CN110108204A - 利用镜头检测连接器pin针位置偏差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业视觉测量技术领域,具体涉及一种利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法。本发明提供的检测方法,首先建立世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系;其次获取位于连接器基准面上的基准点、连接器PIN针的像素坐标系坐标,并分别由上述关系转换为世界坐标系坐标,同时在连接器基准面上建立工件物理坐标系,再将基准点、PIN针的世界坐标系坐标分别转换为工件物理坐标系坐标,最后检测二者在工件物理坐标系的坐标差值是否在设计差值范围之内。该方法检测精度好、检测效率高,避免了因被测物和镜头之间相对移动而带来的误差,尤其适于PIN针尖端面与连接器基准面存在断差的情况。
Description
技术领域
本发明属于工业视觉测量技术领域,具体涉及一种利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法。
背景技术
作为连接两个或多个有源器件的媒介,连接器广泛应用于电子领域中,以用来传输电流或信号。连接器的基本结构包括接触件、绝缘体和外壳等,其中,接触件是连接器完成电连接功能的核心零件,其排列位置精度是衡量连接器机械性能、电气性能的重要指标;绝缘体即为基座,以使接触件按所需要的位置和间距排列,并保证接触件之间以及接触件与外壳之间的绝缘性能;外壳作为连接器的外罩,为内装的接触件和绝缘体提供机械保护。一些连接器的接触件是以PIN针形式存在的,在连接器生产过程中,如经冲压、注塑、组装时,PIN针的排列位置精度难免会受到影响,因此,在出厂前需要对连接器的PIN针的排列位置进行测量。
连接器PIN针的排列位置一般是在连接器产品定义的基准坐标系下进行定义的,因此,在对PIN针的排列位置进行测量的同时还要对基准坐标系的原点和方向进行测量,而基准坐标系一般与连接器某个平面(即基准面)的特征相关联。现有的连接器PIN针排列位置的光学测量方法主要有以下几种:双目视觉法、双远心镜头测量法、移动双远心镜头测量法以及3D扫描法。其中,双目视觉法主要是通过左右相机视差确定PIN针的三维位置,进而判定其排列位置的精度,其缺点为光照条件高、测量视野小、景深要求大;双远心镜头测量法主要是利用大景深、不变倍的原理,以同时观测基准面特征和PIN针,但该方法对PIN针特征表现不够细致,且当PIN针端面与基准面存在断差时计算误差大;移动双远心镜头测量法是通过引入运动机构来移动镜头以改变物距对PIN针端面和基准面分开测量,其缺点是镜头运动会带来测量误差,测量效率也较低;3D扫描法是通过3D传感器对连接器进行扫描得出点云模型后再进行处理,其缺点是成本高、容易出现漏针以及遮挡现象。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有的连接器PIN针位置检测方法精度不高、成本高且易出现漏针、遮挡的缺陷,从而提供一种基于液态远心镜头的检测精度高、易操作且适于较细PIN针型位置偏检测方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
本发明提供一种利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,包括以下步骤:
第一步:建立世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系;
第二步:预设所述连接器的基准面以及位于所述基准面上的基准点,获取所述基准点在第一镜头参数下成最清晰图像时的像素坐标系坐标,由第一步建立的关系得到所述基准点的世界坐标系坐标;同时,在所述基准面上建立工件物理坐标系;
第三步,获取所述PIN针在第二镜头参数下成最清晰图像时的像素坐标系坐标,由第一步建立的关系得到所述PIN针的世界坐标系坐标;
第四步,将所述基准点、所述PIN针的世界坐标系坐标分别转入工件物理坐标系,并将所述基准点、所述PIN针的工件物理坐标系的坐标差值与设计的坐标差值比较。
优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第一步中,通过调节镜头参数获取垂直于所述镜头光轴并在不同物距下若干平面成最清晰图像时的像素坐标系坐标,拟合得到世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系;
第二步和第三步中,所述基准面位于任一所述平面。
进一步优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第一步中,以棋盘格标定板垂直于所述镜头光轴,获取所述棋盘格标定板角点在不同物距下成最清晰图像时的镜头参数、世界坐标系坐标、像素坐标系坐标、所述角点在像素坐标系下的平移量和缩放量、棋盘格纵横比以及所述棋盘格标定板沿所述镜头光轴的旋转角度。
进一步优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第一步中,将所述角点在像素坐标系的平移量拟合为含镜头参数的线性关系。
进一步优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第一步中,将所述角点在像素坐标系的缩放量拟合为含镜头参数的关系。
进一步优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第一步中,将所述角点在像素坐标系的平移量和缩放量分别通过最小二乘法拟合为含镜头参数的线性关系。
进一步优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第二步中,在所述基准面上建立工件物理坐标系的方法为:
在所述基准面的最清晰图像区域内设置ROI区域,通过hough方法在所述ROI区域内拟合出两条中垂线,以两条中垂线的交点作为所述基准点;以所述基准点为原点建立工件物理坐标系。
进一步优选地,该利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,第三步中,提取所述PIN针像素坐标系坐标的方法为:
通过模板匹配方法,以一个所述PIN针尖端面为模板,查找出所述连接器上的所有所述PIN针尖端面,逐一计算每个所述PIN针尖端面的几何中心,提取所述PIN针尖端面的几何中心的像素坐标系坐标。
本发明技术方案,具有如下优点:
1.本发明提供的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,首先建立世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系;其次获取位于连接器基准面上的基准点、连接器PIN针的像素坐标系坐标,并分别由上述关系转换为世界坐标系坐标,同时在连接器基准面上建立工件物理坐标系,再将基准点、PIN针的世界坐标系坐标分别转换为工件物理坐标系坐标,最后检测二者在工件物理坐标系的坐标差值是否在设计差值范围之内。
基于建立的世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系对连接器PIN针位置偏差进行检测,将检测过程中可能出现多种变量均以镜头参数表征,而镜头可以直接读出,简化了检测过程,消除了被测物和镜头之间相对移动而带来的误差;连接器基准点、PIN针的世界坐标系坐标分别转换为同一基准面的工件物理坐标系下的坐标,基于位于同一基准面的同一坐标系进行比较,提高了PIN针位置偏差检测精度,检测效率也较高大大提高了精度。
2.本发明提供的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,通过调节镜头参数获取垂直于所述镜头光轴并在不同物距下若干平面成最清晰图像时的像素坐标系坐标,拟合得到世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系。
通过多个平行平面标定了世界坐标系坐标与像素坐标系坐标、镜头参数的关系,然后将连接器基准面以及PIN针尖端面分别位于上述任一平行平面中,其像素坐标系坐标由标定关系得到的世界坐标系坐标更加准确,尤其适于PIN针尖端面与连接器基准面存在断差的情况。
3.本发明提供的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,当棋盘格标定板位于不同的平行平面时,也即,棋盘格标定板的物距发生变化,不同物距下,棋盘格标定板角点坐标在像素坐标系下的平移量拟合为含镜头参数的线性关系,镜头参数由液态远心镜头直接读出,以镜头参数分别表征连接器和PIN针在像素坐标系下的平移量,在保证较高检测精度的前提下简化了检测过程。
4.本发明提供的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,当棋盘格标定板位于不同的平行平面时,也即,棋盘格标定板的物距发生变化,不同物距下,棋盘格标定板角点在像素坐标系下发生的缩放量拟合为含镜头参数的线性关系,镜头参数由液态远心镜头直接读出,以镜头参数分别表征连接器和PIN针在像素坐标下发生的缩放量,在保证较高检测精度的前提下简化了检测过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法流程图;
图2为本发明实施例1提供的基准面ROI区域示意图;
图3为本发明实施例1提供的基准面上工件物理坐标系原点示意图;
图4为本发明实施例1提供的PIN针结构示意图(由针尖方看);
图5为本发明实施例1提供的PIN针尖模板示意图;
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,如图1所示,包括以下步骤:
步骤1.检测前准备
固定好相机位置,调节好环状光源,将棋盘格标定板置于高精度数字升降台上,使得棋盘格标定板垂直于相机镜头光轴,确保相机视野内能观察到棋盘格标定板的角点;
其中,所使用的相机镜头为液态远心镜头,型号为Optptune:EL-16-40-TC。
2.镜头立体标定
控制高精度数字升降台的台面高度达到指定高度,将此时棋盘格标定板板角点在的平面定为0高度面,在0高度面上建立世界坐标系X1Y1Z1O1,世界坐标系的O1X1坐标轴、O1Y1坐标轴、O1Z1坐标轴相互垂直,以棋盘格标定板角点在的平面作为世界坐标系X1Y1Z1O1的X1O1Y1平面,镜头的光轴作为世界坐标系X1Y1Z1O1的O1Z1坐标轴;同时,在相机视野内设置像素坐标系uov,ou坐标轴和ov坐标轴相互垂直。其中,uov平面与X1O1Y1平面平行,ou坐标轴与O1X1坐标轴的夹角为θ1,则ov坐标轴与O1Y1坐标轴的夹角也为θ1,θ1为世界坐标系O1X1坐标轴到像素坐标系ov坐标轴的旋转角度。
通过调节高精度数字升降台台面的高度以实现物距U的变更,如将高精度数字升降台台面高度分别达到5mm、10mm、15mm,在每个高度面(即不同物距U)下通过调节镜头参数得到棋盘格标定板角点的最清晰图像,提取该棋盘格标定板角点在像素坐标系uov下的像素坐标。由于高精度数字升降台所搭载的棋盘格标定板仅在世界坐标系X1Y1Z1O1的O1Z1坐标轴上移动,其在X1O1Y1平面的物理坐标并未发生旋转、缩放或平移,而在不同物距U、不同镜头参数fp所拍摄的棋盘格标定板在像素坐标系uov中却发生了显著的变化:首先,棋盘格相对于ou坐标轴、ov坐标轴方向的发生了平移,分别记为Tu、Tv;其次,棋盘格还发生了缩放,其发生缩放量的尺度因子记为s;再次,还与旋转角度θ1和每个棋盘格纵横比A相关,采用如下关系式(1)建立世界坐标系X1Y1Z1O1物理坐标(X1,Y1)与像素坐标系uov像素坐标(u,v)、旋转角度θ1、棋盘格发生缩放量的尺度因子s、每个棋盘格的纵横比因子A以及棋盘格在ou坐标轴、ov坐标轴方向所发生的平移量(Tu、Tv)的关系,记为关系式(1):
其中,u、v为像素坐标系下棋盘格标定板角点的像素坐标,X1、Y1为世界坐标系下棋盘格标定板角点分别对应于O1X1坐标轴、O1Y1坐标轴的物理坐标,θ1为世界坐标系O1Y1坐标轴到像素坐标系ov坐标轴的旋转角度,s为棋盘格在像素坐标系下发生缩放量的尺度因子,A为每个棋盘格的纵横比因子,u、v为像素坐标系下棋盘格标定板角点的像素坐标,Tu、Tv分别为棋盘格在ou坐标轴、ov坐标轴方向所发生的平移量。
发明人通过多次试验并分析试验数据发现,在标定过程中,棋盘格标定板角点在像素坐标系uov下分别对应于ou坐标轴、ov坐标轴方向的平移量Tu、Tv以及棋盘格在像素坐标系uov下发生缩放量的尺度因子s与镜头参数fp有较强的线性相关性,且与镜头参数fp的相关性分别是-0.9997,-0.99995,0.999842。
在物距U下棋盘格在像素坐标系下的平移量与镜头参数的关系分别为:
Tu=a1×fp+b1 (2)
Tv=a2×fp+b2 (3)
其中,Tu、Tv为棋盘格在像素坐标系下分别对应于u坐标轴、v坐标轴方向的平移量,fp为镜头参数,a1,b1,a2,b2是根据多组Tu,Tv与fp数据通过最小二乘法进行线性拟合公式得到的。
在物距U下棋盘格在像素坐标系下发生缩放量的尺度因子与镜头参数的关系为:
s=a3×fp+b3 (4)
其中,s为尺度因子,fp为镜头参数,a3,b3是根据多组s与fp数据通过最小二乘法进行线性拟合公式得到的。
而且,
本实施例中列举了四次标定结果中,如表格1所示,
表1四次标定结果
通过最小二乘法进行线性拟合公式,得到a1=-0.2421,b1=1303,a2=-0.2213,b2=1141,a3=0.008595,b3=82.1,因此,平移量Tu及Tv、尺度因子s与镜头参数fp的关系为:
Tu=-0.2421fp+1303 (2’)
Tv=-0.2213fp+1141 (3’)
s=0.008595fp+82.1 (4’)
由于棋盘格标定板仅在世界坐标系X1Y1Z1O1的O1Z1坐标轴上移动,其在X1O1Y1平面的物理坐标并未发生旋转、缩放或平移,旋转角度θ1恒定不变,本实施例中,θ1=-0.275°,记为关系式(5’);每个棋盘格纵横比也未变化,A=1,记为关系式(6’)。
将关系式(2’)、(3’)、(4’)、(5’)、(6’)代入关系式(1),即得物距U下世界坐标系X1Y1Z1O1物理坐标(X1,Y1)与像素坐标系uov像素坐标(u,v)、镜头参数fp的关系式(1’),从而得到了垂直于镜头光轴并在不同物距下若干平行平面的世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系。
3.连接器基准面像素坐标提取及工件物理坐标系X2Y2Z2O2的建立
撤走高精度数字升降台,将搭载连接器的载具移入检测区域。
预设连接器的基准面以及位于基准面上的基准点,将基准面垂直于镜头光轴并位于物距U1下,其中,U1∈U,也即,基准面处于步骤2中的某一平面。调节镜头参数为第一镜头参数fp1得到基准面的最清晰图像,在基准面的最清晰图像区域内设置ROI区域,通过hough方法在ROI区域找出四条线段以围成封闭矩形,如图2所示,并拟合出相对设置的两条线段的中垂线,得到两条中垂线的交点作为基准点,如图3所示。读取该基准点在像素坐标系uov下的像素坐标(u1,v1)为(1306.6,1082.8)以及第一镜头参数fp1,代入步骤2中关系式(1’),得到该基准点在世界坐标下的物理坐标(x1,y1)为(-0.4039,-1.1248)。
以该基准点为原点建立工件物理坐标系X2Y2Z2O2,以视野中左侧线段所在的直线作为工件物理坐标系的O2Y2坐标轴,并以O2Y2坐标轴确定工件物理坐标系的O2X2坐标轴。
4.PIN针尖端面像素坐标系像素坐标提取
继续调整镜头参数,使PIN针尖端面呈现最清晰图像,并采集图像。通过计算机视觉中采用的模板匹配方法,以PIN针尖端面最外围轮廓为模板,在ROI区域(如图2和图3所示,镜头视野中两个白色亮点即为PIN针)中查找出所有PIN针尖端面,如图4所示,PIN针尖模板如图5所示,其最外围为矩形轮廓,逐一计算出每个PIN针尖端面矩形轮廓的几何中心。计算每个PIN针尖端面几何中心的公式为:
其中,u2、v2为PIN针像素点在像素坐标系uov下的横纵像素坐标,是PIN针尖端面矩形轮廓闭包区域,是PIN针尖端面几何中心的像素坐标。
读取两个PIN针尖在像素坐标系uov下的坐标(u2,v2)分别为(1288,926)、(1288,1249),代入关系式(1’)计算出两个针尖在世界坐标系X1Y1Z1O1下的物理坐标(X1,Y1)分别为(-0.5147,-2.9676)、(-0.5338,1.0146)。
5.统一坐标系并计算偏差
世界坐标系X1Y1Z1O1与工件物理坐标系X2Y2Z2O2的转换关系为:
其中,X2、Y2是工件物理坐标系X2Y2Z2O2下像素点分别对应于O2X2坐标轴、O2Y2坐标轴的物理坐标,θ2为工件物理坐标系X2Y2Z2O2的O2Y2坐标轴到世界坐标系X1Y1Z1O1的O1Y1坐标轴的旋转角度,x1,y1为基准点的世界坐标系坐标。
代入步骤3中基准点的世界坐标系坐标(x1,y1)=(-0.4039,-1.1248),得到
X2O2Y2平面与X1O1Y1平面平行,O2X2坐标轴与O1X1坐标轴的夹角为θ2,则O2Y2坐标轴与O1Y1坐标轴的夹角也为θ2,θ2为O2Y2坐标轴到世界坐标系O1Y1坐标轴的旋转角度。
连接器和PIN针尖端面确立了两个层面的像素坐标系uov同各层面的世界坐标系X1Y1Z1O1之间的关系,uov平面到X1O1Y1平面之间的旋转和平移均为0。将连接器基准点从像素坐标系uov转入基准面高度下的世界坐标系X1Y1Z1O1,将每个PIN针尖几何中心从像素坐标系uov转入PIN针尖高度下世界坐标系X1Y1Z1O1。由于世界坐标系X1Y1Z1O1和工件物理坐标系X2Y2Z2O2是由高精度数字升降台垂直升降的,X1O1Y1平面到X2O2Y2平面之间的旋转和平移也为0,因此,这两个坐标系可以认为是同一平面坐标系。如此,PIN针尖端面几何中心的像素坐标(u2,v2)最终可以转入工件物理坐标系X2Y2Z2O2,得到其在工件物理坐标系X2Y2Z2O2下的物理坐标,把所有PIN针尖几何中心的(X2,Y2)坐标同连接器设计的(X2,Y2)坐标相对比即可发现PIN针位置的偏移量。
由于连接器基准点为工件物理坐标系X2Y2Z2O2的原点O2,即基准点在工件物理坐标系X2Y2Z2O2下X2Y2O2平面的物理坐标(X2,Y2)为(0,0);两个PIN针尖在世界坐标系X1Y1Z1O1下的物理坐标(X1,Y1)为(-0.5147,-2.9676)、(-0.5338,1.0146),代入关系式(9),得到两个PIN针尖在工件物理坐标系X2Y2Z2O2下的物理坐标(X2,Y2),分别为(0.1366,1.8411)和(0.1000,-2.1410)。
而连接器设计时两个PIN针在工件物理坐标系X2Y2Z2O2下的坐标分别为为(0,2)和(0,-2),容许偏移的范围为(±0.1,±0.1),即该本实施例提供的的连接器PIN针位置偏移已经超出了容许范围内,即为不合格产品。
若在容许范围内,则为合格产品。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:建立世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系;
第二步:预设所述连接器的基准面以及位于所述基准面上的基准点,获取所述基准点在第一镜头参数下成最清晰图像时的像素坐标系坐标,由第一步建立的关系得到所述基准点的世界坐标系坐标;同时,在所述基准面上建立工件物理坐标系;
第三步,获取所述PIN针在第二镜头参数下成最清晰图像时的像素坐标系坐标,由第一步建立的关系得到所述PIN针的世界坐标系坐标;
第四步,将所述基准点、所述PIN针的世界坐标系坐标分别转入工件物理坐标系,并将所述基准点、所述PIN针的工件物理坐标系的坐标差值与设计的坐标差值比较。
2.根据权利要求1所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第一步中,通过调节镜头参数获取垂直于所述镜头光轴并在不同物距下若干平面成最清晰图像时的像素坐标系坐标,拟合得到世界坐标系与像素坐标系、镜头参数的关系;
第二步和第三步中,所述基准面位于任一所述平面。
3.根据权利要求2所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第一步中,以棋盘格标定板垂直于所述镜头光轴,获取所述棋盘格标定板角点在不同物距下成最清晰图像时的镜头参数、世界坐标系坐标、像素坐标系坐标、棋盘格在像素坐标系下的平移量和缩放量、棋盘格纵横比以及所述棋盘格标定板沿所述镜头光轴的旋转角度。
4.根据权利要求3所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第一步中,将棋盘格在像素坐标系的平移量拟合为含镜头参数的线性关系。
5.根据权利要求3或4所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第一步中,将棋盘格在像素坐标系的缩放量拟合为含镜头参数的关系。
6.根据权利要求5所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第一步中,将棋盘格在像素坐标系的平移量和缩放量分别通过最小二乘法拟合为含镜头参数的线性关系。
7.根据权利要求3或4所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第二步中,在所述基准面上建立工件物理坐标系的方法为:
在所述基准面的最清晰图像区域内设置ROI区域,通过hough方法在所述ROI区域内拟合出两条中垂线,以两条中垂线的交点作为所述基准点;以所述基准点为原点建立工件物理坐标系。
8.根据权利要求3或4所述的利用镜头检测连接器PIN针位置偏差的方法,其特征在于,第三步中,提取所述PIN针像素坐标系坐标的方法为:
通过模板匹配方法,以一个所述PIN针尖端面为模板,查找出所述连接器上的所有所述PIN针尖端面,逐一计算每个所述PIN针尖端面的几何中心,提取所述PIN针尖端面的几何中心的像素坐标系坐标。
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