CN113341168A - 基于接触式图像传感器的测速方法、设备及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于接触式图像传感器的测速方案，该方案可以获取接触式图像传感器扫描目标物体通过检测路径时各个对应像素点处的电压输出值，其中目标物体设置有色标，色标的第一边缘与目标物体的运动路径的方向具有夹角，然后根据第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度，进而根据变化梯度获取目标物体通过检测路径时的速度。该方案利用了曝光过程中产生的运动模糊现象，基于运动模糊现象发生过程中接触式图像传感器所输出的电压输出值的变化情况，来反映出目标物体的移动速度，由于接触式图像传感器使用方便，且成本低廉，因此能够提供一种成本较低且能够获得准确测速结果的测速方案。

Description

基于接触式图像传感器的测速方法、设备及系统

技术领域

本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于接触式图像传感器的测速方法、设备及系统。

背景技术

速度测量对工业生产、科研实验等方面有着很重要意义。目前，常用的测速方法主要有脉冲速度传感器测速、GPS(Global Positioning System、全球定位系统)测速、雷达测速、激光测速以及摄像头测速等。其中，脉冲速度传感器使用时需将其与被测物体组合到一起，使用不便，误差较大。GPS测速、雷达测速和激光测速等多用于车辆测速，实现成本较高。而摄像头测量速度是目前工业上的主流，主要的原理是通过按照一定的时间间隔拍摄运动物体，再根据图像中物体的位置偏移与拍摄间隔的关系换算出物体的运动速度。这要求摄像头的拍摄帧率很高，精度取决于摄像头的像素密度和拍摄帧率。如果要获得准确的结果，则需要使用精度很高的摄像头，且对安装环境要求较高，因此也同样需要较高的实现成本。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于接触式图像传感器的测速方法、设备及系统，以解决现有技术中没有一种成本较低且能够获得准确测速结果的测速方案的问题。

为实现上述目的，本申请实施例提供了一种基于接触式图像传感器的测速方法，所述方法包括：

获取接触式图像传感器扫描目标物体通过检测路径时各个对应像素点处的电压输出值，其中，所述目标物体设置有色标，所述色标的第一边缘与目标物体的运动路径的方向具有非90°的第一夹角；

根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度；

根据所述变化梯度获取所述目标物体通过检测路径时的速度。

进一步地，根据所述变化梯度获取所述目标物体通过检测路径时的速度，包括：

根据所述变化梯度、第一电压值、第二电压值、第一夹角和目标物体通过检测路径的时长，获取所述目标物体通过检测路径时的速度，其中，所述第一电压值为所述接触式图像传感器扫描目标物体中非色标位置所对应的像素点处的电压输出值，所述第二电压值为所述接触式图像传感器扫描目标物体中色标位置所对应的像素点处的电压输出值。

进一步地，根据所述变化梯度、第一电压值、第二电压值、第一夹角和目标物体通过检测路径的时长，获取所述目标物体通过检测路径时的速度，包括：

根据以下公式计算所述目标物体通过检测路径时的速度：

其中，l为每个像素点的扫描范围，u₁为第一电压值，u₂为第二电压值，α为第一夹角的余角，k为变化梯度，t为目标物体通过检测路径的时长。

进一步地，所述目标物体通过检测路径的时长为接触式图像传感器的曝光时间的长度。

进一步地，所述色标为直角三角形色标，所述第一边缘为所述直角三角形色标的斜边。

进一步地，根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度，包括：

根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值进行拟合处理，获取所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度。

进一步地，所述电压输出值为经模数转换电路处理后的数字电压输出值。

本申请实施例还提供了一种基于接触式图像传感器的测速设备，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行计算机程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发所述设备执行所述基于接触式图像传感器的测速方法。

本申请实施例还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令可被处理器执行以实现所述基于接触式图像传感器的测速方法。

此外，本申请实施例还提供了一种测速系统，该系统包括接触式图像传感器和处理设备；

所述接触式图像传感器，用于扫描通过检测路径的目标物体，并输出电压输出值；

所述测速设备，用于执行所述基于接触式图像传感器的测速方法。

相较于现有技术，本申请实施例提供了一种基于接触式图像传感器的测速方案，该方案可以获取接触式图像传感器扫描目标物体通过检测路径时各个对应像素点处的电压输出值，其中所述目标物体设置有色标，所述色标的第一边缘与目标物体的运动路径的方向具有非90°的第一夹角，然后根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度，进而根据所述变化梯度获取所述目标物体通过检测路径时的速度。该方案利用了接触式图像传感器在曝光过程中产生的运动模糊现象，基于运动模糊现象发生过程中接触式图像传感器所输出的电压输出值的变化情况，来反映出目标物体的移动速度，由于接触式图像传感器使用方便，且成本低廉，因此能够提供一种成本较低且能够获得准确测速结果的测速方案。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种基于接触式图像传感器的测速方法的处理流程图；

图2为本申请实施例中接触式图像传感器扫描色标的示意图；

图3为本申请实施例中接触式图像传感器扫描所输出的数据的示意图；

图4为应用本申请实施例中的测速系统对目标物体进行测速时的场景示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种基于接触式图像传感器的测速方法，该方法利用了接触式图像传感器在曝光过程中产生的运动模糊现象，基于运动模糊现象发生过程中接触式图像传感器所输出的电压输出值的变化情况，来反映出目标物体的移动速度，由于接触式图像传感器使用方便，且成本低廉，因此能够提供一种成本较低且能够获得准确测速结果的测速方案，从而替代用摄像头测速带来的价格昂贵，安装环境要求较高的问题，具有巨大的应用价值和市场空间。

图1示出了本申请实施例提供的一种基于接触式图像传感器的测速方法的处理流程，该方法至少包括以下的处理步骤：

步骤S101，获取接触式图像传感器扫描目标物体通过检测路径时各个对应像素点处的电压输出值。

步骤S102，根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度。

步骤S103，根据所述变化梯度获取所述目标物体通过检测路径时的速度。

接触式图像传感器的工作原理为：光源阵列发出的光线直射到待扫描的目标物体的表面，从其表面反射回的光线经透镜阵列聚焦，成像在传感器单元阵列上，由此被转化为电荷存储起来，形成电信号输出。若扫描到的目标物体表面的颜色不同，会导致反射回来的光线的光强不同，因此不同像素点位置的传感器单元(对应于CIS的不同像素点位置)接收到的光强不一样，而每个读取每个像素点的光照时间(即曝光时间)是一致的。在达到曝光时间后，将像素的电信号输出，即可获得电压输出值。

在实际场景中，接触式图像传感器(Contact Image Sensor，CIS)主要用于图像的扫描，例如在应用于扫描仪，通过一线一线的扫描再拼成一幅完整的图片。优点是扫描出来的图像与实物是1比1的关系，图像不会发生变形，但是扫描过程中要求的采样率高。如果CIS与目标物体之间的相对运动速度过快，会产生运动模糊现象，因此鲜见使用CIS来进行测速的测速方案。而本申请实施例提供的方案中采用接触式图像传感器(Contact ImageSensor，CIS)来扫描目标物体从而获得测速所需要的信息，即接触式图像传感器的电压输出值，进而利用CIS扫描运动物体时运动模糊现象来完成测速。

为了便于进行后续的计算处理，所述电压输出值可以是经模数转换电路处理后的数字电压输出值。在实际场景中，接触式图像传感器达到一次曝光时间后，由移位寄存器控制模拟开关依次打开，将各个像素点处的电信号以模拟信号的形式输出，通过在输出端连接模数转换电路，可以将模拟信号转换为数字信号，以数字电压输出值的形式输出。例如在本申请的一些实施例中，可以在接触式图像传感器的输出端连接HT82V38 ADC模块，作为模数转换电路。

本申请实施例中的所述目标物体设置有色标，色标会随着目标物体的移动而同步移动，例如可以在测速之前以粘贴等方式固定在目标物体上。所述色标的第一边缘与目标物体的运动路径的方向具有非90°的第一夹角。由接触式图像传感器的工作原理可知，由于色标的第一边缘与目标物体的运动路径的方向具有非90°的第一夹角，因此扫描过程中第一边缘所对应的像素点处的电压输出值会发生变化，由此导致了第一边缘处的扫描结果会产生的运动模糊现象。

例如，在本申请的一些实施例中，色标可以采用直角三角形色标，所述第一边缘即为所述直角三角形色标的斜边，如图2所示。当色标随着目标物体以速度v移动时，接触式图像传感器开始扫描，在曝光时间t内目标物体以及色标沿着运动路径的相反方向扫描的距离为vt，即运动路径x₀＝vt。假设目标物体表面和色标均为单一的颜色，理想情况下，接触式图像传感器扫描目标物体表面的颜色时，输出电压值为第一电压值u₁，接触式图像传感器扫描色标表面的颜色时，输出电压为第二电压值u₂，例如当物体表面为白色、色标为黑色时，第一电压值为高电平，大小为u₁＝243(数字电压值)，第二电压值为高电平，大小为u₂＝174(数字电压值)。

由于曝光时间很短，在短时间内目标物体以及色标的运动速度v(mm/ms)不会发生突变，运动方向也不变，整个曝光时间t内目标物体的运动可以视为速度为v的匀速直线运动。由此，在进行测速时，可以将目标物体通过检测路径的时长设定为接触式图像传感器的曝光时间的长度。在此场景下，对于每一个像素点的光强有：

I＝dΦ/dΩ

其中，dΦ为光通量，dΩ为立体角元。在匀速运动的曝光过程中，假设CIS的光源光照均匀，且每次扫描时色标距离CIS像素点处的传感器单元距离固定，立体角也相同。那么每个像素点接收到的总光强应该等于在其曝光时间内通过的运动路径x₀上所有颜色所反射的光强乘以各自权数之和：

其中，I_i是每一种颜色各自对应的光强，δ_i是其对应的权重，δ_i＝x₀/x_i，x_i是该种颜色在曝光时间内所通过的路程。

以图2中的O点为原点，OA方向为x轴的正方向，目标物体的运动方向为y轴正方向，建立直角坐标系。设定自变量x表示CIS扫描时的像素点位置，应变量u表示CIS的像素点位置x处的电压输出值。由于CIS各个像素点处的电信号输出与其接收到的光强I成正比例线性关系，由此u和x的关系可以表示为：

其中，α为第一夹角∠C′BB′的余角，考虑到CIS的传感器单元是以像素点单元整列的形式排列，以连续量x为自变量处理会存在一定的误差，此时可以将x离散化处理，可以设定n＝x/l，其中l为每个像素点的扫描范围，由此n表示CIS扫描时的第n个像素点位置。使用n＝x/l代入，同时分别使用n₁、n₂、n₃和n₄分别表示A、B、C和D，由此可以获得如下的关系式：

由此可知，在像素点n₂～n₃的运动模糊数据段中，电压输出值的变化梯度k为：

由于在该关系式中第一电压值u₁、第一电压值u₂、第一夹角的余角α、以及曝光时间t均为已知数据，而电压输出值可以由接触式图像传感器检测得到，并且根据测得的电压输出值可以处理得到第一边缘所对应的像素点序列(即n₂～n₃之间的像素点)电压输出值的变化梯度。由此，该关系式中的未知数将只有速度v，即在获取所述目标物体通过检测路径时的速度时，可以根据所述变化梯度、第一电压值、第二电压值、第一夹角和目标物体通过检测路径的时长，获取所述目标物体通过检测路径时的速度，其中，所述第一电压值为所述接触式图像传感器扫描目标物体中非色标位置所对应的像素点处的电压输出值，所述第二电压值为所述接触式图像传感器扫描目标物体中色标位置所对应的像素点处的电压输出值。

通过公式变化可以确定速度v可以采用如下的公式计算获得：

其中，l为每个像素点的扫描范围，u₁为第一电压值，u₂为第二电压值，α为第一夹角的余角，k为变化梯度，t为目标物体通过检测路径的时长。

在实际场景中，由于检测过程中可能存在的误差等因素，速度与变化梯度之间可能会存在一定的非线性关系，因此可以通过设定一个校正系数ε，在对该关系式进行校准，由此获得以下的关系式：

在此，本领域技术人员应当理解上述色标形状的具体选择、获取速度时的计具体计算方式仅为举例，现有或今后出现的基于类似原理的其它形式如果能够适用于本申请，也应该包含在本申请的保护范围内，并以引用的形式包含于此。例如，色标也可以选择非直角的三角形、梯形等其它具有与目标物体的运动路径的方向呈非90°的第一夹角的形状，而计算获取速度时根据色标的形式、目标物体的颜色以及色标颜色的不同，速度的计算公式也可以变化为其它不同的形式，其原理仍然是基于运动模糊现象产生时各个像素点所接收到的总光强的不同，来处理获得运动模糊数据段所对应的电压输出值的变化梯度，进而根据其它已知条件来计算速度，从而基于接触式图像传感器完成测速。

在本申请的另一些实施例中，在根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度时，可以根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值进行拟合处理，通过拟合的方式获取所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度，由此获得准确的变化梯度的数值，以便于获得更加准确的测速结果。

图3为CIS扫描目标物体通过检测路径时各个对应像素点处的电压输出值数据示意图，其中横坐标为CIS的像素点编号，纵坐标为电压输出值，其数据的形状大致呈两个矩形方波组合，横坐标处靠近原点的低电平段a和末尾的低电平段f是由于CIS的传感器单元阵列的长度大于目标物体，扫描到目标物体范围之外的区域所致。而高电平段b和e是CIS的传感器单元阵列扫描到目标物体的表面所致，对应于图2中0≤x＜A和C≤x≤D段的数据，低电平段c则是CIS的传感器单元阵列扫描到色标的表面所致，对应于图2中A≤x＜B段的数据，而低电平段c和高电平段e之间的上升沿d，即为产生运动模糊现象的数据段，对应于图2中B≤x＜C段的数据。通过对上升沿d对应的电压输出值进行拟合处理，即可获取所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度，进而计算出目标物体移动的速度，完成测速。

本申请实施例还提供了一种基于接触式图像传感器的测速设备，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行计算机程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发所述设备执行前述的基于接触式图像传感器的测速方法。

此外，本申请实施例还提供了一种测速系统，该系统包括接触式图像传感器和测速设备。其中，所述接触式图像传感器用于扫描通过检测路径的目标物体，并输出电压输出值，而所述测速设备用于前述的基于接触式图像传感器的测速方法。

图4为应用本申请实施例中的测速系统对目标物体进行测速时的场景示意图。其中，被测的目标物体410被放置于传动带420上，当电机430带动传动带420转动时，目标物体410也随传送带420以一定的速度运动。CIS 440设置在传送带上方，扫描置于传送带上的目标物体，CIS 440与测速设备连接。本实施例中的测速设备可以包括ADC芯片450、FPGA(Field Programmable Gate Array、现场可编程逻辑门阵列)模块460以及上位机470。其中，CIS 440用于对目标物体(包括色标)进行扫描输出模拟电压输出值；ADC芯片450用于对CIS扫描到的数据进行数字化采样，并将采样到的数字电压输出值发送给FPGA模块460；FPGA模块用于接收、储存和筛选数字电压输出值的数据，将有效的数据通过总线发送给上位机，上位机通过对数据进行处理，计算出目标物体运动的速度，从而完成测速的处理过程。

特别地，本申请实施例中的方法和/或实施例可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在该计算机程序被处理单元执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。

需要说明的是，本申请所述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图或框图示出了按照本申请各种实施例的设备、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的针对硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现前述本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种基于接触式图像传感器的测速方法，其特征在于，所述方法包括：

获取接触式图像传感器扫描目标物体通过检测路径时各个对应像素点处的电压输出值，其中，所述目标物体设置有色标，所述色标的第一边缘与目标物体的运动路径的方向具有非90°的第一夹角；

根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度；

根据所述变化梯度获取所述目标物体通过检测路径时的速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述变化梯度获取所述目标物体通过检测路径时的速度，包括：

根据所述变化梯度、第一电压值、第二电压值、第一夹角和目标物体通过检测路径的时长，获取所述目标物体通过检测路径时的速度，其中，所述第一电压值为所述接触式图像传感器扫描目标物体中非色标位置所对应的像素点处的电压输出值，所述第二电压值为所述接触式图像传感器扫描目标物体中色标位置所对应的像素点处的电压输出值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述变化梯度、第一电压值、第二电压值、第一夹角和目标物体通过检测路径的时长，获取所述目标物体通过检测路径时的速度，包括：

根据以下公式计算所述目标物体通过检测路径时的速度：

其中，l为每个像素点的扫描范围，u₁为第一电压值，u₂为第二电压值，α为第一夹角的余角，k为变化梯度，t为目标物体通过检测路径的时长。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述目标物体通过检测路径的时长为接触式图像传感器的曝光时间的长度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色标为直角三角形色标，所述第一边缘为所述直角三角形色标的斜边。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值，确定所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度，包括：

根据所述第一边缘所对应的像素点处的电压输出值进行拟合处理，获取所述电压输出值关于像素点位置序列的变化梯度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压输出值为经模数转换电路处理后的数字电压输出值。

8.一种基于接触式图像传感器的测速设备，其特征在于，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行计算机程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发所述设备执行权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令可被处理器执行以实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。

10.一种测速系统，其特征在于，包括接触式图像传感器和处理设备；

所述接触式图像传感器，用于扫描通过检测路径的目标物体，并输出电压输出值；

所述测速设备，用于执行权利要求1至7中任一项所述的方法。

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