CN113237438B - 一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置。测量装置的显示模块和图像采集模块经光路折转模块偏转光路90°形成共光轴结构，通过数据传输控制线与嵌入式开发板相连；计算机通过Wi‑Fi与嵌入式开发板无线连接。测量状态时，显示屏显示0°、60°、120°三个方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹，经被测物表面调制反射，由相机模组采集获取图片；相机模组将采集的图片经计算机数据处理后，得到被测物的超分辨三维形貌。本发明采用共光轴结构，装置结构紧凑、便携性强，可实现无线自动化测控；单次测量可获得多个方向上与面形梯度相关的超分辨相位数据，提升横向分辨率和纵向测量精度。

Description

一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置，属光学检测技术领域。

背景技术

自由曲面光机电元件在国防/国民经济领域具有广泛而急切的应用需求，其表面往往存在着由机械加工、激光/等离子体刻蚀、喷镀涂层等工艺形成的类/镜面复杂结构。这些结构的形貌分布不仅体现元件的外在特征，同时也与诸如残余应力、使用寿命、损伤阈值等内在特性密切相关。检测作为元器件制造和生产过程中的重要一环，能够为预评估与控制元器件相关性能提供帮助，检测精度的高低往往直接决定了元器件加工成型效果的优劣。

在自由曲面检测的诸多方法中，相位偏折术（Phase Measuring Deflectometry，PMD）因其具有全场非接触、精度高、动态范围大、系统结构简单等优点而吸引了人们浓烈的研究兴趣。PMD以编码条纹信号为媒介，将被测面的梯度信息调制于条纹相位，利用特定算法解调出面形梯度，最后积分重构物面形貌。目前，PMD多基于三角结构光路，存在一定的阴影遮挡、景深有限、轴外像差与畸变等问题。相比之下，共光轴结构能够有效避免上述问题，但现有的技术方案为了获得高精度的测量结果，特别是细节形貌信息，需要使用高精度的位移器或者带电子变焦功能的液态镜头作轴向机械或电子式扫描：在获取一系列的图像数据后，基于自聚焦评价函数确定出视场中每个待测点的最佳聚焦位置，利用图像数据拼接技术得到梯度测量结果。从而带来了整个检测过程较长、数据处理量大、对外界抗干扰性弱、单次测量仅能获得两个正交方向衍射增强梯度数据等问题。

因此，基于PMD原理提出一种结构紧凑、便携式的类/镜面形貌测量装置与方法，实现待测物多个正交方向上超分辨面形梯度的快速、精确获取，避免耗时的轴向扫描/处理，提升系统的横向分辨率和纵向测量精度，最终达到对类/镜面微结构形貌超分辨、高精度、大动态范围、高效率在线检测的目的，正成为是本领域的研究热点与趋势之一。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有微结构形貌超分辨、高精度、大动态范围、高效率在线检测性能的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术解决方案是提供一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，它包括显示模块、光路折转模块、图像采集模块、结构框架和计算机；

所述显示模块包括嵌入式开发板、显示屏、连杆、三维电控平移机构和显示模块固定板；显示屏通过连杆和三维电控平移机构与显示模块固定板连接；

所述光路折转模块包括分光棱镜、棱镜装夹机构、连杆、三维电控平移机构和光路折转模块固定板；分光棱镜固定于棱镜装夹机构上，通过连杆和三维电控平移机构与光路折转模块固定板连接；

所述图像采集模块包括具有调焦功能的相机模组、距离传感器、相机模组底板、连杆、三维电控平移机构和图像采集模块固定板；所述的相机模组和距离传感器固定于相机模组底板上，通过连杆和三维电控平移机构与图像采集模块固定板连接；

所述结构框架包括框架底板、框架底板支撑脚和带通光孔的上底板；

所述显示模块固定板、嵌入式开发板固定于框架底板的上表面，所述光路折转模块固定板固定于带通光孔的上底板下表面；所述图像采集模块固定板固定于带通光孔的上底板上表面；

所述显示模块和图像采集模块通过光路折转模块偏转光路90°形成共光轴结构；所述显示屏的正面朝向分光棱镜，分光棱镜对准显示屏的中心，且共高，分光棱镜的分光截面沿逆时针方向旋转与显示屏法线成45°夹角；所述相机模组和距离传感器垂直朝向分光棱镜中心；被测物置于框架底板上，框架底板位于相机模组的前焦平面，被测物及其反射的显示屏镜像位于相机模组的景深范围内；

显示模块中的显示屏和三维电控平移机构通过嵌入式开发板上的通用输入/输出GPIO端口与嵌入式开发板相连；光路折转模块中的三维电控平移机构通过嵌入式开发板上的GPIO端口与嵌入式开发板相连；图像采集模块中的相机模组通过嵌入式开发板上的相机串行CSI接口与嵌入式开发板相连，距离传感器和三维电控平移机构通过嵌入式开发板上的GPIO端口与嵌入式开发板相连；

所述嵌入式开发板通过Wi-Fi与计算机无线连接；

所述的测量装置在测量工作状态时，计算机通过Wi-Fi将编码参数经嵌入式开发板输入显示屏，显示0°、60°、120°三个方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹，经被测物表面调制反射，得到变形条纹图，由相机模组采集获取图片；相机模组将采集的图片通过嵌入式开发板传输至计算机，经过数据处理后，得到被测物的超分辨三维形貌。

本发明所述的分光棱镜为直角半透半反分光棱镜，用于折转光路90°以实现共光轴结构；所述的三维电控平移机构包括三个微型直线电机，以实现三维电控平移的精密调整；所述的距离传感器包括激光位移传感器、超声波距离传感器、红外距离传感器中的一种，用于确定被测物到相机模组之间的距离；所述嵌入式开发板为FPGA、DSP、树莓派、Arduino、单片机开发板中的一种。

本发明技术方案还提供一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法，包括如下步骤 ：

（1）测量装置自动调整：将显示模块、光路折转模块和图像采集模块按共光路结构连接固定于结构框架上，通过数据传输控制线与显示模块中的嵌入式开发板相连；将被测物置于结构框架的框架底板上，位于光路折转模块中分光棱镜的正下方；计算机通过Wi-Fi与显示模块中的嵌入式开发板无线连接，接收图像采集模块中的距离传感器反馈信息，自动控制显示模块、光路折转模块和图像采集模块中的三维电控平移机构状态和相机模组调焦量，使分光棱镜与显示屏的中心对准且共高、分光棱镜的分光截面沿逆时针方向旋转与显示屏法线成45°夹角，分光棱镜中心与相机模组光轴对准、分光棱镜的分光截面沿顺时针方向旋转与相机模组的光轴成135°夹角，相机模组能够通过分光棱镜清晰观察到被测物及其反射的显示屏镜像；

（2）条纹图显示与获取：利用星点法标定测量装置的光学传递函数的截止频率；经计算机软件，设置0°、60°、120°三方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹的编码参数，正弦直条纹的最高频率为测量装置光学传递函数的截止频率，通过Wi-Fi将参数传输至显示模块；显示模块中的嵌入式开发板依据参数编码生成测量用三方向正弦直条纹图，通过数据传输控制线传输至显示屏，再经分光棱镜折转光路、待测物体表面反射，由图像采集模块中的相机模组采集获取；

（3）条纹超分辨解相与面形重构：利用结构光照明显微成像超分辨算法，分别解调每个方向的各单频变形条纹图，单独完成每个方向各单频变形条纹

级频谱的分离、移位与拼接融合，计算得到每个方向各单频超分辨截断相位；采用时域相位展开方法，得到在最高频率下与待测物形貌相关的三个方向上超分辨绝对相位分布；在光线反射定律的约束下，结合测量装置几何结构参数和图像采集模块中的距离传感器反馈的距离参数，计算得到待测物各方向上的超分辨面形斜率，依据斜率梯度评价函数得到待测物最佳正交方向上面形的超分辨梯度分布；再采用梯度积分算法重构得到待测物体的超分辨三维面形分布。

上述技术方案中，步骤（2）中所述的测量用三方向正弦直条纹图像，在条纹编码过程中，条纹频率变化采用自然数序列、倍数序列、幂函数序列、指数序列中的一种；步骤（3）中所述的斜率梯度评价函数，以正交方向上斜率平方和为评价指标，计算得到最佳正交方向的面形超分辨梯度分布。

所述条纹频率变化采用倍数序列3倍数值，且最高频率为测量装置光学传递函数的截止频率。

所述的测量用三方向正弦直条纹图为等步长的三步相移，每步相移量为

。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1.本发明采用共光轴结构的测量装置，结构紧凑、便携性强、成本低、自动化程度与检测效率高，能够有效避免阴影遮挡、景深有限、轴外像差与畸变、对外界抗干扰性弱等问题，非常适合于类/镜面元件面形的无线自动化测控。

2.本发明提供的测量装置和方法，可有效避免现有技术方案中需要使用高精度的位移器或者带电子变焦功能的液态镜头作轴向机械或电子式扫描，大幅减少测量所需图像数目，提高测量效率；在单次测量过程中，能获得多个方向上与面形梯度相关的超分辨相位数据，提升横向分辨率和纵向测量精度；距离传感器的使用可避免斜率梯度计算的歧义性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的测量装置中显示模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的测量装置中光路折转模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的测量装置中图像采集模块的结构示意图；

图5是采用本发明实施例提供的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置的测量方法流程图。

其中：1、显示模块；2、光路折转模块；3、被测物；4、图像采集模块；5、结构框架；6、计算机；11、嵌入式开发板；12、显示屏；13、连杆；14、三维电控平移机构；15、显示模块固定板；21、分光棱镜；22、棱镜装夹机构；23、连杆；24、三维电控平移机构；25、光路折转模块固定板；41、具有调焦功能的相机模组；42、距离传感器；43、相机模组底板；44、连杆；45、三维电控平移机构；46、图像采集模块固定板；51、框架底板；52、框架底板支撑脚；53、通光孔；54、带通光孔的上底板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

参见附图1，是本实施例提供的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置的结构示意图；测量装置包括：显示模块1、光路折转模块2、图像采集模块4、结构框架5和计算机6；参见附图2、3和4，分别为本实施例提供的测量装置中显示模块、光路折转模块和图像采集模块的结构示意图。显示模块1和图像采集模块4之间通过光路折转模块2偏转光路90°形成共光轴结构，并连接固定于结构框架5上；显示模块1包括一个嵌入式开发板11、一个显示屏12、四个连杆13、四个三维电控平移机构14和一个显示模块固定板15；光路折转模块2包括一个分光棱镜21、一个棱镜装夹机构22、一个连杆23、一个三维电控平移机构24和一个光路折转模块固定板25；图像采集模块4包括一个具有调焦功能的相机模组41、一个距离传感器42、一个相机模组底板43、一个连杆44、一个三维电控平移机构45和一个图像采集模块固定板46；结构框架5包括一个框架底板51、三组框架底板支撑脚52和一个带通光孔53的上底板54；嵌入式开发板11固定于结构框架5中的框架底板51上；显示屏12通过连杆13和三维电控平移机构14与显示模块固定板15连接，且正面朝向光路折转模块2中的分光棱镜21；分光棱镜21固定于棱镜装夹机构22上，并通过连杆23和三维电控平移机构24与光路折转模块固定板25连接，分光棱镜21与显示屏12的中心对准且共高、分光棱镜21的分光截面沿逆时针方向旋转与显示屏12法线成45°夹角；显示模块1中的显示模块固定板15和光路折转模块2中的光路折转模块固定板25，分别连接固定于结构框架5中的框架底板51上表面和带通光孔53的上底板54下表面；图像采集模块4中的图像采集模块固定板46连接固定于结构框架5中带通光孔54的上底板53上表面；图像采集模块4中的相机模组41和距离传感器42固定于相机模组底板43上，并通过连杆44和三维电控平移机构45与图像采集模块固定板46连接，且相机模组41和距离传感器42垂直朝向分光棱镜21中心；结构框架5中的框架底板51位于相机模组41的前焦平面，且框架底板51上的被测物3及其反射的显示屏12镜像位于相机模组41的景深范围之内；嵌入式开发板11与计算机6之间通过Wi-Fi无线连接；显示模块1中的显示屏12和三维电控平移机构14通过嵌入式开发板11上的通用输入/输出端口（GeneralPurpose I/O Ports，GPIO）与嵌入式开发板11相连；光路折转模块2中的三维电控平移机构24通过嵌入式开发板11上的GPIO端口与嵌入式开发板11相连；图像采集模块4中的相机模组41通过嵌入式开发板11上的相机串行接口（Camera Serial Interface，CSI）与嵌入式开发板11相连，距离传感器42和三维电控平移机构45通过嵌入式开发板11上的GPIO端口与嵌入式开发板11相连；显示屏12上显示0°、60°、120°三方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹经被测物3表面调制反射，得到变形条纹图并由相机模组41采集获取；相机模组41将采集的图片通过嵌入式开发板11传输至计算机6，经过数据处理后，得到被测物3的超分辨三维形貌。

在本实施例中，分光棱镜21为直角半透半反分光棱镜，用于折转光路90°以实现共光轴结构。

三维电控平移机构14、24和45均由三个小型直线电机组成，以实现三维电控平移的精密调整。

距离传感器42为激光位移传感器、超声波距离传感器、红外距离传感器中的一种，用于确定被测物3到相机模组41之间的距离。

在本实施例中，嵌入式开发板11为树莓派开发板，运行有树莓派操作系统。嵌入式开发板也可选FPGA、DSP、Arduino、单片机开发板中的一种，

本实施例提供的测量装置，嵌入式开发板11通过Wi-Fi与计算机6无线连接，完成远程控制。

本实施例提供的测量装置的各项指令与参数，由配套开发的基于Python的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）软件控制与修改。

采用附图1所示的测量装置，对类/镜面形貌超分辨测量的方法，其流程如附图5所示，具体包括以下步骤：

步骤101，测量装置自动调整。

将显示模块1、光路折转模块2和图像采集模块4按共光路结构连接固定于结构框架5上，并通过数据传输控制线与显示模块1中的嵌入式开发板11相连；将被测物3置于结构框架5中的框架底板51上，且位于光路折转模块2中分光棱镜21的正下方；计算机通过Wi-Fi与显示模块1中的嵌入式开发板11无线连接，使用配套开发的基于Python的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）软件，结合图像采集模块4中的距离传感器42，自动控制显示模块1、光路折转模块2和图像采集模块4中的三维电控平移机构14、24、45状态和相机模组41调焦量，使得分光棱镜21与显示屏12的中心对准且共高、分光棱镜21的分光截面沿逆时针方向旋转与显示屏12法线成45°夹角，分光棱镜21中心与相机模组41光轴对准、分光棱镜21的分光截面沿顺时针方向旋转与相机模组41的光轴成135°夹角，相机模组41能够通过分光棱镜21清晰观察到被测物3及其反射的显示屏12的镜像。

步骤102，条纹图显示与获取。

利用星点法标定出测量装置的光学传递函数（Optical Transfer Function，OTF）的截止频率；在计算机6上使用配套开发的GUI软件设置0°、60°、120°三方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹的编码参数，并通过Wi-Fi将相关参数传输给显示模块1，正弦直条纹的最高频率为测量装置OTF的截止频率；测量用三方向正弦直条纹图像由显示模块1中的嵌入式开发板11根据参数编码生成，并通过数据传输控制线传输至显示屏12，再经分光棱镜21折转光路、待测物体3表面反射，由图像采集模块4中的相机模组41采集获取。

步骤103，条纹超分辨解相与面形重构。

利用结构光照明显微成像（Structure Illumination Microscopy，SIM）超分辨算法分别解调每个方向的各单频变形条纹图，单独完成每个方向各单频变形条纹

级频谱的分离、移位与拼接融合，计算得到每个方向各单频超分辨截断相位；由时域相位展开（Temporal Phase Unwrapping）技术，得到在最高频率下与待测物3形貌相关的三个方向上超分辨绝对相位分布；在光线反射定律的约束下，结合测量装置几何结构参数和图像采集模块4中的距离传感器42反馈回的距离参数，由超分辨绝对相位分布无歧义地计算出待测物3各方向上的超分辨面形斜率，根据斜率梯度评价函数得到待测物3最佳正交方向上面形的超分辨梯度分布；最后使用梯度积分算法重构出待测物体3的超分辨三维面形分布。

步骤102中，0°、60°、120°三方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹图，在条纹编码过程中其条纹频率可按照自然数序列、倍数序列、幂函数序列、指数序列中的一种变化，在本实施例中按倍数序列（3倍数值）变化，最高频率为测量装置OTF的截止频率；条纹图为等步长的三步相移，每步相移量为

。

步骤103中，斜率梯度评价函数，以正交方向上斜率平方和为评价指标，计算得到最佳正交方向的面形超分辨梯度分布。

Claims (10)

1.一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，其特征在于：它包括显示模块、光路折转模块、图像采集模块、结构框架和计算机；

所述显示模块包括嵌入式开发板、显示屏、连杆、三维电控平移机构和显示模块固定板；显示屏通过连杆和三维电控平移机构与显示模块固定板连接；

所述光路折转模块包括分光棱镜、棱镜装夹机构、连杆、三维电控平移机构和光路折转模块固定板；分光棱镜固定于棱镜装夹机构上，通过连杆和三维电控平移机构与光路折转模块固定板连接；

所述图像采集模块包括具有调焦功能的相机模组、距离传感器、相机模组底板、连杆、三维电控平移机构和图像采集模块固定板；所述的相机模组和距离传感器固定于相机模组底板上，通过连杆和三维电控平移机构与图像采集模块固定板连接；

所述结构框架包括框架底板、框架底板支撑脚和带通光孔的上底板；

所述显示模块固定板、嵌入式开发板固定于框架底板的上表面，所述光路折转模块固定板固定于带通光孔的上底板下表面；所述图像采集模块固定板固定于带通光孔的上底板上表面；

所述显示模块和图像采集模块通过光路折转模块偏转光路90°形成共光轴结构；所述显示屏的正面朝向分光棱镜，分光棱镜对准显示屏的中心，且共高，分光棱镜的分光截面沿逆时针方向旋转与显示屏法线成45°夹角；所述相机模组和距离传感器垂直朝向分光棱镜中心；被测物置于框架底板上，框架底板位于相机模组的前焦平面，被测物及其反射的显示屏镜像位于相机模组的景深范围内；

显示模块中的显示屏和三维电控平移机构通过嵌入式开发板上的通用输入/输出GPIO端口与嵌入式开发板相连；光路折转模块中的三维电控平移机构通过嵌入式开发板上的GPIO端口与嵌入式开发板相连；图像采集模块中的相机模组通过嵌入式开发板上的相机串行CSI接口与嵌入式开发板相连，距离传感器和三维电控平移机构通过嵌入式开发板上的GPIO端口与嵌入式开发板相连；

所述嵌入式开发板通过Wi-Fi与计算机无线连接；

所述的测量装置在测量工作状态时，计算机通过Wi-Fi将编码参数经嵌入式开发板输入显示屏，显示0°、60°、120°三个方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹，经被测物表面调制反射，得到变形条纹图，由相机模组采集获取图片；相机模组将采集的图片通过嵌入式开发板传输至计算机，经过数据处理后，得到被测物的超分辨三维形貌。

2.根据权利要求1所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，其特征在于：所述的分光棱镜为直角半透半反分光棱镜，用于折转光路90°以实现共光轴结构。

3.根据权利要求1所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，其特征在于：所述的三维电控平移机构包括三个微型直线电机，以实现三维电控平移的精密调整。

4.根据权利要求1所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，其特征在于：所述的距离传感器包括激光位移传感器、超声波距离传感器、红外距离传感器中的一种，用于确定被测物到相机模组之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，其特征在于：所述嵌入式开发板为FPGA、DSP、树莓派、Arduino、单片机开发板中的一种。

6.一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法，其特征在于：采用权利要求1至5中任一测量装置实现，包括如下步骤 ：

（1）测量装置自动调整：将显示模块、光路折转模块和图像采集模块按共光路结构连接固定于结构框架上，通过数据传输控制线与显示模块中的嵌入式开发板相连；将被测物置于结构框架的框架底板上，位于光路折转模块中分光棱镜的正下方；计算机通过Wi-Fi与显示模块中的嵌入式开发板无线连接，接收图像采集模块中的距离传感器反馈信息，自动控制显示模块、光路折转模块和图像采集模块中的三维电控平移机构状态和相机模组调焦量，使分光棱镜与显示屏的中心对准且共高、分光棱镜的分光截面沿逆时针方向旋转与显示屏法线成45°夹角，分光棱镜中心与相机模组光轴对准、分光棱镜的分光截面沿顺时针方向旋转与相机模组的光轴成135°夹角，相机模组能够通过分光棱镜清晰观察到被测物及其反射的显示屏镜像；

（2）条纹图显示与获取：利用星点法标定测量装置的光学传递函数的截止频率；经计算机软件，设置0°、60°、120°三方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹的编码参数，正弦直条纹的最高频率为测量装置光学传递函数的截止频率，通过Wi-Fi将参数传输至显示模块；显示模块中的嵌入式开发板依据参数编码生成测量用三方向正弦直条纹图，通过数据传输控制线传输至显示屏，再经分光棱镜折转光路、待测物体表面反射，由图像采集模块中的相机模组采集获取；

（3）条纹超分辨解相与面形重构：利用结构光照明显微成像超分辨算法，分别解调每个方向的各单频变形条纹图，单独完成每个方向各单频变形条纹

级频谱的分离、移位与拼接融合，计算得到每个方向各单频超分辨截断相位；采用时域相位展开方法，得到在最高频率下与待测物形貌相关的三个方向上超分辨绝对相位分布；在光线反射定律的约束下，结合测量装置几何结构参数和图像采集模块中的距离传感器反馈的距离参数，计算得到待测物各方向上的超分辨面形斜率，依据斜率梯度评价函数得到待测物最佳正交方向上面形的超分辨梯度分布；再采用梯度积分算法重构得到待测物体的超分辨三维面形分布。

7.根据权利要求6所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述的测量用三方向正弦直条纹图像，在条纹编码过程中，条纹频率变化采用自然数序列、倍数序列、幂函数序列、指数序列中的一种。

8.根据权利要求6所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中所述的斜率梯度评价函数，以正交方向上斜率平方和为评价指标，计算得到最佳正交方向的面形超分辨梯度分布。

9.根据权利要求7所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法，其特征在于：所述条纹频率变化采用倍数序列3倍数值，且最高频率为测量装置光学传递函数的截止频率。

10.根据权利要求6所述的一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法，其特征在于：所述的测量用三方向正弦直条纹图为等步长的三步相移，每步相移量为

。

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