据所得到的影像复杂度C及一目标位率TR,通过如前述实施例的缩放系数、影像压缩结果位率、影像复杂度之间的对应关系,例如已建立的多项式数据库,估算对应的一缩放系数SF_E,以得到Y、Cb、Cr三个通道量化表格缩放系数。而上述的缩放系数的估算,例如是以查表方式,如以图3或图4所示意的方式,从多项式数据库中找出最逼近的位率的上下限的多项式的系数,从而以内插法求得估算的缩放系数。
在实作上,影像压缩的位率控制装置10可以为一影像处理器或多媒体处理器的单芯片。另外,影像品质调整单元100可以通过一处理器或数字信号处理器为基础的影像处理电路或芯片加以实现,缩放系数估算模块500可以用硬件电路方式、程序化此影像处理电路的方式或是使用基于处理器的影像处理电路的软硬件的方式,依照上述实施例加以实现。
此外,影像压缩的位率控制装置10及缩放系数估算模块500的实施方式并不以上述实施例为限,任何利用基于如前述实施例的缩放系数、影像压缩结果位率、影像复杂度之间的对应关系以估算一通道量化表格缩放系数(或对应到缩放系数的量化表格的参数)的电路,皆可视为涵盖于本发明的实施方式的中。
例如,在一实施例中,缩放系数估算模块500可实施为接受一目标位率TR以及来自于一影像处理器在前置影像处理过程中已经产生的边缘检测结果,从而作出估算缩放系数。
又例如,在视讯编码(如MPEG类,如MPEG、MPEG-2)过程中,I画格(I-frame)相当次一张独立的影像,亦是基于JPEG的格式压缩的,故上述实施例亦可推广应用于视讯编码的位率的控制的电路及方法上。又例如,其它依据频率域影像转换(如DCT)及其量化的各种影像或视讯编码如Motion-JPEG及甚至三维的影像格式MPO(multi-picture object)、3D-AVI,亦可依上述实施例应用于视讯编码的位率的控制电路及方法上。
上述实施例揭露了依据本发明的利用估算量化格参数的影像压缩的位率控制方法及装置的实施方式。通过此估算的量化格参数如缩放系数以进行影像压缩,能对位率作出控制从而得到实质上符合预期压缩比例的结果。经统计,其准确率能大于90%。相对于现有需要多次重复或涉及频率域影像数据的估算作法,上述实施例可减少运算的时脉数和减少存储器的存取量,并能准确的提供使用者摄录装置有关暂存区可使用的时间或数据量的信息。
综上所述,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种等同的改变或替换。因此,本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (12)

1.一种影像压缩的位率控制方法,包括: 
依据一影像的空间域影像数据,求得对于一色彩通道该空间域影像数据的影像复杂度; 
对于该色彩通道,依据该影像复杂度及一目标位率,从一多项式模型数据库中,对应出多个多项式模型,以找出最符合该目标位率的一多项式模型,用以估算对应的一缩放系数,其中该多项式模型是一影像压缩结果位率与该影像复杂度的对应关系;以及 
在进行该影像的影像压缩之时,对该影像的频率域影像数据,依据对应于该色彩通道的该估算的缩放系数进行量化。 
2.根据权利要求1所述的位率控制方法,其特征在于,该影像的空间域影像数据是该影像的原始影像数据经色彩空间转换及放大缩小后的空间域影像数据流。 
3.根据权利要求1所述的位率控制方法,其特征在于,对于该色彩通道,该空间域影像数据的影像复杂度是基于该空间域影像数据的边缘或纹理的噪声的程度。 
4.根据权利要求1所述的位率控制方法,其特征在于,对于该色彩通道,该空间域影像数据的影像复杂度是基于该影像及包含该影像的一影片的至少一场景的影像的像素的差值或场景改变处以作衡量。 
5.根据权利要求1所述的位率控制方法,其特征在于,估算对应的该缩放系数的步骤,对于该色彩通道,该缩放系数是基于该色彩通道的多个缩放系数所对应的影像压缩结果位率与影像复杂度之间的对应关系而估算得到。 
6.一种影像压缩的位率控制装置,包括: 
一缩放系数估算模块,依据一影像的空间域影像数据,求得对于一色彩通道该空间域影像数据的影像复杂度,并对于该色彩通道,依据该影像复杂度及一目标位率,从一多项式模型数据库中,对应出多个多项式模型,以找出最符合该目标位率的一多项式模型,用以估算对应的一缩放系数,其中该多项式模型是一影像压缩结果位率与该影像复杂度的对应关系;以及 
一影像压缩单元,在进行该影像的影像压缩之时,对该影像的频率域影像数据,依据对应于该色彩通道的该估算的缩放系数进行量化,以产生影像压缩数据。 
7.根据权利要求6所述的位率控制装置,其特征在于,该影像的空间域影像数据是该影像的原始影像数据经色彩空间转换及放大缩小后的空间域影像数据流。 
8.根据权利要求6所述的位率控制装置,其特征在于,对于该色彩通道,该空间域影像数据的影像复杂度是基于该空间域影像数据的边缘或纹理的噪声的程度。 
9.根据权利要求6所述的位率控制装置,其特征在于,对于该色彩通道,该空间域影像数据的影像复杂度是基于该影像及包含该影像的一影片的至少一场景的影像的像素的差值或场景改变处以作衡量。 
10.根据权利要求6所述的位率控制装置,其特征在于,该缩放系数估算模块,对于该色彩通道,依据基于该色彩通道的多个缩放系数所对应的影像压缩结果位率与影像复杂度之间的对应关系而估算该缩放系数。 
11.根据权利要求10所述的位率控制装置,其特征在于,该缩放系数估算模块包括: 
一滤波器模块,依据该影像的空间域影像数据,求得对于该色彩通道该空间域影像数据的影像复杂度;以及 
一缩放系数估算器,对于该色彩通道,依据该影像复杂度及该目标位率,估算对应的该缩放系数。 
12.根据权利要求11所述的位率控制装置,其特征在于,还包括: 
一回馈模块,用以依据该些影像压缩结果位率与该影像压缩目标位率以控制该缩放系数估算模块。 
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