CN103237209B - 一种基于区域dct系数的h264视频水印方法 - Google Patents

一种基于区域dct系数的h264视频水印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法,属于多媒体信息安全技术领域。本发明首先对视频I帧进行区域划分,通过计算每个区域的能量,选择合适的视频区域DCT系数进行水印嵌入,水印被分散嵌入到多个宏块,增强了水印的鲁棒性。视频区域DCT系数的更新采用了动态的量化步长,提高了水印的不可感知性。本发明在视频编码压缩的同时进行水印嵌入,减少了水印嵌入对视频码率的影响。

Description

一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法
技术领域
本发明涉及一种视频水印方法,尤其涉及一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法,属于多媒体信息安全技术领域。
背景技术
随着数码设备的普及,人们开始自己录制和制作视频,部分用户甚至通过微博等社交平台将其发送到网上与人分享。互联网本身就是个社区,内容+社区化,是视频行业今后发展的趋势。一方面,视频分享对作品的推广发挥了重要作用;另一方面,视频分享也是滋生盗版的温床,极大侵害了相关著作权人的利益。以YouTube为例,网站自成立以来,多次卷入视频侵权诉讼。2007年3月,维亚康姆公司以视频版权遭到侵害为由,起诉YouTube,要求赔偿其版权损失10亿美元,YouTube因版权问题被迫撤下了数以万计的视频。因此,有效的对视频进行版权保护,既有利于维护网站、视频版权制作者的利益,也有利于网络视频产业的健康发展。
视频水印技术是解决视频版权问题的有效手段。但是,要将视频水印技术应用于社交网络上进行版权保护,需要针对实际的应用环境,设计出相适应的视频水印方法。要将视频水印技术应用于社交网络视频的版权保护,水印嵌入需要考虑以下几个实际的问题:1、由于视频水印的嵌入操作有一定的计算复杂度,且网站每天上传的视频数量众多,如果嵌入水印的代价过高,那么网站出于利益的考虑,将难以直接为视频制作者提供快速的水印嵌入服务。2、社交网络平台的用户类型多样,有电脑用户、手机用户,而为方便不同的用户观看视频,网站会提供多种分辨率的视频供用户选择,视频水印需要能够抵抗缩放攻击,具有较高的鲁棒性。3、由于视频的类型不同,有高清视频、普通视频等,这些视频在嵌入水印后不能出现明显的质量下降,即水印应具有较好的不可感知性。4、社交网站上通过手机观看视频的用户数量众多,而目前大多数的手机都是采用硬件实现视频解码,码率的增加将会使硬件缓冲器产生上溢,甚至导致音频和视频的不同步。并且由于视频需要在网络上传输,所以水印嵌入方法不能明显增加视频的码率。
在已有的视频水印方法中,针对不同的应用场合,往往采取不同的水印嵌入策略。针对视频点播等实时性要求高的场合,Nguyen等提出一种在视频编码后的运动矢量差(MotionVectorDifference,MVD)字段嵌入水印的方法。该方法可以省去全部解码和编码的过程,从而大大减少计算量,但水印稳健性较差(NGUYENC,TAYDBH,DENGG.AfastwatermarkingsystemforH264/AVCvideo[C].IEEEAsiaPacificConferenceonCircuitsandSystems,2006:81-84)。为了实现视频认证和视频的完整性检测,周国瑞等提出了一种内容级视频水印认证方法。方法利用I帧内的块组之间能量不变的特点构建基于内容的特征码,并根据DCT系数特点,通过符号编码方式将水印嵌入到幅值较小的DCT系数。通过对提取出的水印信息和重构的认证码进行比较可实现视频的篡改检测(周国瑞,王文江,孙世新.一种有效识别正版视频的TDIA算法[J].计算机学报.2010(1):175-183.)。
张维纬等提出一种基于纹理特征的顽健视频水印方法。该方法首先对视频宏块进行整数DCT变换(离散余弦变换),判断其是否是纹理块,再采用能量差的方式自适应选择系数嵌入水印。该方法能够有效抵抗高斯噪声、重编码等常见的视频水印攻击,且对视频码率的影响较小,但由于没有进行有效的误差补偿,水印对视频的质量影响较大(张维纬,张茹,刘建毅等.基于纹理特征的H264/AVC顽健视频水印算法[J].通信学报.2012(3):82-89)。钱莉等提出了一种基于DCT域特征块的视频水印方法。该方法利用宏块的DCT低频系数来提取具有一定纹理特性的特征块,然后利用密钥选出需要嵌入水印的特征块,将水印嵌入其DCT系数(钱莉,刘文予,张帆等.一种基于DCT域特征块的抗几何攻击的视频水印[J].中国图象图形学报.2007(5):819-825)。以上两种方法主要应用于实时性要求不高的场合,对视频进行版权保护。
上述文献中的视频水印方法大都是基于宏块的视频水印方法,当视频缩放后,视频帧的宏块将会改变,导致水印提取不同步,都无法有效的抵抗缩放攻击。为了使水印能够抵抗缩放攻击,Lee等首先根据视频宏块DCT系数,计算出视频帧的全帧DCT系数矩阵,并将水印嵌入全帧DCT系数的中低频部分(LEEM,IMD,LEEH.Real-timevideowatermarkingsystemonthecompresseddomainforhigh-definitionvideocontents:Practicalissues[J].DigitalSignalProcessing.2012,22(1):190-198)。Ling等提出的水印方法与Lee类似,它选择将水印嵌入全帧DCT系数的低频部分(HefeiLing,WANGL,ZOUF,etal.Robustvideowatermarkingbasedonaffineinvariantregionsinthecompresseddomain[J].SignalProcessing.2011,8(91):1863-1875)。Ling和Lee提出的水印方法对缩放攻击具有较好的抵抗作用,水印的鲁棒性较好。但是,他们提出的水印方法实际上是将图像水印的思想直接应用在视频上,并没有考虑到视频本身的特点。此外,修改视频帧的全帧DCT系数也使得视频帧的能量改变较大,容易造成一些细节上的失真,水印的不可感知性较差。
综上所述,现有视频水印方法只能部分满足社交网站对视频水印的需求,均不能直接应用于社交网站,对视频进行版权保护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有视频水印技术的不足,提供一种基于区域DCT系数的H.264(或H264)视频水印方法,能够抵抗缩放攻击,且不可感知性较好,对视频码率影响小。
本发明具体采用以下技术方案:
一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法,在H264视频编码阶段,首先利用以下方法确定水印嵌入的位置:将原始视频的每一幅I帧划分为多个包含多个宏块的区域,各区域所包含的宏块数相同;对每一幅I帧,计算其中每个区域的能量,并选出能量大于该I帧中所有区域能量的中间值的区域;然后按照能量从大到小的顺序,依次在所选出的区域中嵌入水印;最后将I帧写入码流,编码生成含水印信息的H264视频;
在H264视频解码阶段,对解码后的H264视频,首先利用以下方法确定水印嵌入的位置:按照与视频编码时相同的划分方法对每一幅I帧进行区域划分;对每一幅I帧,计算其中每个区域的能量,并选出能量大于该I帧中所有区域能量的中间值的区域;按照能量从大到小的顺序,依次对所选出的区域进行水印提取;
所述区域的能量为该区域中所包含的所有宏块的能量之和,任一宏块的能量Eblock按照下式得到:
Eblock=DC+Lagr×Bitblock,
式中,DC为该宏块DCT系数的直流系数,Bitblock为该宏块的比特数,Lagr为拉格朗日系数。
本发明技术方案中,对所划分的各区域进行水印嵌入和提取还可采用现有的各种方法实现,例如,Chen等提出的单极性参数的抖动调制方法(B.ChenandG.W.Wornell,Digitalwatermarkingandinformationembeddingusingdithermodulation[C].ProceedingsofIEEEMMSP,1998:273-278),Miyazaki等提出的基于DCT变换域抖动调制方法(MiyazakiA,OkamotoAkihiro.Analysisofwatermarkingsystemsinthefrequencydomainanditsapplicationtodesignofrobustwatermarkingsystems[C].IEEEInternationalConferenceonAcoustics,2001:1969-1972)等。为了进一步提高水印的不可感知性,保证水印嵌入视频后视频质量不会出现明显下降,本发明优选以下技术方案:
所述在所选出的区域中嵌入水印,具体按照以下方法:
步骤1、根据其所包含的宏块的DCT系数矩阵计算出当前区域的DCT系数矩阵;
步骤2、根据以下公式修改当前区域的DCT系数矩阵中左上角8×8的低频系数:
式中,f、f′分别为嵌入水印前、嵌入水印后的DCT系数;w表示水印的一个比特;m=[f/Δ];|m|为m的绝对值;Δ为每个DCT系数的量化步长,利用以下公式得到:
Δ=max{G×max(t[i,j,k],|C[i,j,k]|0.7t[i,j,k]0.3),Lp×E0,0},
其中,G、Lp分别为水印嵌入强度的上限、下限,取值范围分别为(0.01,1)、(0,0.01);C[i,j,k]为当前区域k的DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数,E0,0为所有区域的DCT系数矩阵的直流系数的平均值;max为取最大值运算;t[i,j,k]为当前区域k的DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数的亮度屏蔽阈值,由以下公式给出:
t [ i , j , k ] = ( t [ i , j ] ) 1 δ ( C [ 0,0 , k ] C 0,0 ) α T ( C 0,0 128 ) ,
其中,t[i,j]为DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数的灵敏度,αT为常数0.649,C0,0为当前区域k的DCT系数矩阵的直流系数,Q为单个区域中所包含的像素数;
步骤3、按照修改后的区域DCT系数矩阵,利用区域DCT系数矩阵与区域内宏块DCT系数矩阵之间的关系对该区域内各宏块的DCT系数进行修改;
所述对所选出的区域进行水印提取,具体按照以下方法:
计算所选出的各区域的DCT系数矩阵中左上角8×8的每个低频系数的量化步长Δ,并按照下式提取出嵌入的水印w:
其中,g表示区域DCT系数矩阵中左上角8×8的各低频系数,Δ为该低频系数对应的量化步长,mod为取模运算。
优选地,在对视频I帧进行区域划分时,每个区域的大小至少为64×64个像素。
将本发明方法应用于现有社交网络的版权保护,还可得到:
一种基于客户端的水印嵌入系统,包括:水印管理服务器、DRM管理服务器、DRM数据库、流媒体服务器;水印管理服务器负责为视频制作者提供水印插件下载服务;DRM管理服务器负责维护和管理视频的版权信息,并在发生版权纠纷时为视频制作者提供相应的法律证据;DRM数据库用于存储视频的版权信息;流媒体服务器负责接收视频制作者上传的视频,并对其进行处理,供用户下载分享;所述水印插件采用上述任一技术方案所述基于区域DCT系数的H264视频水印方法对H264视频进行水印嵌入和提取。
相比现有技术,本发明的水印方法具有以下有益效果:
(1)本发明对视频帧进行区域划分,然后计算每个区域的能量;区域能量包括直流系数和比特数两个部分,并通过拉格朗日系数进行融合,最后根据区域能量,选择合适的视频区域进行水印嵌入。由于视频区域相对于视频宏块更加稳定,因此可以有效提高水印的鲁棒性。
(2)本发明采用动态的量化步长修改视频帧的区域DCT系数实现水印嵌入,给出了视频区域DCT系数合适的量化步长计算公式,从而保证了水印嵌入视频后视频质量不会出现明显下降。
(3)本发明的水印嵌入选择在视频编码时进行,由于不需要进行误差补偿,减少了由于水印嵌入而带来的帧间误差,进一步提高了水印的不可感知性。此外,在H264的码率控制策略下,水印嵌入对整个视频帧的码率影响较小。
附图说明
图1为本发明方法水印嵌入的流程示意图;
图2为本发明的基于客户端的水印嵌入系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
本发明的思路是在H264编码时,对视频I帧进行区域划分,并根据能量大小选择能量较高的区域嵌入水印,其中区域能量包括DCT直流系数和比特数两个部分,并通过拉格朗日系数进行融合。由于所划分的视频区域相对于视频宏块更加稳定,因此可以有效提高水印的鲁棒性。本发明进一步通过采用动态的量化步长修改视频帧的区域DCT系数来实现水印嵌入,从而保证水印嵌入视频后视频质量不会出现明显下降。
下面以本发明的一个优选方案为例来对本发明技术方案进行详细说明:
本发明水印方法具体包括以下内容:
水印嵌入:
第1步:在H264视频编码阶段,选择视频I帧进行水印嵌入;
第2步:对当前I帧进行区域划分:将原始视频的每一幅I帧划分为多个包含多个宏块的区域,各区域所包含的宏块数相同。本发明优选每个视频区域至少为64×64个像素大小。一般对于704×576大小的视频,建议的分区数为8×8,即每个区域大小为88×72,包含396个4×4大小的宏块;352×288大小的视频,建议的分区为数为4×4;
第3步:对视频帧进行区域划分后,假设每个视频区域包含L×N行和M×N列,则每个视频区域含有L×M个宏块,每个宏块含有N×N个像素;则可利用公式(1),根据所包含宏块的DCT系数矩阵计算出各区域的DCT系数矩阵areaDCT;
areaDCT = 1 LM A 1 B 0,0 B 0,1 . . . B 0 , M - 1 B 1,0 B 1,1 . . . B 1 , M - 1 . . . . . . . . . . . . B L - 1,0 B L - 1,1 . . . B L - 1 , M - 1 A 2 T - - - ( 1 )
公式(1)中,Bi,j为当前区域中位置为(i,j)的宏块的DCT系数矩阵,i=0,1,2,…,L-1,j=0,1,2,…,M-1,A1和A2分别为DCT变换的前置变换基和后置变换基;
第4步:利用公式(2)计算I帧的每个区域的能量Earea
Earea=E1+E2+…+Ei+…+En(2)
公式(2)中E1、E2、…、Ei、…、En分别表示第1、2、…、i、…、n个宏块的能量,n为每个区域包含的宏块个数,n=L×M,每个宏块的能量计算公式为:
Eblock=DC+Lagr×Bitblock(3)
公式(3)中DC为该宏块DCT系数的直流系数,Bitblock为该宏块的比特数,Lagr为拉格朗日系数;
第5步:选择区域能量Earea>midEarea的区域,并按照计算得到的区域能量,将区域从大到小进行排序,将需要嵌入的水印依次嵌入所选择的各区域;其中midEarea为当前I帧中所有区域能量的中间值;
第6步:利用公式(4)计算需要嵌入水印区域的每个DCT系数的量化步长Δ;
Δ=max{G×max(t[i,j,k],|C[i,j,k]|0.7t[i,j,k]0.3),Lp×E0,0}(4)
公式(4)中,G、Lp为水印嵌入强度的上限和下限,是两个预设的常数,其取值范围分别为(0.01,1)以及(0,0.01),具体取值可根据经验或通过实验选取,例如:对于88×72大小的分区,G建议设置为0.0355,Lp建议设置为0.005;C[i,j,k]为当前区域k的DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数,E0,0为所有区域DCT系数矩阵的直流系数的平均值;max为取最大值运算;t[i,j,k]为当前区域k的DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数的亮度屏蔽阈值;
亮度屏蔽阈值t[i,j,k]的计算公式如下:
t [ i , j , k ] = ( t [ i , j ] ) 1 δ ( C [ 0,0 , k ] C 0,0 ) α T ( C 0,0 128 ) - - - ( 5 )
公式(5)中t[i,j]为DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数的灵敏度,灵敏度是一个通用的值,对于不同的DCT系数矩阵,值是相同的;(由于单个区域中所包含的像素数Q=L×N×M×N,即有αT为0.649,C0,0为当前区域k的DCT系数矩阵的直流系数;
第7步:采用公式(6)修改当前区域DCT系数矩阵中的低频系数,将水印信息依次嵌入DCT系数矩阵左上角8×8的低频系数;
公式(6)中Δ为利用公式(4)计算得到的量化步长,f为嵌入水印前的DCT系数,f′为嵌入水印后的DCT系数,w表示水印的一个比特,m=[f/Δ],|m|为m的绝对值;
第8步:修改完区域DCT系数后,利用公式(1)反向修改该区域内每个宏块的DCT系数;然后将当前视频I帧写入码流;
第9步:判断编码是否结束,如果结束,则停止水印嵌入,最后编码生成含水印信息的H264视频;否则转入步骤1,继续进行水印嵌入。
水印嵌入的整个流程如图1所示。
水印提取:
第1步:解码H264视频,选择视频的I帧进行水印提取;
第2步:对选择的视频I帧进行区域划分,划分的方法与水印嵌入时的方法一致;对视频进行区域划分结束后,利用公式(1),根据宏块DCT系数矩阵计算出视频区域DCT系数矩阵areaDCT;
第3步:按公式(2)计算每个视频区域的能量Earea
第4步:选择Earea>midEarea的视频区域,并按照能量从大到小的次序对选出的区域进行排序,然后依次进行水印提取:首先按公式(4)计算出区域DCT系数矩阵中左上角8×8的每个低频系数所对应的量化步长,然后利用公式(7)进行计算,提取出嵌入的水印w;
公式(7)中,g表示区域DCT系数矩阵中左上角8×8的各低频系数,Δ为该低频系数对应的量化步长,mod为取模运算。
在本实施例中,由于是取区域DCT系数矩阵中左上角8×8的低频系数进行修改,因此每个区域可嵌入63bit水印;假设区域能量Earea>midEarea的区域个数为EN,则一幅I帧中可嵌入的水印大小为63×ENbit。当特殊情况下,需要嵌入的水印长度大于63×EN时,则将剩余的水印嵌入后续的视频I帧中。
本发明的水印方法尤其适合于对社交网络中的视频进行版权保护。图2显示了本发明的基于客户端的水印嵌入模型。水印嵌入将由视频上传用户,即视频制作者来完成,视频制作者在对自己视频编码压缩的同时,将用于标识自己版权的信息作为水印嵌入视频,最后将其上传到社交网站,与好友或者大众进行分享。由视频制作者进行水印嵌入,一方面能够减轻网站的运行负担,另一方面也符合一般的权利与义务法则:视频制作者是视频版权的拥有者,也是版权保护的受益者,需要为其承担相应的义务。社交网站可以将本发明提出的水印方法制作成水印插件,作为一种服务提供给视频制作者。
基于客户端的水印嵌入模型,主要包括水印管理服务器、DRM管理服务器、DRM数据库、流媒体服务器这几个部分。水印管理服务器负责为视频制作者提供水印插件下载服务,当视频制作者需要为自己的视频嵌入水印时,首先向网站提出水印嵌入申请。水印管理服务器接到视频制作者的水印嵌入申请后,将水印插件传输给视频制作者。DRM管理服务器负责维护和管理视频的版权信息,并在发生版权纠纷时为视频制作者提供相应的法律证据。DRM数据库用于存储视频的版权信息。流媒体服务器主要负责接收视频制作者上传的视频,并对其进行处理,供社交网站上的用户下载分享。
实际应用中,视频制作者可以首选根据自己的需求,决定是否需要进行水印嵌入,如果需要为自己上传的视频嵌入水印,则从网站的水印管理服务器下载相应的水印嵌入插件,并将水印嵌入视频,最后将视频上传至网站。网站的水印管理服务器接收到视频制作者视频上传请求后,如果视频制作者需要嵌入视频,则将水印插件传输给视频制作者。待视频制作者完成水印嵌入后,流媒体服务器首先对视频制作者上传的视频进行一个快速检测,判断视频是否为合法视频,如果视频合法,则接收视频制作者上传的视频,否则拒绝接收。
流媒体服务器在收到视频制作者上传的含有水印信息的视频后,将负责记录视频制作者上传视频的时间等相关记录,将其作为视频的版权信息提交给DRM管理服务器,DRM管理服务器接受到信息后将其存入DRM数据库。
当出现版权纠纷时(例如:假冒视频的版权所有者,获取非法利益等),视频制作者首先利用水印提取方法从视频中提取出水印,然后视频制作者向网站提出相应的版权申诉,网站根据视频制作者的申诉,将与视频制作者上传视频相关的版权信息作为证据提供给视频制作者。视频制作者利用从视频提取出的水印以及网站提供的相应的版权信息作为法律证据,指控非法用户。

Claims (3)

1.一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法,其特征在于,
在H264视频编码阶段,首先利用以下方法确定水印嵌入的位置:将原始视频的每一幅I帧划分为多个包含多个宏块的区域,各区域所包含的宏块数相同;对每一幅I帧,计算其中每个区域的能量,并选出能量大于该I帧中所有区域能量的中间值的区域;然后按照能量从大到小的顺序,依次在所选出的区域中嵌入水印;最后将I帧写入码流,编码生成含水印信息的H264视频;
在H264视频解码阶段,对解码后的H264视频,首先利用以下方法确定水印嵌入的位置:按照与视频编码时相同的划分方法对每一幅I帧进行区域划分;对每一幅I帧,计算其中每个区域的能量,并选出能量大于该I帧中所有区域能量的中间值的区域;按照能量从大到小的顺序,依次对所选出的区域进行水印提取;
所述区域的能量为该区域中所包含的所有宏块的能量之和,任一宏块的能量Eblock按照下式得到:
Eblock=DC+Lagr×Bitblock,
式中,DC为该宏块DCT系数的直流系数,Bitblock为该宏块的比特数,Lagr为拉格朗日系数;
其中,所述在所选出的区域中嵌入水印,具体按照以下方法:
步骤1、根据其所包含的宏块的DCT系数矩阵计算出当前区域的DCT系数矩阵;
步骤2、根据以下公式修改当前区域的DCT系数矩阵中左上角8×8的低频系数:
式中,f、f'分别为嵌入水印前、嵌入水印后的DCT系数;w表示水印的一个比特;
m=[f/Δ];|m|为m的绝对值;Δ为每个DCT系数的量化步长,利用以下公式得到:
Δ=max{G×max(t[i,j,k],|C[i,j,k]|0.7t[i,j,k]0.3),Lp×E0,0},
其中,G、Lp分别为水印嵌入强度的上限、下限,取值范围分别为(0.01,1)、(0,0.01);C[i,j,k]为当前区域k的DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数,E0,0为所有区域的DCT系数矩阵的直流系数的平均值;max为取最大值运算;t[i,j,k]为当前区域k的DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数的亮度屏蔽阈值,由以下公式给出: t [ i , j , k ] = ( t [ i , j ] ) 1 δ ( C [ 0 , 0 , k ] C 0 , 0 ) α T ( C 0 , 0 128 ) ,
其中,t[i,j]为DCT系数矩阵中在(i,j)位置的DCT系数的灵敏度,αT为常数0.649,C0,0为当前区域k的DCT系数矩阵的直流系数,Q为单个区域中所包含的像素数;
步骤3、按照修改后的区域DCT系数矩阵,利用区域DCT系数矩阵与区域内宏块DCT系数矩阵之间的关系对该区域内各宏块的DCT系数进行修改;
所述对所选出的区域进行水印提取,具体按照以下方法:
计算所选出的各区域的DCT系数矩阵中左上角8×8的每个低频系数的量化步长Δ,并按照下式提取出嵌入的水印w:
其中,g表示区域DCT系数矩阵中左上角8×8的各低频系数,Δ为该低频系数对应的量化步长,mod为取模运算。
2.如权利要求1所述基于区域DCT系数的H264视频水印方法,其特征在于,在对视频I帧进行区域划分时,每个区域的大小至少为64×64个像素。
3.一种基于客户端的水印嵌入系统,包括:水印管理服务器、DRM管理服务器、DRM数据库、流媒体服务器;水印管理服务器负责为视频制作者提供水印插件下载服务;DRM管理服务器负责维护和管理视频的版权信息,并在发生版权纠纷时为视频制作者提供相应的法律证据;DRM数据库用于存储视频的版权信息;流媒体服务器负责接收视频制作者上传的视频,并对其进行处理,供用户下载分享;其特征在于,所述水印插件采用权利要求1~2任一项所述基于区域DCT系数的H264视频水印方法对H264视频进行水印嵌入和提取。
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