CN105320452B - 利用人体作为输入机构的可佩带装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于感测手势的可佩带装置。手表，作为可佩带装置，包括具有超声换能器和一个或多个传感器并且测量手指在用户手背上的位置的超声系统。利用该超声系统，可以使用手背作为手表的屏幕显示器的扩展。手表可用作动作检测器并且与各种类型的移动式装置的接口，比如计算机化的眼镜。本手表还可用作用于各种类型的装置，比如手表、TV或笔记本计算机，的通用输入机构，其中，这些装置被经由适当的通信系统、比如蓝牙

互联系统耦合至手表。

Description

利用人体作为输入机构的可佩带装置

技术领域

本发明涉及手势感测装置，并且更具体涉及用于感测手势的可佩带装置。

背景技术

移动式计算及相关市场的重要性对于本领域内的技术人员来说很好理解。关于移动式计算的快速发展的市场涉及提供相当大的处理能力并且特征在于之前在可佩带物件上不可用的可佩带的计算装置(例如，手表、眼镜)。这些可佩带的计算装置具有微型电子器件和改进的功率效率，以能够实现集成的计算和感测特征。然而，这些可佩带的装置的小型主义使其对于用户来说很难与装置相互作用或命令该装置。

示例性的可佩带装置是智能手表，其是计算机化的手表并且具有增强的功能，类似于在今天的智能手机上发现的那些，以及计时功能。虽然早期的型号可以执行基本功能，比如计算、翻译和游戏，但现代化的智能手表能够运行移动程序和/或移动操作系统并且用作便携式多媒体播放器，经由蓝牙头戴式耳机为用户提供FM收音机，音频，和视频文件的重放。非常可能的是未来的智能手表将被配备有用于其它功能的其它附件。

传统的智能手表具有比PDA或智能电话装置小得多的屏幕。因此对于个人来说很难与手表接口。在智能电话上用来键入、选择、写或画的键盘和触摸屏很显然不能在具有小得多的使用区域的智能手表上使用。在小触摸屏上有用地显示和可选择的图标的数量很显然与智能手机或PDA相比受到了很大限制。具有小型主义特点的其它传统的可佩带装置在于屏幕上提供导航装置和进行各种动作、比如写字母、数字等方面具有类似的问题。因此，需要较好的解决方案来提供与可佩带装置的改进的接口方式，使用户能够方便地控制可佩带装置。

发明内容

在本发明的一个方面中，可佩带装置包括：显示器；用于发射信号的发射器；用于检测从第一手指反射的信号并且产生输出信号的一组传感器；以及用于处理输出信号并且将第一手指的位置映射到显示器的信号处理器。

附图说明

现在参考本发明的实施例，本发明的例子可以在附图中示意。这些图都是示意性的，不具有限制性。虽然本发明总体上关于这些实施例进行了介绍，但应了解本发明的范围不意于被限制到这些特殊实施例。

图1示出根据本发明的一个实施例的用于感测手势的可佩带装置的透视图。

图2示出图1中的可佩带装置和用于控制该装置的手指的俯视图。

图3A和3B示出图1中的可佩带装置的俯视图，示意出根据本发明的一个实施例如何确定手指的位置。

图4A示出图1中的装置的透视图而图4B示出根据本发明的一个实施例如何操作该装置。

图5A和5B示出图1中的可佩带装置的剖视图，示意出根据本发明的另一实施例的用于确定手指位置的机构。

图6A和6B分别示出可佩带装置的剖视图和侧视图，示意出根据本发明的另一实施例如何在该装置上“选择/点按”。

图7A-7C示出根据本发明的另一实施例的可佩带装置的剖视图。

图8示出可佩带装置的俯视图，示意出根据本发明的另一实施例如何形成用户手的背面的视觉记忆。

图9是根据本发明的另一实施例的可佩带装置的功能方框图。

具体实施方式

在下面的描述中，为解释目的阐述了特定细节，以提供对本发明的理解。然而，很显然，对于本领域内的技术人员来说可以不用这些细节而进行实施。本领域内的技术人员应认识到如下面描述的本发明的实施例可以以很多方式并且使用很多手段执行。本领域内的那些技术人员还应认识到，如本发明可提供实用性的其它领域一样，其它修改、应用和实施例都在本发明的范围内。因此，如下面描述的实施例是对本发明的特殊实施例的说明并且意于避免使本发明含糊不清。

说明书中提及“一个实施例”或“一实施例”是指与该实施例相关地描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中任何地方出现术语“一个实施例”、“一实施例”或类似术语不必须都指同一个实施例。

此外，图中各部件之间或各方法步骤之间的连接不被限制于直接实现的连接。相反，在不偏离本发明的教导的情况下，图中示出的各部件之间或各方法步骤之间的连接可以通过添加中间的部件或方法步骤进行改变或以其它方式修改。

本发明的各个实施例涉及一种用于感测装置使用者的手势的可佩带装置，比如智能手表。本装置允许本装置的触摸屏控制扩展到手背或手臂。此扩展允许用户利用更大得多的用户界面(UI)工作。而且，触摸屏控制器的所有功能被扩展到更大且更便捷的表面，有效地分离开显示和选择/控制功能。

图1示出根据本发明的一个实施例的用于感测手势的可佩带装置100的透视图。为示意目的，本装置被示出为手表，但本装置100可以具有其它适当的形状并且可包含许多不同的可佩带物品。如图1中描述的，本装置100包括：上表面(或，等效地，显示器屏)102；面向指节的外表面106；面向手臂和袖子的内表面104；靠近腕的底面108；背离用户身体的向外朝向的表面110；朝向身体的向内朝向的表面112；向内朝向的带114；设置于向内朝向的带114上的导体面117；向外朝向的带116；和环带115。

图2示出图1中的可佩带装置100的俯视图和向装置100提供控制输入的手指P1。为示意目的，手指P1的侧视图和俯视图分别通过圆角矩形202和204表示。如所讨论的，用户可用手指P1控制可佩带装置100。

在实施例中，超声系统可被用于确定手指P1的位置，其中超声系统包括安装在可佩带装置100的外表面106上的一个或多个超声换能器和一个或多个传感器。例如，如图1中所示，一个换能器120可设置于外表面106的中间区域附近，并且两个传感器，比如扩音器，122和124可被设置于外表面106的任一端。在另一例子中，两个换能器(图1中未示出)可设置于外表面106的任一端而一个传感器可设置于外表面的中间区域附近。对于本领域内的那些技术人员来说应该是很显然的，其它适当数量的换能器和传感器可被包括在可佩带装置100中。而且，换能器和传感器可被用于其它目的。例如，在实施例中，传感器122和124中的至少一个可被用作普通扩音器来拾取说话者的声音。在实施例中，用于智能手表的普通扩音器可兼作用于发射超声信号的换能器。

图3A和3B示出图1中的可佩带装置100的俯视图，示意出根据本发明的一个实施例如何确定手指204的位置。如图示，换能器120发射用以头302表示的超声波/脉冲。在实施例中，安装在装置100中的适当的电部件，比如集成电路，可生成用于换能器120的激励脉冲。超声脉冲的一部分，图中示出为304，被手指204反射，并且传感器122和124检测所反射的信号(或，等效地，声呐信号)306和308。到达传感器处的时间，分别表示为TR1和TR2，被测量以计算反射信号306和308的飞行时间(TOF)，此飞行时间被用于确定手指204的位置。在实施例中，作三角形法可被用于确定手指204的位置。例如，如果两个TOF相同，则手指204位于经过换能器120的对称轴线上。而且，TOF的量值被用于确定手指204和本装置100之间的距离。同样，TOF的总量值和TOF之间的差被用于确定手指204的位置。发射(或发出)信号可以在同一超声载波频率下以时间交叉的方式从每个发射器交替发出；或者，例如，同时发射但在不同载波频率下发射，允许在时域和频域两者中检测。

因为超声系统可以确定手指204的位置，所以可以利用手背303作为屏幕显示器102的扩展，即，用户可以在手背上制造图案(手势，运动，写等)。下文中，术语手势统称为手指P1的运动。图4A示出装置100的透视图并且图4B示出根据本发明的另一实施例如何操作本装置。如图4B中所示，当用户在手背303上移动手指P1时，手指P1的位置可被映射到屏幕显示器102上。

因为本装置100仅测量两个TOF，则手指P1的z坐标可能是不确定的。然而，如果换能器120使其发射图案主要限制于x-y平面而沿z轴具有非常少量的发射的话，那么可以假定手指的z轴的数值对TOF测量不具有任何显著影响。图5A和5B示出沿图2中的线5-5截取的可佩带装置100的剖视图，示意出根据本发明的另一实施例的用于确定手指位置的机构。如图5A中所示，通过换能器120发射的超声脉冲502具有沿z轴的角分散。而且，超声脉冲的一个部分504经过的距离与脉冲的另一部分506经过的距离不同。因为这两个部分504和506的反射可到达传感器122，那么通过传感器122测量的飞行时间将具有特定的分布。然而，如果超声脉冲502具有沿z轴的很窄的角分散使得脉冲主要被局限于x-y平面，那么TOF测量的精确度可以认为是可接受的。在实施例中，通过换能器120发射的超声脉冲502被主要局限于由手背303限定的平面。而且，在实施例中，由每个传感器测量的最短TOF可被用于确定手指202的位置。例如，如图5B中所示，最短TOF，即一对发射束504和508传播位于本装置100和手指202之间的距离所需的时间间隔，可被用于确定手指202的位置。

在实施例中，简单的开关/按钮(在图1-5B中未示出)可被用于将可佩带装置100置于用于接收手背303上的手势作为有效输入的模式。例如，用户可以推按/碰触装置100上的模式开关从而超声系统进入聆听输入的模式，并且同一开关可被用于终止此模式。其它模式，比如初始化模式，也可提供并且允许用户配置本装置。

图6A和6B分别示出了可佩带装置600的剖视图和侧视图，示意出根据本发明的另一实施例如何在本装置上“选择/点按”。因为装置600类似于图1中的装置100，所以为简单起见将不对装置600重复描述。如图所示，装置600包括：用于测量手指604在手背603上的位置的换能器602；设置于向内朝向的带622上的第一导体面(conductive patch)624(对应于装置100中的导体面117)；设置于底面608上的第二导体面610；和环带620。第一导体面624被电连接到第二导体面610使得第一导体面624与用户腕上的皮肤在位置630A处电接触。

当用户将他手指604放在他手背603上以使手指604的末端630D在位置630B处接触手时并且将他拇指640放在第一导体面624上以使拇指的末端630E在位置630C处接触第一导体面624时，电路径，包括拇指640->第一导体面624->第二导体面610->第一皮肤接触630A->第二皮肤接触630B->手指604，变得“闭合”。因此，可以测量此电路径的电阻以确定手指604是否与手背603接触。例如，当手指604碰触到手背603时电阻将从无穷大降低到有限数值。为示意目的，此电阻测量定义为M1。

以类似的方式，当用户将他右拇指放在第一导体面624上时，电容测量可以被进行以确定手指604正在靠近还是正在远离手背603。为示意目的，将此电容测量定义为M2。四个传感器输入，TR1，TR2，M1和M2，的组合可提供有用的位置信息：(1)手指604在手背上的x-y平面中的位置，(2)手指604是否碰触手背，和(3)手指604的末端630C和手背603之间沿z-轴的距离。第三信息可以是如上所述的电阻测量或电容测量。

应注意，电阻和电容测量不必须单独使用。在实施例中，电阻和电容测量的组合可被给予不同含义。例如，电阻和电容的检测可同时进行，以扩大用于可能的“含义”的余地(space)。

在实施例中，传感器输入的不同组合可被用于表示手背603上的“点按”以及写/手势/运动，从而使手背成为小触摸屏表面102的有用扩展。例如，用户可以通过将他右拇指640的末端630E放置在第一导体面624上同时使手指604的末端630D碰触手背603而产生“点按”信号。在这种情况下，电阻测量M1可被用作传感器输入。在另一例子中，用户可以通过将他右拇指640的末端630E放在第一导体面624上同时将手指604的末端630D放在距手背603的表面预设的距离内而产生“点按”信号。在这种情况下，电容测量M2可被用作传感器输入。

除了这四个传感器输入之外，传感器可被用于产生其它类型的传感器输入。在实施例中，传感器122和124中的一个或多个可包括当手指604碰接手背603时拾取声音的扩音器。应注意，在实施例中，其它参数、比如反射信号的多普勒频移可被指定“含义”。

在实施例中，来自所有这些传感器的输入可被映射成各种功能，比如点按，选择，手势等，即，这些输入可被给予不同的含义。而且，这些输入可以被映射成不同振幅和/或频率的音频信号。

应注意，另外的传感器可被配置在可佩带装置100(或600)中。在实施例中，两个另外的传感器可被安装在本装置的内表面108上，使用户的手臂220(在图2中示出了)成为作为触摸屏表面102的扩展的另一表面。

在实施例中，本装置100(或600)可确定多个手指在手背303上的位置。例如，两个手指(表示为A和B)在手背上，传感器122可接收两个反射信号，TR1-A和TR1-B，并且传感器124可接收两个反射信号，TR2-A和TR2-B。通过组合这四个测量，可提取出相当数量的信息。例如，当用户增大这两个手指之间的距离同时这些手指与手背接触时，显示在屏幕102上的图像的对应部分可被放大。在实施例中，换能器的更复杂阵列可在装置100(或600)上实施，从而相控阵扫略功能被添加。

如所讨论的，具有五个接触区域：第二导体面610和腕背之间的接触区域630A；手背上的接触区域630B；第二导体面624上的接触区域630C；手指604的末端630D；和拇指640的末端630E。表1示出这五个接触区域之间的直接阻抗的列表。在表1中，术语物理(physical)是指两个对应接触点之间的无源连接而术语可变(variable)是指这两个对应接触点被连接到装置600(或100)中的有源电子设备。

表1.直接阻抗列表

	630A	630B	630C	630D	630E
						630A	-	物理	可变	-	-
630B	物理	-	-	物理	-
						630C	可变	-	-	-	物理
630D	-	物理	-	-	物理
						630E	-	-	物理	物理	-

如图1中所示，换能器120和两个传感器122和124安装在装置100的外表面106上。然而对于本领域内的技术人员来应该很显然，这些部件可设置于装置100中的其它位置。图7A示出根据本发明的另一实施例的可佩带装置700的横截面图，图7B和7C示出装置700的两个部分的放大图。装置700类似于装置100(或600)，不同点在于超声换能器724和传感器744安装在适当的基板722、比如PCB上。由换能器724产生的超声声音经过波导726离开形成在装置700的壳体720上的出口725，以在方向727上前进。同样，在方向747上传播的反射信号747进入形成在壳体720上的入口745并且通过波导746引导至传感器744，其中传感器744安装在基板722上。应注意为简便起见只有一个传感器744被示出在图7C中了，即使装置700可包括一个以上传感器。

波导726和746可由任何适当的材料形成，比如塑料，并且使音频能量从外表面728传播至平行于底表面710的平面。换能器724和传感器744的这种配置不但简化了本装置的构造而且增加了耐用度，因为换能器和传感器被背离外表面728物理放置并且因此较少地暴露。此配置还允许波成形以形成平坦的波前(wave-front)。还请注意换能器724(以及图1和6中的换能器120，602)可以是任何适当的信号发生器，比如典型的电动扬声器或压电换能器。

在实施例中，装置100(或600，700)的传感器可被校准，使得本装置为用户定制。例如，用户可碰触/推按初始化开关/按钮，以将装置100置于初始化模式。在此模式下，用户可以以他想要的最大程度沿着手指的一个腱移动手指P1并且点按本装置来设定手背303的外边界。同样，用户可以以他想要的最小程度沿同一个腱移动手指P1并且点按本装置以设定手背303上的内边界。通过在一个或多个腱上重复这些步骤，用户可以设置他想要的本区域的整个边界，以用来控制装置100。而且，用户可将他的手分为九个网格，用于进行数字拨号。

在实施例中，可佩带装置100(或600，700)可用作运动检测器并且与各种类型的移动式装置接口。例如，用户可以佩戴计算机化的眼镜，该眼镜经由适当的通信装置、比如

互连装置或其它无线通信系统与可佩带装置100交换信号。图8示出可佩带装置800的俯视图，示意出根据本发明的另一实施例如何形成用户的手背视觉记忆。在实施例中，用户可使用计算机化的眼镜(简单来说，眼镜)作为用于形成用户手背的视觉记忆的工具。如图所示，用户可以佩戴该眼镜，其中眼镜可提供格子图像802从而用户可以移动他的手指来选择其中的一个格子元素。同样，在通过眼镜观察他的手时，用户可以执行其它类型的运动，比如滚动。这样，可佩带装置800将手背804转变成眼镜计算机的人工接口。

在实施例中，用户可以使用眼镜作为用于形成用户手背的视觉记忆的工具。在通过眼镜观察手背时，用户可以使天然参考点、比如指节以及手指背上的不同点与格点相关联，从而形成用户手背的视觉记忆。然而，不必须使用眼镜来形成用户手背的视觉记忆，即，在实施例中，用户可以使用任何其它适当的工具来形成视觉记忆。

在实施例中，可佩带装置100(或600，700)可用作用于各种类型的装置的通用输入机构(UI)。例如，可佩带装置100可经由适当的通信系统耦合到台式计算机，使得用户可以通过控制可佩带装置而操作该计算机。在另一例子中，可佩带装置100可经由适当的通信系统耦合到输入板或TV，使得用户可以通过控制可佩带装置而遥控控制输入板或TV。连接至便携式计算机和显示器系统，另一例子将控制报告中幻灯片的前进和滚动。

在实施例中，可佩带装置100(或600，700)可被用于检测用户的腕的“弯曲”。例如，不使用手指P1，可佩带装置100可检测腕的向上运动，并且有用的含义可被指定给此运动。此外，弯曲程度可影响TR1和TR2使得用户可以传递模拟量到可佩带装置。

在实施例中，图1-8中的可佩带装置可包括其它适当类型的系统来测量手指的位置。例如，IR源(比如IRLED)和传感器可被用于代替超声换能器和超声传感器。IR源可以发射放射形式的光以形成扁平的锥形域，如超声换能器的情况那样。IR传感器/接收器可具有角灵敏度，即，它能够确定手指相对于传感器表面的角位置。影子机构(shadowingmechanism)或软百叶帘结构可被安装在传感器上，用于确定反射光相对于传感器表面的入射角。另外，反射光的强度可被用于确定传感器和手指之间的距离。此外，反射光的强度可被用于确定手指是否正在朝向或远离本装置移动。

图9是根据本发明另一实施例的可佩带装置900的功能框图。如图所示，可佩带装置900，可执行装置100，600和700的各种功能，可包括：信号发生器906；耦合到信号发生器并且操作以发射超声信号的换能器/发射器908；用于检测反射信号的一个或多个传感器910；和被耦合到信号发生器、换能器/发射器和所述一个或多个传感器的飞行时间(TOA)计算器904。当信号发生器906发送信号至换能器/发射器900时，它还发送第一通知到TOA计算器904。当所述一个或多个传感器910接收反射信号并且发送第二通知到TOA计算器904时，TOA计算器确定第一和第二通知之间的时间间隔来测量飞行时间。可佩带装置900还包括被耦合到TOA计算器904的信号处理器902，其中信号处理器902基于所测量的飞行时间来确定手指的位置。在实施例中，TOA计算器904可被引入到信号处理器902中。

应注意换能器/发射器908可以是IR源并且所述一个或多个传感器910可以是IR传感器。在这种情况下，每个传感器可以检测反射光的入射角和强度，并且信号处理器902将基于这些测定值来确定手指的位置。

回头参考图9，可佩带装置900可包括其它部件；用于检测点按信号的点按检测器916，用于控制本装置的显示面板(比如102)的显示控制器914，和用于允许用户改变本装置的操作模式的模式控制器912。点按检测器916可使用这四个输入，TR1，TR2，M1和M2，中的一个或多个来检测用户的“选择/点按”动作，如关于图6A和6B所讨论的。本装置900可包括开关/按钮(在图9未示出)，用户可碰触/推按所述开关/按钮来改变模式。当用户碰触开关时，被连接到开关的模式控制器912改变本装置的操作模式。

应注意装置902可包括其它部件，和/或图9中的一些部件可被集成到一个本体内。例如，用于模式改变的开关/按钮可以从本装置的表面突伸出来或可以是在屏幕(图1中的102)上显示的图像。对于本领域内的技术人员来说应该是很显然地，装置900中的各部件可以不同的配置实施。

虽然本发明可具有多种修改和替代形式，但它们的特殊示例已经在附图中示出并且在这里详细地描述了。然而，应理解，本发明不被限制于所公开的特殊形式，相反，本发明覆盖落在附属权利要求范围内的所有修改、等效和替代。

Claims (19)

1.一种可佩带装置，包括：

显示器；

用于发送信号的发射器；

用于检测从位于所述可佩带装置外面的平面附近或所述平面处的第一手指反射的信号的一组传感器，所述一组传感器产生第一组输出信号；

信号处理器，其处理所述第一组输出信号，以将所述第一手指相对于所述可佩带装置的位置信息映射到所述显示器上；和

第一导体面，当第一手指在所述平面附近或所述平面处时，所述第一导体面响应于与第二手指接触而形成第一手指和第二手指之间的电路径，当第二手指位于第一导体面附近或第一导体面处时，所述位置信息被显示在显示器上。

2.根据权利要求1所述的可佩带装置，其中，所述信号处理器基于信号从发射器传播到所述一组传感器的时间间隔来确定所述第一手指的位置信息。

3.根据权利要求1所述的可佩带装置，还包括：

用于发送第二信号的第二发射器；和

用于检测从第三手指反射的信号的第二组传感器，所述第二组传感器产生第二组输出信号；

其中，所述信号处理器被适于处理所述第二组输出信号并且在显示器上映射与第三手指相关联的位置信息。

4.根据权利要求3所述的可佩带装置，其中，当第二手指在第一导体面附近或第一导体面处时，与所述第三手指相关联的位置信息被显示在显示器上。

5.根据权利要求1所述的可佩带装置，其中，所述一组传感器被适于接收被第二手指反射的信号并且产生第三组输出信号，并且其中，所述信号处理器被适于基于第一手指和第二手指之间的距离来控制显示器上的图像。

6.根据权利要求1所述的可佩带装置，还包括：

第二导体面，其被电连接到第一导体面并且被适于直接接触佩戴着所述可佩带装置的用户的皮肤。

7.根据权利要求6所述的可佩带装置，其中，当用户的第二手指在第一导体面附近或第一导体面处并且用户的第一手指在用户的皮肤附近或皮肤处时，第一手指和第二手指之间的电路径被闭合。

8.根据权利要求7所述的可佩带装置，其中，当所述电路径闭合时产生选择信号。

9.根据权利要求6所述的可佩带装置，其中，当第二手指接触第一导体面时随着第一手指接近皮肤电容发生变化。

10.根据权利要求9所述的可佩带装置，其中，当皮肤和第一手指之间的距离小于一特定值时产生选择信号。

11.根据权利要求1所述的可佩带装置，还包括：

用于安装所述发射器的基板；

用于发送所述信号穿过的出口；和

被耦合到所述发射器和所述出口的波导，其中，所述信号从所述发射器通过所述波导传播到所述出口。

12.根据权利要求1所述的可佩带装置，还包括：

用于安装所述一组传感器的基板；

用于接收被第一手指反射的信号的一组入口；和

被耦合到所述一组传感器和所述一组入口的一组波导，其中，通过所述一组入口接收的信号从所述一组入口通过所述一组波导传播至所述一组传感器。

13.根据权利要求1所述的可佩带装置，还包括眼镜计算机，其提供在一区域上具有多个格子元素的格子，并且其中，所述信号处理器将第一手指的位置映射到所述多个格子元素中的一个。

14.根据权利要求1所述的可佩带装置，还包括：

通信系统，用于将数据通信至外部装置，以允许佩戴着所述可佩带装置的用户通过操作所述可佩带装置来控制所述外部装置。

15.根据权利要求1所述的可佩带装置，其中，所述信号包括一个或多个超声信号并且所述一个或多个超声信号具有同一载波频率。

16.根据权利要求1所述的可佩带装置，其中，所述信号包括一个或多个超声信号并且所述一个或多个超声信号具有不同的载波频率。

17.根据权利要求1所述的可佩带装置，其中，所述发射器包括红外源，并且所述一组传感器中的每一个传感器包括IR传感器，用于确定第一手指相对于每个传感器的表面的角位置。

18.根据权利要求17所述的可佩带装置，其中，被第一手指反射的信号的强度被用于确定所述可佩带装置和所述第一手指之间的距离。

19.根据权利要求1所述的可佩带装置，其中，所述可佩带装置具有手表的形状。

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