CN110940641A - 一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统及方法，包括：主机、安装在主机外壳内部的光源、成像光谱芯片、聚焦透镜、信息处理模块、主控电路板、信号连接线，聚焦透镜安装于主机壳体外壁上，聚焦透镜用于将收集的光线会聚于成像光谱芯片上，光源、成像光谱芯片、信息处理模块均安装在主控电路板上，主控电路板用于对光源、成像光谱芯片、信息处理模块进行光源开关、光谱采集、信息处理进行指令控制，主机外壳安装在洗衣机或干洗衣内部；本发明的优点是：具有检测速度快、分类准确、对样品无损伤，可实现衣服材质的分类，可方便安装于洗衣机和干洗机内部，对衣服材质进行自动识别，并自动选择相应的洗涤程序，使用户操作更加便捷。

Description

一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统及方法

技术领域

本发明涉及光谱识别技术领域，具体涉及一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统及方法。

背景技术

目前，市场上洗衣机种类繁多，大多数为全自动洗衣机。但是针对不同衣服材质，其洗涤程序差异较大，表现为不同衣料需要不同的浸泡时间、洗涤时间、洗涤强度、洗涤剂添加量、漂洗次数和甩干强度等。但就目前洗衣机市场来看，这些功能都是操作人手动选择了，虽然一些洗衣机有相应布料的洗涤模式，但仍需人为干预，尚无法作到真正智能化的“全自动”。

制作衣服的布料多种多样。这些材料有天然的棉、麻、丝绸、羊毛、羊绒等，也有人工合成材质如牛仔布料、化纤、涤纶、混纺等，也有皮革，呢绒等。每一种衣服材质的洗涤方式都有不同。对衣服材质进行准确识别，进而选择相应的洗涤程序，是实现洗衣机、干洗机“全自动”的重要前提。中国专利号CN 202671887 U公布了一种能自动识别衣物的洗衣机，通过衣服材质传感器实现衣服材料的自动识别，但目前市场上并没有相应的衣服材质传感器，其识别准确度也有待商榷。中国专利号CN 106567220 A公布了一种具有衣服材质识别功能的洗衣机及其控制方法，得用摄像机对衣服进行图像识别，并通过云端服务器进行图像处理及衣服材质识别。该方法要求洗衣机能进行网络连接才能进行数据处理，且识别方式单一，识别效果不理想，成本较高，有必要进行改进。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统及方法，用于识别洗衣机或干洗机中衣服的材质，并选择相应洗涤程序，以解决上述现有技术的不足。

本发明提供的基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统包括：主机、安装在主机外壳内部的光源、成像光谱芯片、聚焦透镜、信息处理模块、主控电路板、信号连接线，聚焦透镜安装于主机壳体外壁上，聚焦透镜用于将收集的光线会聚于成像光谱芯片上，光源、成像光谱芯片、信息处理模块均安装在主控电路板上，主控电路板用于对光源、成像光谱芯片、信息处理模块进行光源开关、光谱采集、信息处理进行指令控制，主控电路板通过信号连接线与洗衣机或干洗机的主控系统以及供电系统相连接，洗衣机、干洗机的主控系统内部或者主控电路板上设置有针对衣服材质选择洗涤程序模块，主机外壳安装在洗衣机或干洗衣内部；

光源的波长范围在350-2500nm，提供近紫外到近红外的光源照明；

成像光谱芯片用于采集经过光源照射后待洗衣服的光谱信息；

信息处理模块用于将成像光谱芯片拍摄图片进行处理、光谱数据库匹配及分析，并将分析结果传递给洗衣机或干洗机控制系统；信号连接线的一端安装于主控电路板上，另一端穿出主机壳体与洗衣机或干洗机电路控制系统相联接，信息连接线具有两个功能，一是通过洗衣机或干洗机给本装置供电；二是将识别系统检测结果传递给洗衣机或干洗机的控制系统。

作为优选，光源安装于主机外壳内部，光源与主机外壳连接处安装有密封圈进行防水处理；光源安装于主控电路板上，光源的开启或关闭由主控电路板所控制，光源通过主控电路板连接洗衣机或干洗机的供电系统。

作为优选，聚焦透镜安装于成像光谱芯片正前端，将采图像汇聚到成像光谱芯片上。

作为优选，信息处理模块安装于主控电路板上，信息处理模块内包含有衣服材质光谱数据模块和匹配识别模块，衣服材质光谱数据模块用于储存已知衣服材质的光谱数据，匹配识别模块用于对成聚焦透镜、像光谱芯片所拍摄的光谱进行处理分析，并与衣服材质光谱数据模块内的数据相匹配，得出有关衣服材质的信息并传递给主控电路板。

作为优选，主控电路板安装于主机壳体内部，上面安装有光源、成像光谱芯片、信息连接线，主控电路板控制光源的开启及关闭，主控电路板接受到洗衣机或干洗机发出的工作信号后开始装置自检、开启及关闭成像光谱芯片、将收集的图像信息传递给信息处理模块进行分析，并将分析结果通过信息连接线传递给洗衣机或干洗机。

作为优选，成像光谱芯片包括：光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组；

其中，光学聚集镜器件用于接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

其中，光谱调制模组包括：光谱材料模块，光谱材料模块用于调制光谱信息强度和对应像素位置信息以及接收待测物质发射光谱信号，将接收到的光谱信号进行区域化光谱调制，不同区域会得到不同的光谱调制信息，其中，光谱材料模块所使用的光谱调制材料根据调制材料的调制特性，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由探测器接收；

其中，探测器用于探测光谱调制模组中经光谱材料模块调制后光谱信息强度和对应像素位置信息；

其中，光谱解调模组包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，光谱强度及位置采集模块用于获取探测器探测到的光谱信息，光谱信息解调模块用于反演待测物光谱信息；

其中，光谱显示控制模组包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块，光谱芯片系统控制模块用于控制整个系统开关及工作参数，光谱数据显示模块用于实时显示探测光谱曲线，光谱数据存储模块用于存储探测到的光谱信息原始数据；

其中，光谱分析模组利用光谱数据处理算法处理光谱显示及控制模组中采集到的光谱数据，光谱数据处理算法包括：

其中，i为标注光谱中光谱信息强度，n为总波段数，mij为光谱库中的对应像素位置信息，x为采集到的光谱数据；

其中，分析结果显示模组，包括数据显示模块和数据结果存储模块，数据显示模块用于显示光谱分析模组的结果显示，数据结果存储模块用于显示光谱分析模组的信息存储。

作为优选，探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机 1/2英寸黑白版传感器。

作为优选，成像光谱芯片尺寸为4.5*4.5mm，厚度为100um，光谱探测范围为200-1100nm，光谱分辨率为10nm。

本发明的另一个目的是提供一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别方法，包括以下步骤：

步骤S1：将基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别装置放于洗衣机或干洗机内部，通过信号连接线与洗衣机或干洗机控制系统相连接；使光源能照到洗衣机或干洗机内部洗衣区域，同时聚焦透镜对准该区域，以便成像光谱芯片进行拍照取样；

步骤S2：将衣服放于洗衣机或干洗机内，关闭机盖，启动机器开始键，洗衣机或干洗机向基于图像识别技术及光谱技术的衣服材质识别装置的主控电路板发出检测指令；

步骤S3：主控电路板接受到检测指令后，首先启动光源，光源发出近紫外到近红外光照到衣服上，衣服接受到光源照射，入射光在衣料表面形成漫反射；之后启动成像光谱芯片对衣服进行拍照采集取样；采集衣服对光源散射光谱，光谱数据被采集后，进入信息处理模块，对该图像进行预处理，首先去除图像噪声干扰，之后对其进行光谱反演，信息处理模块的衣服材质光谱数据模块将储存的已知衣服材质光谱数据，通过匹配识别模块对聚焦透镜、成像光谱芯片所拍摄光谱进行处理分析，并与衣服材质光谱数据模块内的数据相匹配，迅速识别衣服材质；

步骤S4：衣服材质识别成功后，主控电路板将结果通过数据线传输给洗衣机或干洗机控制系统，选择相应的洗涤模式，进行衣物清洗。

本发明的优点及积极效果是：

1、本发明的基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统及方法，该系统为独立模块，可安装于洗衣机及干洗机上，进行衣服材质的识别，并根据材质的不同选择不同的洗涤模式。该装置包装主机箱，主机箱安装有光源、成像光谱芯片、聚焦透镜、信息处理模块、主控电路板、信号连接线。本发明采用光谱检测分析技术，应用于衣服材质的快速检测与分析，具有检测速度快、分类准确、对样品无损伤，可实现衣服材质的分类，可方便安装于洗衣机和干洗机内部，对衣服材质进行自动识别，并自动选择相应的洗涤程序，使用户操作更加便捷。

2、本发明的成像光谱芯片，利用光谱调制元件，硅基探测器作为光子探测装置，最终所构成的系统可实现光谱的在线检测。由于光谱调制芯片厚度仅为微米量级，其大小可依照需求探测器调整，解决了传统光谱仪重量和体积大、测试操作不灵活、造价高等缺点。另外一种基于光谱调制的光谱芯片的光谱探测范围可覆盖紫外、可见到近红外波段，检测范围广泛。

3、本发明的成像光谱芯片具有能量利用率高、光谱范围广、体积小、具有较高光谱分辨率的同时具有空间分辨率，重量轻、结构简单、操作便捷、检测速度快，通过解调待测物质光谱信息获取了物质的化学组成成分，为人们选择日常生活用品以及食品安全等方面提供科学、有力的技术支持。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的整体结构示意图。

图2为根据本发明实施例的衣服材质识别方法流程图。

图3为根据本发明实施例的羊绒、獭兔毛、丝绸样品图片成像光谱芯片拍照图像示意图。

图4为根据本发明实施例的羊绒、獭兔毛、丝绸样品原始图像经处理后图像示意图。

图5为根据本发明实施例的羊绒、獭兔毛、丝绸样品图像反演光谱图。

图6为根据本发明实施例的成像光谱芯片原理图。

其中的附图标记包括：主机1、光源2、成像光谱芯片3、聚焦透镜4、信息处理模块5、主控电路板6、信号连接线7。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

参阅图1-5，本发明的基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统包括：主机1、安装在主机1外壳内部的光源2、成像光谱芯片3、聚焦透镜4、信息处理模块5、主控电路板6、信号连接线7，聚焦透镜4安装于主机1壳体外壁上，聚焦透镜4用于将收集的光线会聚于成像光谱芯片3上，光源2、成像光谱芯片 3、信息处理模块5均安装在主控电路板6上，主控电路板6用于对光源2、成像光谱芯片3、信息处理模块5进行光源开关、光谱采集、信息处理进行指令控制，主控电路板6通过信号连接线7与洗衣机或干洗机的主控系统以及供电系统相连接，洗衣机、干洗机的主控系统内部上设置有针对衣服材质选择洗涤程序模块，主机1外壳安装在洗衣机或干洗衣内部；

光源2的波长范围在350-2500nm，提供近紫外到近红外的光源照明；

成像光谱芯片3用于采集经过光源2照射后待洗衣服的光谱信息；

信息处理模块5用于将成像光谱芯片3拍摄图片进行处理、光谱数据库匹配及分析，并将分析结果传递给洗衣机或干洗机控制系统；信号连接线7的一端安装于主控电路板6上，另一端穿出主机1壳体与洗衣机或干洗机电路控制系统相联接，信息连接线7具有两个功能，一是通过洗衣机或干洗机给本装置供电；二是将识别系统检测结果传递给洗衣机或干洗机的控制系统。

参阅图1，本发明的光源2安装于主机1外壳内部，光源2与主机1外壳连接处安装有密封圈进行防水处理；光源2安装于主控电路板6上，光源2的开启或关闭由主控电路板6所控制，光源2通过主控电路板6连接洗衣机或干洗机的供电系统；聚焦透镜4安装于成像光谱芯片3正前端，将采图像汇聚到成像光谱芯片3上；信息处理模块5安装于主控电路板6上，信息处理模块5内包含有衣服材质光谱数据模块和匹配识别模块，衣服材质光谱数据模块用于储存已知衣服材质的光谱数据，匹配识别模块用于对成聚焦透镜、像光谱芯片所拍摄的光谱进行处理分析，并与衣服材质光谱数据模块内的数据相匹配，得出有关衣服材质的信息并传递给主控电路板；主控电路板6安装于主机1壳体内部，上面安装有光源2、成像光谱芯片3、信息连接线7，主控电路板6控制光源2的开启及关闭、主控电路板6接受到洗衣机或干洗机发出的工作信号后开始装置自检、开启及关闭成像光谱芯片3、将收集的图像信息传递给信息处理模块5进行分析，并将分析结果通过信息连接线7传递给洗衣机或干洗机。

参阅图6，本实施例中的成像光谱芯片3包括：光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组；

其中，光学聚集镜器件用于接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

其中，光谱调制模组包括：光谱材料模块，光谱材料模块用于调制光谱信息强度和对应像素位置信息以及接收待测物质发射光谱信号，将接收到的光谱信号进行区域化光谱调制，不同区域会得到不同的光谱调制信息，其中，光谱材料模块所使用的光谱调制材料根据调制材料的调制特性，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由探测器接收；

其中，探测器用于探测光谱调制模组中经光谱材料模块调制后光谱信息强度和对应像素位置信息；

其中，光谱解调模组包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，光谱强度及位置采集模块用于获取探测器探测到的光谱信息，光谱信息解调模块用于反演待测物光谱信息；

其中，光谱显示控制模组包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块，光谱芯片系统控制模块用于控制整个系统开关及工作参数，光谱数据显示模块用于实时显示探测光谱曲线，光谱数据存储模块用于存储探测到的光谱信息原始数据；

其中，光谱分析模组利用光谱数据处理算法处理光谱显示及控制模组中采集到的光谱数据，光谱数据处理算法包括：

其中，i为标注光谱中光谱信息强度，n为总波段数，mij为光谱库中的对应像素位置信息， x为采集到的光谱数据；

其中，分析结果显示模组，包括数据显示模块和数据结果存储模块，数据显示模块用于显示光谱分析模组的结果显示，数据结果存储模块用于显示光谱分析模组的信息存储，探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机 1/2英寸黑白版传感器，成像光谱芯片尺寸为4.5*4.5mm，厚度为100um，光谱探测范围为200-1100nm，光谱分辨率为10nm。

本发明的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别方法，包括以下步骤：

步骤S1：将基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别装置放于洗衣机或干洗机内部，通过信号连接线7与洗衣机或干洗机控制系统相连接；使光源2能照到洗衣机或干洗机内部洗衣区域，同时聚焦透镜4对准该区域，以便成像光谱芯片 3进行拍照取样；

步骤S2：将衣服放于洗衣机或干洗机内，关闭机盖，启动机器开始键，洗衣机或干洗机向基于图像识别技术及光谱技术的衣服材质识别装置的主控电路板6 发出检测指令；

步骤S3：主控电路板6接受到检测指令后，首先启动光源2，光源2发出近紫外到近红外光照到衣服上，衣服接受到光源2照射，入射光在衣料表面形成漫反射；之后启动成像光谱芯片3对衣服进行拍照采集取样；采集衣服对光源散射光谱，光谱数据被采集后，进入信息处理模块5，对该图像进行预处理，首先去除图像噪声干扰，之后对其进行光谱反演，信息处理模块5的衣服材质光谱数据模块将储存的已知衣服材质光谱数据，通过匹配识别模块对聚焦透镜、成像光谱芯片所拍摄光谱进行处理分析，并与衣服材质光谱数据模块内的数据相匹配，迅速识别衣服材质；

步骤S4：衣服材质识别成功后，主控电路板6将结果通过数据线传输给洗衣机或干洗机控制系统，选择相应的洗涤模式，进行衣物清洗。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，包括：主机、安装在主机外壳内部的光源、成像光谱芯片、聚焦透镜、信息处理模块、主控电路板、信号连接线，所述聚焦透镜安装于主机壳体外壁上，聚焦透镜用于将收集的光线会聚于所述成像光谱芯片上，所述光源、所述成像光谱芯片、所述信息处理模块均安装在主控电路板上，所述主控电路板用于对所述光源、所述成像光谱芯片、所述信息处理模块进行光源开关、光谱采集、信息处理进行指令控制，所述主控电路板通过信号连接线与洗衣机或干洗机的主控系统以及供电系统相连接，所述洗衣机、干洗机的主控系统内部或者主控电路板上设置有针对衣服材质选择洗涤程序模块，所述主机外壳安装在洗衣机或干洗衣内部；

所述光源的波长范围在350-2500nm，提供近紫外到近红外的光源照明；

所述成像光谱芯片用于采集经过光源照射后待洗衣服的光谱信息；

所述信息处理模块用于将所述成像光谱芯片拍摄图片进行处理、光谱数据库匹配及分析，并将分析结果传递给洗衣机或干洗机控制系统；所述信号连接线的一端安装于所述主控电路板上，另一端穿出所述主机壳体与洗衣机或干洗机电路控制系统相联接，所述信息连接线具有两个功能，一是通过洗衣机或干洗机给本装置供电；二是将识别系统检测结果传递给洗衣机或干洗机的控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述光源安装于所述主机外壳内部，所述光源与所述主机外壳连接处安装有密封圈进行防水处理；所述光源安装于所述主控电路板上，所述光源的开启或关闭由主控电路板所控制，所述光源通过主控电路板连接洗衣机或干洗机的供电系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述聚焦透镜安装于所述成像光谱芯片正前端，将采图像汇聚到所述成像光谱芯片上。

4.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述信息处理模块安装于所述主控电路板上，所述信息处理模块内包含有衣服材质光谱数据模块和匹配识别模块，衣服材质光谱数据模块用于储存已知衣服材质的光谱数据，匹配识别模块用于对成聚焦透镜、像光谱芯片所拍摄的光谱进行处理分析，并与衣服材质光谱数据模块内的数据相匹配，得出有关衣服材质的信息并传递给主控电路板。

5.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述主控电路板安装于所述主机壳体内部，上面安装有所述光源、所述成像光谱芯片、所述信息连接线，所述主控电路板控制所述光源的开启及关闭，所述主控电路板接受到洗衣机或干洗机发出的工作信号后开始装置自检、开启及关闭所述成像光谱芯片、将收集的图像信息传递给所述信息处理模块进行分析，并将分析结果通过所述信息连接线传递给洗衣机或干洗机。

6.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述成像光谱芯片包括：光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组；

其中，所述光学聚集镜器件用于接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

其中，所述探测器用于探测所述光谱调制模组中经光谱材料模块调制后光谱信息强度和对应像素位置信息；

其中，所述光谱解调模组包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，所述光谱强度及位置采集模块用于获取所述探测器探测到的光谱信息，所述光谱信息解调模块用于反演待测物光谱信息；

其中，所述光谱显示控制模组包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块，所述光谱芯片系统控制模块用于控制整个系统开关及工作参数，所述光谱数据显示模块用于实时显示探测光谱曲线，所述光谱数据存储模块用于存储探测到的光谱信息原始数据；

其中，所述光谱分析模组利用光谱数据处理算法处理光谱显示及控制模组中采集到的光谱数据，所述光谱数据处理算法包括：

其中，i为标注光谱中光谱信息强度，n为总波段数，mij为光谱库中的对应像素位置信息，x为采集到的光谱数据；

其中，所述分析结果显示模组，包括数据显示模块和数据结果存储模块，所述数据显示模块用于显示光谱分析模组的结果显示，所述数据结果存储模块用于显示光谱分析模组的信息存储。

7.根据权利要求6所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机1/2英寸黑白版传感器。

8.根据权利要求6所述的一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别系统，其特征在于，所述成像光谱芯片尺寸为4.5*4.5mm，厚度为100um，光谱探测范围为200-1100nm，光谱分辨率为10nm。

9.一种基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将基于成像光谱芯片技术的衣服材质的识别装置放于洗衣机或干洗机内部，通过信号连接线与洗衣机或干洗机控制系统相连接；使光源能照到洗衣机或干洗机内部洗衣区域，同时聚焦透镜对准该区域，以便成像光谱芯片进行拍照取样；

步骤S2：将衣服放于洗衣机或干洗机内，关闭机盖，启动机器开始键，洗衣机或干洗机向基于图像识别技术及光谱技术的衣服材质识别装置的主控电路板发出检测指令；

步骤S3：主控电路板接受到检测指令后，首先启动光源，光源发出近紫外到近红外光照到衣服上，衣服接受到光源照射，入射光在衣料表面形成漫反射；之后启动成像光谱芯片对衣服进行拍照采集取样；采集衣服对光源散射光谱，光谱数据被采集后，进入信息处理模块，对该图像进行预处理，首先去除图像噪声干扰，之后对其进行光谱反演，信息处理模块的衣服材质光谱数据模块将储存的已知衣服材质光谱数据，通过匹配识别模块对所述聚焦透镜、所述成像光谱芯片所拍摄光谱进行处理分析，并与衣服材质光谱数据模块内的数据相匹配，迅速识别衣服材质；

步骤S4：衣服材质识别成功后，主控电路板将结果通过数据线传输给洗衣机或干洗机控制系统，选择相应的洗涤模式，进行衣物清洗。

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