CN107977597B - 指纹传感器装置与其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种指纹传感器装置与其操作方法。指纹传感器装置包括驱动电极、驱动电路、指纹感测板、读取电路以及判断电路。驱动电路可以经由驱动电极施加驱动信号至待感测物件。指纹感测板具有可以感测待感测物件的多个感测电极。读取电路可以经由指纹感测板读取驱动信号。在驱动信号的上升沿时点与相邻于该上升沿时点的驱动信号的下降沿时点之间，读取电路分别在至少二个不同相位采样指纹感测板所感测的驱动信号而获得至少二个采样结果，以及输出所述至少二个采样结果的差值。判断电路可以检查该差值来判断待感测物件为真手指或伪手指。

Description

指纹传感器装置与其操作方法
技术领域
本发明涉及一种生物特征感测技术，且特别涉及一种指纹传感器装置与其操作方法。
背景技术
指纹辨识为生物特征辨识系统(Biometric Recognition System)的重要一环。为了信息安全，指纹传感器可能被配置在电子装置(例如掌上型移动电话)中。在指纹注册(Fingerprint enrollment)阶段，电子装置依据指纹传感器所采集(capture)到的指纹图像来进行指纹注册，以获得经注册的指纹范本(template)。完成指纹注册后，电子装置便可以提供指纹验证功能。藉由比对待验证特征以及已注册特征的相似程度，判断二者是否为同一指纹，即为“指纹验证”。指纹验证功能可以应用于边境管制、公民罪犯身份识别、工商居家门禁控制、公共安全、数据存取、移动通信、移动支付或是其他信息安全应用。
指纹辨识技术常常采用电容式指纹传感器。驱动电极可以将驱动信号传递到手指。此驱动信号会经由手指传递到电容式指纹传感器。电容式指纹传感器可以读取经由手指传递的驱动信号，以便采集手指的指纹。电容式指纹传感器采集指纹的实施细节为公知技术，故不再赘述。然而当非法使用者以伪手指(例如具有指纹特征的导电橡胶或其他手段)接触已知电容式指纹传感器时，已知电容式指纹传感器并无法有效判断所接触的物体(待感测物件)为真手指或伪手指。
发明内容
本发明提供一种指纹传感器装置与其操作方法，其可有效辨识待感测物件为真手指或伪手指。
本发明的实施例提供一种指纹传感器装置。指纹传感器装置包括驱动电极、驱动电路、指纹感测板、读取电路以及判断电路。驱动电路耦接至驱动电极。驱动电路可以经由驱动电极施加驱动信号至待感测物件。指纹感测板具有多个感测电极。这些感测电极可以感测该待感测物件。读取电路耦接至指纹感测板的这些感测电极的其中一个。读取电路可以经由指纹感测板读取驱动信号。在驱动信号的上升沿(rising edge)时点与相邻于该上升沿时点的驱动信号的下降沿(falling edge)时点之间，读取电路分别在至少二个不同相位采样指纹感测板所感测的驱动信号而获得至少二个采样结果，以及输出所述至少二个采样结果的差值。判断电路耦接至读取电路以接收该差值。判断电路可以检查该差值来判断待感测物件为真手指或伪手指。
本发明的实施例提供一种指纹传感器装置的操作方法。指纹传感器装置包括驱动电极、驱动电路、指纹感测板、读取电路以及判断电路。所述操作方法包括：由驱动电路经由驱动电极施加驱动信号至待感测物件；由指纹感测板的多个感测电极感测待感测物件；由读取电路经由指纹感测板的这些感测电极的其中一个读取驱动信号，其中在驱动信号的上升沿时点与相邻于该上升沿时点的驱动信号的下降沿时点之间，读取电路分别在至少二个不同相位采样指纹感测板所感测的驱动信号而获得至少二个采样结果，以及输出所述至少二个采样结果的差值；以及由判断电路检查该差值来判断待感测物件为真手指或伪手指。
基于上述，本发明实施例所述指纹传感器装置与其操作方法，其在不同相位采样指纹感测板所感测的驱动信号而获得多个采样结果。判断电路检查这些采样结果的差异关系来判断待感测物件为真手指或伪手指。因此，所述指纹传感器装置与其操作方法可以有效辨识待感测物件为真手指或伪手指。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例所绘示的一种指纹传感器装置的电路方块示意图。
图2是依照本发明的一实施例绘示了图1所示指纹传感器装置的应用情境示意图。
图3是依照本发明的一实施例所绘示的一种指纹传感器装置的操作方法的流程示意图。
图4绘示了图1所示指纹传感器装置的信号波形与时序的示意图。
图5是依照本发明的一实施例绘示了图1所示读取电路的电路示意图。
图6是依照本发明的另一实施例绘示了图1所示读取电路的电路示意图。
【符号说明】
20：待感测物件
100：指纹传感器装置
110：驱动电极
120：驱动电路
130：指纹感测板
140：读取电路
141：第一采样开关
142：第二采样开关
143：放大器
144、644：重置开关
145、645：积分开关
146、646：参考电压开关
150：判断电路
160：非导电基板
401、402：波形
641：第三采样开关
642：第四采样开关
C1、C3：采样电容
C2、C4：积分电容
GND：接地电压
ph1、ph2、ph3、ph4：相位
S320～S353：步骤
Sd1、Sd2：驱动信号
sp1、sp2、sp3、sp4、sp5、sp6、sp7、sp8：采样结果
sp2-sp1、sp3-sp4：差值
t1、t3：上升沿时点
t2：下降沿时点
V1、V2：电压
Vref1、Vref2：参考电压
φ1：第一时钟信号
φ2：第二时钟信号
具体实施方式
在本申请说明书全文(包括权利要求书)中所使用的“耦接(或连接)”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接(或连接)于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件/步骤可以相互参照相关说明。
图1是依照本发明的一实施例所绘示的一种指纹传感器装置100的电路方块示意图。指纹传感器装置100包括驱动电极110、驱动电路120、指纹感测板130、读取电路140以及判断电路150。图2是依照本发明的一实施例绘示了图1所示指纹传感器装置100的应用情境示意图。图2绘示了指纹传感器装置100的剖面示意图。
请参照图1与图2，驱动电路120耦接至驱动电极110。当待感测物件20(例如使用者的手指)接触驱动电极110时，驱动电路120可以经由驱动电极110施加驱动信号Sd1至待感测物件20。非导电基板160迭置于指纹感测板130上。在一些实施例中，非导电基板160可以配置于驱动电极110与指纹感测板130之间。非导电基板160可以是玻璃基板、塑胶基板或是其他不导电基板。当待感测物件20靠近指纹感测板130时，待感测物件20与指纹感测板130之间会形成一个等效电容。因此，待感测物件20的驱动信号Sd2(此驱动信号由驱动电极110提供)将会经由此等效电容而被传送至指纹感测板130。指纹感测板130具有多个感测电极(未绘示)。这些感测电极可以感测待感测物件20的驱动信号Sd2。指纹感测板130的实施方式与这些感测电极(未绘示)的布局方式可以依照设计需求来决定，例如采用已知的指纹感测板来实现图1所示指纹感测板130。
图3是依照本发明的一实施例所绘示的一种指纹传感器装置的操作方法的流程示意图。请参照图1与图3，在步骤S320中，驱动电路120可以经由驱动电极110施加驱动信号Sd1至待感测物件20。在步骤S330中，指纹感测板130的多个感测电极(未绘示)可以感测待感测物件20的驱动信号Sd2，以便采集待感测物件20的指纹。指纹感测板130采集指纹的操作可以依照设计需求来决定，例如采用已知电容式指纹传感器的采集指纹的操作来实现图3所示步骤S330。
读取电路140耦接至指纹感测板130的这些感测电极(未绘示)的其中一个或多个。在步骤S340中，读取电路140可以经由指纹感测板130读取待感测物件20的驱动信号Sd2(此驱动信号由驱动电极110提供)。在驱动信号Sd1的上升沿时点与相邻于该上升沿时点的驱动信号Sd1的下降沿时点之间，读取电路140分别在至少二个不同相位采样指纹感测板130所感测的驱动信号Sd2而获得至少二个采样结果，以及输出所述至少二个采样结果的差值给判断电路150(步骤S340)。
图4绘示了图1所示指纹传感器装置100的信号波形与时序的示意图。图4所示横轴表示时间，而纵轴表示电压。在图4所示实施范例中，驱动电路120输出方波的时钟信号至驱动电极110作为驱动信号Sd1。一般而言，使用者的手指(真手指)的电阻值较高，而伪手指(例如具有指纹特征的导电橡胶或其他手段)的电阻值较低。若待感测物件20为真手指，则待感测物件20的驱动信号Sd2的波形具有较明显的电阻电容延迟现象(例如图4所示波形401所示)。若待感测物件20为伪手指(例如具有指纹特征的导电橡胶)，则待感测物件20的驱动信号Sd2的波形的电阻电容延迟现象较不明显(例如图4所示波形402所示)。
举例来说，在此假设待感测物件20为真手指(请参照图4所示波形401)。在驱动信号Sd1的上升沿时点t1与相邻于上升沿时点t1的下降沿时点t2之间，读取电路140分别在相位ph1与相位ph2采样指纹感测板130所感测的驱动信号Sd2而获得采样结果sp1与采样结果sp2，以及输出所述采样结果sp1与采样结果sp2的差值sp2-sp1给判断电路150(步骤S340)。在另一些实施例中，读取电路140可以在驱动信号Sd1的下降沿时点t2与相邻于下降沿时点t2的上升沿时点t3之间采样驱动信号Sd2。在下降沿时点t2与相邻的上升沿时点t3之间，读取电路140分别在相位ph3与相位ph4采样指纹感测板130所感测的驱动信号Sd2而获得采样结果sp3与采样结果sp4，以及输出所述采样结果sp3与采样结果sp4的差值sp3-sp4给判断电路150(步骤S340)。
在此假设待感测物件20为伪手指(例如具有指纹特征的导电橡胶)，请参照图4所示波形402。在驱动信号Sd1的上升沿时点t1与相邻于上升沿时点t1的下降沿时点t2之间，读取电路140分别在相位ph1与相位ph2采样指纹感测板130所感测的驱动信号Sd2而获得采样结果sp5与采样结果sp6，以及输出所述采样结果sp5与采样结果sp6的差值sp6-sp5给判断电路150(步骤S340)。由波形402可以看出，伪手指的采样结果的差值sp6-sp5是非常小的。在另一些实施例中，读取电路140可以在驱动信号Sd1的下降沿时点t2与相邻于下降沿时点t2的上升沿时点t3之间采样驱动信号Sd2。在下降沿时点t2与相邻的上升沿时点t3之间，读取电路140分别在相位ph3与相位ph4采样指纹感测板130所感测的驱动信号Sd2而获得采样结果sp7与采样结果sp8，以及输出所述采样结果sp7与采样结果sp8的差值sp7-sp8给判断电路150(步骤S340)。由波形402可以看出，伪手指的采样结果的差值sp7-sp8也是非常小的。
请参照图1与图3，判断电路150耦接至读取电路140，以接收所述采样结果的差值(例如图4所示差值sp2-sp1)。判断电路150在步骤S350中可以检查所述差值，来判断待感测物件20为真手指或伪手指。在图3所示实施例中，步骤S350包括子步骤S351、S352与S353。
在步骤S351中，判断电路150可以比较所述采样结果的差值与阈值，并依照该差值与该阈值的比较结果来判断待感测物件20为真手指或伪手指。当该差值大于该阈值时，判断电路150可以判断待感测物件20为真手指(步骤S352)。当该差值小于该阈值时，判断电路150可以判断待感测物件20为伪手指(步骤S353)。
图5是依照本发明的一实施例绘示了图1所示读取电路140的电路示意图。读取电路140包括第一采样开关141、第二采样开关142、采样电容C1、放大器143、重置开关144、积分电容C2、积分开关145与参考电压开关146。第一采样开关141的第一端与第二采样开关142的第一端共同耦接至指纹感测板130的一个感测电极(未绘示)。采样电容C1的第一端耦接至第一采样开关141的第二端与第二采样开关142的第二端。放大器143的反相输入端耦接至采样电容C1的第二端。放大器143的非反相输入端耦接至参考电压Vref1。参考电压Vref1的实施方式可以依照设计需求来决定，例如采用固定电压源所产生的固定电压作为参考电压Vref1，或是采用时钟(脉冲)产生器所产生的脉冲电压作为参考电压Vref1。例如，参考电压Vref1可以是接地电压或是其他电平的固定电压。放大器143的输出端耦接至判断电路150以提供所述采样结果的差值。重置开关144的第一端与第二端分别耦接至放大器143的反相输入端与放大器143的输出端。积分电容C2的第一端耦接至放大器143的反相输入端。积分开关145的第一端与第二端分别耦接至积分电容C2的第二端与放大器143的输出端。参考电压开关146的第一端与第二端分别耦接至积分电容C2的第二端与参考电压(例如接地电压GND)。第一采样开关141与积分开关145的控制端受控于第一时钟信号φ1。第二采样开关142、重置开关144与参考电压开关146的控制端受控于第二时钟信号φ2。其中，第一时钟信号φ1的脉冲不重叠于第二时钟信号φ2的脉冲。
图6是依照本发明的另一实施例绘示了图1所示读取电路140的电路示意图。读取电路140包括第一采样开关141、第二采样开关142、第一采样电容C1、放大器143、第一重置开关144、第一积分电容C2、第一积分开关145、第一参考电压开关146、第三采样开关641、第四采样开关642、第二采样电容C3、第二重置开关644、第二积分电容C4、第二积分开关645与第二参考电压开关646。第一采样开关141的第一端与第二采样开关142的第一端共同耦接至指纹感测板130的一个感测电极(未绘示)。第一采样电容C1的第一端耦接至第一采样开关141的第二端与第二采样开关142的第二端。放大器143的反相输入端耦接至第一采样电容C1的第二端。放大器143的差动输出端耦接至判断电路150，以提供所述采样结果的差值。第一重置开关144的第一端与第二端分别耦接至放大器143的反相输入端与放大器143的差动输出端的第一输出端。第一积分电容C2的第一端耦接至放大器143的反相输入端。第一积分开关145的第一端与第二端分别耦接至第一积分电容C2的第二端与放大器143的差动输出端的第一输出端。第一参考电压开关146的第一端与第二端分别耦接至第一积分电容C2的第二端与参考电压Vref2。参考电压Vref2的实施方式可以依照设计需求来决定，例如采用固定电压源来提供参考电压Vref2。例如，参考电压Vref2可以是接地电压或是其他电平的固定电压。
第三采样开关641的第一端耦接至电压V1。第四采样开关642的第一端耦接至电压V2。电压V1与电压V2的实施方式可以依照设计需求来决定。例如，电压V1可以是固定电压源所产生的固定电压，而电压V2可以是另一个固定电压源所产生的固定电压。举例来说，电压V1与电压V2可以是介于系统电压Vcc与接地电压GND之间的两个固定电压。第二采样电容C3的第一端耦接至第三采样开关641的第二端与第四采样开关642的第二端。放大器143的非反相输入端耦接至第二采样电容C3的第二端。第二重置开关644的第一端与第二端分别耦接至放大器143的非反相输入端与放大器143的差动输出端的第二输出端。第二积分电容C4的第一端耦接至放大器143的非反相输入端。第二积分开关645的第一端与第二端分别耦接至第二积分电容C4的第二端与放大器143的差动输出端的第二输出端。第二参考电压开关646的第一端与第二端分别耦接至第二积分电容C4的第二端与参考电压Vref2。
第一采样开关141、第一积分开关145、第四采样开关642与第二积分开关645的控制端受控于第一时钟信号φ1。第二采样开关142、第一重置开关144、第一参考电压开关146、第三采样开关641、第二重置开关644与第二参考电压开关64的控制端受控于第二时钟信号φ2。其中，第一时钟信号φ1的脉冲不重叠于第二时钟信号φ2的脉冲。
值得注意的是，在不同的应用情境中，读取电路140和/或是判断电路150的相关功能可以利用一般的编程语言(programming languages，例如C或C++)、硬件描述语言(hardware description languages，例如Verilog HDL或VHDL)或其他合适的编程语言来实现为软件、固件或硬件。可执行所述相关功能的软件(或固件)可以被布置为任何已知的计算机可存取介质(computer-accessible medias)，例如磁带(magnetic tapes)、半导体(semiconductors)存储器、磁盘(magnetic disks)或光盘(compact disks，例如CD-ROM或DVD-ROM)，或者可通过互联网(Internet)、有线通信(wired communication)、无线通信(wireless communication)或其它通信介质传送所述软件(或固件)。所述软件(或固件)可以被存放在计算机的可存取介质中，以便于由计算机的处理器来存取/执行所述软件(或固件)的编程代码(programming codes)。另外，本发明的装置和方法可以通过硬件和软件的组合来实现。
综上所述，本发明诸实施例所述指纹传感器装置与其操作方法，其在不同相位采样指纹感测板所感测的驱动信号而获得多个采样结果。判断电路可以检查这些采样结果的差异关系来判断待感测物件20为真手指或伪手指。因此，所述指纹传感器装置与其操作方法可以有效辨识待感测物件20为真手指或伪手指
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (14)

1.一种指纹传感器装置，其特征在于，所述指纹传感器装置包括：
驱动电极；
驱动电路，耦接至所述驱动电极，用以经由所述驱动电极施加驱动信号至待感测物件；
指纹感测板，具有多个感测电极，所述多个感测电极用以感测所述待感测物件；
读取电路，耦接至所述指纹感测板的所述多个感测电极的其中一个，用以经由所述指纹感测板读取所述驱动信号，其中在所述驱动信号的上升沿时点与相邻于所述上升沿时点的所述驱动信号的下降沿时点之间，所述读取电路分别在至少二个不同相位采样所述指纹感测板所感测的所述驱动信号而获得至少二个采样结果，以及输出所述至少二个采样结果的差值；以及
判断电路，耦接至所述读取电路以接收所述差值，用以检查所述差值来判断所述待感测物件为真手指或伪手指。
2.如权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述指纹传感器装置还包括：
非导电基板，迭置于所述指纹感测板上，以及配置于所述驱动电极与所述指纹感测板之间。
3.如权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述驱动电路输出方波至所述驱动电极作为所述驱动信号。
4.如权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述读取电路包括：
第一采样开关，所述第一采样开关的第一端耦接至所述多个感测电极中的所述其中一个；
第二采样开关，所述第二采样开关的第一端耦接至所述多个感测电极中的所述其中一个；
采样电容，所述采样电容的第一端耦接至所述第一采样开关的第二端与所述第二采样开关的第二端；
放大器，所述放大器的反相输入端耦接至所述采样电容的第二端，所述放大器的非反相输入端耦接至参考电压，所述放大器的输出端耦接至所述判断电路以提供所述差值；
重置开关，所述重置开关的第一端与第二端分别耦接至所述放大器的所述反相输入端与所述放大器的所述输出端；
积分电容，所述积分电容的第一端耦接至所述放大器的所述反相输入端；
积分开关，所述积分开关的第一端与第二端分别耦接至所述积分电容的第二端与所述放大器的所述输出端；以及
参考电压开关，所述参考电压开关的第一端与第二端分别耦接至所述积分电容的所述第二端与所述参考电压。
5.如权利要求4所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述第一采样开关与所述积分开关受控于第一时钟信号，所述第二采样开关、所述重置开关与所述参考电压开关受控于第二时钟信号，而所述第一时钟信号的脉冲不重叠于所述第二时钟信号的脉冲。
6.如权利要求4所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述参考电压是脉冲电压或是固定电压。
7.如权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述读取电路包括：
第一采样开关，所述第一采样开关的第一端耦接至所述多个感测电极中的所述其中一个；
第二采样开关，所述第二采样开关的第一端耦接至所述多个感测电极中的所述其中一个；
第一采样电容，所述第一采样电容的第一端耦接至所述第一采样开关的第二端与所述第二采样开关的第二端；
放大器，所述放大器的反相输入端耦接至所述第一采样电容的第二端，所述放大器的差动输出端耦接至所述判断电路以提供所述差值；
第一重置开关，所述第一重置开关的第一端与第二端分别耦接至所述放大器的所述反相输入端与所述放大器的所述差动输出端的第一输出端；
第一积分电容，所述第一积分电容的第一端耦接至所述放大器的所述反相输入端；
第一积分开关，所述第一积分开关的第一端与第二端分别耦接至所述第一积分电容的第二端与所述放大器的所述差动输出端的所述第一输出端；
第一参考电压开关，所述第一参考电压开关的第一端与第二端分别耦接至所述第一积分电容的所述第二端与参考电压；
第三采样开关，所述第三采样开关的第一端耦接至第一电压；
第四采样开关，所述第四采样开关的第一端耦接至第二电压；
第二采样电容，所述第二采样电容的第一端耦接至所述第三采样开关的第二端与所述第四采样开关的第二端，其中所述第二采样电容的第二端耦接至所述放大器的非反相输入端；
第二重置开关，所述第二重置开关的第一端与第二端分别耦接至所述放大器的所述非反相输入端与所述放大器的所述差动输出端的第二输出端；
第二积分电容，所述第二积分电容的第一端耦接至所述放大器的所述非反相输入端；
第二积分开关，所述第二积分开关的第一端与第二端分别耦接至所述第二积分电容的第二端与所述放大器的所述差动输出端的所述第二输出端；以及
第二参考电压开关，所述第二参考电压开关的第一端与第二端分别耦接至所述第二积分电容的所述第二端与所述参考电压。
8.如权利要求7所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述第一采样开关、所述第一积分开关、所述第四采样开关与所述第二积分开关受控于第一时钟信号，所述第二采样开关、所述第一重置开关、所述第一参考电压开关、所述第三采样开关、所述第二重置开关与所述第二参考电压开关受控于第二时钟信号，而所述第一时钟信号的脉冲不重叠于所述第二时钟信号的脉冲。
9.如权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述判断电路比较所述差值与阈值，并依照所述差值与所述阈值的比较结果来判断所述待感测物件为真手指或伪手指。
10.如权利要求9所述的指纹传感器装置，其特征在于，当所述差值大于所述阈值时，所述判断电路判断所述待感测物件为真手指，以及当所述差值小于所述阈值时，所述判断电路判断所述待感测物件为伪手指。
11.一种指纹传感器装置的操作方法，其特征在于，所述指纹传感器装置包括驱动电极、驱动电路、指纹感测板、读取电路以及判断电路，所述操作方法包括：
由所述驱动电路经由所述驱动电极施加驱动信号至待感测物件；
由所述指纹感测板的多个感测电极感测所述待感测物件；
由所述读取电路经由所述指纹感测板的所述多个感测电极的其中一个读取所述驱动信号，其中在所述驱动信号的上升沿时点与相邻于所述上升沿时点的所述驱动信号的下降沿时点之间，所述读取电路分别在至少二个不同相位采样该指纹感测板所感测的所述驱动信号而获得至少二个采样结果，以及输出所述至少二个采样结果的差值；以及
由所述判断电路检查所述差值来判断所述待感测物件为真手指或伪手指。
12.如权利要求11所述的操作方法，其特征在于，所述驱动电路输出方波至所述驱动电极作为所述驱动信号。
13.如权利要求11所述的操作方法，其特征在于，所述检查差值的步骤包括：
由所述判断电路比较所述差值与阈值，并依照所述差值与所述阈值的比较结果来判断所述待感测物件为真手指或伪手指。
14.如权利要求13所述的操作方法，其特征在于，所述比较差值与阈值的步骤包括：
当所述差值大于所述阈值时，判断所述待感测物件为真手指；以及
当所述差值小于所述阈值时，判断所述待感测物件为伪手指。
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