CN114241154A - 不可移动文物数值仿真建模方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法和系统,其中,方法包括:获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到模型仿真结果。本发明以前期获取的点云数据为基础,建模时做微小调整,实现精细化建模,使模型最大程度地接近实体,仿真结果相对准确,并能够揭示结构缺陷位置,推测不可移动文物的性能状态。
Description
技术领域
本发明涉及仿真技术领域,尤其涉及一种不可移动文物数值仿真建模方法和系统。
背景技术
我国的不可移动文物保护理念正从抢救性保护向预防性保护过渡,且取得了较大进展,众多高新技术作为不可移动文物预防性保护的重要手段,已被广泛应用于不可移动文物的日常维护中。自20世纪以来,随着数学方法和力学理论的发展,计算机技术愈发成熟,数值模拟成为一种可能,用以解决复杂介质、复杂边界等各类工程问题。此外,部分遗产地拥有大量三维激光扫描、近景摄影、全站仪等点云数据,如何合理充分利用是目前的研究热点与难点。
而现有技术中建模方式较为粗糙,与实际结构存在一定的差异。
发明内容
本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法和系统,用以解决现有技术中建模不精确的缺陷,实现准确建模。
第一方面,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,包括:
获取不可移动文物的点云数据;
根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;
对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;
对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;
对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;
对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点,具体包括:
对所述点云数据进行预处理,得到预处理后的模型;
对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线;
对所述轮廓线按照预设间距进行坐标点提取,得到多个坐标点。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述点云数据进行预处理,得到预处理后的模型,具体包括:
对所述点云数据中的非连接点进行删除,得到去噪后的结果;
对所述去噪后的结果进行封装,得到封装后的结果;
对所述封装后的结果进行残缺填充,得到预处理后的模型。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线,具体包括:
对所述预处理后的模型的全局构建三维坐标系;
以所述三维坐标系中的第一维和第二维形成的平面,以第三维为位置度,对所述预处理后的模型进行平面截面提取出轮廓线。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域,具体包括:
筛选出所述多个坐标点中每个坐标点的第一维坐标在第一范围内,第二维坐标在第二范围内的所有坐标点;
对所述所有坐标点中每一个坐标点按照所在的原有轮廓线进行重新拟合,生成多个面域。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型,具体包括:
将每个所述面域转化为近似四边形,并确定所述近似四边形的四个端点;
对所述每个面域的所述四个端点采用预设方式进行编号;其中,多个所述面域的编号方式相同;
对相邻两个面域的相同编号的端点进行连接,得到有限元模型。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果,具体包括:
确定不同所述三维网格的材料属性、分析步、装配、相互作用、荷载和边界条件的参数;
根据所述参数得到对应的模型仿真结果。
第二方面,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模系统,包括:
点云数据获取模块,用于获取不可移动文物的点云数据;
坐标点获取模块,用于根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;
面域生成模块,用于对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;
有限元模型获取模块,用于对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;
三维网格获取模块,用于对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;
仿真结果生成模块,用于对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。本发明还提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述不可移动文物数值仿真建模方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述不可移动文物数值仿真建模方法的步骤。
本发明提供的一种不可移动文物数值仿真建模方法和系统,通过获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到模型仿真结果。本发明以前期获取的点云数据为基础,建模时做微小调整,实现精细化建模,使模型最大程度地接近实体,仿真结果相对准确,并能够揭示结构缺陷位置,推测不可移动文物的性能状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的不可移动文物数值仿真建模方法的流程示意图;
图2是本发明提供的石窟的提取轮廓及坐标点示意图;
图3是本发明提供的石窟的面域示意图;
图4是本发明提供的石窟的有限元模型示意图;
图5是本发明提供的不可移动文物数值仿真建模系统的结构示意图;
图6是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的一种不可移动文物数值仿真建模方法,包括:
步骤100:获取不可移动文物的点云数据;
具体地,若不可移动文物管理单位存有结构点云,直接使用即可;若管理单位无点云,可通过无人机、三维激光扫描、全站仪等技术获取。
步骤200:根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;
具体地,基于Geomagic软件对获取的点云数据进行处理,于Geomagic软件中截取不可移动文物表面轮廓线,在轮廓线上以固定间距提取坐标点。
步骤300:对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;
具体地,基于获取的坐标点重新进行拟合,生成新的面域。
步骤400:对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;
具体地,根据生成的新的面域,将生成的新面域按照一定的方式进行连接,形成有限元模型,即将新的面域合并成一个整体。
步骤500:对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;
具体地,对得到的有限元模型进行网格划分,划分为多个3D网格。
步骤600:对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
具体地,由于本发明是通过对构建的模型进行计算,得到不可移动文物在重力、水流、温度、地震动力等作用下位移、应力云图,准确的识别出不可移动文物的危险点,从而制定危岩体应力、位移、变形、震动监测方案,完善不可移动文物的日常监测,为不可移动文物的预防性保护提供数据和技术支撑。
本发明提供的一种不可移动文物数值仿真建模方法,获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到模型仿真结果。本发明以前期获取的点云数据为基础,建模时做微小调整,实现精细化建模,使模型最大程度地接近实体,仿真结果相对准确,并能够揭示结构缺陷位置,推测不可移动文物的性能状态。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点,具体包括:
对所述点云数据进行预处理,得到预处理后的模型;
对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线;
对所述轮廓线按照预设间距进行坐标点提取,得到多个坐标点。
具体地,对预处理后的模型截取的轮廓线进行坐标点的提取时,按照预设的间距进行等间距的提取,因此,可以得到多个坐标点。以某石窟为例,可得到坐标点的图如图2所示。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述点云数据进行预处理,得到预处理后的模型,具体包括:
对所述点云数据中的非连接点进行删除,得到去噪后的结果;
对所述去噪后的结果进行封装,得到封装后的结果;
对所述封装后的结果进行残缺填充,得到预处理后的模型。
具体地,对获取的点云数据做着色处理,并删除因为树叶遮挡、栅栏遮挡等造成的一些非连接点云,接下来去除模型体外孤点并进行降噪,降噪完成后封装点云。封装完成后,对模型残缺处进行填充,对存在尖点部分删除特征和平滑网格,最后保存封装,保存格式为.wrp格式,所述.wrp格式的结果即是预处理后的模型。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述预处理后的模型进行平面截面提取出轮廓线,具体包括:
对所述预处理后的模型的全局构建三维坐标系;
以所述三维坐标系中的第一维和第二维形成的平面,以第三维为位置度,对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线。
具体地,以平面截面提取轮廓线,坐标系定义为全局坐标系,比如,选择XY轴平面作为截面,选择位置度为Z方向。位置度的步长越小,则截取的面越多,可提取出的坐标点也就越多,拟合出来的面与实际情况也就越接近,因此要针对模型构造的复杂程度来决定需要截取面的数量多少。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域,具体包括:
筛选出所述多个坐标点中每个坐标点的第一维坐标在第一范围内,第二维坐标在第二范围内的所有坐标点;
对所述所有坐标点中每一个坐标点进行按照所在的原有轮廓线进行重新拟合,生成多个面域。
具体地,对获得的多个坐标点进行截取,即每个坐标点在三维坐标里,具有三个维度的坐标点,因此,本发明实施例中通过划定不同坐标点的第一维度坐标的范围和第二维度坐标的范围,使得在所述范围内的坐标点得以保留,而不在范围内的坐标点被筛选出去。比如说,筛选的第一维坐标为X坐标,第二坐标为Y坐标,将X轴坐标为100-1000的点以及Y轴坐标的范围为50-2000的点筛选出来,其余的点被抛弃。
那么,由于原来轮廓线上的提取出来的点,存在不在筛选范围的情况,那么这些点将被筛选出去,那么在筛选范围内的点进行按照其所在的原来的轮廓线重新进行拟合,即拟合时抛弃被筛选出去的点。
通过重新拟合,则可以形成多条新的拟合线,新的拟合线所包围的区域构成新的面域。上述操作方式可以采用CAD软件进行。上述石窟的面域图可参考图3所示。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型,具体包括:
将每个所述面域转化为近似四边形,并确定所述近似四边形的四个端点;
对所述每个面域的所述四个端点采用预设方式进行编号;其中,多个所述面域的编号方式相同;
对相邻两个面域的相同编号的端点进行连接,得到有限元模型。
具体地,利用ANSYS软件,在面域上找到四个点,通过将四个点的连线所形成的四边形与所述面域最为接近,进而对这是个点进行编号,比如对先选出两个X坐标最小的两个点,在比较这两个点的Y坐标的数值,将Y坐标的数值,将其中Y坐标值最小的点,命名为1号点,继而按照顺时针方向对剩余的三个点进行依次编号。
按照上述方法对每个面域上的四个点都进行编号,然后将相邻的两个面域的编号相同的点进行连接,得到有限元模型,如图4所示,并将模型保存为.iges格式。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格,具体包括:
采用HyperMesh软件对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格。
具体地,得到的.iges格式模型导入Geomagic软件中,另存为.sat格式,将.sat文件导入HyperMesh软件中,本次采用先划分表面2D网格,再划分3D网格的方式进行划分,并将网格文件保存为.inp格式。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果,具体包括:
确定不同所述三维网格的材料属性、分析步、装配、相互作用、荷载和边界条件的参数;
根据所述参数得到对应的模型仿真结果。
进一步,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模方法,其中,所述材料属性包括结构的变形模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、密度和抗压强度。
具体地,将得到的三维网格输入至ABAQUS软件中,并按照实际需要输入相应的数值并对材料属性包括结构的变形模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、密度和抗压强度等的属性输入相应的数值。
装配设置:将石窟的各部分模型导入“装配”中,通过移动、旋转等操作将模型拼装在一起。
分析步设置:设置计算初始增量步、最小增量步、最大增量步。
相互作用设置:因本模型分块进行建模,所以在相互作用模块需添加约束,使各部分组合成整体,共同受力。
荷载及边界条件设置:本实例中只添加重力荷载;左右侧面约束X方向位移,后面约束Z方向位移,底面约束Y方向位移。
上述参数设置完成后提交计算,待计算完成后查看后处理结果,如:应力云图、位移云图等。
结合图5所示,本发明提供一种不可移动文物数值仿真建模系统,包括:
点云数据获取模块51,用于获取不可移动文物的点云数据;
坐标点获取模块52,用于根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;
面域生成模块53,用于对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;
有限元模型获取模块54,用于对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;
三维网格获取模块55,用于对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;
仿真结果生成模块56,用于对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
由于本发明实施例提供的装置,可以用于执行上述实施例所述的方法,其工作原理和有益效果类似,故此处不再详述,具体内容可参见上述实施例的介绍。
本发明提供的一种不可移动文物数值仿真建模系统,通过获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到模型仿真结果。本发明通过以前期获取的点云数据为基础,建模时做微小调整,实现精细化建模,使模型最大程度地接近实体,仿真结果相对准确,并能够揭示结构缺陷位置,推测不可移动文物的性能状态。
图6示例了一种电子设备的实体结构示意图,如图6所示,该电子设备可以包括:处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640,其中,处理器610,通信接口620,存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令,以执行一种不可移动文物数值仿真建模方法,该方法包括:获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
此外,上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面,本发明还提供一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括计算机程序,计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上,所述计算机程序被处理器执行时,计算机能够执行上述各方法所提供的一种不可移动文物数值仿真建模方法,该方法包括:获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
又一方面,本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的一种不可移动文物数值仿真建模方法,该方法包括:获取不可移动文物的点云数据;根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,包括:
获取不可移动文物的点云数据;
根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;
对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;
对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;
对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;
对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
2.根据权利要求1所述的不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,所述根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点,具体包括:
对所述点云数据进行预处理,得到预处理后的模型;
对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线;
对所述轮廓线按照预设间距进行坐标点提取,得到多个坐标点。
3.根据权利要求2所述的不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,所述对所述点云数据进行预处理,得到预处理后的模型,具体包括:
对所述点云数据中的非连接点进行删除,得到去噪后的结果;
对所述去噪后的结果进行封装,得到封装后的结果;
对所述封装后的结果进行残缺填充,得到预处理后的模型。
4.根据权利要求2所述的不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,所述对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线,具体包括:
对所述预处理后的模型的全局构建三维坐标系;
以所述三维坐标系中的第一维和第二维形成的平面,以第三维为位置度,对所述预处理后的模型进行平面截面,提取出轮廓线。
5.根据权利要求1所述的不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,所述对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域,具体包括:
筛选出所述多个坐标点中每个坐标点的第一维坐标在第一范围内,第二维坐标在第二范围内的所有坐标点;
对所述所有坐标点中每一个坐标点按照所在的原有轮廓线进行重新拟合,生成多个面域。
6.根据权利要求1所述的不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,所述对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型,具体包括:
将每个所述面域转化为近似四边形,并确定所述近似四边形的四个端点;
对所述每个面域的所述四个端点采用预设方式进行编号;其中,多个所述面域的编号方式相同;
对相邻两个面域的相同编号的端点进行连接,得到有限元模型。
7.根据权利要求1所述的不可移动文物数值仿真建模方法,其特征在于,所述对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果,具体包括:
确定不同所述三维网格的材料属性、分析步、装配、相互作用、荷载和边界条件的参数;
根据所述参数得到对应的模型仿真结果。
8.一种不可移动文物数值仿真建模系统,其特征在于,包括:
点云数据获取模块,用于获取不可移动文物的点云数据;
坐标点获取模块,用于根据所述点云数据获取所述不可移动文物表面轮廓线,并对所述表面轮廓线进行坐标点的提取,得到多个坐标点;
面域生成模块,用于对所述多个坐标点进行拟合生成多个面域;
有限元模型获取模块,用于对所述多个面域进行有限元模型构建,得到有限元模型;
三维网格获取模块,用于对所述有限元模型进行网格划分,得到对应的三维网格;
仿真结果生成模块,用于对所述三维网格进行处理,得到对应的模型仿真结果。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述不可移动文物数值仿真建模方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述不可移动文物数值仿真建模方法的步骤。
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2021
- 2021-11-30 CN CN202111448275.8A patent/CN114241154A/zh active Pending
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