CN112815837A - 一种测量非规则物体体积的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量非规则物体体积的方法,属于测量技术领域,包括以下步骤,在待测物体的上下左右前后六个边界处放置QR码标签,通过图像采集设备获取待测物体的图像,并根据QR码标签的实际尺寸和图像尺寸以及到图像采集设备的距离,计算QR码标签相对图像采集设备的空间位置关系,并依据其计算待测物体最小外接长方体的长、宽、高尺寸,进而计算待测物体的体积,通过借助标记QR码标签,对待测物体的上下左右前后六个边界进行标注,并基于成像原理,计算待测物体最小外接长方体的长、宽、高尺寸,从而计算待测物体的体积,实现不规则物体体积测量的速度和准确度,降低测量成本。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域,特别涉及一种测量非规则物体体积的方法。
背景技术
物流行业中,基础要素数字化,是物流精细化、智能化运作的基础,重量和体积是物流中最基础的要素,重量信息的获取已经十分便捷,但体积信息往往需要人工直接测量,存在成本高、数据准确率低等问题,导致基于体积数据的应用难以展开,因此提出一种基于QR码标签的物体体积测量方法,可以快捷、准确的测量规则及不规则物体的体积。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷,本发明提供一种测量非规则物体体积的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种测量非规则物体体积的方法,包括以下步骤:
A、在待测物体的上下左右前后六个边界处放置QR码标签;
B、通过图像采集设备获取待测物体的图像,并根据QR码标签的实际尺寸和图像尺寸以及到图像采集设备的距离,计算QR码标签相对图像采集设备的空间位置关系,并依据其计算待测物体最小外接长方体的长、宽、高尺寸(单位mm),进而计算待测物体的体积。
作为优选,在步骤A中,位于待测物体的上下左右前后六个边界的QR码标签分别为上边界标签、下边界标签、左边界标签、右边界标签、前边界标签和后边界标签,参见图1,上边界标签位于待测物体的最高点,下边界标签放置于水平面,上边界标签和下边界标签间的垂直距离为待测物体最高点到水平面的垂直距离;
参见图1,左边界标签在正面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物体的最左点旁,右边界标签在正面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物体的最右点旁,左边界标签和右边界标签间的水平距离为待测物体的垂直投影到水平面后,得到的投影轮廓的最小外接矩形的长度,参见图3;
参见图2,前边界标签在侧面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物品的最左点旁,后边界标签在侧面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物品的最右点旁,前边界标签和后边界标签间的水平距离为待测物体的垂直投影到水平面后,得到的投影轮廓的最小外接矩形的宽度,参见图3;
其中,在放置过程中,用于标识的QR码标签均放置在于地面垂直的平面内,即QR码标签的QR码上下条边平行于地面,QR码左右条边垂直于地面,且图像采集设备的视线平行于地面,参见图1。
作为优选,具体的测量计算过程:
以图像采集设备摄像头的光心为原点,正前方为Z轴正方向,正上方为Y轴正方向,正右方为X轴正方向,建立空间直角坐标系,QR码左右边沿就是两条与Y轴平行的线段,假设摄像头的上下视角为θ,水平视角为θ′,则Z轴坐标z处对应的视野真实高度hvision为:
参见图5,为QR码左右侧边沿在视野中主视图,QR码的实际长度L(即真实长度,参见图中标注)相对于Z=z处视野高度hvision的比例proportion为:
同时,该比例proportion应该等于图像中的线段长度(像素长度)l比上图像高度h,即:
由公式(2)(3)得:
整理后得到:
在实际测量过程中,L为QR码左右边沿的真实长度,l1和l2为QR码左右边沿在图像中的像素长度(可在QR解码过程中获取),h为图像高度,将QR码左侧边沿对应的Z轴坐标记作z1,右侧边沿对应的Z轴坐标记作z2,由公式(5)可知:
QR码中心处坐标z0为其均值,即:
其俯视图,即图像采集设备摄像头与QR码的俯视图参见图6;
设定QR码偏左(即当QR码在视线偏左,区分QR码在视野是处于左侧区域还是右侧区域,参见图6所示,左侧边沿对应Z轴坐标小于右侧边沿对应Z轴坐标)时,QR码姿态角ω为负,则:
参见图7,为线性畸变后的QR码图像,假定QR码的边界点坐标依次为P0(x0,y0),P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),考虑到存在畸变情形,QR码的中心点Pc为两条对角线P0P2和P1P3的交点;
设P0P2的方程为:
y=k1x+b1 (9)
可得:
P1P3的方程为:
y=k2x+b2 (11)
可以解得:
两条直线坐标交点的横坐标为:
参见图8,为成像模型,其中θ′为水平视角,在空间中,QR码中心处到视野中轴的距离MP和QR码中心处到视野中轴的距离MP和视野中轴到视野边界的距离MN的比值为:
参见图9,为实际图像,在实际图像中,该比值proportion 2为:
由公式(14)(15)整理得:
由成像原理可知,水平视角θ′的正切值和上下视角θ的正切值就是图像的宽与高之比,即:
代入上式(16)中,解得:
由此得到标识QR码(二维码)在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息α,β,z0。
参见图10,为标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
因此,可求得左右边界标签的距离,即水平投影面的最小外接矩形长length为:
length=distleft r ight=length1+length2=zLtanaL+zRtanαR (19)
参见11,为左右边界标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
同理,可求得前后标签的距离,即水平投影面的最小外接矩形宽width为:
参见图12,为前后边界标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
参见图13,为待测物体上边缘QR码中点处对应z0在图像采集设备视野中成像模型;
参见图13,hc为待测物体距图像中心的高度,QR码中心距视线水平方向的实际高度CB和QR码中心对应景深处视野边界到视野中心的高度AB的比值为:
参见图14,为实际图像,在实际图像中,该比值为:
解得:
则待测物体上边缘QR码中点处距成像中心的高度hup为:
同理待测物体下边缘QR码中点处距成像中心的高度hdown为:
则待测物体的高度height为:
height=hup+hdown (26)
则该待测物体体积V为:
作为优选,正面拍摄和侧面拍摄均可采用双侧模式拍摄或单侧模式拍摄,其中,参见图4,单侧模式拍摄的采用需基于一侧边界可确定的前提,当一侧边界便于确定时,测量人员将图像采集设备放置在与该侧边界垂直处,根据其余三个QR码标签确定待测物体体积,在无法确定任一边界时,采用双侧模式拍摄,即正面拍摄和侧面拍摄时,图像采集设备基于待测物体为中心处于相互垂直位置即可。
作为优选,考虑到存在待测物体过高或过宽导致不宜放置QR码标签的情况,为此对于过高待测物体可采用局部递推的测量方式计算其体积,在进行测量时,可在相同景深处较低位置放置QR码标签,然后根据图像中像素坐标的比值,从而反推待测物体真实高度;
对于过宽的待测物体,在进行测量时,可将该待测物体分段进行测量,将测量结果累加即为真实宽度;
其中,在获取待测物体的景深时,可采用tof测距设备,通过tof测距设备校正图像计算的景深,以提高测量精度。
作为优选,局部递推的测量方式的测量原理为:
对于过高的待测物体,上边界不易直接放置QR码标签,此时可在相同景深z处较低位置放置QR码标签,将QR码标签放置处的真实高度记作h1,将物体上边界对应高度记作h2,将图像中QR码标签所在处像素点距图像中心的距离记作hp,将图中待测物体上边界所在处像素点距图像中心的距离记作hQ,参见图15。
由公式(24)可求得h1,由图15可知标签高度h1和h2对应比值为:
可得到递推后的物体高度h2如公式所示:
本发明的有益效果是:通过借助标记QR码标签,对待测物体的上下左右前后六个边界进行标注,并基于成像原理,计算待测物体最小外接长方体的长、宽、高尺寸,从而计算待测物体的体积,实现不规则物体体积测量的速度和准确度,降低测量成本。
附图说明
图1为本发明实施例中图像获取的操作示意图一;
图2为本发明实施例中图像获取的操作示意图二;
图3为本发明实施例中待测物体垂直投影投影轮廓示意图;
图4为本发明实施例中单侧模式拍摄的操作示意图;
图5为本发明实施例中QR码左右侧边沿在视野中的主视图;
图6为本发明实施例中图像采集设备摄像头与QR码的俯视图;
图7为本发明实施例中线性畸变后的QR码图像示意图;
图8为本发明实施例中成像模型一;
图9为本发明实施例中实际图像一;
图10为本发明实施例中标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
图11为本发明实施例中左右边界标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
图12为本发明实施例中前后边界标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
图13为本发明实施例中待测物体上边缘QR码中点处对应z0在图像采集设备视野中成像模型;
图14为本发明实施例中实际图像二;
图15为本发明实施例中局部递推测量的成像模型与实际图像;
图16为本发明实施例中三面正交面标签的结构示意图;
图17为本发明实施例中具体实施范例的正面拍摄图像;
图18为本发明实施例中具体实施范例的侧面拍摄图像;
图19为本发明实施例的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个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组合。
如附图所示,本发明提供的一种测量非规则物体体积的方法,包括以下步骤:
A、在待测物体的上下左右前后六个边界处放置QR码标签;
B、通过图像采集设备获取待测物体的图像,并根据QR码标签的实际尺寸和图像尺寸以及到图像采集设备的距离,计算QR码标签相对图像采集设备的空间位置关系,并依据其计算待测物体最小外接长方体的长、宽、高尺寸(单位mm),进而计算待测物体的体积。
进一步的,在步骤A中,位于待测物体的上下左右前后六个边界的QR码标签分别为上边界标签、下边界标签、左边界标签、右边界标签、前边界标签和后边界标签,参见图1,上边界标签位于待测物体的最高点,下边界标签放置于水平面,上边界标签和下边界标签间的垂直距离为待测物体最高点到水平面的垂直距离;
参见图1,左边界标签在正面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物体的最左点旁,右边界标签在正面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物体的最右点旁,左边界标签和右边界标签间的水平距离为待测物体的垂直投影到水平面后,得到的投影轮廓的最小外接矩形的长度,参见图3;
参见图2,前边界标签在侧面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物品的最左点旁,后边界标签在侧面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物品的最右点旁,前边界标签和后边界标签间的水平距离为待测物体的垂直投影到水平面后,得到的投影轮廓的最小外接矩形的宽度,参见图3;
其中,在放置过程中,用于标识的QR码标签均放置在于地面垂直的平面内,即QR码标签的QR码上下条边平行于地面,QR码左右条边垂直于地面,且图像采集设备的视线平行于地面,参见图1。
进一步的,具体的测量计算过程:
以图像采集设备摄像头的光心为原点,正前方为Z轴正方向,正上方为Y轴正方向,正右方为X轴正方向,建立空间直角坐标系,QR码左右边沿就是两条与Y轴平行的线段,假设摄像头的上下视角为θ,水平视角为θ′,则Z轴坐标z处对应的视野真实高度hvision为:
参见图5,为QR码左右侧边沿在视野中主视图,QR码的实际长度L(即真实长度,参见图中标注)相对于Z=z处视野高度hvision的比例proportion为:
同时,该比例proportion应该等于图像中的线段长度(像素长度)l比上图像高度h,即:
由公式(2)(3)得:
整理后得到:
在实际测量过程中,L为QR码左右边沿的真实长度,l1和l2为QR码左右边沿在图像中的像素长度(可在QR解码过程中获取),h为图像高度,将QR码左侧边沿对应的Z轴坐标记作z1,右侧边沿对应的Z轴坐标记作z2,由公式(5)可知:
QR码中心处坐标z0为其均值,即:
其俯视图,即图像采集设备摄像头与QR码的俯视图参见图6;
设定QR码偏左(即当QR码在视线偏左,区分QR码在视野是处于左侧区域还是右侧区域,参见图6所示,左侧边沿对应Z轴坐标小于右侧边沿对应Z轴坐标)时,QR码姿态角ω为负,则:
参见图7,为线性畸变后的QR码图像,假定QR码的边界点坐标依次为P0(x0,y0),P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),考虑到存在畸变情形,QR码的中心点Pc为两条对角线P0P2和P1P3的交点;
设P0P2的方程为:
y=k1x+b1 (9)
可得:
P1P3的方程为:
y=k2x+b2 (11)
可以解得:
两条直线坐标交点的横坐标为:
参见图8,为成像模型,其中θ′为水平视角,在空间中,QR码中心处到视野中轴的距离MP和视野中轴到视野边界的距离MN的比值为:
参见图9,为实际图像,在实际图像中,该比值proportion 2为:
由公式(14)(15)整理得:
由成像原理可知,水平视角θ′的正切值和上下视角θ的正切值就是图像的宽与高之比,即:
代入上式(16)中,解得:
由此得到标识QR码(二维码)在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息α,β,z0。
参见图10,为标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
因此,可求得左右边界标签的距离,即水平投影面的最小外接矩形长length为:
length=distleft r ight=length1+length2=zLtanaL+zRtanαR (19)
参见图11,为左右边界标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
同理,可求得前后标签的距离,即水平投影面的最小外接矩形宽width为:
参见图12,为前后边界标识二维码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息;
参见图13,为待测物体上边缘QR码中点处对应z0在图像采集设备视野中成像模型;
参见图13,hc为待测物体距图像中心的高度,QR码中心距视线水平方向的实际高度CB和QR码中心对应景深处视野边界到视野中心的高度AB的比值为:
参见图14,为实际图像,在实际图像中,该比值为:
解得:
则待测物体上边缘QR码中点处距成像中心的高度hup为:
同理待测物体下边缘QR码中点处距成像中心的高度hdown为:
则待测物体的高度height为:
height=hup+hdown (26)
则该待测物体体积V为:
进一步的,正面拍摄和侧面拍摄均可采用双侧模式拍摄或单侧模式拍摄,其中,参见图4,单侧模式拍摄的采用需基于一侧边界可确定的前提,当一侧边界便于确定时,测量人员将图像采集设备放置在与该侧边界垂直处,根据其余三个QR码标签确定待测物体体积,在无法确定任一边界时,采用双侧模式拍摄,即正面拍摄和侧面拍摄时,图像采集设备基于待测物体为中心处于相互垂直位置即可。
进一步的,考虑到存在待测物体过高或过宽导致不宜放置QR码标签的情况,为此对于过高待测物体可采用局部递推的测量方式计算其体积,在进行测量时,可在相同景深处较低位置放置QR码标签,然后根据图像中像素坐标的比值,从而反推待测物体真实高度;
对于过宽的待测物体,在进行测量时,可将该待测物体分段进行测量,将测量结果累加即为真实宽度;
其中,在获取待测物体的景深时,可采用tof测距设备,通过tof测距设备校正图像计算的景深,以提高测量精度。
进一步的,局部递推的测量方式的测量原理为:
对于过高的待测物体,上边界不易直接放置QR码标签,此时可在相同景深z处较低位置放置QR码标签,将QR码标签放置处的真实高度记作h1,将物体上边界对应高度记作h2,将图像中QR码标签所在处像素点距图像中心的距离记作hp,将图中待测物体上边界所在处像素点距图像中心的距离记作hQ,参见图15。
由公式(24)可求得h1,由图15可知标签高度h1和h2对应比值为:
可得到递推后的物体高度h2如公式所示:
上述步骤实施过程中,所用到的QR码标签包括但不限于指示牌、磁力贴、打印后胶纸等多种介质,其中一种形式为三面正交面标签,可折叠携带,二维码内容包括二维码的实际尺寸信息及该面二维码的编号,该种二维码标签支持单个使用,两面使用和三面联合使用,使用时可放置在标准箱体的边角上,三面正交面标签参见图16所示;
本发明获取二维码边界角点坐标方法包括基于Harris的角点检测和基于位置探测图形的二维码定位方法;
针对线性畸变,本发明直接采用上述边界点检测方法进行检测,对于非线性畸变,即条码扭曲变形的情况,本发明采用最小外接矩形检测法,获取QR标签的边界点图像坐标;
本发明所用tof测距设备包括tof相机,红外测距,基于无线信号(如UWB等)测距等多种。
具体实施范例:
参见图17、18,已知摄像头的上下视角为θ=40°,QR的真实长度为L=4.2cm,图像像素长度w=4624,图像像素宽度h=3472,以左边沿QR码为例,边界点坐标依次为P0(151,1612),P1(135,1915),P2(422,1926),P3(424,1622),则左边沿图像长度l1为303,右边沿长度l2为304。
由公式(5)(6)知,左右边沿对应的Z轴坐标分别为z1,z2:
由公式(7)知:
由公式(8)知
由公式(10)知:
由公式(12)知:
由公式(13)知:
由公式(18)知姿态信息a:
同理,右侧QR码对应的景深ZL,姿态信息aL,βL如下:
zR=62.41cm
上方QR码对应的景深Zup,姿态信息aup,βup如下:
zup=65.48cm
下方QR码对应的景深Zdown,姿态信息adown,βdown如下:
zdown=64.63cm
由公式(19)知:
length=distleft r ight=length1+length2=zLtanαL+zRtanαR=51.95cm
由公式(20)知:
height=hup+hdown=14.55+15.72=30.27cm
前方QR码对应的景深Zfrom,姿态信息afrom,βfrom如下:
zfront=40.23cm
后方QR码对应的景深Zback,姿态信息aback,βback如下:
zback=38.16cm
由公式(20)知:
width=distfront_back=length3+length4=zfronttan(αfront)+zbacktan(αback)=2.09cm
体积为:
V=length*width*height=3286.58cm3
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言,在不脱离本发明原理和精神的情况下,对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型,仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种测量非规则物体体积的方法,其特征在于,包括以下步骤:
A、在待测物体的上下左右前后六个边界处放置QR码标签;
B、通过图像采集设备获取待测物体的图像,并根据QR码标签的实际尺寸和图像尺寸以及到图像采集设备的距离,计算QR码标签相对图像采集设备的空间位置关系,并依据其计算待测物体最小外接长方体的长、宽、高尺寸,进而计算待测物体的体积。
2.根据权利要求1所述的测量非规则物体体积的方法,其特征在于,在步骤A中,位于待测物体的上下左右前后六个边界的QR码标签分别为上边界标签、下边界标签、左边界标签、右边界标签、前边界标签和后边界标签,上边界标签位于待测物体的最高点,下边界标签放置于水平面,上边界标签和下边界标签间的垂直距离为待测物体最高点到水平面的垂直距离;
左边界标签在正面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物体的最左点旁,右边界标签在正面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物体的最右点旁,左边界标签和右边界标签间的水平距离为待测物体的垂直投影到水平面后,得到的投影轮廓的最小外接矩形的长度;
前边界标签在侧面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物品的最左点旁,后边界标签在侧面拍摄状态下、图像采集设备的视野中,位于待测物品的最右点旁,前边界标签和后边界标签间的水平距离为待测物体的垂直投影到水平面后,得到的投影轮廓的最小外接矩形的宽度;
其中,在放置过程中,用于标识的QR码标签均放置在于地面垂直的平面内,即QR码标签的QR码上下条边平行于地面,QR码左右条边垂直于地面,且图像采集设备的视线平行于地面。
3.根据权利要求2所述的测量非规则物体体积的方法,其特征在于,具体的测量计算过程:
以图像采集设备摄像头的光心为原点,正前方为Z轴正方向,正上方为Y轴正方向,正右方为X轴正方向,建立空间直角坐标系,QR码左右边沿就是两条与Y轴平行的线段,假设摄像头的上下视角为θ,水平视角为θ′,则Z轴坐标z处对应的视野真实高度hvision为:
QR码的实际长度L相对于Z=z处视野高度hvision的比例proportion为:
同时,该比例proportion应该等于图像中的线段长度l比上图像高度h,即:
由公式(2)(3)得:
整理后得到:
在实际测量过程中,L为QR码左右边沿的真实长度,l1和l2为QR码左右边沿在图像中的像素长度,h为图像高度,将QR码左侧边沿对应的Z轴坐标记作z1,右侧边沿对应的Z轴坐标记作z2,由公式(5)可知:
QR码中心处坐标z0为其均值,即:
设定QR码偏左时,QR码姿态角ω为负,则:
假定QR码的边界点坐标依次为P0(x0,y0),P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),考虑到存在畸变情形,QR码的中心点Pc为两条对角线P0P2和P1P3的交点;
设P0P2的方程为:
y=k1x+b1 (9)
可得:
P1P3的方程为:
y=k2x+b2 (11)
可以解得:
两条直线坐标交点的横坐标为:
建立成像模型,其中θ′为水平视角,在空间中,视线水平x方向上,QR码中心处到视野中轴的距离MP和视野中轴到视野边界的距离MN的比值为:
在实际图像中,该比值proportion 2为:
由公式(14)(15)整理得:
由成像原理可知,水平视角θ′的正切值和上下视角θ的正切值就是图像的宽与高之比,即:
代入上式(16)中,解得:
由此得到标识QR码在图像采集设备世界坐标系中的姿态信息α,β,z0;
因此,可求得左右边界标签的距离,即水平投影面的最小外接矩形长length为:
length=distleft r ight=length1+length2=zLtanαL+zRtanαR (19)
同理,可求得前后标签的距离,即水平投影面的最小外接矩形宽width为:
设定hc为待测物体距图像中心的高度,QR码中心距视线水平方向的实际高度CB和QR码中心对应景深处视野边界到视野中心的高度AB的比值为:
在实际图像中,该比值为:
解得:
则待测物体上边缘QR码中点处距成像中心的高度hup为:
同理待测物体下边缘QR码中点处距成像中心的高度hdown为:
则待测物体的高度height为:
height=hup+hdown (26)
则该待测物体体积V为:
4.根据权利要求2所述的测量非规则物体体积的方法,其特征在于,正面拍摄和侧面拍摄均可采用双侧模式拍摄或单侧模式拍摄,其中,单侧模式拍摄的采用需基于一侧边界可确定的前提,当一侧边界便于确定时,测量人员将图像采集设备放置在与该侧边界垂直处,根据其余三个QR码标签确定待测物体体积,在无法确定任一边界时,采用双侧模式拍摄,即正面拍摄和侧面拍摄时,图像采集设备基于待测物体为中心处于相互垂直位置即可。
5.根据权利要求2所述的测量非规则物体体积的方法,其特征在于,考虑到存在待测物体过高或过宽导致不宜放置QR码标签的情况,为此对于过高待测物体可采用局部递推的测量方式计算其体积,在进行测量时,可在相同景深处较低位置放置QR码标签,然后根据图像中像素坐标的比值,从而反推待测物体真实高度;
对于过宽的待测物体,在进行测量时,可将该待测物体分段进行测量,将测量结果累加即为真实宽度;
其中,在获取待测物体的景深时,可采用tof测距设备,通过tof测距设备校正图像计算的景深,以提高测量精度。
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