CN112995614A - 基于fpga的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法。所述方法包括搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；构造高速视频传输数据包协议；构造视频数据发送缓存机制；基于FPGA内部高速数据收发器实现双向光纤通讯；制定双重校验机制，对视频数据进行校验；缓存并接收视频数据。所述系统包括通讯协议架构模块搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；视频数据接收校验模块接收视频数据，并制定双重校验机制对视频数据进行校验；视频数据发送模块对数据进行缓存、打包，并判断ACK码的正确性。本发明可快速检测光纤传输中串并转换数据是否对齐、是否丢包以及数据快速校正重传功能。

Description

基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法和系统

技术领域

本发明属于实时图像视频传输领域，尤其涉及移动平台的分布式图像视频传输与处理技术，具体为一种基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法和系统。

背景技术

随着战场环境日益复杂，为了提高士兵及车辆自身足够的安全保障，坚固、厚重的装甲和全封闭的设计必不可少，但封闭、厚重的装甲降低了车内人员对外部情况的观测能力。为了更全面地了解战场态势和外部情况，需要通过一定的技术方法将车辆外部景物信息引入装甲车或其他封闭车辆内部，这种图像视频传输过程属于实时图像视频传输技术领域。

目前国内外在封闭移动平台图像视频传输领域的研究，有以下特点：

(1)纯光学的图像视频传输技术：基于纯光学传输的图像视频观瞄装置广泛使用于我国现役或老式装甲车辆上，这种图像观察方式传递的图像信息有限、需要专人观察、不能与其他传感器信息有效综合。

(2)基于网络的图像视频传输技术：以英国GVA(通用车辆体系结构)标准和美国VICTORY(C4ISR/EW互操作性的车辆集成)标准为代表的新一代车辆电子体系，采用以太网为主干，图像视频光电探测装置通过网络将视频信号传送至车辆内部。为缓解网络压力，多采用视频压缩的方式减少需传输的图像视频数据，但压缩后的视频数据必须经过解压缩处理才能为使用者提供直观的图像信息，视频数据的压缩和解压缩过程势必带来图像视频信息的损失和较大的传输时延。

(3)基于光纤的图像视频传输技术：通用的航空电子信息系统多采用国际上通用的FC-AV(光纤-视频)标准传输图像视频信息，其中以ARINC 818协议(光纤视频传输协议)为典型代表。但通用ARINC 818也有自身的弊端，比如视频数据传输的单向性、协议规定的最高传输带宽(4.25G)已跟不上光电传感技术的发展等等，因此基于通用光纤传输协议的视频传输通常局限于高清(1920*1080P60)及以下分辨率的图像视频传输。

因此，提供一种满足移动平台应用的高频图像视频数据与低频控制指令数据全双工双向传输，又能快速检测基于FPGA(现场可编程门逻辑器件)实现的光纤传输误码、丢包、误判的校验和重传方法极为必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，提供了基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法和系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；

S2、构造高速视频传输数据包协议，将所述视频数据中的高频图像视频数据、低频控制指令数据通过同一光纤通道同传；

S3、构造视频数据发送缓存机制；

S4、基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现双向光纤通讯；

S5、制定K码检测、CRC校验的双重校验机制，对视频数据进行校验；

S6、缓存并接收视频数据。

在上述方面中，所述步骤S1具体包括：

S11、基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现协议的发送和接收物理层；

S12、在所述发送和接收物理层上构造具有校验、握手、重传机制的双向传输协议；

S13、根据传输视频数据的频域特性，按比例分配同向传输的视频数据和控制指令数据的有效数据传输字节，构造光纤串行传输数据协议，所述有效数据为CRC校验正确数据。

在上述方面中，所述步骤S5具体包括：

S51提取所有视频数据的数据包并进行CRC循环冗余校验；

S52计算接收数据包CRC循环校验数，与CRC循环校验数提取单元提取的CRC码进行比对；

S53提取数据包的包头、包尾K码；

S54将包头、包尾K码进行一致性对比，若包头、包尾K码一致，说明本包数据传输接收正确、反之接收到的数据存在传输不正确或K码错位的可能性；

S55根据K码比对结果和CRC比对结果判断接收数据的正确性：K码一致表示数据传输接收正确，向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位、但CRC校验一致表示数据传输接收中只存在一定范围的时序错位，而有效数据传输和接收正确，缓存接收到的有效数据包，向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位且CRC校验不一致，则说明数据传输接收不正确，此包数据中有效数据弃用，向数据发送端发送异常ACK码。

在上述方面中，所述步骤S6具体包括：

S61缓存K码和CRC校验正确的数据包；

S62对有效数据进行解析，提取出视频数据、控制指令数据以及握手信息；完成视频数据处理；完成控制指令的命令执行。

在上述方面中，所述方法还包括：

1)根据发送视频数据和控制指令数据各自频域特性，分配视频数据、握手信息以及控制指令数据在有效载荷内的字节数，并对有效载荷内的字节数进行数据打包；

2)缓存经过打包的数据实现数据缓冲软连接；

3)根据ACK码进行发送数据正确性判断：当接收到的视频数据的ACK码为正常ACK码，直接视频数据；当接收到的ACK码为异常ACK码时，获取相应的视频数据并重新发送。

根据本发明的第二方面的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统，其特征在于，所述系统包括：

通讯协议架构模块，用于搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；

视频数据接收校验模块，用于接收视频数据，并制定K码检测、CRC校验的双重校验机制，对视频数据进行校验；

视频数据发送模块，用于对数据进行缓存、打包，并判断ACK码的正确性。

在上述方面中，所述通讯协议架构模块具体包括FPGA收发单元，双向传输协议单元，传输数据单元，

FPGA收发单元用于基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现协议的发送和接收物理层；

双向传输协议单元用于在所述发送和接收物理层上构造具有校验、握手、重传机制的双向传输协议；

传输数据单元用于根据传输视频数据的频域特性，按比例分配同向传输的视频数据和控制指令数据的有效数据传输字节，构造光纤串行传输数据协议。

在上述方面中，所述视频数据接收模块具体包括：

数据包接收单元，用于恢复时钟、接收视频数据；

数据包缓存单元，用于缓存接收到的视频数据的所有数据包；

CRC循环校验提取单元，用于提取所有数据包并进行CRC循环冗余校验；

CRC循环校验比对单元，用于计算接收数据包CRC循环校验数，并与CRC循环校验数提取单元提取的CRC码进行比对；

K码检测单元，用于提取数据包的包头、包尾K码；

包头包尾K码比对单元，用于将包头、包尾K码进行一致性对比，若包头、包尾K码一致，说明本包数据传输接收正确、反之接收到的数据存在传输不正确或K码错位的可能性；

双重验证单元，用于根据K码比对结果和CRC比对结果判断接收数据的正确性；

返回异常ACK码单元，用于向视频数据发送模块发送异常ACK码；

返回正确ACK码单元，用于向视频数据发送模块发送正常ACK码；

通过数据包缓存单元，用于缓存双重验证单元验证通过的数据包；

数据包解析单元，用于对有效数据进行解析，提取出视频数据、控制指令数据以及握手信息；

视频处理单元，用于完成视频数据处理；

命令执行单元，用于完成控制指令的命令执行。

在上述方面中，所述视频数据发送模块具体包括：

发送数据打包单元，用于对在有效载荷内的字节进行数据打包；

数据包缓存单元，用于缓存实现数据缓冲软连接；

数据包发送单元，用于发送打包后的送数据；

ACK码判断单元，用于根据ACK码进行发送数据正确性判断：当接收到的ACK码为正常ACK码，直接发送数据缓存单元缓存的数据；当接收到的ACK码为异常ACK码时，从数据缓存包单元中取重发数据并发送。

在上述方面中，所述双重验证单元中判断接收数据的正确性的方法具体为：

K码一致表示数据传输接收正确，由数据包缓存单元缓存接收到的有效数据包，由返回正确ACK码单元向数据发送端发送正常ACK码；

当K码错位、但CRC校验一致表示数据传输接收中只存在一定范围的时序错位，而有效数据传输和接收正确，由数据包缓存单元缓存接收到的有效数据包，由返回正确ACK码单元向数据发送端发送正常ACK码；

当K码错位且CRC校验不一致，则说明数据传输接收不正确，此包数据中有效数据弃用，由返回异常ACK码单元向数据发送端发送异常ACK码。

本发明具有以下有益效果：

1、图像视频数据双向光纤通讯协议基于FPGA平台构建，结构简单、使用灵活、移植方便；

2、具备单通道光纤全双工双向传输能力，并能实现高频视频数据、低频控制指令有效混合编码的同向传输；

3、具备双重校验机制，可快速判断数据传输正确性、降低数据过校正；

4、具备数据快速重传机制，有效平衡视频数据强实时传输和误码、丢包、校正、重传引发传输延时之间的矛盾，实现亚毫秒级高清视频远距离传输。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统中基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法中高频、低频数据同时同向传输发送数据包组成示意图；

图4为本发明实施例提供的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法与系统中双向视频数据光纤通讯双重校验重传机制模块示意图。

具体实施方式

下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的在于提供一种应用于强实时图像视频与控制指令双向光纤通讯的校验和重传方法，该方法可快速检测光纤传输中串并转换数据是否对齐、是否丢包以及数据快速校正重传功能。

根据本领域所公知的知识，高速光纤数据在传输路径上都是串行传输，在基于FPGA实现架构上，必须在传输端对数据进行并串转换、在接收端对数据进行串并转换恢复，由于光纤传输链路(FC)两端时钟异步，而此数据恢复过程极易因数据包和时钟不匹配照成收发串行数据不能有效对齐、从而造成数据错误、误码现象。

对于光纤传输中出现的误码现象，必须有一定的校正和重传机制，如果按照常规校验和帧重传机制，极易造成图像视频的帧级延时。

在实时图像视频传输应用中，视频传输时延是一项重要考核指标，这项指标在分布式视频采集传输系统中尤其重要，超低传输时延能有效减轻后期图像视频处理过程的复杂度、提高后期视频处理效率和对外全景观测的画面一致性。

针对移动平台图像视频光纤传输中面临的误码、校正、帧重传、帧级延时问题，本发明提出了一种基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构以及快速校验和低延时重传方法，其步骤如下：

如图1所示为本发明基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法流程示意图：

S1、搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；

S2、构造高速视频传输数据包协议，将所述视频数据中的高频图像视频数据、低频控制指令数据通过同一光纤通道同传；

S3、构造视频数据发送缓存机制；

S4、基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现双向光纤通讯；

S5、制定K码检测、CRC校验的双重校验机制，对视频数据进行校验；

S6、缓存并接收视频数据。

在上述方面中，所述步骤S1具体包括：

S11、基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现协议的发送和接收物理层；

S12、在所述发送和接收物理层上构造具有校验、握手、重传机制的双向传输协议；

S13、根据传输视频数据的频域特性，按比例分配同向传输的视频数据和控制指令数据的有效数据传输字节，构造光纤串行传输数据协议，所述有效数据为CRC校验正确数据。

在上述方面中，所述步骤S5具体包括：

S51提取所有视频数据的数据包并进行CRC循环冗余校验；

S52计算接收数据包CRC循环校验数，与CRC循环校验数提取单元提取的CRC码进行比对；

S53提取数据包的包头、包尾K码；

S54将包头、包尾K码进行一致性对比，若包头、包尾K码一致，说明本包数据传输接收正确、反之接收到的数据存在传输不正确或K码错位的可能性；

S55根据K码比对结果和CRC比对结果判断接收数据的正确性：K码一致表示数据传输接收正确，向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位、但CRC校验一致表示数据传输接收中只存在一定范围的时序错位，而有效数据传输和接收正确，缓存接收到的有效数据包，向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位且CRC校验不一致，则说明数据传输接收不正确，此包数据中有效数据弃用，向数据发送端发送异常ACK码。

在上述方面中，所述步骤S6具体包括：

S61缓存K码和CRC校验正确的数据包；

S62对有效数据进行解析，提取出视频数据、控制指令数据以及握手信息；完成视频数据处理；完成控制指令的命令执行。

在上述方面中，所述方法还包括：

1)根据发送视频数据和控制指令数据各自频域特性，分配视频数据、握手信息以及控制指令数据在有效载荷内的字节数，并对有效载荷内的字节数进行数据打包；

2)缓存经过打包的数据实现数据缓冲软连接；

3)根据ACK码进行发送数据正确性判断：当接收到的视频数据的ACK码为正常ACK码，直接视频数据；当接收到的ACK码为异常ACK码时，获取相应的视频数据并重新发送。

图2显示了基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构，具体实施步骤为：

(1)基于FPGA内部高速收发器GTP或GTX(低压吉比特收发器)实现协议的发送/接收物理层。

(2)构造具有校验、握手、重传机制的双向传输协议。

(3)根据传输数据频域特性，按比例分配同向传输的视频数据和控制指令数据有效数据传输字节，构造特定光纤串行传输数据协议。

图3显示了光纤串行传输数据包组成架构，每个数据包分四部分：包头、包尾、有效数据包以及CRC循环冗余校验。每个数据包的包头、包尾均含有特定K码，有效数据包含视频数据和ACK应答码，控制指令数据包含在ACK应答码的附加载荷中。

图4显示了双向视频数据光纤通讯双重校验重传机制，数据接收模块和发送模块并行工作。

接收模块实施步骤为，

(1)数据包接收模块200恢复时钟、接收数据。

(2)数据包缓存模块201缓存接收到的所有数据包。

(3)CRC循环校验提取模块202提取CRC循环冗余校验数。

(4)CRC循环校验比对模块203计算接收数据包CRC循环校验数，并与CRC循环校验数提取模块202提取的CRC码进行比对。

(5)K码检测模块204提取包头、包尾K码。

(6)包头包尾K码比对模块205将包头、包尾K码进行一致性对比，若包头、包尾K码一致，说明本包数据传输接收正确、反之接收到的数据存在传输不正确或K码错位的可能性。

(7)双重验证模块206根据K码比对结果和CRC比对结果判断接收数据的正确性：K码一致表示数据传输接收正确，由数据包缓存模块209缓存接收到的有效数据包，由返回正确ACK码模块208向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位、但CRC校验一致表示数据传输接收中只存在一定范围的时序错位，而有效数据传输和接收正确，由数据包缓存模块209缓存接收到的有效数据包，由返回正确ACK码模块208向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位且CRC校验不一致，则说明数据传输接收不正确，此包数据中有效数据弃用，由返回异常ACK码模块207向数据发送端发送异常ACK码。

(8)数据包解析模块210对有效数据进行解析，提取出视频数据、控制指令数据以及握手信息。

(9)视频处理模块211完成视频数据处理，命令执行模块212完成控制指令的命令执行。

发送模块实施步骤为：

(1)根据发送视频数据和控制指令数据各自频域特性，有效分配视频数据、握手信息以及控制指令数据在有效载荷内的字节数，并在发送数据打包模块100中进行数据打包。

(2)数据包缓存模块101进行缓存实现数据缓冲软连接。

(3)数据包发送模块102按包发送数据。

(4)ACK码判断模块103根据ACK码进行发送数据正确性判断：当接收到的ACK码为正常ACK码，数据包发送模块102直接发送本模块缓存数据(一级数据缓存)；反之，当接收到的ACK码为异常ACK码时，数据包发送模块102从数据缓存包模块101中取重发数据并发送(二级数据缓存)。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。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。

Claims (10)

1.基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；

S2、构造高速视频传输数据包协议，将所述视频数据中的高频图像视频数据、低频控制指令数据通过同一光纤通道同传；

S3、构造视频数据发送缓存机制；

S4、基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现双向光纤通讯；

S5、制定K码检测、CRC校验的双重校验机制，对视频数据进行校验；

S6、缓存并接收视频数据。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现协议的发送和接收物理层；

S12、在所述发送和接收物理层上构造具有校验、握手、重传机制的双向传输协议；

S13、根据传输视频数据的频域特性，按比例分配同向传输的视频数据和控制指令数据的有效数据传输字节，构造光纤串行传输数据协议，所述有效数据为CRC校验正确数据。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

S51提取所有视频数据的数据包并进行CRC循环冗余校验；

S52计算接收数据包CRC循环校验数，与CRC循环校验数提取单元提取的CRC码进行比对；

S53提取数据包的包头、包尾K码；

S54将包头、包尾K码进行一致性对比，若包头、包尾K码一致，说明本包数据传输接收正确、反之接收到的数据存在传输不正确或K码错位的可能性；

S55根据K码比对结果和CRC比对结果判断接收数据的正确性：K码一致表示数据传输接收正确，向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位、但CRC校验一致表示数据传输接收中只存在一定范围的时序错位，而有效数据传输和接收正确，缓存接收到的有效数据包，向数据发送端发送正常ACK码；当K码错位且CRC校验不一致，则说明数据传输接收不正确，此包数据中有效数据弃用，向数据发送端发送异常ACK码。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S61缓存K码和CRC校验正确的数据包；

S62对有效数据进行解析，提取出视频数据、控制指令数据以及握手信息；完成视频数据处理；完成控制指令的命令执行。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的方法，其特征在于，所述方法还包括：

1)根据发送视频数据和控制指令数据各自频域特性，分配视频数据、握手信息以及控制指令数据在有效载荷内的字节数，并对有效载荷内的字节数进行数据打包；

2)缓存经过打包的数据实现数据缓冲软连接；

3)根据ACK码进行发送数据正确性判断：当接收到的视频数据的ACK码为正常ACK码，直接视频数据；当接收到的ACK码为异常ACK码时，获取相应的视频数据并重新发送。

6.基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统，其特征在于，所述系统包括：

通讯协议架构模块，用于搭建基于FPGA实现的双向视频数据光纤通讯协议架构；

视频数据接收校验模块，用于接收视频数据，并制定K码检测、CRC校验的双重校验机制，对视频数据进行校验；

视频数据发送模块，用于对数据进行缓存、打包，并判断ACK码的正确性。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统，其特征在于，所述通讯协议架构模块具体包括FPGA收发单元，双向传输协议单元，传输数据单元，

FPGA收发单元用于基于FPGA内部高速数据收发器GTP或GTX实现协议的发送和接收物理层；

双向传输协议单元用于在所述发送和接收物理层上构造具有校验、握手、重传机制的双向传输协议；

传输数据单元用于根据传输视频数据的频域特性，按比例分配同向传输的视频数据和控制指令数据的有效数据传输字节，构造光纤串行传输数据协议。

8.根据权利要求6所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统，其特征在于，所述视频数据接收模块具体包括：

数据包接收单元，用于恢复时钟、接收视频数据；

数据包缓存单元，用于缓存接收到的视频数据的所有数据包；

CRC循环校验提取单元，用于提取所有数据包并进行CRC循环冗余校验；

CRC循环校验比对单元，用于计算接收数据包CRC循环校验数，并与CRC循环校验数提取单元提取的CRC码进行比对；

K码检测单元，用于提取数据包的包头、包尾K码；

包头包尾K码比对单元，用于将包头、包尾K码进行一致性对比，若包头、包尾K码一致，说明本包数据传输接收正确、反之接收到的数据存在传输不正确或K码错位的可能性；

双重验证单元，用于根据K码比对结果和CRC比对结果判断接收数据的正确性；

返回异常ACK码单元，用于向视频数据发送模块发送异常ACK码；

返回正确ACK码单元，用于向视频数据发送模块发送正常ACK码；

通过数据包缓存单元，用于缓存双重验证单元验证通过的数据包；

数据包解析单元，用于对有效数据进行解析，提取出视频数据、控制指令数据以及握手信息；

视频处理单元，用于完成视频数据处理；

命令执行单元，用于完成控制指令的命令执行。

9.根据权利要求6所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统，其特征在于，所述视频数据发送模块具体包括：

发送数据打包单元，用于对在有效载荷内的字节进行数据打包；

数据包缓存单元，用于缓存实现数据缓冲软连接；

数据包发送单元，用于发送打包后的送数据；

ACK码判断单元，用于根据ACK码进行发送数据正确性判断：当接收到的ACK码为正常ACK码，直接发送数据缓存单元缓存的数据；当接收到的ACK码为异常ACK码时，从数据缓存包单元中取重发数据并发送。

10.根据权利要求8所述的基于FPGA的视频光纤通讯协议架构及校验重传的系统，其特征在于，所述双重验证单元中判断接收数据的正确性的方法具体为：

K码一致表示数据传输接收正确，由数据包缓存单元缓存接收到的有效数据包，由返回正确ACK码单元向数据发送端发送正常ACK码；

当K码错位、但CRC校验一致表示数据传输接收中只存在一定范围的时序错位，而有效数据传输和接收正确，由数据包缓存单元缓存接收到的有效数据包，由返回正确ACK码单元向数据发送端发送正常ACK码；

当K码错位且CRC校验不一致，则说明数据传输接收不正确，此包数据中有效数据弃用，由返回异常ACK码单元向数据发送端发送异常ACK码。

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