CN103439230A - 一种气泡参数测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气泡参数测量方法及测量装置，包括光源模组、光学成像设备、标定板支架、透明水槽和标定板；所述透明水槽位于光源模组和光学成像设备之间，标定板安装在标定板支架上且伸入到透明水槽中；所述光学成像设备分别采集标定板上的标定图像和透明水槽中的气泡图像，并将采集到的图像数据分别发送至数据处理终端，通过数据处理终端分别进行图像尺寸标定和气泡图像的分析处理，以生成气泡参数。本发明的气泡参数测量装置可以计算气泡在液体中的体积及其形状特征等参数，不仅测量参数可调，测量结果准确、实时性强，而且可以在很大程度上节约样品溶液的使用量，简化操作过程，适合在科研、教学、海水监测等领域中广泛应用。

Description

一种气泡参数测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于水样检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对液体样品中的气泡参数进行检测的测量方法及测量装置。

背景技术

海洋、江河、湖泊的流动会产生大量的气泡，水下生物的呼吸、扰动也会产生大量的气泡，气泡的生成在一定程度上会影响到海洋、江河、湖泊与外界环境的变化。气泡在水中存活的时间一般在数秒到数百秒之间，它的主要成分是空气，包括O₂、部分CO₂和少量的CO、SO₂ 、CH₄以及碳氟化合物等有毒气体。研究气泡的特性在流体动力学和物质交换、环境噪音、地球物理学、化学工程应用、生物制药、废水处理和环境科学等方面都有十分重要的作用。

海洋、江河、湖泊中的气泡主要是由波浪破碎产生的，其直径一般不超过毫米级，所以形状基本近似圆形，通常采用声散射方法或者光学摄影方法来检测气泡的分布和粒径尺寸。其中，在采用声散射方法对气泡参数进行检测的过程中，所需使用的设备结构相对简单，检测方便，但受环境噪声影响比较大，检测精度低，在解决流场中气泡的空间分布（如速度和粒径等）问题时，很难达到良好的效果。光学检测方法是目前用来研究气泡参数的主要方法，其检测设备相对复杂，成本高，但是成像精度高，可以获得很清晰的气泡图像。通过对气泡图像的处理，可以为单个气泡的属性信息提供详细的行为细节，也可以通过具有一定时序的图像，分析气泡群的运动特性，研究气泡破碎在海气界面气体交换中的作用，也可以用来研究气泡的运动，计算水体与气体界面上的热量和能量交换，校正海色遥感中水下光场的反射误差，分析气泡对水声噪声的影响以及勘测海洋的地质变化等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的气泡参数测量装置，用于对液体中的气泡体积及其形态特征实现快速、准确的分析。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种气泡参数测量装置，包括光源模组、光学成像设备、标定板支架、透明水槽和标定板；所述透明水槽位于光源模组和光学成像设备之间，标定板安装在标定板支架上且伸入到透明水槽中；所述光学成像设备分别采集标定板上的标定图像和透明水槽中的气泡图像，并将采集到的图像数据分别发送至数据处理终端，通过数据处理终端分别进行图像尺寸标定和气泡图像的分析处理，以生成气泡参数。

为了方便地调节光源模组、标定板和光学成像设备之间的位置关系，将所述光源模组、光学成像设备和标定板支架均滑动安装在一滑动导轨上，且标定板支架位于光源模组与光学成像设备之间，所述滑动导轨安装在底座支架上。

进一步的，在所述底座支架的中间部位形成有基座，所述透明水槽放置在所述的基座上，所述标定板支架套装在透明水槽的外侧，标定板支架的底部安装在一个独立的滑块上，所述滑块安装在所述的滑动导轨上，以方便调节标定板的位置。

为了对标定板的上下位置实现调节，在所述标定板支架上安装有上下位置可调的标定板位置调节杆，在所述标定板位置调节杆的底部安装所述的标定板。

作为所述光源模组的一种优选结构组建方式，在所述的光源模组中设置有LED灯、LED灯支架、万向调节轴和磨砂玻璃；所述LED灯通过万向调节轴安装在LED灯支架上，所述LED灯支架固定安装在一个独立的滑块上，所述滑块安装在所述的滑动导轨上；所述磨砂玻璃安装在LED灯的出光端面上，对LED灯发出的光线进行散射，以方便光学成像设备获取气泡的投影图像，为计算气泡的粒径等参数提供技术上的支持。

为了对光学成像设备的高度进行调节，优选将所述光学成像设备安装在位置调节支架上，所述位置调节支架安装在一个独立的滑块上，所述滑块安装在所述的滑动导轨上。

为了使本发明所提出的气泡参数测量装置不仅适用于对待测样品溶液中气泡参数的分析、检测过程，而且还可以同时作为模拟实验装置应用于教学和理论研究的实验过程中，本发明在所述透明水槽中还进一步设置了出气孔，所述出气孔连接气体输送管，通过气体输送管连接气泡发生器，由此便可以采用人工制造气泡的方式，利用人为生成的气泡来代替实际样品溶液中所存在的气泡，完成教学和理论研究实验。

优选的，所述出气孔优选设置在透明水槽的底部，在气体输送管的带动下在透明水槽内水平移动，以便在需要的位置生成检测所需的气泡，方便实验的进行。

基于上述气泡参数测量装置，本发明还提出了一种利用该装置实现的气泡参数测量方法，包括以下步骤：

a、利用标定板上的标定图像，建立标定图像的实际尺寸与光学成像设备的像素个数之间的对应关系，完成图像尺寸标定过程；

b、移除标定板，在透明水槽中注入待测样品溶液；

c、获取气泡图像，根据气泡图像的像素个数以及标定过程中所生成的对应关系计算出气泡的实际尺寸。

优选的，所述标定图像为由多个实心圆点排列形成的实心圆点阵列；所述图像尺寸标定过程具体包括以下步骤：

a1、将标定图像平均分成n×n个区域；

a2、计算每个区域的中心点O_i的坐标；

a3、对每个区域内的实心圆点进行分割，获取每个实心圆点的轮廓；

a4、计算每个区域内的每个实心圆点的中心点D_i的坐标；

a5、计算每个区域的中心点O_i至该区域内各实心圆点的中心点D_i之间的几何距离d_i；

a6、选择d_i最小的一个实心圆点作为基准图像，统计该实心圆点的直径所对应的像素个数；

a7、建立每个区域内作为基准图像的实心圆点的实际直径尺寸与该实心圆点直径所对应的像素个数之间的对应关系，完成图像尺寸的标定过程。

进一步的，所述步骤c具体包括以下过程：

c1、将获取到的气泡图像平均分成n×n个区域；

c2、计算每个区域的中心点O_i’的坐标；

c3、对整个气泡图像内的气泡进行分割，获取每个气泡的轮廓；

c4、生成每个气泡的最小外接矩形，计算每个最小外接矩形的中心点D_i’坐标；

c5、根据每个最小外接矩形的中心点D_i’坐标所在的区域，确定每个气泡所在的区域；

c6、针对当前气泡所在的区域，查找该气泡所在区域在标定结果中的对应关系；

c7、根据当前气泡的最小外接矩形的长和宽像素个数，利用查找到的对应关系，计算气泡的实际长度尺寸和实际宽度尺寸，获得当前气泡的粒径尺寸。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的气泡参数测量装置结构简单，成本低廉，可以计算气体（气泡）在液体中的体积及其形状特征等参数，不仅测量参数可调，测量结果准确、实时性强，而且可以在很大程度上节约样品溶液的使用量，简化操作过程，适合在科研、教学、海水监测等领域中广泛应用，实现对流动/非流动性透明液体中气泡参数的准确测量。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的气泡参数测量装置的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明所提出的气泡参数测量方法的一种实施例的处理流程图；

图3是标定板的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

参见图1所示，本实施例的气泡参数测量装置主要由光源模组、光学成像设备12、标定板支架7、透明水槽19和标定板8组成。其中，所述透明水槽19位于光源模组与光学成像设备12之间，通过调节光源模组与透明水槽19之间的相对位置关系以及光学成像设备12与透明水槽19之间的相对位置关系，以方便光学成像设备12清晰地获取透明水槽19中气泡的投影图像。由于通过光学成像设备12获取到的气泡图像并不能准确地反映出气泡的实际粒径尺寸，为了建立起气泡图像与气泡实际尺寸之间的对应关系，本实施例在测量装置中设计了标定板8，优选安装在标定板支架7上，且伸入到透明水槽19中，用于对图像尺寸进行标定。

由于在标定过程中需要经常地调节光源模组、标定板8和光学成像设备12之间的相对位置关系，以获得清晰、合适的投影图像，因此，本实施例在所述的测量装置中进一步设计了滑动导轨17，采用滑动连接的方式将所述的光源模组、标定板支架7和光学成像设备12安装在滑动导轨17上，以方便光源模组、标定板8和光学成像设备12之间位置的调节。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述滑动导轨17优选安装在一个底座支架1上，参见图1所示。所述底座支架1作为整个装置的支撑部件，优选设计成框架式结构，以减少用料，降低成本。在底座支架1底部的四个边角位置安装有支架垫脚21，底座支架1的上方安装所述的滑动导轨17。将所述光源模组、标定板支架7和光学成像设备12滑动安装在所述的滑动导轨17上，底座支架1的中间部位形成基座24，将所述的透明水槽19放置在基座24上，将标定板支架7套装在透明水槽19的外侧，标定板支架7的底部安装一个独立的滑块16，将所述滑块16安装在滑动导轨17上，以实现标定板支架7在滑动导轨17上的滑动连接，方便调节标定板8的位置。

对于所述的光源模组和光学成像设备12在滑动导轨17上的滑动连接方式，本实施例优选采用在滑动导轨17上安装两个独立的滑块14、15，通过两个滑块14、15分别承载所述的光源模组和光学成像设备12，使其可以在滑动导轨17上水平滑动，调节测量参数。

将两个滑块14、15在滑动导轨17上一字排开，且位于透明水槽19的相对两侧，利用光源模组产生的光线，照射透明水槽19中的标定板8或者样本溶液，并通过光学成像设备12采集标定板8上的标定图像或者样品溶液中气泡的投影图像，将光学成像设备19采集到的图像数据发送至数据处理终端18，通过数据处理终端18首先利用采集到的标定图像进行图像尺寸的标定过程，然后利用标定结果对实际采集到的气泡图像进行处理、分析，由此计算出实际气泡的参数信息，实现对样品溶液中气泡参数的测量。

在本实施例中，所述光源模组优选采用LED灯4、万向调节轴5、LED灯支架6和磨砂玻璃23等部件组成，参见图1所示。其中，LED灯支架6安装在第一滑块14上，在对LED灯4起到支撑作用的同时，可以改变LED灯4的高度。将万向调节轴5安装在LED灯支架6上，万向调节轴5上安装所述的LED灯4，通过调节万向调节轴5可以改变LED灯4的发光方向。为了对所述LED灯4所发出的光线进行分散，本实施例在所述LED灯4的出光端面上安装了磨砂玻璃23。利用LED灯4前向散射光投影的方式，为光学成像设备12清晰地获取气泡的投影图像提供了技术上的支持。

在图像尺寸的标定过程中，为了方便调节标定板8的高度，将所述标定板8安装在标定板位置调节杆9的底部，标定板位置调节杆9的顶部穿过标定板支架7，并通过锁紧部件23将标定板位置调节杆9固定在所述的标定板支架7上，通过标定板位置调节杆9调节标定板8的纵向位置，即高度，并控制标定板8水平转动，参见图1所示。所述标定板支架7优选设计成正方形的框架式结构，围绕透明水槽19的外侧进行套装。所述标定板支架7通过其底部安装的滑块16在滑动导轨17上水平移动，调节标定板8在透明水槽19中的位置。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述透明水槽19优选采用玻璃制成，并设计成上开口的正方体结构，用于盛装样品溶液。

所述光学成像设备12优选采用高分辨率的照相机拍摄玻璃水槽19中的气泡投影图像。将光学成像设备12安装在位置调节支架13上，将位置调节支架13固定在滑块15上，参见图1所示。通过位置调节支架13调整光学成像设备12的纵向位移，使其刚好与标定板8的中心位置以及LED灯4的出光端面处于同一条直线上。滑块15搭载位置调节支架13和光学成像设备12在滑动导轨17上移动，以调节光学成像设备12与玻璃水槽19之间的距离。

为了方便观测三个滑块14、15、16的滑动位置，本实施例在所述底座支架1的一侧（平行于滑动导轨17的一侧）还设置了刻度尺22，参见图1所示，所述刻度尺22沿滑动导轨17的延伸方向平行布设，以方便检测人员清楚、直观地获得LED灯4、玻璃水槽19、光学成像设备12三者之间的位置关系。

光学成像设备12将获取到的图像数据通过数据线传输至数据处理终端18（例如计算机等），在数据处理终端18中运行相应的软件程序，处理相关的图像数据，获得气泡参数的测量结果。

下面结合图2，对样品溶液中气泡的参数测量方法进行具体地阐述。

本实施例的气泡参数测量方法主要包括图像尺寸的标定过程和气泡参数的计算过程。在对样品溶液中的气泡进行参数测量之前，首先进行标定过程，即利用标定板上的标定图像，建立起标定图像的实际尺寸与光学成像设备的像素个数之间的对应关系，具体步骤如下：

（1-1）首先调节LED灯4、标定板8和光学成像设备12三者于一条直线上；然后为LED灯4供电，校正LED灯4的光路，使其与标定板8和光学成像设备12于一条直线。分别移动滑块14和滑块15，并调节光学成像设备12的焦距，直到在光学成像设备12中可以获取标定板8上的标定图像。

在本实施例中，所述标定图像优选设计成由多个实心圆点排列形成的实心圆点阵列，参见图3所示。调节光学成像设备12的焦距，使视场范围与实心圆点阵列的大小一致，或者全部位于实心圆点阵列的内部，并获取清晰的标定图像，记录光学成像设备12的参数。

（1-2）将标定图像平均分成n×n个区域，所述n优选等于8或者16，即将落入视场范围内的实心圆点阵列平均分成8×8或者16×16个区域；

（1-3）计算每个区域的中心点O_i的坐标；

（1-4）对每个区域内的实心圆点进行分割，获取每个实心圆点的轮廓；

在本实施例中，优选采用图像处理中比较成熟的K均值算法对每个区域内的实心圆点进行分割，以分离形成每个实心圆点的轮廓图像；

（1-5）结合每个实心圆点的轮廓图像，计算每个区域内的每个实心圆点的中心点D_i的坐标，即每个实心圆点的圆心位置；

（1-6）计算每个区域的中心点O_i至该区域内各实心圆点的中心点D_i之间的几何距离d_i；

（1-7）在每个区域内，选择d_i最小的一个实心圆点作为该区域的基准图像，统计该实心圆点的直径所对应的像素个数m；

在本实施例中，选择距离区域的中心点O_i最近的一个实心圆点作为该区域的基准图像，用于后续对应关系的生成，可以提高尺寸标定的准确度；

（1-8）针对每个区域，建立各区域内作为基准图像的实心圆点的实际直径尺寸与该实心圆点直径所对应的像素个数m之间的对应关系，完成图像尺寸的标定过程。

上述步骤（1-2）至（1-8）在数据处理终端18中完成，将光学成像设备12拍摄到的标定图像传送至数据处理终端18，利用数据处理终端18中运行的标定处理软件建立起实心圆点的实际直径尺寸与像素个数之间的对应关系，完成图像尺寸的标定。

标定结束，保持滑块14、15位置不动，光学成像设备12的参数不变，移除标定板8，在透明水槽19中注入待测样品溶液，进入后续的气泡参数生成过程。

在气泡参数的生成过程中，首选通过光学成像设备12获取样品溶液中的气泡图像，传输至数据处理终端18；然后，利用数据处理终端18中运行的气泡参数计算软件，根据气泡图像的像素个数以及标定过程中所生成的对应关系，计算出气泡粒径的实际尺寸。具体步骤如下：

（2-1）将获取到的气泡图像平均分成n×n个区域，应与标定过程中标定图像的划分区域方式相同；

（2-2）计算每个区域的中心点O_i’的坐标；

（2-3）对整个气泡图像内的气泡进行分割，获取每个气泡的轮廓；

在这里，本实施例采用先对气泡图像进行分割，然后再对各气泡所在的区域进行划分，由此可以更加准确地确定出每个气泡所在的区域，利用该区域在标定过程中确定出的对应关系进行气泡粒径尺寸的计算，由此获得的计算结果将会更加精确；

作为本实施例的一种优选设计方案，同样采用图像处理中的K均值算法对气泡进行逐一分割；

（2-4）根据获取到的每个气泡的轮廓，计算每个气泡的最小外接矩形；然后根据获得的最小外接矩形，计算每个最小外接矩形的中心点D_i’坐标；

（2-5）判断每个最小外接矩形的中心点D_i’坐标所落入的区域，将该中心点D_i’所在区域作为与之对应的气泡所在的区域，由此确定出每个气泡所落入的区域；

（2-6）针对当前气泡所在的区域，查找该气泡所在区域在标定结果中的对应关系；

在标定过程中，针对划分出的每个区域都生成了实心圆点的实际直径尺寸与像素个数m之间的对应关系，即对于n×n个区域来说，就有n×n个对应关系值，利用当前气泡所在区域的对应关系值进行气泡粒径尺寸的计算，可以提高计算结果的精确度；

（2-7）计算当前气泡的最小外接矩形的长和宽所对应的像素个数；

（2-8）利用查找到的对应关系以及当前气泡的最小外接矩形的长和宽所对应的像素个数，计算出当前气泡的实际长度尺寸和实际宽度尺寸，由此获得当前气泡的粒径尺寸。

按照步骤（2-6）至（2-8）的处理过程，对气泡图像中的每个气泡进行分析处理，计算出每个气泡的粒径尺寸。

对气泡图像中的气泡个数和粒径尺寸分别进行统计，以获得最终的统计结果，即待测样品溶液中气泡的粒径分布和密度等气泡特性。

此外，为了使本实施例的气泡参数测量装置同样适用于模拟实验教学和科学研究工作，本实施例还可以在所述气泡参数测量装置中进一步设置气泡发生装置，参见图1所示，包括出气孔10、气体输送管11、气泡发生器3和气流速度调节阀20。将所述出气孔10设置在玻璃水槽19中，优选布设在玻璃水槽19的底部，连接气体输送管11，并通过气体输送管11连接气泡发生器3，利用人工产生的气泡进行模拟实验。在气体输送管11上安装气流速度调节阀20，以控制气泡的产生速度。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述气泡发生器3和气流速度调节阀20优选布设在滑块14上，在滑块14上还可以同时布设电源开关组件2，参见图1所示。将所述电源开关组件2分别连接气泡发生器3和LED灯4，为气泡发生器3和LED灯4进行供电控制。

在进行模拟实验时，也是首先进行标定过程，建立起标定板8上实心圆点的实际直径尺寸与光学成像设备12所获取的图像像素个数之间的对应关系，然后，执行下述的气泡参数测量过程。

测量时，保持光学成像设备12的参数、滑块14、标定板支架7和滑块15的所在刻度不变，移除标定板8，在玻璃水槽19中注入水。通过移动气体输送管11带动出气孔10位于标定板位置调节杆9的正下方。启动电源开关组件2中气泡发生器3的开关，并根据出气口10的出气速度，调节气流速度调节阀20的开度，以控制通过出气口10产生的气泡速度。利用光学成像设备12获取水中气泡的投影图像，传输至数据处理终端18，通过数据处理终端18中运行的气泡参数计算软件获取气泡图像的像素个数，进而利用已建立起来的对应关系，计算出气泡粒径的实际尺寸，完成模拟实验。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气泡参数测量装置，其特征在于：包括光源模组、光学成像设备、标定板支架、透明水槽和标定板；所述透明水槽位于光源模组和光学成像设备之间，标定板安装在标定板支架上且伸入到透明水槽中；所述光学成像设备分别采集标定板上的标定图像和透明水槽中的气泡图像，并将采集到的图像数据分别发送至数据处理终端，通过数据处理终端分别进行图像尺寸标定和气泡图像的分析处理，以生成气泡参数。

2.根据权利要求1所述的气泡参数测量装置，其特征在于：所述光源模组、光学成像设备和标定板支架均滑动安装在一滑动导轨上，且标定板支架位于光源模组与光学成像设备之间，所述滑动导轨安装在底座支架上。

3.根据权利要求2所述的气泡参数测量装置，其特征在于：在所述底座支架的中间部位形成有基座，所述透明水槽放置在所述的基座上，所述标定板支架套装在透明水槽的外侧，标定板支架的底部安装在一个独立的滑块上，所述滑块安装在所述的滑动导轨上。

4.根据权利要求3所述的气泡参数测量装置，其特征在于：在所述标定板支架上安装有上下位置可调的标定板位置调节杆，在所述标定板位置调节杆的底部安装所述的标定板。

5.根据权利要求2所述的气泡参数测量装置，其特征在于：在所述的光源模组中设置有LED灯、LED灯支架、万向调节轴和磨砂玻璃；所述LED灯通过万向调节轴安装在LED灯支架上，所述LED灯支架固定安装在一个独立的滑块上，所述滑块安装在所述的滑动导轨上；所述磨砂玻璃安装在LED灯的出光端面上，对LED灯发出的光线进行散射。

6.根据权利要求2所述的气泡参数测量装置，其特征在于：所述光学成像设备安装在位置调节支架上，所述位置调节支架安装在一个独立的滑块上，所述滑块安装在所述的滑动导轨上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的气泡参数测量装置，其特征在于：在所述透明水槽中设置有出气孔，所述出气孔连接气体输送管，通过气体输送管连接气泡发生器；所述出气孔设置在透明水槽的底部，在气体输送管的带动下在透明水槽内水平移动。

8.一种基于权利要求1至7中任一项权利要求所述的气泡参数测量装置的气泡参数测量方法，包括以下步骤：

a、利用标定板上的标定图像，建立标定图像的实际尺寸与光学成像设备的像素个数之间的对应关系，完成图像尺寸标定过程；

b、移除标定板，在透明水槽中注入待测样品溶液；

c、获取气泡图像，根据气泡图像的像素个数以及标定过程中所生成的对应关系计算出气泡的实际尺寸。

9.根据权利要求8所述的气泡参数测量方法，其特征在于：所述标定图像为由多个实心圆点排列形成的实心圆点阵列；所述图像尺寸标定过程具体包括以下步骤：

a1、将标定图像平均分成n×n个区域；

a2、计算每个区域的中心点O_i的坐标；

a3、对每个区域内的实心圆点进行分割，获取每个实心圆点的轮廓；

a4、计算每个区域内的每个实心圆点的中心点D_i的坐标；

a5、计算每个区域的中心点O_i至该区域内各实心圆点的中心点D_i之间的几何距离d_i；

a6、选择d_i最小的一个实心圆点作为基准图像，统计该实心圆点的直径所对应的像素个数；

a7、建立每个区域内作为基准图像的实心圆点的实际直径尺寸与该实心圆点直径所对应的像素个数之间的对应关系，完成图像尺寸的标定过程。

10.根据权利要求9所述的气泡参数测量方法，其特征在于：所述步骤c具体包括以下过程：

c1、将获取到的气泡图像平均分成n×n个区域；

c2、计算每个区域的中心点O_i’的坐标；

c3、对整个气泡图像内的气泡进行分割，获取每个气泡的轮廓；

c4、生成每个气泡的最小外接矩形，计算每个最小外接矩形的中心点D_i’坐标；

c5、根据每个最小外接矩形的中心点D_i’坐标所在的区域，确定每个气泡所在的区域；

c6、针对当前气泡所在的区域，查找该气泡所在区域在标定结果中的对应关系；

c7、根据当前气泡的最小外接矩形的长和宽像素个数，利用查找到的对应关系，计算气泡的实际长度尺寸和实际宽度尺寸，获得当前气泡的粒径尺寸。

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