CN104950473A - 一种智能变色眼镜及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能变色眼镜及其控制方法。该变色眼镜包括微控电路板、光敏元件和镜片;所述镜片为黑白灰度点阵液晶;所述光敏元件设置在所述镜片的前侧;所述微控电路板通过排线分别与光敏元件和黑白灰度点阵液晶连接。黑白灰度点阵液晶支持灰度调节。本发明所述智能变色眼镜该眼镜能够自动判别光源方向,并且控制镜片将入射光位置变黑阻挡,其它位置受影响较小,不会阻挡周围视野,并且颜色控制变换迅速,在数毫秒即可完成切换,远快于化学变色墨镜,大大提高用户体验。

Description

一种智能变色眼镜及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能变色眼镜及其控制方法,属于电子穿戴设备技术领域。
背景技术
目前,公知的变色墨镜基本可分为两种类型:一种是传统的化学变色墨镜,内含有某些物质(例如卤化银),当没有紫外线照射时,可见光可以穿透这些分子,但当暴露在太阳光的紫外线下时,这些分子将会经过一个化学过程,使得它们的形状发生改变,新的分子结构会吸收一部分可见光,从而使镜片变暗;另一种是新型负性液晶变色墨镜,镜片使用负性液晶制作,可以根据电压调节液晶透光率,该类眼镜可以配合调节旋钮改变光强,最新类别眼镜可以根据环境光调节透光率,自适应环境光。
上述两种变色眼镜在使用中遇到很多问题,因为镜片亮暗是统一变化的,并不区分区域透光性,比如司机夜行时,遇到远光灯等炫光,眼镜自动调节,将镜片透光性降低以阻挡炫光,但此时司机整个视野会变暗或丢失,司机将在一段时间无法观看到周边(非直射光方向)的视野,容易引发事故。
中国专利CN2374867公开了一种新型光控电致变色眼镜,该变色眼镜包括镜框、镜腿、镜片、硅光电池、钮扣电池、驱动电路及线路板、镜框镜腿连接铰架、转换开关等部分。该变色眼镜被分为两个区域,两个区域的颜色可以同步或者单独变化;该设计虽然能根据外界光强弱变化改变镜片透光率从而达到保护眼睛的目的,但该眼镜的颜色变化具有清楚的区域,无法适应外部光线强度逐步变化的特点。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种智能变色眼镜。该智能变色眼镜能够判别光源方向,并且控制液晶片将入射光方向变黑阻挡,其它方向受影响较小,不会阻挡周围视野,并且颜色控制变换迅速,在数毫秒即可完成切换,远快于化学变色墨镜,大大提高用户体验。
本发明还提供一种上述智能变色眼镜的控制方法。
术语说明:
黑白灰度点阵液晶:能够显示黑白图形的,并且具有灰度级的液晶。
本发明的技术方案:
一种智能变色眼镜,包括微控电路板、光敏元件和镜片;所述镜片为黑白灰度点阵液晶;所述光敏元件设置在所述镜片的前侧;所述微控电路板通过排线分别与光敏元件和黑白灰度点阵液晶连接。黑白灰度点阵液晶支持灰度调节。
优选的,所述智能变色眼镜还包括眼镜腿、眼镜框和开关按键;所述眼镜腿、微控电路板和开关按键固定设置在眼镜框上;所述光敏元件设置在眼镜框的前侧;所述镜片嵌入设置在眼镜框上;所述微控电路板通过排线与开关按键连接。
进一步优选的,所述眼镜框为空心结构,所述排线嵌入设置在空心结构内。
优选的,所述镜片包括左侧镜片和右侧镜片;所述微控电路板和开关按键设置在眼镜框的侧面。
优选的,所述光敏元件的个数是4-16个,光敏元件设置在镜片的四周。
优选的,所述微控电路板包括单片机和电池。所述电池为单片机、光敏元件和黑白灰度点阵液晶供电。
进一步优选的,所述单片机为MSP430系列、STM8系列或者STM32系列;所述电池为纽扣电池或者非晶硅微型太阳能电池板。MSP430系列、STM8系列和STM32系列的特点是低功耗。
进一步优选的,所述开关按键、光敏元件和黑白灰度点阵液晶分别通过排线与单片机的IO口连接。
优选的,所述光敏元件的感光平面与竖直平面的夹角是5°-30°。安装时将每个光敏元件感光平面都向外侧倾斜,使得四个光敏元器件的感光平面不在同一平面上,即四个光敏元器件的感光平面两两不平行,这样确保每个光敏元器件接收的入射光线的强度不一样,经过计算可以得到更加准确的入射光源的最亮的位置,控制液晶屏幕进行调整,有效的达到遮光效果。
进一步优选的,所述黑白灰度点阵液晶的对比率大于100:1;所述光敏元件为亮电阻值为30K-1M的光敏电阻,或者数字光线传感器。亮电阻的阻值可调节范围比较大。
本发明所述智能变色眼镜的工作原理是:单片机通过内置模数转换器(ADC)读取每侧镜片周围光敏元件的光强值,根据每个光敏元件测量的光强值的具体数值估计光线的入射方向,即光源的方向,然后根据光源的位置和强度控制镜片对应位置变色,例如光源位于镜片左上方,那么镜片左上方的光敏元件检测到光强值最大,右下方光敏元件检测到光强值最小,那么单片机即可以估计到光线来自左上方,然后单片机控制镜片左上方变最黑,右下方最浅,那么相对于眼睛瞳孔,最强光线方向被最大程度遮挡,而其他方向视线影响较小;左侧镜片周围的光敏元件配合控制左侧镜片,右侧镜片周围的光敏元件配合控制右侧液镜片,由单片机分别控制。
上述智能变色眼镜的控制方法,包括步骤如下:
1)单片机程序初始化;
微控电路板通电后,设置开关按键连接的IO口为中断唤醒功能,单片机进入休眠状态;
2)开机;
用户按下开关按键,触发中断将单片机唤醒,单片机初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶;
3)单片机轮询读取每个镜片周围光敏元件的光强值,经过滤波,得到左侧镜片变量L1,L2,……,Ln,右侧镜片变量R1,R2,……,Rn;其中n为大于2的自然数;
4)估计左、右两侧镜片的光源中心;
黑白灰度点阵液晶水平最大点阵数目记为Xmax,黑白灰度点阵液晶垂直最大点阵数目记为Ymax,光敏元件最大光强值记为Imax,黑白灰度点阵液晶全黑亮度值为0,黑白灰度点阵液晶全透光亮度值记为LCD_WHITE,左侧镜片光源中心位置横坐标记为LCenterX,纵坐标记为LCenterY,右侧镜片光源中心位置横坐标记为RCenterX,纵坐标记为RCenterY,根据光敏元件光强值的二次映射得到光源中心位置,即:
L Center X = k 11 × L 1 + K 12 × L 1 2 + k 13 × L 2 + K 14 × L 2 2 + k 15 × L 3 + K 16 × L 3 2 + ... + k 1 ( 2 n - 1 ) × L n + K 1 ( 2 n ) × L n 2 ;
L Center Y = k 21 × L 1 + K 22 × L 1 2 + k 23 × L 2 + K 24 × L 2 2 + k 25 × L 3 + K 26 × L 3 2 + ... + k 2 ( 2 n - 1 ) × L n + K 2 ( 2 n ) × L n 2 ;
R Center X = k 11 × R 1 + K 12 × R 1 2 + k 13 × R 2 + K 14 × R 2 2 + k 15 × R 3 + K 16 × R 3 2 + ... k 1 ( 2 n - 1 ) × R n + K 1 ( 2 n ) × R n 2 ;
R Center Y = k 21 × R 1 + K 22 × R 1 2 + k 23 × R 2 + K 24 × R 2 2 + k 25 × R 3 + K 26 × R 3 2 + ... k 2 ( 2 n - 1 ) × R n + K 2 ( 2 n ) × R n 2 ;
上式中,K11-K1(2n),K21-K2(2n)为映射系数估计值。映射系数估计值与光敏元件感光特性、安装位置、方向、眼镜框形状有关系,可以由生产厂家根据同一批次产品多次测量得到;
5)计算应当输出到黑白灰度点阵液晶的亮度值;
当前需求解的坐标记为[X,Y],该坐标与黑白灰度点阵液晶的水平点阵、垂直点阵一一对应,则单片机输出到左侧黑白灰度点阵液晶点阵的亮度值记为L_GRAY[X][Y],单片机输出到右侧黑白灰度点阵液晶点阵的亮度值记为R_GRAY[X][Y],有:
L - G R A Y [ X ] [ Y ] = ( p 1 + | X - L Center X | 2 + | Y - L Center Y | 2 X max + Y max × p 2 ) × I m a x p 3 + L 1 + L 2 + ... + L n × L C D _ W H I T E ;
R - G R A Y [ X ] [ Y ] = ( p 1 + | X - R Center X | 2 + | Y - R Center Y | 2 X max + Y max × p 2 ) × I m a x p 3 + R 1 + R 2 + ... + R n × L C D _ W H I T E ;
其中p1、p2、p3为测量值;p1、p2、p3与黑白灰度点阵液晶特性和光敏元件特性有关,生产厂家可以根据器件选型多次测量得到适宜值;上式计算充分考虑了光强和偏移距离的影响,入射光强越大,镜片越黑,偏移光源中心位置越远,镜片越透明。
6)单片机分别将L_GRAY[X][Y]和R_GRAY[X][Y]写入左侧镜片和右侧镜片,呈现遮光效果;
7)单片机在呈现遮光效果的同时检测开关按键状态,如果没有检测到长按键操作,则重复执行步骤3)-步骤7),如果检测到长按操作,则单片机关闭黑白灰度点阵液晶和光敏元件,并且再次进入休眠状态,等待下次开机。
优选的,所述步骤2)中所述的设定时间是3s,所述的单片机初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶的具体方法是,单片机检测开关按键被按下的时长,如果开关按键被按下的时长超过设定时间,单片机初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶。
优选的,所述步骤3)中单片机轮询读取每个镜片周围光敏元件光强值的顺序为,从左往右,从上往下。
优选的,所述步骤4)中所述Xmax的范围为32-1024;所述Ymax的范围是32-1024;所述映射系数估计值的范围是0.67-21.3。
优选的,所述步骤5)中所述测量值p1的范围为0-1,测量值p2的范围为0-1,测量值p3的范围为0-10Imax。
本发明的有益效果:
1、本发明所述智能变色眼镜该眼镜能够自动判别光源方向,并且控制镜片将入射光位置变黑阻挡,其它位置受影响较小,不会阻挡周围视野,并且颜色控制变换迅速,在数毫秒即可完成切换,远快于化学变色墨镜,大大提高用户体验;
2、本发明所述智能变色眼镜该眼镜,成本低廉,易于推广和应用。
附图说明
图1是本发明所述智能变色眼镜的结构示意图;
图2是本发明所述智能变色眼镜的电路结构示意图;
图3是本发明所述智能变色眼镜的变色原理图;
其中,1、眼镜腿;2、微控电路板;3、开关按键;4、光敏元件;5、镜片;6、眼镜框;7、光敏元件;8、单片机;10、电池;11、右侧液晶片;12、左侧液晶片。
具体实施方式:
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明,但不限于此。
实施例1、
如图1-3所示。
一种智能变色眼镜,包括眼镜腿1、眼镜框6、微控电路板2、开关按键3、光敏元件4和镜片;所述镜片包括左侧镜片和右侧镜片,所述镜5片为黑白灰度点阵液晶;所述眼镜腿1、微控电路板2和开关按键3固定设置在眼镜框6上;所述微控电路板2和开关按键3设置在眼镜框6的侧面,所述光敏元件7设置在眼镜框6的前侧;所述镜片5嵌入设置在眼镜框6上;所述微控电路板2通过排线分别与开关按键3连接、光敏元件4和黑白灰度点阵液晶连接;述光敏元件4的个数是8个,左侧镜片和右侧镜片周围分别设置有4个光敏元件4。所述光敏元件4为光电阻值为500K的光敏电阻。
实施例2、
如实施例1所述的智能变色眼镜,区别在于:所述眼镜框6为空心结构,所述排线嵌入设置在空心结构内。所述微控电路板2包括MSP430系列单片机和纽扣电池。所述电池为单片机8、光敏元件4和黑白灰度点阵液晶供电。所述光敏元件4为数字光线传感器。
实施例3、
如实施例2所述的智能变色眼镜,区别在于:所述单片机8为STM8系列。
实施例4、
如实施例2所述的智能变色眼镜,区别在于:所述单片机8为STM32系列;所述电池10为非晶硅微型太阳能电池板。所述开关按键3、光敏元件4和黑白灰度点阵液晶分别通过排线与单片机8的IO口连接。
实施例5、
如实施例1所述的智能变色眼镜,区别在于:所述黑白灰度点阵液晶的对比率为1000:1;所述光敏电阻的感光平面与竖直平面的夹角是10°。光敏电阻的阻值可调节范围比较大。安装时将每个光敏元件4感光平面都向外侧倾斜,使得四个光敏元件4的感光平面不在同一平面上,即四个光敏元件4的感光平面两两不平行,这样确保每个光敏元件4接收的入射光线的强度不一样,经过计算可以得到更加准确的入射光源的最亮的位置,控制液晶屏幕进行调整,有效的达到遮光效果。
实施例6、
如实施例2所述的智能变色眼镜,区别在于:所述黑白灰度点阵液晶的对比率为100:1;所述数字光线传感器的感光平面与竖直平面的夹角是10°。
本发明所述智能变色眼镜的工作原理是:单片机8通过内置模数转换器(ADC)读取每侧镜片周围光敏元件4的光强值,根据每个光敏元件4测量的光强值的具体数值估计光线的入射方向,即光源的方向,然后根据光源的位置和强度控制镜片5对应位置变色,例如光源位于镜片5左上方,那么镜片5左上方的光敏元件4检测到光强值最大,右下方光敏元件检测到光强值最小,那么单片机8即可以估计到光线来自左上方,然后单片机8控制镜片5左上方变最黑,右下方最浅,那么相对于眼睛瞳孔,最强光线方向被最大程度遮挡,而其他方向视线影响较小;左侧镜片5周围的光敏元件4配合控制左侧镜片,右侧镜片周围的光敏元件4配合控制右侧液镜片,由单片机8分别控制。
实施例7、
如实施例1-6所述智能变色眼镜的控制方法,包括步骤如下:
1)单片机程序初始化,
微控电路板通电后,设置开关按键3连接的IO口为中断唤醒功能,单片机8进入休眠状态;
2)开机;
用户按下开关按键3,触发中断将单片机8唤醒,如果开关按键3被按下的时长超过3s,单片机8初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶;
3)单片机8按照从左往右,从上往下的顺序轮询读取每个镜片5周围光敏元件4的光强值,经过滤波,得到左侧镜片变量L1、L2、L3、L4,右侧镜片变量R1、R2、R3、R4;
4)估计左、右两侧镜片5的光源中心;
黑白灰度点阵液晶水平最大点阵数目记为Xmax=1000,黑白灰度点阵液晶垂直最大点阵数目记为Ymax=1000,光敏元件4最大光强值记为Imax,黑白灰度点阵液晶全黑亮度值为0,黑白灰度点阵液晶全透光亮度值记为LCD_WHITE,左侧镜片光源中心位置横坐标记为LCenterX,纵坐标记为LCenterY,右侧镜片光源中心位置横坐标记为RCenterX,纵坐标记为RCenterY,根据光敏元件4光强值的二次映射得到光源中心位置,即:
L Center X = k 11 × L 1 + K 12 × L 1 2 + k 13 × L 2 + K 14 × L 2 2 + k 15 × L 3 + K 16 × L 3 2 + k 17 × L 4 + K 18 × L 4 2 ;
L Center Y = k 21 × L 1 + K 22 × L 1 2 + k 23 × L 2 + K 24 × L 2 2 + k 25 × L 3 + K 26 × L 3 2 + k 27 × L 4 + K 28 × L 4 2 ;
R Center X = k 11 × R 1 + K 12 × R 1 2 + k 13 × R 2 + K 14 × R 2 2 + k 15 × R 3 + K 16 × R 3 2 + k 17 × R 4 + K 18 × R 4 2 ;
R Center Y = k 21 × R 1 + K 22 × R 1 2 + k 23 × R 2 + K 24 × R 2 2 + k 25 × R 3 + K 26 × R 3 2 + k 27 × R 4 + K 28 × R 4 2 ;
上式中,K11-K28的值为10。映射系数估计值与光敏元件4感光特性、安装位置、方向、眼镜框6形状有关,可以由生产厂家根据同一批次产品多次测量得到;
5)计算应当输出到黑白灰度点阵液晶的亮度值;
当前需求解的坐标记为[X,Y],该坐标与黑白灰度点阵液晶的水平点阵、垂直点阵一一对应,则单片机8输出到左侧黑白灰度点阵液晶点阵的亮度值记为L_GRAY[X][Y],单片机8输出到右侧黑白灰度点阵液晶点阵的亮度值记为R_GRAY[X][Y],有:
L - G R A Y [ X ] [ Y ] = ( p 1 + | X - L Center X | 2 + | Y - L Center Y | 2 X max + Y max × p 2 ) × I m a x p 3 + L 1 + L 2 + L 3 + L 4 × L C D _ W H I T E ;
R - G R A Y [ X ] [ Y ] = ( p 1 + | X - R Center X | 2 + | Y - R Center Y | 2 X max + Y max × p 2 ) × I m a x p 3 + R 1 + R 2 + R 3 + R 4 × L C D _ W H I T E ;
其中,p1=1,p2=1,p3=10Imax;p1、p2、p3与黑白灰度点阵液晶特性和光敏元件4特性有关,生产厂家可以根据器件选型多次测量得到适宜值;上式计算充分考虑了光强和偏移距离的影响,入射光强越大,镜片5越黑,偏移光源中心位置越远,镜片5越透明。
6)单片机8分别将L_GRAY[X][Y]和R_GRAY[X][Y]写入左侧镜片和右侧镜片,呈现遮光效果;
7)单片机8在呈现遮光效果的同时,检测到开关按键3有长按键操作,单片机8关闭黑白灰度点阵液晶和光敏元件4,并且再次进入休眠状态,等待下次开机。

Claims (10)

1.一种智能变色眼镜,其特征在于,包括微控电路板、光敏元件和镜片;所述镜片为黑白灰度点阵液晶;所述光敏元件设置在所述镜片的前侧;所述微控电路板通过排线分别与光敏元件和黑白灰度点阵液晶连接。
2.如权利要求1所述的智能变色眼镜,其特征在于,所述智能变色眼镜还包括眼镜腿、眼镜框和开关按键;所述眼镜腿、微控电路板和开关按键固定设置在眼镜框上;所述光敏元件设置在眼镜框的前侧;所述镜片嵌入设置在眼镜框上;所述微控电路板通过排线与开关按键连接。
3.如权利要求2所述的智能变色眼镜,其特征在于,所述镜片包括左侧镜片和右侧镜片;所述微控电路板和开关按键设置在眼镜框的侧面;所述眼镜框为空心结构,所述排线嵌入设置在空心结构内。
4.如权利要求2所述的智能变色眼镜,其特征在于,所述光敏元件的个数是4-16个,光敏元件设置在镜片的四周;所述微控电路板包括单片机和电池;所述开关按键、光敏元件和黑白灰度点阵液晶分别通过排线与单片机的IO口连接。
5.如权利要求4所述的智能变色眼镜,其特征在于,所述单片机为MSP430系列、STM8系列或者STM32系列;所述电池为纽扣电池或者非晶硅微型太阳能电池板。
6.如权利要求2所述的智能变色眼镜,其特征在于,所述光敏元件的感光平面与竖直平面的夹角是5°-30°。
7.如权利要求6所述的智能变色眼镜,其特征在于,所述黑白灰度点阵液晶的对比率大于100:1;所述光敏元件为亮电阻值为30K-1M的光敏电阻,或者数字光线传感器。
8.如权利要求1-7所述的智能变色眼镜的控制方法,包括步骤如下:
1)单片机程序初始化;
微控电路板通电后,设置开关按键连接的IO口为中断唤醒功能,单片机进入休眠状态;
2)开机;
用户按下开关按键,触发中断将单片机唤醒,单片机初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶;
3)单片机轮询读取每个镜片周围光敏元件的光强值,经过滤波,得到左侧镜片变量L1,L2,……,Ln,右侧镜片变量R1,R2,……,Rn;其中n为大于2的自然数;
4)估计左、右两侧镜片的光源中心;
黑白灰度点阵液晶水平最大点阵数目记为Xmax,黑白灰度点阵液晶垂直最大点阵数目记为Ymax,光敏元件最大光强值记为Imax,黑白灰度点阵液晶全黑亮度值为0,黑白灰度点阵液晶全透光亮度值记为LCD_WHITE,左侧镜片光源中心位置横坐标记为LCenterX,纵坐标记为LCenterY,右侧镜片光源中心位置横坐标记为RCenterX,纵坐标记为RCenterY,根据光敏元件光强值的二次映射得到光源中心位置,即:
L Center X = k 11 × L 1 + K 12 × L 1 2 + k 13 × L 2 + K 14 × L 2 2 + k 15 × L 3 + K 16 × L 3 2 + ... + k 1 ( 2 n - 1 ) × L n + K 1 ( 2 n ) × L n 2 ;
L Center Y = k 21 × L 1 + K 22 × L 1 2 + k 23 × L 2 + K 24 × L 2 2 + k 25 × L 3 + K 26 × L 3 2 + ... + k 2 ( 2 n - 1 ) × L n + K 2 ( 2 n ) × L n 2 ;
R Center X = k 11 × R 1 + K 12 × R 1 2 + k 13 × R 2 + K 14 × R 2 2 + k 15 × R 3 + K 16 × R 3 2 + ... + k 1 ( 2 n - 1 ) × R n + K 1 ( 2 n ) × R n 2 ;
R Center Y = k 21 × R 1 + K 22 × R 1 2 + k 23 × R 2 + K 24 × R 2 2 + k 25 × R 3 + K 26 × R 3 2 + ... + k 2 ( 2 n - 1 ) × R n + K 2 ( 2 n ) × R n 2 ;
上式中,K11-K1(2n),K21-K2(2n)为映射系数估计值;
5)计算应当输出到黑白灰度点阵液晶的亮度值;
当前需求解的坐标记为[X,Y],该坐标与黑白灰度点阵液晶的水平点阵、垂直点阵一一对应,则单片机输出到左侧黑白灰度点阵液晶点阵的亮度值记为L_GRAY[X][Y],单片机输出到右侧黑白灰度点阵液晶点阵的亮度值记为R_GRAY[X][Y],有:
L - G R A Y [ X ] [ Y ] = ( p 1 + | X - L Center X | 2 + | Y - L Center Y | 2 X m a x + Y max × p 2 ) × I m a x p 3 + L 1 + L 2 + ... + L n × L C D _ W H I T E ;
R - G R A Y [ X ] [ Y ] = ( p 1 + | X - R Center X | 2 + | Y - R Center Y | 2 X m a x + Y max × p 2 ) × I m a x p 3 + R 1 + R 2 + ... + R n × L C D _ W H I T E ;
其中p1、p2、p3为测量值;
6)单片机分别将L_GRAY[X][Y]和R_GRAY[X][Y]写入左侧镜片和右侧镜片,呈现遮光效果;
7)单片机在呈现遮光效果的同时检测开关按键状态,如果没有检测到长按键操作,则重复执行步骤3)-步骤7),如果检测到长按操作,则单片机关闭黑白灰度点阵液晶和光敏元件,并且再次进入休眠状态,等待下次开机。
9.如权利要求8所述的智能变色眼镜的控制方法,其特征在于,所述步骤2)中所述的设定时间是3s,所述的单片机初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶的具体方法是,单片机检测开关按键被按下的时长,如果开关按键被按下的时长超过设定时间,单片机初始化光敏元件和黑白灰度点阵液晶。
10.如权利要求9所述的智能变色眼镜的控制方法,其特征在于,所述步骤3)中单片机轮询读取每个镜片周围光敏元件光强值的顺序为,从左往右,从上往下;所述步骤4)中所述Xmax的范围为32-1024;所述Ymax的范围是32-1024;所述映射系数估计值的范围是0.67-21.3;所述步骤5)中所述测量值p1的范围为0-1,测量值p2的范围为0-1,测量值p3的范围为0-10Imax。
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