CN110728164A - 基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法。所述实时信息隐藏系统在光路中没有机械式的移动，仅通过计算机控制SLM和CCD的同步操作，这样在时间上就成为了一个实时性的信息隐藏系统，所述系统一旦搭建好以后，就不需要别的操作，只需在电脑上输入需要隐藏的信息即可，所有的编码隐藏、传输、提取过程都能快速完成，提高了信息隐藏的实时性和处理效率。采用本发明的实时信息隐藏方法进行信息隐藏和解密，能够极大增加密钥空间和信息隐藏的技术复杂度，加大信息破解的难度，提高了信息隐藏的安全性和鲁棒性。

Description

基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法

技术领域

本发明涉及光学信息安全技术领域，特别是涉及一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法。

背景技术

在当前信息爆炸式的发展情形下，人们对信息的安全储存、安全传输、安全处理也有着越来越高的要求，因而信息安全已经成为全球性的重大问题之一，关系到政治、经济、军事、生活等各个方面。而数字信息处理的串行性导致其速度慢、效率低，满足不了人们日益增长的信息安全需求。

随着传统的数字信息安全研究持续进步，现代光学理论与技术也逐步被融入其中。1995年研究人员首先提出了基于4f成像系统的双随机相位编码光学图像加密技术。由于光学信息加密技术相比其他的计算机电子手段，具备高并行性、处理传输速度快的优势，并且光学系统中所涉及的相位、振幅、波长、偏振姿态等多种参数变化提供了丰富的密钥空间，因此在信息安全领域得到广泛应用。以光学图像加密技术为发端，光学信息安全技术经历了近三十年的蓬勃发展。2007年，美国光学学会在光学分类与索引表(OpticsClassification and Indexing Scheme,OCIS)中开始将其体现在两个子分类号(060.4785、100.4998)中，这意味着光学信息安全已开始成为一个完全独立的研究领域。

叠层成像技术作为光学衍射成像技术中的一种，在光学信息安全方面已存在着不少的研究成果，但针对于反射式与实时的叠层成像技术应用于光学信息安全领域类的研究几乎没有。因此现有的光学图像加密技术往往存在实时性差、鲁棒性低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法，以解决现有的光学图像加密技术实时性差、鲁棒性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统，所述实时信息隐藏系统包括：激光器、反射镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、起偏器、小孔探针、分光棱镜、反射式的空间光调制器SLM、检偏器、电荷耦合器件CCD和计算机；

所述反射镜设置在所述激光器的出射光路上；所述衰减器设置在所述反射镜的反射光路上；所述空间滤波器设置在所述衰减器的出射光路上；所述准直透镜设置在所述空间滤波器的出射光路上；所述起偏器设置在所述准直透镜的出射光路上；所述小孔探针设置在所述起偏器的出射光路上；所述分光棱镜设置在所述小孔探针的出射光路上；所述反射式的SLM设置在所述分光棱镜的透射光路上；所述检偏器设置在所述分光棱镜的反射光路上；所述CCD设置在所述检偏器的出射光路上；所述反射式的SLM和所述CCD分别与所述计算机连接。

可选的，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜设置在所述激光器的出射光路上；所述第二反射镜设置在所述第一反射镜的反射光路上；所述衰减器设置在所述第二反射镜的反射光路上。

可选的，所述空间滤波器包括第一光阑和针孔滤波器；所述第一光阑设置在所述衰减器的出射光路上；所述针孔滤波器设置在所述第一光阑的出射光路上；所述准直透镜设置在所述针孔滤波器的出射光路上。

可选的，所述激光器为半导体激光器，用于产生波长为532nm的绿色激光光束。

一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏方法，所述实时信息隐藏方法基于所述的实时信息隐藏系统；所述实时信息隐藏方法包括：

计算机获取需要隐藏或加密的信息；

所述计算机将所述信息转换为对应的二维码；

将所述二维码划分为m*n张不同位置的图像；

将所述m*n张不同位置的图像依次加载到SLM的液晶显示器上，并在加载每张图像时在CCD上采集相应的衍射图；

采用反射式叠层成像方法对含有所述信息的所述衍射图进行隐藏，生成待传输图像；

将所述待传输图像传输至解密方的电脑端；

所述电脑端根据所述待传输图像提取所述衍射图；

采用ePIE算法对所述衍射图进行恢复重建，生成所述信息对应的所述二维码；

扫描所述二维码得到所述二维码中包含的所述信息。

可选的，所述采用反射式叠层成像方法对含有所述信息的所述衍射图进行隐藏，生成待传输图像，具体包括：

采用公式对含有所述信息的所述衍射图进行置乱、压缩、组合、衰减处理并隐藏于宿主图像中，生成所述待传输图像T；其中I_m,n为所述二维码划分得到的第m行第n列图像对应的衍射图；φ表示衍射图的置乱过程；

表示对衍射光斑进行压缩；

表示将压缩后的m*n张图像组合排列为一幅m行n列的大的图像I'；α为衰减因子；H表示宿主图像。

可选的，所述电脑端根据所述待传输图像提取所述衍射图，具体包括：

采用公式

从所述待传输图像T中提取所述衍射图I_m,n；其中

表示将I'拆分为m*n个单独的衍射图；

表示对衍射光斑进行复原；φ^-1表示复原后衍射图的排序过程。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法，所述实时信息隐藏系统在光路中没有机械式的移动，仅通过计算机控制SLM和CCD的同步操作，这样在时间上就成为了一个实时性的信息隐藏系统，所述系统一旦搭建好以后，就不需要别的操作，只需在电脑上输入需要隐藏的信息即可，所有的编码隐藏、传输、提取过程都能快速完成，提高了信息隐藏的实时性和处理效率。采用本发明的实时信息隐藏方法进行信息隐藏和解密，能够极大增加密钥空间和信息隐藏的技术复杂度，加大信息破解的难度，提高了信息隐藏的安全性和鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统的结构示意图；

图2为本发明提供的基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统的光路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏方法的过程示意图；

图4为本发明实施例提供的二维码的压缩倍数仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统及方法，以解决现有的光学图像加密技术实时性差、鲁棒性低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

叠层成像技术作为光学衍射成像技术中的一种，在光学信息安全方面已存在着不少的研究成果，但将反射式与实时叠层成像技术应用于光学信息安全领域类的研究却鲜有介绍。本发明基于这种反射式的叠层成像技术，再加上实时的特性，将其运用于光学信息安全技术方面具有很深的研究意义，首先在真正的实际生活中，人类看图像信息一般都是反射式的，如二维码呈现出来就是反射式的，而且对于现阶段的光学信息安全技术的研究，实时性是一个非常具有实用价值的特性。因此，在本发明中主要从事的是将实时的反射式的叠层成像技术应用于光学信息安全领域，具体为对二维码的图像的实时隐藏。

本发明基于反射式叠层成像的实时信息隐藏，其大致过程如下：首先使用二维码或视觉密码学的原理对需要隐藏或加密的信息进行预处理，然后将预处理过后得到的信息，使用反射式的叠层成像，进行叠层编码，得到一系列的衍射强度图(简称衍射图)后，接着对一系列的衍射强度图进行置乱、压缩、组合与衰减处理后，隐藏于一幅宿主图像中，进行传输。图像提取时，使用ePIE(extended ptychographical iterative engine)算法进行恢复重建，但与此同时需知道置乱的顺序、压缩的倍数、衰减因子等信息，才能将秘密信息正确的完整的提取出来。

基于以上处理过程，本发明提供一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统。图1为本发明提供的基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统的结构示意图。参见图1，所述实时信息隐藏系统包括：激光器Laser，反射镜M1、M2，衰减器AT，空间滤波器SF，准直透镜CL，起偏器Pol1，小孔探针P，分光棱镜BS，反射式的空间光调制器SLM，检偏器Pol2，电荷耦合器件CCD和计算机PC。

图2为本发明提供的基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统的光路结构示意图。如图1和图2所示，所述反射镜设置在所述激光器Laser的出射光路上；所述衰减器AT设置在所述反射镜的反射光路上；所述空间滤波器SF设置在所述衰减器AT的出射光路上；所述准直透镜CL设置在所述空间滤波器SF的出射光路上；所述起偏器Pol1设置在所述准直透镜CL的出射光路上；所述小孔探针P设置在所述起偏器Pol1的出射光路上；所述分光棱镜BS设置在所述小孔探针P的出射光路上；所述反射式的SLM设置在所述分光棱镜BS的透射光路上；所述检偏器Pol2设置在所述分光棱镜BS的反射光路上；所述CCD设置在所述检偏器Pol2的出射光路上。所述反射式的SLM和所述CCD分别与所述计算机PC连接。

其中，所述激光器Laser为半导体激光器，用于产生波长为532nm的绿色激光光束。

所述反射镜包括第一反射镜M1和第二反射镜M2。如图1和图2所示，所述第一反射镜M1设置在所述激光器Laser的出射光路上；所述第二反射镜M2设置在所述第一反射镜M1的反射光路上；所述衰减器AT设置在所述第二反射镜M2的反射光路上。所述衰减器AT通常为一个衰减片。

所述空间滤波器SF包括第一光阑SF1和针孔滤波器SF2。如图2所示，所述第一光阑SF1设置在所述衰减器AT的出射光路上；所述针孔滤波器SF2设置在所述第一光阑SF1的出射光路上；所述准直透镜CL设置在所述针孔滤波器SF2的出射光路上。

所述起偏器Pol1和检偏器Pol2分别为一个偏振片。所述小孔探针P可以为光阑。所述反射式的空间光调制器SLM为德国Holoeye反射式纯相位空间光调制器(型号PLUTO-VIS-016-SLM)，所述CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)为IMPERX公司的CCD(型号为IGV-B4020M-KF000)，像素大小为9um，实际使用阵面大小为888×888个pix(像素)，使用3×3的扫描方式。二维码的容错率最低约为7％，衍射距离Z＝185mm。PC为连接CCD与SLM的计算机。

如图1和图2所示，所述实时信息隐藏系统的工作过程为：

所述激光器Laser产生的激光光束，通过反射镜M1、M2后被调整为一束平行光，单光斑很小，所以在经过空间滤波器SF与准直透镜CL后便被整形为一束平面波，且光束较大；衰减器AT是为了调整激光强度适应后续光路的需求；整形后的平面波光束依次通过起偏器Pol1和探针小孔P后，一路经分光棱镜BS照射到反射式的空间光调制器SLM上，另一路经过分光棱镜BS反射进入了CCD，所述CCD前需要放置一个检偏器Pol2，最终CCD接收到衍射图，传输给计算机PC。

本发明所述实时信息隐藏系统具有以下特点：

(1)在系统光路中没有机械式的移动，无论是移动物体还是移动小孔探针都不需要，本发明所述实时信息隐藏系统使用时不需要再移动任何仪器，使用计算机PC便能得到相对位移。还需要说明的是，本发明系统一旦搭建好以后，就不需要别的操作，只需在电脑上输入需要隐藏的信息即可，所有的编码隐藏、传输、提取过程，都能快速完成。

(2)所述系统使用反射式的空间光调制器，因为在具体的实际生活中所熟知的二维码几乎都是反射式，至少透射式的还未出现，因为人眼是反射式的成像。

(3)本发明将CCD与SLM连在一起后，通过计算机PC进行同步控制，把输入的需要隐藏的信息传送到SLM，并在加载图像的同时控制CCD采集衍射图，即PC同时控制SLM和CCD工作，并同时加载需要隐藏的信息，从而实现它们的同步工作，这便实现了本发明所提出的实时性。本发明用电脑将CCD与SLM连接在一起，其中空间光调制器SLM的帧率时间为1/60s，而电脑与CCD的通讯时间为1/15s，这样在时间上就成为了一个实时性的隐藏系统，无论如何更换需要隐藏的图像信息，都能保证隐藏方案的实时性。

(4)叠层成像技术需要得到多幅物体小孔衍射图，是一项非常繁琐的工作，然而采取有机械移动的方式，根本无法实现实时性，而本发明所述系统中各器件没有机械移动，具有实时性的优势。

基于本发明所述的实时信息隐藏系统，本发明还提供一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏方法，图3为本发明实施例提供的基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏方法的过程示意图。参见图3，所述实时信息隐藏方法包括：

步骤1：计算机获取需要隐藏或加密的信息。

在计算机PC获取需要隐藏或加密的信息之前，首先要搭建图1所示的实时信息隐藏系统，包括加载信息的空间光调制器SLM(Spatial Light Modulator)和采集数据的CCD(Charge-coupled Device)。然后由计算机PC获取需要隐藏或加密的信息，所述信息可以是一句话，一首诗歌，或者一段文章等等。本发明实施例中隐藏的信息为“I’m a UCASer”这句话。

步骤2：所述计算机将所述信息转换为对应的二维码。

在电脑端将需要隐藏的信息转换为二维码(Quick Response Code)的形式，生成所述信息对应的一幅二维码QR Code。

步骤3：将所述二维码划分为m*n张不同位置的图像。

将整幅所述二维码图像等面积划分为m行、n列，生成所述二维码的m*n张不同位置的图像。本发明实施例中，m、n均为3，即将所述二维码图像划分为3行3列图像。

步骤4：将所述m*n张不同位置的图像依次加载到SLM的液晶显示器上，并在加载每张图像时在CCD上采集相应的衍射图。

按照叠层成像中衍射图采集的顺序，依次将QR码的不同位置图像加载到SLM的液晶显示器上，并在加载每张图像时在CCD上采集相应的衍射图I_1,1，I_1,2…I_m,n-1，I_m,n。其中m,n分别表示行数和列数。如图3中step1所示，依次将QR码的第1,2,3,…,9块区域图像加载到SLM的液晶显示器上，并在加载每张图像时在CCD上采集相应的第1,2,3,…,9块区域图像的衍射图。

步骤5：采用反射式叠层成像方法对含有所述信息的所述衍射图进行隐藏，生成待传输图像。

本发明通过反射式叠层成像方法对含有信息的衍射图进行隐藏，用φ^-1表示衍射图的排序过程(按照步骤4中CCD采集的顺序依次编号1,2，…m*n)；符号φ表示衍射图的置乱过程(对步骤4中CCD采集得到的衍射图的编号进行置乱)；

和

分别表示对衍射光斑的压缩和复原；

表示将压缩后的m*n个衍射图排列为一幅m行n列的大的图像I'；表示将I'拆分为m*n个单独的衍射图；H表示宿主图像；衰减因子表示为α，α取0.1～0.2。

信息的隐藏过程如下：

如图3中step2和step4所示，将衍射图依次进行置乱、压缩、组合、衰减并隐藏于宿主图像中，得到待传输的图像T：

其中I_m，n为所述二维码划分得到的第m行第n列图像对应的衍射图；φ表示衍射图的置乱过程；

表示对衍射光斑进行压缩；

表示将压缩后的m*n张图像组合排列为一幅m行n列的大的图像I'；α为衰减因子；H表示宿主图像。

图3中，step1对应步骤4得到的衍射图；step2对应步骤5中的置乱、压缩、组合过程；step3表示H宿主图像；step4对应步骤5中的隐藏于宿主图像中，最终得到的待传输图像T如图3中的step4所示。

步骤6：将所述待传输图像传输至解密方的电脑端。

隐藏了信息后的图像(即加密后图像)便可以开始传输，传输至任意电脑端进行解密。

步骤7：所述电脑端根据所述待传输图像提取所述衍射图。

信息的提取重建过程如图3中step5至step8所示。

对应step5和step6，采用公式(2)所示过程提取衍射图：

其中表示将I'拆分为m*n个单独的衍射图；表示对衍射光斑进行复原；φ^-1表示复原后衍射图的排序过程。从所述待传输图像T中提取出的衍射图如图3中step6所示。

步骤8：采用ePIE算法对所述衍射图进行恢复重建，生成所述信息对应的所述二维码。

如图3的step7和step8所示，得到衍射图以后，对其进行恢复重建。本发明使用叠层成像(ptychography imaging)中的ePIE(extended ptychographical iterativeengine)迭代恢复算法对得到的衍射图I_m,n进行恢复重建。恢复重建后，便可得到叠层成像系统隐藏的秘密信息所对应的QR码(如图3的step7所示)，扫码即可得到隐藏的信息(如图3的step8所示)。

步骤9：扫描所述二维码得到所述二维码中包含的所述信息。

当然不仅限于二维码，依据本发明的思想，文字、诗歌、文章等都可以进行实时的编码然后进行隐藏，这与已知的大多数加密隐藏系统不同，它们大多是将实验所采集得到的实验图进行拷贝或是转移，然后再进行计算机的运算完成相关的加密隐藏，未能将CCD同步，因此实时性差。而本发明系统的成像光路是加载的真实物体，在这里加载需要隐藏的信息，通过电脑控制使SLM和CCD能够同步操作。将本发明方法用于信息的隐藏和加密，能够极大的增加密钥空间和信息隐藏的技术复杂度，加大了信息破解的难度，提高了信息隐藏的安全性和鲁棒性。

一般的光学安全系统的主要性能指标为：安全性、鲁棒性、不可感知性、信息容量、探针密钥等。采用以上提到的部分性能指标评价本发明的实时信息隐藏系统及方法，可以得到以下结论：

1.可压缩性：图4为本发明实施例提供的二维码的压缩倍数仿真图，图4中的“theoriginal image”表示原始二维码图像，compress0.9-0.01分别表示对原始图像进行0.9-0.01倍的压缩处理。由于首次编码采用了二维码编码的方式，所以二维码本身在空间上就存在着可压缩的特性。在图4中，压缩倍数从0.9减少至0.07时，依然可以通过智能手机将二维码扫出，而当压缩倍数低于0.05时，智能手机便无法将二维码信息扫描出来。故此，在现有手机的镜头限制下，可以认为二维码的可压缩范围约在0.06倍。

2.安全性：系统中的探针形状、尺寸，衍射斑的顺序、位置、波长、衍射距离等都可以为系统提供安全性的支持，极大的增加了密钥空间和信息隐藏的技术复杂度。

3.鲁棒性：对于系统的鲁棒性分析，首先采用计算机进行数值模拟，在系统中加入相应的随机白噪声，依次在宿主图像中加入5％，10％，15％的噪声，然后分别恢复重建。通过实验验证，本发明所述实时信息隐藏系统的抗噪声能力强，在噪声增加的过程中，图像依然可以辨别二维码信息，具有较强的鲁棒性。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏系统，其特征在于，所述实时信息隐藏系统包括：激光器、反射镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、起偏器、小孔探针、分光棱镜、反射式的空间光调制器SLM、检偏器、电荷耦合器件CCD和计算机；

所述反射镜设置在所述激光器的出射光路上；所述衰减器设置在所述反射镜的反射光路上；所述空间滤波器设置在所述衰减器的出射光路上；所述准直透镜设置在所述空间滤波器的出射光路上；所述起偏器设置在所述准直透镜的出射光路上；所述小孔探针设置在所述起偏器的出射光路上；所述分光棱镜设置在所述小孔探针的出射光路上；所述反射式的SLM设置在所述分光棱镜的透射光路上；所述检偏器设置在所述分光棱镜的反射光路上；所述CCD设置在所述检偏器的出射光路上；所述反射式的SLM和所述CCD分别与所述计算机连接。

2.根据权利要求1所述的实时信息隐藏系统，其特征在于，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜设置在所述激光器的出射光路上；所述第二反射镜设置在所述第一反射镜的反射光路上；所述衰减器设置在所述第二反射镜的反射光路上。

3.根据权利要求1所述的实时信息隐藏系统，其特征在于，所述空间滤波器包括第一光阑和针孔滤波器；所述第一光阑设置在所述衰减器的出射光路上；所述针孔滤波器设置在所述第一光阑的出射光路上；所述准直透镜设置在所述针孔滤波器的出射光路上。

4.根据权利要求1所述的实时信息隐藏系统，其特征在于，所述激光器为半导体激光器，用于产生波长为532nm的绿色激光光束。

5.一种基于二维码和反射式叠层成像的实时信息隐藏方法，其特征在于，所述实时信息隐藏方法基于权利要求1所述的实时信息隐藏系统；所述实时信息隐藏方法包括：

计算机获取需要隐藏或加密的信息；

所述计算机将所述信息转换为对应的二维码；

将所述二维码划分为m*n张不同位置的图像；

将所述m*n张不同位置的图像依次加载到SLM的液晶显示器上，并在加载每张图像时在CCD上采集相应的衍射图；

采用反射式叠层成像方法对含有所述信息的所述衍射图进行隐藏，生成待传输图像；

将所述待传输图像传输至解密方的电脑端；

所述电脑端根据所述待传输图像提取所述衍射图；

采用ePIE算法对所述衍射图进行恢复重建，生成所述信息对应的所述二维码；

扫描所述二维码得到所述二维码中包含的所述信息。

6.根据权利要求5所述的实时信息隐藏方法，其特征在于，所述采用反射式叠层成像方法对含有所述信息的所述衍射图进行隐藏，生成待传输图像，具体包括：

采用公式

对含有所述信息的所述衍射图进行置乱、压缩、组合、衰减处理并隐藏于宿主图像中，生成所述待传输图像T；其中I_m,n为所述二维码划分得到的第m行第n列图像对应的衍射图；φ表示衍射图的置乱过程；

表示对衍射光斑进行压缩；

表示将压缩后的m*n张图像组合排列为一幅m行n列的大的图像I'；α为衰减因子；H表示宿主图像。

7.根据权利要求6所述的实时信息隐藏方法，其特征在于，所述电脑端根据所述待传输图像提取所述衍射图，具体包括：

采用公式从所述待传输图像T中提取所述衍射图I_m,n；其中表示将I'拆分为m*n个单独的衍射图；

表示对衍射光斑进行复原；φ^-1表示复原后衍射图的排序过程。

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